La ley de enfriamiento de Newton establece que la tasa de pérdida de calor de un cuerpo es directamente proporcional a la diferencia de temperaturas entre el cuerpo y su entorno. Con frecuencia, la ley está calificada para incluir la condición de que la diferencia de temperatura es pequeña y la naturaleza del mecanismo de transferencia de calor sigue siendo la misma. Como tal, equivale a afirmar que el coeficiente de transferencia de calor , que media entre las pérdidas de calor y las diferencias de temperatura, es una constante. Esta condición generalmente se cumple en la conducción de calor (donde está garantizada por la ley de Fourier ) ya que la conductividad térmica de la mayoría de los materiales depende solo débilmente de la temperatura. Entransferencia de calor por convección , se sigue la ley de Newton para el enfriamiento de aire forzado o fluido bombeado, donde las propiedades del fluido no varían mucho con la temperatura, pero solo es aproximadamente cierto para la convección impulsada por flotabilidad, donde la velocidad del flujo aumenta con la temperatura diferencia. Finalmente, en el caso de la transferencia de calor por radiación térmica , la ley de enfriamiento de Newton es válida solo para diferencias de temperatura muy pequeñas.
Cuando se expresa en términos de diferencias de temperatura, la ley de Newton (con varios supuestos simplificadores adicionales, como un número de Biot bajo y una capacidad calorífica independiente de la temperatura) da como resultado una ecuación diferencial simple que expresa la diferencia de temperatura en función del tiempo. La solución a esa ecuación describe una disminución exponencial de la diferencia de temperatura a lo largo del tiempo. Esta caída característica de la diferencia de temperatura también está asociada con la ley de enfriamiento de Newton.
Isaac Newton publicó su trabajo sobre enfriamiento de forma anónima en 1701 como "Scala graduum Caloris. Calorum Descriptiones & signa" en Philosophical Transactions , volumen 22, número 270. [1] [2]
Newton no estableció originalmente su ley en la forma anterior en 1701. Más bien, usando los términos actuales, Newton notó después de alguna manipulación matemática que la tasa de cambio de temperatura de un cuerpo es proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y su entorno. Esta versión final más simple de la ley, dada por el mismo Newton, se debió en parte a la confusión en la época de Newton entre los conceptos de calor y temperatura, que no se desenmarañarían por completo hasta mucho más tarde. [3]
En 2020, Maruyama y Moriya repitieron los experimentos de Newton con aparatos modernos y aplicaron técnicas modernas de reducción de datos. [4] En particular, estos investigadores tuvieron en cuenta la radiación térmica a altas temperaturas (como para los metales fundidos que usó Newton) y tuvieron en cuenta los efectos de flotabilidad en el flujo de aire. En comparación con los datos originales de Newton, llegaron a la conclusión de que sus medidas (de 1692 a 1693) habían sido "bastante precisas". [4]
A veces se dice que el enfriamiento por convección se rige por la "ley de enfriamiento de Newton". Cuando el coeficiente de transferencia de calor es independiente, o relativamente independiente, de la diferencia de temperatura entre el objeto y el medio ambiente, se sigue la ley de Newton. La ley es válida para el enfriamiento por aire forzado y líquido bombeado, donde la velocidad del fluido no aumenta al aumentar la diferencia de temperatura. La ley de Newton se obedece más de cerca en el enfriamiento de tipo puramente por conducción. Sin embargo, el coeficiente de transferencia de calor es una función de la diferencia de temperatura en la transferencia de calor por convección natural (impulsada por la flotabilidad). En ese caso, la ley de Newton solo se aproxima al resultado cuando la diferencia de temperatura es relativamente pequeña. El propio Newton se dio cuenta de esta limitación.