Definimos transferencia de calor como la transmisión de un flujo de energía en forma de calor de un cuerpo a otro. Existen diferentes mecanismos para transferir el calor, pero en todos ellos el calor viaja del cuerpo caliente al cuerpo frío de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica.
La transmisión de calor juega un papel crucial para el desarrollo de la vida en la Tierra. Encontramos muchos ejemplos de transferencia de calor en nuestro día a día. Del mismo modo, también resulta muy importante en muchos procesos industriales.
Mecanismos de transferencia de calor
Existen tres tipos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación:
- Transferencia por conducción: la conducción del calor se produce cuando dos objetos a diferente temperatura están en contacto directo. El calor pasa del objeto caliente al frío a través de los puntos de contacto.
- Transferencia por radiación térmica: este mecanismo de transmisión de calor se produce a través de ondas electromagnéticas y se puede transmitir a través del vacío. La cantidad de calor que se transfiere depende de la longitud de onda. Esta es la forma a través de la cual la radiación solar viaja a través del Sistema Solar.
- Transmisión de calor por convección: El proceso de convección se realiza mediante un medio intermedio que transporta la energía, normalmente son líquidos y gases como por ejemplo el aire o el agua.
Transmisión por conducción
La transferencia por conducción se produce cuando dos sustancias están en contacto directo y existe una diferencia de temperatura.
El calor fluye desde las partículas con mayor energía cinética (temperatura) a partículas menos ricas en energía (más frías). El flujo de calor depende de la diferencia de temperatura a lo largo de la distancia (el gradiente de temperatura ) y la resistencia interna al flujo de calor del material relevante, lo que se denomina conductividad térmica o coeficiente de conductividad térmica. Este principio se expresa en la ley de Fourier.
Ejemplo de conducción térmica
Un ejemplo de transmisión de calor por conducción es cuando tocamos un trozo de hielo con la mano. El frío que notamos se debe a que estamos transfiriendo calor de nuestro cuerpo al hielo.
Transmisión por radiación
Transferencia de energía térmica por radiación. Esta es la transferencia de calor entre dos cuerpos que no están en contacto entre sí sin usar un intermedio. Un cuerpo está caliente y, por lo tanto, emite mucha radiación electromagnética y, por lo tanto, pierde calor, y el otro cuerpo absorbe parte de la radiación entrante y la convierte en calor.
Ejemplo de transmisión de calor por radiación
Un ejemplo de transmisión por radiación es la radiación ultravioleta que proviene del Sol. La energía solar se transmite por el espacio a través de ondas electromagnéticas.
Transmision por convección
La transferencia de calor por convección es la transmisión de calor a través del desplazamiento de un líquido tibio o un gas caliente, o de un líquido frío o un gas frío. Cuando el calor arrastra el flujo, la extensión del mismo puede expresarse con el coeficiente de transferencia de calor.
Existen dos tipos de convección térmica:
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La convección natural se produce sin ninguna ayuda artificial. El movimiento del fluido se produce por diferencias en la densidad debido a la diferencia de temperatura.
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La convección forzada se produce cuando el movimiento del fluido se realiza a través de algún mecanismo artificial como una bomba de agua.
Ejemplo de transmisión de calor por convección
Un ejemplo de transmisión de calor por convección es el funcionamiento de un ventilador. Cuando el ventilador está en marcha, el aire que circula se lleva el aire caliente que está en contacto con la piel y lo sustituye por aire más fresco.
Otro ejemplo de convección se produce en una ducha de agua caliente. El calentador eléctrico calienta agua aumentando su energía térmica. El agua caliente viaja por las tuberías hasta que llega a la ducha, nos cae encima transmitiéndonos el calor.
Leyes de la física y de la termodinámica relacionadas
La transmisión de calor se rige por varias leyes fundamentales de la física y la termodinámica.
En primer lugar, destacamos la ley de Fourier de la conducción térmica describe cómo el calor se propaga a través de un material sólido. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre dos puntos, mayor será la tasa de transferencia de calor.
La convección, otro mecanismo de transferencia de calor, sigue las leyes de la física de fluidos, donde la densidad y la temperatura del fluido afectan la transferencia de calor.
Por último, la radiación térmica se rige por la ley de Stefan-Boltzmann, que establece que la tasa de radiación es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta.