Principios básicos de transferencia de calor

I.- PRINCIPIOS BÁSICOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

I.1.- INTRODUCCIÓN La Ingeniería Térmica trata de los procesos de transferencia de calor y la metodología para calcular la velocidad conque éstos se producen para así diseñar los componentes y sistemas en los que tiene lugar una transferencia de calor. A título de ejemplo, determinados casos de diseño requieren disminuir las cantidades de calortransferido mediante un aislante térmico; otros implican procesos de transferencia de calor de un fluido a otro mediante intercambiadores de calor; a veces el problema de diseño es controlar térmicamente un proceso manteniendo las temperaturas de funcionamiento de los componentes sensibles al calor dentro de unos márgenes predeterminados, etc. De todo esto se desprende que la transferencia decalor abarca una amplia gama de fenómenos físicos que hay que comprender antes de proceder a desarrollar la metodología que conduzca al diseño térmico de los sistemas correspondientes. Siempre que existe una diferencia de temperatura, la energía se transfiere de la región de mayor temperatura a la de temperatura más baja; de acuerdo con los conceptos termodinámicos la energía que se transfiere comoresultado de una diferencia de temperatura, es el calor. Sin embargo, aunque las leyes de la termodinámica tratan de la transferencia de energía, sólo se aplican a sistemas que están en equilibrio; pueden utilizarse para predecir la cantidad de energía requerida para cambiar un sistema de un estado de equilibrio a otro, pero no sirven para predecir la rapidez (tiempo) con que puedan producirseestos cambios. La fenomenología que estudia la transmisión del calor complementa los Principios Primero y Segundo de la Termodinámica clásica, proporcionando unos métodos de análisis que permiten predecir esta velocidad de transferencia térmica. Para ilustrar los diferentes tipos de información que se pueden obtener desde ambos puntos
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de vista, (termodinámico y transferencia de calor)consideraremos, a título de ejemplo, el calentamiento de una barra de acero inmersa en agua caliente. Los principios termodinámicos se pueden utilizar para predecir las temperaturas finales una vez los dos sistemas hayan alcanzado el equilibrio y la cantidad de energía transferida entre los estados de equilibrio inicial y final, pero nada nos dicen respecto a la velocidad de la transferencia térmica, ola temperatura de la barra al cabo de un cierto tiempo, o del tiempo que hay que esperar para obtener una temperatura determinada en una cierta posición de la barra. Por otra parte, un análisis de la transmisión del calor permite predecir la velocidad de la transferencia térmica del agua a la barra y de esta información se puede calcular la temperatura de la barra, así como la temperatura del aguaen función del tiempo. Para proceder a realizar un análisis completo de la transferencia del calor es necesario considerar tres mecanismos diferentes, conducción, convección y radiación. El diseño y proyecto de los sistemas de intercambio de calor y conversión energética requieren de cierta familiaridad con cada uno de estos mecanismos, así como de sus interacciones; consideraremos, en primerlugar, los principios básicos de la transmisión del calor y algunas aplicaciones simples, que pueden ser de utilidad en capítulos posteriores, en los que serán tratados con detalle cada uno de los mecanismos de esta transferencia térmica. I.2.- TRANSMISIÓN DE CALOR POR CONDUCCIÓN La conducción es el único mecanismo de transmisión del calor posible en los medios sólidos opacos; cuando en estos cuerposexiste un gradiente de temperatura, el calor se transmite de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura, siendo el calor transmitido por conducción Qk, proporcional al gradiente de temperatura dT/dx, y a la superficie A, a través de la cual se transfiere, Fig I.1.a, es decir: Qk ≅ A dT dx

en donde T es la temperatura y x la dirección del flujo de calor.

Fig I.1- Convenio de...