Transferencia de calor

TRANSFERENCIA DE CALOR
Es el proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están en distinto nivel energético. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otrosdos.
La conducción requiere contacto físico entre los cuerpos que intercambian calor, pero en la radiación no hace falta que los cuerpos estén en contacto ni que haya materia entre ellos. La convección se produce a través del movimiento de un líquido o un gas en contacto con un cuerpo de temperatura diferente.
Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente porconducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.
1) Conducción
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremomás frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor.
Fórmulas y leyes
Elflujo de calor conducido a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).
Campo de temperatura: T = T(x;y;z;t)
t: tiempo
Campo estacionario: T = T(x;y;z)
Gradiente térmico: ÑT = ∂T.i /∂x + ∂T.j /∂y + ∂T.k /∂z = ∂T/∂A | n /m.a
i,j, k, n: versores
La variación de temperatura por unidad de longitudse denomina gradiente de temperatura: ΔT/L.
Intensidad de flujo de calor: Φ = ΔQ/ΔA.Δt [J/m ².s] =[watt/m ²] [cal/cm ².h]
Flujo: H = ΔQ/Δt [J/s] =[watt] [cal/h]
Flujo lineal: H = k.A.ΔT/L [J/s] =[watt] [cal/h]
Flujo radial: H = 2.π.k.L.ΔT/ln (r2/r1) [J/s] =[watt] [cal/h]
Flujo esférico: H = 4.π.k.r1.r2.ΔT/(r2- r1) [J/s] =[watt] [cal/h]
H: flujo de calor [J/s].
k: conductividad térmica delmaterial [J/s.m.°C].
A: sección de conducción.
L: longitud desde el punto de más calor al de menos calor.
a) Régimen estacionario: Φ = - λ .ÑT
b) Régimen estacionario y flujo en una sola dirección: ΔQ = - λ .ΔA.ΔT.Δt.Δl
c) Régimen no estacionario: Ñ ²T = ∂T ²/∂x ² + ∂T ²/∂y2 + ∂T2/∂z2 = ∂T/ α .∂t
α = λ /ce.Δ
Procedimiento general: i - se resuelve (c), obteniendo T.
ii - con (a) se calcula Φ.
iii - con Φ se calcula H.
El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes.Convección
Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección.
El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si ellíquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su...