Transferencia de calor

Transporte de energía térmica en sistemas físicos

Simulación de convección térmica en el manto terrestre . Los colores van del rojo y el verde al azul con temperaturas decrecientes. Una capa límite inferior caliente y menos densa envía columnas de material caliente hacia arriba y el material frío de la parte superior se mueve hacia abajo.

La transferencia de calor es una disciplina de la ingeniería térmica que se ocupa de la generación, el uso, la conversión y el intercambio de energía térmica ( calor ) entre sistemas físicos. La transferencia de calor se clasifica en diversos mecanismos, tales como la conducción térmica , de convección térmica , radiación térmica , y la transferencia de energía por cambios de fase . Los ingenieros también consideran la transferencia de masa de diferentes especies químicas, ya sea fría o caliente, para lograr la transferencia de calor. Si bien estos mecanismos tienen características distintas, a menudo ocurren simultáneamente en el mismo sistema.

La conducción de calor, también llamada difusión, es el intercambio microscópico directo de energía cinética de partículas a través del límite entre dos sistemas. Cuando un objeto está a una temperatura diferente a la de otro cuerpo o su entorno, el calor fluye de manera que el cuerpo y el entorno alcanzan la misma temperatura, momento en el que se encuentran en equilibrio térmico . Tal transferencia de calor espontánea siempre ocurre desde una región de alta temperatura a otra región de temperatura más baja, como se describe en la segunda ley de la termodinámica .

La convección de calor ocurre cuando el flujo masivo de un fluido (gas o líquido) transporta calor junto con el flujo de materia en el fluido. El flujo de fluido puede verse forzado por procesos externos o, a veces (en campos gravitacionales) por fuerzas de flotación provocadas cuando la energía térmica expande el fluido (por ejemplo, en una columna de fuego), lo que influye en su propia transferencia. Este último proceso a menudo se denomina "convección natural". Todos los procesos convectivos también mueven el calor en parte también por difusión. Otra forma de convección es la convección forzada. En este caso, el fluido se fuerza a fluir mediante el uso de una bomba, ventilador u otros medios mecánicos.

La radiación térmica se produce a través del vacío o cualquier medio transparente ( sólido o fluido o gas ). Es la transferencia de energía mediante fotones en ondas electromagnéticas regidas por las mismas leyes. ^[1]

Resumen

Ver también: Física de la transferencia de calor

Intensidad de radiación térmica de onda larga de la Tierra , procedente de nubes, atmósfera y superficie.

El calor se define en física como la transferencia de energía térmica a través de un límite bien definido alrededor de un sistema termodinámico . La energía libre termodinámica es la cantidad de trabajo que puede realizar un sistema termodinámico. La entalpía es un potencial termodinámico , designado por la letra "H", que es la suma de la energía interna del sistema (U) más el producto de la presión (P) y el volumen (V). Joule es una unidad para cuantificar la energía , el trabajo o la cantidad de calor.

La transferencia de calor es una función de proceso (o función de trayectoria), a diferencia de las funciones de estado ; por lo tanto, la cantidad de calor transferido en un proceso termodinámico que cambia el estado de un sistema depende de cómo ocurre ese proceso, no solo de la diferencia neta entre los estados inicial y final del proceso.

La transferencia de calor termodinámica y mecánica se calcula con el coeficiente de transferencia de calor , la proporcionalidad entre el flujo de calor y la fuerza impulsora termodinámica para el flujo de calor. El flujo de calor es una representación vectorial cuantitativa del flujo de calor a través de una superficie. ^[2]

En contextos de ingeniería, el término calor se toma como sinónimo de energía térmica. Este uso tiene su origen en la interpretación histórica del calor como un fluido ( calórico ) que puede ser transferido por diversas causas, ^[3] y que también es común en el lenguaje de los laicos y de la vida cotidiana.

Las ecuaciones de transporte de energía térmica ( ley de Fourier ), momento mecánico ( ley de Newton para fluidos ) y transferencia de masa ( leyes de difusión de Fick ) son similares, ^{[4] [5]} y se han desarrollado analogías entre estos tres procesos de transporte para facilitar predicción de la conversión de unos a otros. ^[5]

La ingeniería térmica se refiere a la generación, uso, conversión e intercambio de transferencia de calor. Como tal, la transferencia de calor está involucrada en casi todos los sectores de la economía. ^[6] La transferencia de calor se clasifica en diversos mecanismos, tales como la conducción térmica , de convección térmica , radiación térmica , y la transferencia de energía por cambios de fase .

Mecanismos

Los modos fundamentales de transferencia de calor son:

Advección

La advección es el mecanismo de transporte de un fluido de un lugar a otro y depende del movimiento y la cantidad de movimiento de ese fluido.

Conducción o difusión

La transferencia de energía entre objetos que están en contacto físico. La conductividad térmica es la propiedad de un material para conducir el calor y se evalúa principalmente en términos de la ley de Fourier para la conducción del calor.

Convección

La transferencia de energía entre un objeto y su entorno, debido al movimiento de un fluido. La temperatura promedio es una referencia para evaluar las propiedades relacionadas con la transferencia de calor por convección.

Radiación

La transferencia de energía por emisión de radiación electromagnética .

Advección

Al transferir materia, la energía, incluida la térmica, se mueve mediante la transferencia física de un objeto frío o caliente de un lugar a otro. ^[7] Esto puede ser tan simple como colocar agua caliente en una botella y calentar un lecho, o el movimiento de un iceberg en las cambiantes corrientes oceánicas. Un ejemplo práctico es la hidráulica térmica . ^{[ cita requerida ]} Esto se puede describir mediante la fórmula:

${\displaystyle \phi _{q}=v\rho c_{p}\Delta T}$

dónde

• ${\displaystyle \phi _{q}}$es el flujo de calor (W / m ² ),
• ${\displaystyle \rho }$es la densidad (kg / m ³ ),
• ${\displaystyle c_{p}}$ es la capacidad calorífica a presión constante (J / kg · K),
• ${\displaystyle \Delta T}$ es la diferencia de temperatura (K),
• ${\displaystyle v}$ es la velocidad (m / s).

Conducción

Artículo principal: conducción térmica

A escala microscópica, la conducción de calor se produce cuando los átomos y las moléculas calientes, que se mueven rápidamente o que vibran, interactúan con los átomos y moléculas vecinos, transfiriendo parte de su energía (calor) a estas partículas vecinas. En otras palabras, el calor se transfiere por conducción cuando los átomos adyacentes vibran entre sí, o cuando los electrones se mueven de un átomo a otro. La conducción es el medio más importante de transferencia de calor dentro de un sólido o entre objetos sólidos en contacto térmico . Los fluidos, especialmente los gases, son menos conductores. La conductancia de contacto térmico es el estudio de la conducción de calor entre cuerpos sólidos en contacto. ^[8]El proceso de transferencia de calor de un lugar a otro sin el movimiento de partículas se llama conducción, como cuando se coloca una mano sobre un vaso de agua fría; el calor se conduce de la piel caliente al vaso frío, pero si la mano está sostenido a unos centímetros del vidrio, se produciría poca conducción ya que el aire es un mal conductor del calor. La conducción en estado estacionario es un modelo idealizado de conducción que ocurre cuando la diferencia de temperatura que impulsa la conducción es constante, de modo que después de un tiempo, la distribución espacial de temperaturas en el objeto conductor no cambia más (ver la ley de Fourier ). ^[9]En la conducción en estado estacionario, la cantidad de calor que ingresa a una sección es igual a la cantidad de calor que sale, ya que el cambio de temperatura (una medida de energía térmica) es cero. ^[8] Un ejemplo de conducción en estado estable es el flujo de calor a través de las paredes de una casa cálida en un día frío; el interior de la casa se mantiene a una temperatura alta y, en el exterior, la temperatura se mantiene baja, por lo que la transferencia de calor por unidad de tiempo permanece cerca de una tasa constante determinada por el aislamiento en la pared y la distribución espacial de la temperatura en las paredes será aproximadamente constante en el tiempo.

La conducción transitoria (ver Ecuación de calor ) ocurre cuando la temperatura dentro de un objeto cambia en función del tiempo. El análisis de sistemas transitorios es más complejo y las soluciones analíticas de la ecuación de calor solo son válidas para sistemas modelo idealizados. Las aplicaciones prácticas se investigan generalmente mediante métodos numéricos, técnicas de aproximación o estudios empíricos. ^[8]

Convección

Artículo principal: Convección

El flujo de fluido puede verse forzado por procesos externos o, a veces (en campos gravitacionales) por fuerzas de flotación provocadas cuando la energía térmica expande el fluido (por ejemplo, en una columna de fuego), lo que influye en su propia transferencia. Este último proceso a menudo se denomina "convección natural". Todos los procesos convectivos también mueven el calor en parte también por difusión. Otra forma de convección es la convección forzada. En este caso, el fluido se fuerza a fluir mediante el uso de una bomba, ventilador u otros medios mecánicos.

La transferencia de calor por convección , o convección, es la transferencia de calor de un lugar a otro mediante el movimiento de fluidos , un proceso que es esencialmente la transferencia de calor a través de la transferencia de masa . El movimiento masivo del fluido mejora la transferencia de calor en muchas situaciones físicas, como (por ejemplo) entre una superficie sólida y el fluido. ^[10] La convección suele ser la forma dominante de transferencia de calor en líquidos y gases. Aunque a veces se discute como un tercer método de transferencia de calor, la convección se usa generalmente para describir los efectos combinados de la conducción de calor dentro del fluido (difusión) y la transferencia de calor por flujo de flujo de fluido a granel. ^[11]El proceso de transporte por flujo de fluidos se conoce como advección, pero la advección pura es un término que generalmente se asocia solo con el transporte de masa en fluidos, como la advección de guijarros en un río. En el caso de la transferencia de calor en fluidos, donde el transporte por advección en un fluido siempre va acompañado de transporte por difusión de calor (también conocido como conducción de calor), se entiende que el proceso de convección de calor se refiere a la suma del transporte de calor por advección y difusión / conducción.

La convección libre, o natural, ocurre cuando los movimientos del fluido a granel (corrientes y corrientes) son causados ​​por fuerzas de flotación que resultan de variaciones de densidad debido a variaciones de temperatura en el fluido. La convección forzada es un término que se usa cuando las corrientes y corrientes en el fluido son inducidas por medios externos, como ventiladores, agitadores y bombas, creando una corriente de convección inducida artificialmente. ^[12]

Refrigeración por convección

Véase también: número de Nusselt

El enfriamiento por convección a veces se describe como la ley de enfriamiento de Newton :

La tasa de pérdida de calor de un cuerpo es proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y su entorno .

Sin embargo, por definición, la validez de la ley de enfriamiento de Newton requiere que la tasa de pérdida de calor por convección sea una función lineal de ("proporcional a") la diferencia de temperatura que impulsa la transferencia de calor, y en el enfriamiento por convección este no es el caso a veces. . En general, la convección no depende linealmente de los gradientes de temperatura y, en algunos casos, es fuertemente no lineal. En estos casos, no se aplica la ley de Newton.

Convección frente a conducción

En un cuerpo de fluido que se calienta desde debajo de su recipiente, se puede considerar que la conducción y la convección compiten por el dominio. Si la conducción de calor es demasiado grande, el fluido que desciende por convección se calienta por conducción tan rápido que su movimiento descendente se detendrá debido a su flotabilidad , mientras que el fluido que sube por convección se enfría por conducción tan rápido que su flotabilidad de conducción disminuirá. Por otro lado, si la conducción de calor es muy baja, se puede formar un gran gradiente de temperatura y la convección puede ser muy fuerte.

El número de Rayleigh ( ) es el producto de los números de Grashof ( ) y Prandtl ( ). Es una medida que determina la fuerza relativa de conducción y convección. ^[13]${\displaystyle {\rm {Ra}}}$${\displaystyle {\rm {Gr}}}$${\displaystyle {\rm {Pr}}}$

${\displaystyle \mathrm {Ra} =\mathrm {Gr} \cdot \mathrm {Pr} ={\frac {g\Delta \rho L^{3}}{\mu \alpha }}={\frac {g\beta \Delta TL^{3}}{\nu \alpha }}}$

dónde

• g es la aceleración debida a la gravedad,
• ρ es la densidad siendo la diferencia de densidad entre los extremos inferior y superior,${\displaystyle \Delta \rho }$
• μ es la viscosidad dinámica ,
• α es la difusividad térmica ,
• β es la expansividad térmica volumétrica (a veces se denota α en otro lugar),
• T es la temperatura,
• ν es la viscosidad cinemática , y
• L es la longitud característica.

El número de Rayleigh puede entenderse como la relación entre la tasa de transferencia de calor por convección y la tasa de transferencia de calor por conducción; o, de manera equivalente, la relación entre las escalas de tiempo correspondientes (es decir, la escala de tiempo de conducción dividida por la escala de tiempo de convección), hasta un factor numérico. Esto se puede ver de la siguiente manera, donde todos los cálculos dependen de factores numéricos dependiendo de la geometría del sistema.

La fuerza de flotabilidad que impulsa la convección es aproximadamente , por lo que la presión correspondiente es aproximadamente . En estado estacionario , esto se cancela por el esfuerzo cortante debido a la viscosidad y, por lo tanto , es aproximadamente igual , donde V es la velocidad típica del fluido debido a la convección y el orden de su escala de tiempo. ^{[ cita requerida ]} La escala de tiempo de conducción, por otro lado, es del orden de .${\displaystyle g\Delta \rho L^{3}}$${\displaystyle g\Delta \rho L}$${\displaystyle \mu V/L=\mu /T_{\rm {conv}}}$${\displaystyle T_{\rm {conv}}}$${\displaystyle T_{\rm {cond}}=L^{2}/\alpha }$

La convección ocurre cuando el número de Rayleigh está por encima de 1,000-2,000.

Radiación

Objeto de hierro al rojo vivo, que transfiere calor al entorno circundante a través de la radiación térmica.

La radiación térmica se produce a través del vacío o cualquier medio transparente ( sólido o fluido o gas ). Es la transferencia de energía mediante fotones en ondas electromagnéticas regidas por las mismas leyes. ^[1]

La radiación térmica es la energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas, debido a la acumulación de energía térmica en toda la materia con una temperatura superior al cero absoluto . La radiación térmica se propaga sin la presencia de materia a través del vacío del espacio. ^[14]

La radiación térmica es un resultado directo de los movimientos aleatorios de átomos y moléculas en la materia. Dado que estos átomos y moléculas están compuestos de partículas cargadas ( protones y electrones ), su movimiento da como resultado la emisión de radiación electromagnética , que aleja la energía de la superficie.

La ecuación de Stefan-Boltzmann , que describe la tasa de transferencia de energía radiante, es la siguiente para un objeto en el vacío:

${\displaystyle \phi _{q}=\epsilon \sigma T^{4}.}$

Para la transferencia radiativa entre dos objetos, la ecuación es la siguiente:

${\displaystyle \phi _{q}=\epsilon \sigma F(T_{a}^{4}-T_{b}^{4}),}$

dónde

• ${\displaystyle \phi _{q}}$es el flujo de calor ,
• ${\displaystyle \epsilon }$es la emisividad (unidad para un cuerpo negro ),
• ${\displaystyle \sigma }$es la constante de Stefan-Boltzmann ,
• ${\displaystyle F}$es el factor de vista entre dos superficies ayb, ^[15] y
• ${\displaystyle T_{a}}$y son las temperaturas absolutas (en kelvin o grados Rankine ) de los dos objetos.${\displaystyle T_{b}}$

Por lo general, la radiación solo es importante para objetos muy calientes o para objetos con una gran diferencia de temperatura.

La radiación del sol, o la radiación solar, se puede aprovechar para generar calor y energía. ^[16] A diferencia de las formas conductoras y convectivas de transferencia de calor, la radiación térmica, que llega dentro de un ángulo estrecho, es decir, proviene de una fuente mucho más pequeña que su distancia, se puede concentrar en un lugar pequeño mediante el uso de espejos reflectantes, que se aprovecha para concentrar la energía solar generación o un vaso ardiendo . ^[17] Por ejemplo, la luz solar reflejada por los espejos calienta la torre de energía solar PS10 y durante el día puede calentar el agua a 285 ° C (545 ° F). ^{[ cita requerida ]}

La temperatura alcanzable en el objetivo está limitada por la temperatura de la fuente de radiación caliente. (La ley T ⁴ permite que se eleve el flujo inverso de radiación de regreso a la fuente). El (en su superficie) un sol caliente de 4000 K permite alcanzar aproximadamente 3000 K (o 3000 ° C, que es aproximadamente 3273 K) a una pequeña sonda en el punto de enfoque de un gran espejo cóncavo de concentración del horno solar Mont-Louis en Francia. ^[18]

Transición de fase

El rayo es una forma de transferencia de energía muy visible y es un ejemplo de plasma presente en la superficie de la Tierra. Por lo general, los rayos descargan 30.000 amperios a hasta 100 millones de voltios y emite luz, ondas de radio, rayos X e incluso rayos gamma. ^[19] Las temperaturas del plasma en los rayos pueden acercarse a 28.000 kelvin (27.726,85 ° C) (49.940,33 ° F) y las densidades de electrones pueden superar los 10 ²⁴ m ⁻³ .

La transición de fase o cambio de fase, tiene lugar en un sistema termodinámico de una fase o estado de la materia a otra por transferencia de calor. Los ejemplos de cambio de fase son el derretimiento del hielo o la ebullición del agua. La ecuación de Mason explica el crecimiento de una gota de agua basándose en los efectos del transporte de calor sobre la evaporación y la condensación.

Las transiciones de fase involucran los cuatro estados fundamentales de la materia :

• Sólido : deposición, congelación y transformación de sólido a sólido.
• Gas : ebullición / evaporación, recombinación  /  desionización y sublimación .
• Líquido : condensación y fusión / fusión .
• Plasma - Ionización .

Hervir

Ebullición nucleada de agua.

El punto de ebullición de una sustancia es la temperatura a la que la presión de vapor del líquido es igual a la presión que rodea al líquido ^{[20] [21]} y el líquido se evapora dando como resultado un cambio brusco en el volumen de vapor.

En un sistema cerrado , la temperatura de saturación y el punto de ebullición significan lo mismo. La temperatura de saturación es la temperatura para una presión de saturación correspondiente a la que un líquido hierve en su fase de vapor. Se puede decir que el líquido está saturado de energía térmica. Cualquier adición de energía térmica da como resultado una transición de fase.

A presión atmosférica estándar y bajas temperaturas , no se produce ebullición y la tasa de transferencia de calor se controla mediante los mecanismos monofásicos habituales. A medida que aumenta la temperatura de la superficie, se produce ebullición local y las burbujas de vapor se nuclean, crecen en el fluido más frío circundante y colapsan. Se trata de ebullición nucleada subenfriada y es un mecanismo de transferencia de calor muy eficaz. A altas tasas de generación de burbujas, las burbujas comienzan a interferir y el flujo de calor ya no aumenta rápidamente con la temperatura de la superficie (esta es la desviación de la ebullición nucleada o DNB).

A presión atmosférica estándar similar y altas temperaturas , se alcanza el régimen hidrodinámicamente más silencioso de ebullición de la película . Los flujos de calor a través de las capas estables de vapor son bajos, pero aumentan lentamente con la temperatura. Cualquier contacto entre el fluido y la superficie que pueda verse probablemente conduce a la nucleación extremadamente rápida de una nueva capa de vapor (" nucleación espontánea "). Aún a temperaturas más altas, se alcanza un máximo en el flujo de calor (el flujo de calor crítico , o CHF).

El efecto Leidenfrost demuestra cómo la ebullición nucleada ralentiza la transferencia de calor debido a las burbujas de gas en la superficie del calentador. Como se mencionó, la conductividad térmica de la fase gaseosa es mucho más baja que la conductividad térmica de la fase líquida, por lo que el resultado es una especie de "barrera térmica de gas".

Condensación

La condensación ocurre cuando un vapor se enfría y cambia su fase a un líquido. Durante la condensación, debe liberarse el calor latente de vaporización . La cantidad de calor es la misma que se absorbe durante la vaporización a la misma presión de fluido. ^[22]

Hay varios tipos de condensación:

• Condensación homogénea, como durante la formación de niebla.
• Condensación en contacto directo con líquido subenfriado.
• Condensación en contacto directo con una pared de enfriamiento de un intercambiador de calor: este es el modo más común utilizado en la industria:
  • La condensación en forma de película es cuando se forma una película líquida en la superficie subenfriada y generalmente ocurre cuando el líquido humedece la superficie.
  • La condensación gota a gota es cuando se forman gotas de líquido en la superficie subenfriada, y generalmente ocurre cuando el líquido no moja la superficie.

La condensación gota a gota es difícil de mantener de forma fiable; por lo tanto, los equipos industriales normalmente están diseñados para operar en modo de condensación en forma de película.

Derritiendo

Hielo derritiendose

La fusión es un proceso térmico que da como resultado la transición de fase de una sustancia de sólido a líquido . La energía interna de una sustancia aumenta, generalmente con el calor o la presión, lo que resulta en un aumento de su temperatura hasta el punto de fusión , en el que el orden de las entidades iónicas o moleculares en el sólido se descompone a un estado menos ordenado y el sólido se licua. . Las sustancias fundidas generalmente tienen una viscosidad reducida con temperatura elevada; una excepción a esta máxima es el elemento azufre , cuya viscosidad aumenta hasta cierto punto debido a la polimerización y luego disminuye con temperaturas más altas en su estado fundido. ^[23]

Enfoques de modelado

La transferencia de calor se puede modelar de varias formas.

Ecuación de calor

La ecuación del calor es una ecuación diferencial parcial importante que describe la distribución del calor (o la variación de temperatura) en una región determinada a lo largo del tiempo. En algunos casos, se dispone de soluciones exactas de la ecuación; ^[24] en otros casos, la ecuación debe resolverse numéricamente utilizando métodos computacionales tales como modelos basados ​​en DEM para sistemas de partículas térmicas / reactivas (como lo revisaron críticamente Peng et al. ^[25] ).

Análisis del sistema agrupado

El análisis de sistemas agrupados a menudo reduce la complejidad de las ecuaciones a una ecuación diferencial lineal de primer orden, en cuyo caso el calentamiento y el enfriamiento se describen mediante una solución exponencial simple, a menudo denominada ley de enfriamiento de Newton .

El análisis del sistema mediante el modelo de capacitancia concentrada es una aproximación común en la conducción transitoria que puede usarse siempre que la conducción de calor dentro de un objeto sea mucho más rápida que la conducción de calor a través del límite del objeto. Este es un método de aproximación que reduce un aspecto del sistema de conducción transitoria, el que está dentro del objeto, a un sistema de estado estable equivalente. Es decir, el método asume que la temperatura dentro del objeto es completamente uniforme, aunque su valor puede estar cambiando con el tiempo.

En este método , se calcula la relación entre la resistencia al calor por conducción dentro del objeto y la resistencia a la transferencia de calor por convección a través del límite del objeto, conocida como número de Biot . Para números de Biot pequeños, se puede utilizar la aproximación de la temperatura espacialmente uniforme dentro del objeto : se puede suponer que el calor transferido al objeto tiene tiempo para distribuirse uniformemente, debido a la menor resistencia a hacerlo, en comparación con la resistencia a calor que entra en el objeto. ^[26]

Modelos climáticos

Los modelos climáticos estudian la transferencia de calor radiante mediante el uso de métodos cuantitativos para simular las interacciones de la atmósfera, los océanos, la superficie terrestre y el hielo.

Ingeniería

Exposición al calor como parte de una prueba de fuego para productos cortafuegos

La transferencia de calor tiene una amplia aplicación al funcionamiento de numerosos dispositivos y sistemas. Los principios de transferencia de calor pueden usarse para conservar, aumentar o disminuir la temperatura en una amplia variedad de circunstancias. ^{[ cita requerida ]} Los métodos de transferencia de calor se utilizan en numerosas disciplinas, como la ingeniería automotriz , la gestión térmica de dispositivos y sistemas electrónicos , el control del clima , el aislamiento , el procesamiento de materiales y la ingeniería de centrales eléctricas .

Aislamiento, resplandor y resistencia

Los aislantes térmicos son materiales diseñados específicamente para reducir el flujo de calor limitando la conducción, la convección o ambas. La resistencia térmica es una propiedad del calor y la medida por la cual un objeto o material resiste al flujo de calor (calor por unidad de tiempo o resistencia térmica) a la diferencia de temperatura.

El resplandor o resplandor espectral son medidas de la cantidad de radiación que pasa o se emite. Las barreras radiantes son materiales que reflejan la radiación y, por lo tanto, reducen el flujo de calor de las fuentes de radiación. Los buenos aislantes no son necesariamente buenas barreras radiantes y viceversa. El metal, por ejemplo, es un excelente reflector y un mal aislante.

La eficacia de una barrera radiante está indicada por su reflectividad , que es la fracción de radiación reflejada. Un material con una alta reflectividad (a una determinada longitud de onda) tiene una baja emisividad (a esa misma longitud de onda) y viceversa. En cualquier longitud de onda específica, reflectividad = 1 - emisividad. Una barrera radiante ideal tendría una reflectividad de 1 y, por lo tanto, reflejaría el 100 por ciento de la radiación entrante. Los frascos de vacío , o Dewars, están plateados para acercarse a este ideal. En el vacío del espacio, los satélites utilizan aislamiento multicapa , que consta de muchas capas de Mylar aluminizado (brillante) para reducir en gran medida la transferencia de calor por radiación y controlar la temperatura del satélite. ^{[cita requerida ]}

Dispositivos

Flujo esquemático de energía en una máquina térmica.

Un motor térmico es un sistema que realiza la conversión de un flujo de energía térmica (calor) en energía mecánica para realizar un trabajo mecánico . ^{[27] [28]}

Un termopar es un dispositivo de medición de temperatura y un tipo de sensor de temperatura ampliamente utilizado para medición y control, y también se puede usar para convertir calor en energía eléctrica.

Un enfriador termoeléctrico es un dispositivo electrónico de estado sólido que bombea (transfiere) calor de un lado del dispositivo al otro cuando pasa corriente eléctrica a través de él. Se basa en el efecto Peltier .

Un diodo térmico o rectificador térmico es un dispositivo que hace que el calor fluya preferentemente en una dirección.

Intercambiadores de calor

Se utiliza un intercambiador de calor para una transferencia de calor más eficiente o para disipar el calor. Los intercambiadores de calor se utilizan ampliamente en refrigeración , aire acondicionado , calefacción de espacios , generación de energía y procesamiento químico. Un ejemplo común de un intercambiador de calor es el radiador de un automóvil, en el que el líquido refrigerante caliente se enfría mediante el flujo de aire sobre la superficie del radiador. ^{[ cita requerida ] [29]}

Los tipos comunes de flujos de intercambiadores de calor incluyen flujo paralelo, contraflujo y flujo cruzado. En flujo paralelo, ambos fluidos se mueven en la misma dirección mientras transfieren calor; en contracorriente, los fluidos se mueven en direcciones opuestas; y en flujo cruzado, los fluidos se mueven en ángulo recto entre sí. Los tipos comunes de intercambiadores de calor incluyen carcasa y tubos , tubos dobles , tubos con aletas extruidos, tubos con aletas en espiral, tubos en U y placas apiladas. Cada tipo tiene ciertas ventajas y desventajas sobre otros tipos. ^{[ se necesita más explicación ]}

Un disipador de calor es un componente que transfiere el calor generado dentro de un material sólido a un medio fluido, como el aire o un líquido. Ejemplos de disipadores de calor son los intercambiadores de calor utilizados en los sistemas de refrigeración y aire acondicionado o el radiador de un automóvil. Un tubo de calor es otro dispositivo de transferencia de calor que combina la conductividad térmica y la transición de fase para transferir calor de manera eficiente entre dos interfaces sólidas.

Aplicaciones

Arquitectura

El uso eficiente de la energía es el objetivo de reducir la cantidad de energía necesaria para calentar o enfriar. En arquitectura, la condensación y las corrientes de aire pueden causar daños cosméticos o estructurales. Una auditoría energética puede ayudar a evaluar la implementación de los procedimientos correctivos recomendados. Por ejemplo, mejoras de aislamiento, sellado de fugas estructurales o la adición de ventanas y puertas energéticamente eficientes. ^[30]

• El medidor inteligente es un dispositivo que registra el consumo de energía eléctrica en intervalos.
• La transmitancia térmica es la tasa de transferencia de calor a través de una estructura dividida por la diferencia de temperatura a través de la estructura. Se expresa en vatios por metro cuadrado por kelvin, o W / (m ² K). Las partes bien aisladas de un edificio tienen una baja transmitancia térmica, mientras que las partes mal aisladas de un edificio tienen una alta transmitancia térmica.
• El termostato es un dispositivo para monitorear y controlar la temperatura.

Ingeniería climática

Ver también: calor antropogénico

Una aplicación de ejemplo en la ingeniería climática incluye la creación de Biochar mediante el proceso de pirólisis . Por lo tanto, el almacenamiento de gases de efecto invernadero en carbono reduce la capacidad de forzamiento radiativo en la atmósfera, provocando más radiación de onda larga ( infrarroja ) hacia el espacio.

La ingeniería climática consiste en la eliminación de dióxido de carbono y la gestión de la radiación solar . Dado que la cantidad de dióxido de carbono determina el equilibrio radiativo de la atmósfera terrestre, se pueden aplicar técnicas de eliminación de dióxido de carbono para reducir el forzamiento radiativo . La gestión de la radiación solar es el intento de absorber menos radiación solar para compensar los efectos de los gases de efecto invernadero .

Efecto invernadero

Una representación de los intercambios de energía entre la fuente (el Sol ), la superficie de la Tierra, la atmósfera de la Tierra y el sumidero final del espacio exterior . La capacidad de la atmósfera para capturar y reciclar la energía emitida por la superficie de la Tierra es la característica definitoria del efecto invernadero.

El efecto invernadero es un proceso por el cual la radiación térmica de una superficie planetaria es absorbida por los gases de efecto invernadero atmosféricos y se vuelve a irradiar en todas direcciones. Dado que parte de esta re-radiación regresa hacia la superficie y la atmósfera inferior, resulta en una elevación de la temperatura superficial promedio por encima de lo que sería en ausencia de los gases.

Transferencia de calor en el cuerpo humano

Ver también: temperatura de bulbo húmedo

Los principios de la transferencia de calor en los sistemas de ingeniería se pueden aplicar al cuerpo humano para determinar cómo el cuerpo transfiere el calor. El calor se produce en el cuerpo mediante el metabolismo continuo de los nutrientes que proporciona energía a los sistemas del cuerpo. ^[31] El cuerpo humano debe mantener una temperatura interna constante para mantener funciones corporales saludables. Por lo tanto, el exceso de calor debe disiparse del cuerpo para evitar que se sobrecaliente. Cuando una persona realiza niveles elevados de actividad física, el cuerpo necesita combustible adicional que aumenta la tasa metabólica y la tasa de producción de calor. Luego, el cuerpo debe utilizar métodos adicionales para eliminar el calor adicional producido con el fin de mantener la temperatura interna en un nivel saludable.

La transferencia de calor por convección es impulsada por el movimiento de fluidos sobre la superficie del cuerpo. Este fluido convectivo puede ser líquido o gaseoso. Para la transferencia de calor desde la superficie exterior del cuerpo, el mecanismo de convección depende del área de la superficie del cuerpo, la velocidad del aire y el gradiente de temperatura entre la superficie de la piel y el aire ambiental. ^[32]La temperatura normal del cuerpo es de aproximadamente 37 ° C. La transferencia de calor ocurre más fácilmente cuando la temperatura del entorno es significativamente menor que la temperatura corporal normal. Este concepto explica por qué una persona siente frío cuando no se cubre lo suficiente cuando se expone a un ambiente frío. La ropa puede considerarse un aislante que proporciona resistencia térmica al flujo de calor sobre la parte cubierta del cuerpo. ^[33] Esta resistencia térmica hace que la temperatura en la superficie de la ropa sea menor que la temperatura en la superficie de la piel. Este gradiente de temperatura más pequeño entre la temperatura de la superficie y la temperatura ambiente provocará una tasa de transferencia de calor más baja que si la piel no estuviera cubierta.

Para garantizar que una parte del cuerpo no esté significativamente más caliente que otra, el calor debe distribuirse uniformemente a través de los tejidos corporales. La sangre que fluye a través de los vasos sanguíneos actúa como un líquido convectivo y ayuda a prevenir la acumulación de exceso de calor dentro de los tejidos del cuerpo. Este flujo de sangre a través de los vasos se puede modelar como flujo de tubería en un sistema de ingeniería. El calor transportado por la sangre está determinado por la temperatura del tejido circundante, el diámetro del vaso sanguíneo, el grosor del fluido , la velocidad del flujo y el coeficiente de transferencia de calor de la sangre. La velocidad, el diámetro de los vasos sanguíneos y el espesor del líquido pueden estar relacionados con el número de Reynolds., un número adimensional utilizado en mecánica de fluidos para caracterizar el flujo de fluidos.

La pérdida de calor latente , también conocida como pérdida de calor por evaporación, representa una gran fracción de la pérdida de calor del cuerpo. Cuando la temperatura central del cuerpo aumenta, el cuerpo activa las glándulas sudoríparas en la piel para aportar humedad adicional a la superficie de la piel. Luego, el líquido se transforma en vapor que elimina el calor de la superficie del cuerpo. ^[34] La tasa de pérdida de calor por evaporación está directamente relacionada con la presión de vapor en la superficie de la piel y la cantidad de humedad presente en la piel. ^[32] Por lo tanto, la máxima transferencia de calor se producirá cuando la piel esté completamente mojada. El cuerpo pierde agua continuamente por evaporación, pero la cantidad más significativa de pérdida de calor ocurre durante los períodos de mayor actividad física.

Técnicas de enfriamiento

Enfriamiento evaporativo

Un enfriador de aire tradicional en Mirzapur , Uttar Pradesh , India

El enfriamiento evaporativo ocurre cuando se agrega vapor de agua al aire circundante. La energía necesaria para evaporar el agua se toma del aire en forma de calor sensible y se convierte en calor latente, mientras que el aire permanece en una entalpía constante . El calor latente describe la cantidad de calor que se necesita para evaporar el líquido; este calor proviene del propio líquido y del gas y las superficies circundantes. Cuanto mayor sea la diferencia entre las dos temperaturas, mayor será el efecto de enfriamiento por evaporación. Cuando las temperaturas son las mismas, no se produce una evaporación neta del agua en el aire; por lo tanto, no hay efecto de enfriamiento.

Refrigeración láser

En física cuántica , el enfriamiento por láser se utiliza para alcanzar temperaturas cercanas al cero absoluto (-273,15 ° C, -459,67 ° F) de muestras atómicas y moleculares para observar efectos cuánticos únicos que solo pueden ocurrir a este nivel de calor.

• El enfriamiento Doppler es el método más común de enfriamiento por láser.
• El enfriamiento simpático es un proceso en el que las partículas de un tipo enfrían las partículas de otro tipo. Normalmente, los iones atómicos que se pueden enfriar directamente con láser se utilizan para enfriar iones o átomos cercanos. Esta técnica permite el enfriamiento de iones y átomos que no se pueden enfriar con láser directamente. ^{[ cita requerida ]}

Refrigeración magnética

Artículos principales: Refrigeración magnética y Refrigeración por evaporación magnética.

El enfriamiento por evaporación magnética es un proceso para bajar la temperatura de un grupo de átomos, luego de enfriarlos previamente mediante métodos como el enfriamiento por láser. La refrigeración magnética enfría por debajo de 0,3 K, haciendo uso del efecto magnetocalórico .

Enfriamiento radiativo

El enfriamiento radiativo es el proceso por el cual un cuerpo pierde calor por radiación. La energía saliente es un efecto importante en el balance energético de la Tierra . En el caso del sistema Tierra-atmósfera, se refiere al proceso mediante el cual se emite radiación de onda larga (infrarroja) para equilibrar la absorción de energía de onda corta (visible) del Sol. La termosfera (parte superior de la atmósfera) se enfría al espacio principalmente por energía infrarroja irradiada por dióxido de carbono (CO2) a 15 μm y por óxido nítrico (NO) a 5,3 μm ^[35]. El transporte convectivo de calor y el transporte evaporativo de calor latente eliminan calor de la superficie y redistribuirlo en la atmósfera.

Almacenamiento de energía térmica

El almacenamiento de energía térmica incluye tecnologías para recolectar y almacenar energía para su uso posterior. Puede emplearse para equilibrar la demanda de energía entre el día y la noche. El depósito térmico se puede mantener a una temperatura superior o inferior a la del medio ambiente. Las aplicaciones incluyen calefacción de espacios, sistemas de agua caliente domésticos o de proceso, o generación de electricidad.

Ver también

• Convección natural y forzada combinada
• Capacidad calorífica
• Física de la transferencia de calor
• Ley de Stefan-Boltzmann
• Conductancia de contacto térmico
• Física térmica
• Resistencia térmica en electrónica
• Ciencia termal
• Mejora de la transferencia de calor

Referencias

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Enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con la transferencia de calor .

• Un libro de texto de transferencia de calor - (descarga gratuita).
• Thermal-FluidsPedia : una enciclopedia de fluidos térmicos en línea.
• Artículo de hiperfísica sobre transferencia de calor : descripción general
• Transferencia de calor entre estaciones : un ejemplo práctico de cómo se utiliza la transferencia de calor para calentar edificios sin quemar combustibles fósiles.
• Aspectos de la transferencia de calor, Universidad de Cambridge
• Central de Fluidos Térmicos
• Energy2D: Simulaciones interactivas de transferencia de calor para todos