Leyes Básicas, transferencia de calor

II

Leyes básicas de la
transferencia de calor

1. Transferencia de calor por conducción.
1.1 Conductividad térmica
1.2 La ley de Fourier de la conducción.
2. Transferencia de calor por convección.
2.1 ¿Newton formuló la ley de la convección?
2.2 Coeficiente convectivo promedio.
3. Transferencia de calor por radiación.
3.1 Radiación térmica.
3.1.1 Tasa de emisión de un cuerpo negro.3.1.2 Potencia emisiva monocromática.
3.1.3 Tasa de emisión de un cuerpo gris.
3.1.4 Tasa de emisión de una superficie real.
3.2 Transferencia de calor por radiación entre dos superficies.
3.2.1 Resistencia térmica por radiación.
3.3 Balance de energía con superficies que transfieren calor por radiación.
4. Flujos simultáneos de calor.
4.1 Transferencia de calor en un calentador de aguacasero.
4.1.1 Permanencia y uniformidad.
4.2 Coeficiente global de transferencia de calor.
4.3 Resistencias térmicas en serie y en paralelo.
Ejercicios propuestos.
Referencias.

En este capítulo se conocerán las ecuaciones constitutivas —o leyes básicas— de los tres modos
de transferencia de calor: conducción, convección y radiación. Cada una de estas tres leyes básicas se
denomina,habitualmente, por el nombre de un científico a quien se le reconoce el mérito de haberla
formulado por vez primera. La denominación tradicional no siempre es del todo justa o atinada, como se
podrá ver más adelante en el caso de la ley básica de la convección.
Estas tres leyes básicas definen el fenómeno de transferencia de calor, en cada uno de sus modos,
establecen qué variables físicas estáninvolucradas y cuál es la relación funcional que mantienen entre
si estas variables. Las leyes nos permitirán cuantificar la tasa de transferencia de calor por conducción,
convección o radiación. Para redactar estas leyes emplearemos la notación moderna más difundida,
expresando siempre las magnitudes físicas en unidades del Sistema Internacional.

1. Transferencia de calor por conducción.
Laconducción es el proceso mediante el cual se transmite el calor en cualquier medio sólido, pero
el calor también se conduce a través de una sustancia fluida que permanece inmóvil. El primer
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Johann Heinrich Lambert
Nació el 26 de agosto de 1728, en Mülhausen, Alsacia, Francia; murió el 25 de septiembre de 1777 en Berlin,
Prusia (ahora Alemania).
Su padre y abuelo fueron sastres. Lambertabandonó la escuela a los doce años, para ayudar a su padre
en ese oficio, pero continuó estudiando por si mismo. A los veinte años ingresó a la casa del conde Peter
von Salis, como tutor del nieto del conde. Ahí tuvo acceso a una gran biblioteca, lo que le permitió continuar
sus estudios de matemáticas, astronomía y filosofía. Su primer trabajo científico, sobre la teoría del calor y
el“calórico”, se publicó en 1755 en el volumen 2 de Acta Helvetica, la revista publicada por Societas
Helvetica (la sociedad científica suiza) [5]. La obra póstuma de Lambert, —Pyrometrie, probablemente su
obra de mayor relevancia — está dedicada al estudio del calor y se publicó en 1779 [2].

tratamiento teórico —y los primeros estudios experimentales sobre conducción— los efectuó Jean Baptiste
Biot,entre 1802 y 1803 [1]. Biot se inspiró en un trabajo previo sobre la teoría del calor, publicado en forma
póstuma por Johann Heinrich Lambert en 1779 [3].
Lambert razonó sobre lo que sucedería con una varilla metálica esbelta, expuesta en uno de sus
extremos a la acción constante de una fuente de calor 1. Las partes cercanas al foco de calor se deben
calentar primero y, gradualmente, el calorse comunica a los lugares más distantes. Después de un cierto
tiempo, cada lugar debe obtener cierta temperatura que ya no aumenta más, sin importar cuanto dure
el experimento y mientras la aplicación de la fuente de calor continúe. Además, la temperatura en cada
posición de la barra debe ser menor conforme se avance cada vez más lejos de la fuente de calor.
En palabras modernas, Lambert...