Mecanismo de transferencia

MECANISMO DE TRANSFERENCIA DE CALOR

La transmisión de calor por conducción puede realizarse en cualquiera de los tres estados de la materia: sólido líquido y gaseoso.
Para explicar el mecanismo físico de la conducción, pensemos en un gas en el que existe un gradiente de temperaturas y no hay movimiento global. El gas ocupa todo el espacio entre las dos superficies como se muestra en la figura1. Asociamos la temperatura del gas en cualquier punto con la energía que poseen sus moléculas en las proximidades de dicho punto. Cuando las moléculas vecinas chocan ocurre una transferencia de energía desde las moléculas más energéticas a las menos energéticas. En presencia de un gradiente de temperaturas la transferencia de calor por conducción debe ocurrir en el sentido de la temperaturadecreciente, esto es en la dirección positiva del eje de las x.
En los líquidos la situación es muy similar que en los gases, aunque las moléculas están menos espaciadas y las interacciones son más fuertes y frecuentes.
En los sólidos la conducción se produce por cesión de energía entre partículas contiguas (vibraciones reticulares). En un sólido no conductor la transferencia de energía ocurresolamente por estas vibraciones reticulares, en cambio en los sólidos conductores se debe
también al movimiento de traslación de los electrones libres.
La conducción en un medio material, goza pues de un soporte, que son sus propias moléculas y se puede decir que macroscópicamente no involucra transporte de materia.


Figura 1.- Asociación de la transferencia de calor por conducción con ladifusión de energía debida a la actividad molecular

CONDUCCIÓN
Es la transferencia de energía desde las partículas mas energizadas a las partículas adyacentes menos energizadas como resultado de una interacción entre ellas. La conducción ocurre en sólidos, líquidos y gases. En los líquidos y gases, la conducción se debe a las colisiones y difusión de las moléculas durante su movimiento aleatorio. Enlos sólidos, se debe a la combinación de vibraciones de las moléculas en una estructura y la energía transportada por los electrones libres.
El ratio de conducción de calor a través de una capa plana es proporcional a la diferencia de temperatura a través de la capa y el área de transferencia de calor, pero es inversamente proporcional al espesor de la capa.
En donde k se conoce como laconductividad térmica del Material, que no es más que una medida de la habilidad de un material para conducir calor. También puede ser definida como la proporción de calor transferido a través de una unidad de espesor del material por unidad de área por unidad de diferencia de temperatura. Sus unidades son: W /m * °C .
La conducción es el único mecanismo de transmisión del calor posible en los mediossólidos opacos. Cuando en estos cuerpos existe un gradiente de temperatura en la dirección x, el calor se transmite de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura, siendo el calor
transmitido por conducción k Q , proporcional al gradiente de temperatura dT dx , y a la superficie A , a través de la cual se transfiere, esto es:



en donde T es la temperatura y x la dirección delflujo de calor (no el sentido).
El flujo real de calor depende de la conductividad térmica k , que es una propiedad física del cuerpo, por lo que la ecuación anterior se puede expresar en la forma:



Ecuacion 1
en la que si la superficie A de intercambio térmico se expresa en m2 , la temperatura en Kelvin (K ) , la distancia x en metros y la transmisión del calor en W , las unidades de kserán W / mK .

La ecuación 1 se conoce como Ley de Fourier.


Figura 2.- Convenio de signos para la transmisión del calor por conducción

El signo menos (-) es consecuencia del Segundo Principio de la Termodinámica, según el cual, el calor debe fluir hacia la zona de temperatura más baja (figura 2). El gradiente de temperaturas es negativo si la temperatura disminuye para valores...