La siguiente es una breve descripción de algunos conceptos fundamentales de la transferencia de calor. To learn more, the reader is encouraged to review the source publications and cited websites
Introducción a la termodinámica
1.º y 2.º ley de la termodinámica
La 1.º ley de la termodinámica hace referencia a la conservación de la energía. Afirma que, dentro de un sistema cerrado donde ningún otro material energético puede entrar o salir, la energía no se puede crear ni destruir.1, 2 Aunque la energía no puede crearse ni destruirse, sí puede transferirse para funcionar como otras formas de energía.
La transferencia de energía térmica está sujeta a la 2.º ley de la termodinámica.3 La 2.º ley (aplicada nuevamente a un sistema cerrado) dice que —en un proceso espontáneo— hay un incremento neto de entropía4 (es decir, una medida del desorden que existe en un sistema5).
Tres formas alternativas pero equivalentes de describir la 2.º ley son:
El calor fluye espontáneamente de un cuerpo caliente a uno frío. (Ejemplo: un microprocesador caliente o un diodo láser se enfría mediante el flujo de calor hacia el disipador de calor o la placa fría).
Es imposible convertir el calor completamente en trabajo útil. (Ejemplo: en un motor de combustión, siempre debe ser liberado un cierto componente de calor sin ninguna función).
Todo sistema aislado se desordena con el tiempo. (Ejemplo: en la conducción, cuando los cuerpos fríos y calientes entran en contacto por primera vez, de alguna manera el sistema se ordena. Las moléculas más calientes se mueven más rápido que las moléculas más frías. Sin embargo, una vez que todo el sistema alcanza una temperatura uniforme, este orden se pierde).
Expresado en términos matemáticos, cualquiera de las afirmaciones mencionadas implica las otras dos.6
La 1.º y 2.º ley de la termodinámica rigen los distintos modos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación.
Modo de transferencia de calor
Conducción
En la conducción, el calor fluye desde regiones de mayor temperatura hacia regiones de menor temperatura. Esto ocurre con medios sólidos, líquidos o gaseosos o entre medios diferentes que entran en contacto físico directo entre sí.7 "La transferencia de la energía del movimiento entre moléculas adyacentes conduce el calor. En un gas, las moléculas "más calientes" tienen un mayor nivel de energía y movimiento, e imparten energía a las moléculas adyacentes a niveles de energía más bajos. En cierta medida, este tipo de transferencia ocurre en todos los sólidos, gases o líquidos en los cuales existe un gradiente de temperatura. En la conducción, la energía también puede ser transferida por electrones 'libres', lo que resulta importante en sólidos metálicos".8 Un ejemplo de conducción es la transferencia de calor a través de las superficies de una placa fría o a través de las paredes de un refrigerador.
Convección
In convection, the combined action of heat conduction, energy storage, and mixing motion serve to transport energy. "Convection is most important as the mechanism of energy transfer between a solid surface and a liquid or a gas."9 “In forced-convection heat transfer, a pump, fan, or other mechanism forces a fluid to flow past a solid surface. En la convección natural o libre, el fluido más caliente o más frío junto a la superficie sólida provoca una circulación debido a las diferencias de densidad que resultan de las diferencias de temperatura del fluido".10 Un ejemplo de convección libre es la pérdida de calor al aire ambiente a través de las aletas de un intercambiador de calor. Si se utiliza un ventilador para hacer circular el aire por las aletas del intercambiador de calor, estamos ante un ejemplo de convección forzada.
Radiación
En la radiación, el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a un cuerpo de menor temperatura cuando los cuerpos están separados en el espacio, incluso a través de un vacío. 11 "Las mismas leyes que rigen la transferencia de luz rigen también la transferencia de calor. Los sólidos y los líquidos tienden a absorber la radiación que se transfiere a través de ellos, por lo que la radiación es importante principalmente en la transferencia a través del espacio o los gases".12
Algunos ejemplos de radiación incluyen la transferencia de calor del sol a la tierra, y de una lámpara de cuarzo a un objeto frío que requiere ser calentado.
Cálculo y representación matemática de la transferencia de calor
La ecuación de Fourier
"La relación básica de la transferencia de calor por conducción, propuesta por el científico francés J. B. J. Fourier en 1822, establece lo siguiente:
La tasa de flujo térmico por conducción en un material, qk, es igual al producto de las siguientes tres cantidades:
- k: conductividad térmica del material
- A: área de la sección a través de la cual fluye el calor por conducción, medida perpendicularmente a la dirección del flujo de calor
- dT/dx: gradiente de temperatura en la sección, es decir, la tasa de cambio de temperatura T con respecto a la diferencia en la dirección del flujo de calor x.
Escribir la ecuación de conducción de calor en forma matemática requiere una convención de signos; es decir, la dirección de la distancia creciente x es la dirección del flujo de calor positivo. Según la segunda ley de la termodinámica, el calor fluirá automáticamente desde puntos de mayor temperatura hacia puntos de menor temperatura. Por lo tanto, el flujo de calor será positivo cuando el gradiente de temperatura sea negativo. La ecuación básica de la conducción unidimensional en estado estable es: qk = -kA (dT/dx)"13.
Conductividad térmica
Thermal conductivity is a measurement of the rate at which a given material will transfer heat.14 “The thermal conductivity of a substance is the quantity of heat in cal/sec passing through a body 1 cm thick with a cross section of 1 sq. cm when the temperature difference between the hot and cold sides of the body is 1 deg. C.”15 This intrinsic property is independent of the materials size, shape, or orientation.
Resistencia térmica
La resistencia térmica es lo contrario de la conductividad térmica e indica cómo un material inhibe la conducción de calor.16 Los materiales con alta conductividad térmica tienen menor resistencia térmica y malas cualidades de aislamiento térmico (p. ej., cobre y aluminio). En cambio, los materiales con baja conductividad térmica tienen alta resistencia térmica y buenas cualidades de aislamiento térmico (p. ej., aislamiento de fibra de vidrio y tableros de corcho).17
Referencias
1. https://www.chemistry.ohio-state.edu/~woodward/ch121/ch5_law.html.
2. https://theory.uwinnipeg.ca/mod_tech/node78.html.
3. ibíd.
4. http://learn.chem.vt.edu/tutorials/entropy/2ndlaw.html.
5. Microsoft Encarta World English Dictionary, St. Martin's Press, 1999, pág. 596.
6. de Sorgo, Miksa, ibíd.
7. de Sorgo, Miksa, "Understanding Phase Change Materials", ElectronicsCooling Magazine, mayo de 2002
8. http://learn.chem.vt.edu/tutorials/entropy/2ndlaw.html.
9. Kreith, Frank, Principles of Heat Transfer, 2nd Edition, University of Colorado, International Textbook Co., capítulo 1, pág. 6.
10. Transport Processes and Unit Operations, 3rd Edition, Christie Geankopolis, University of Minn. Prentice Hall, capítulo 4, pág. 215.
11. Kreith, Frank, Principles of Heat Transfer, 2nd Edition, University of Colorado, International Textbook Co., página 8.
12. Transport Processes and Unit Operations, 3rd Edition, Christie Geankopolis, University of Minn. Prentice Hall, capítulo 4, pág. 216.
13. Kreith, Frank, Principles of Heat Transfer, 2nd Edition, University of Colorado, International Textbook Co., pág. 7.
14. Transport Processes and Unit Operations, 3rd Edition, Christie Geankopolis, University of Minn. Prentice Hall, capítulo 4, pág. 216.
15. Kreith, Frank, Principles of Heat Transfer, 2nd Edition, University of Colorado, International Textbook Co., pág. 9.
16. Transport Processes and Unit Operations, 3rd Edition, Christie Geankopolis, University of Minn. Prentice Hall, capítulo 4, pág. 216.
17. http://theory.uwinnipeg.ca/mod_tech/node75.html.
18. http://www.lib.umich.edu/dentlib/dental_tables/thermcond.html.
19. http://www.xrefer.com/entry/619844.
