MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.

El calor es la forma de energía que se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura. Un análisis termodinámico se interesa en la cantidad de transferencia de calor, trabajo y masa conforme un sistema pasa por un proceso, de un estado de equilibrio a otro. La ciencia que trata de la determinación de las velocidades de esa transferencia de energía en forma de calor es la transferencia de calor. La transferencia de energía como calor siempre se produce del medio que tiene la temperatura mas elevada hacia el de temperatura más baja, y la transferencia de calor se detiene cuando los dos medios alcanzan la misma temperatura. 

El calor se puede transferir en tres modos diferentes: conducción, convección y radiación. Todos los modos de transferencia de calor requieren la existencia de una diferencia de temperatura y todos ellos ocurren del medio que posee la temperatura más elevada hacia uno de la temperatura más baja. Enseguida se da una breve descripción de cada modo.

CONDUCCIÓN. 

La conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas de una sustancia hacia las adyacentes menos energéticas, como resultado de interacciones entre esas partículas. La conducción puede tener lugar en los sólidos, líquidos o gases. En los líquidos y gases la conducción se debe a las colisiones y a la difusión de las moléculas durante su movimiento aleatorio. En los sólidos se debe a la combinación de las vibraciones de las moléculas en una retícula y al transporte de energía por parte de los electrones libres. 

La velocidad de la conducción de calor a través de un medio depende de la configuración geométrica de este, su espesor y el material del que este hecho, así como la diferencia de temperaturas a través de este.

Para una mejor apreciación, considere la conducción de calor en estado estacionario a través de una pared plana grande de espesor Δx = L y área As , como se muestra en la figura 1.1. La diferencia de temperatura en las paredes es ΔT = T2 − T1 . Los experimentos han demostrado que la velocidad de la transferencia de calor, q , a través de la pared se duplica cuando se duplica la diferencia de temperatura ΔT de uno a otro lado de ella, o bien, se duplica el área As perpendicular a la dirección del flujo de calor; pero se reduce a la mitad cuando se duplica el espesor L. Por tanto, se concluye que la velocidad de la conducción de calor a través de una capa plana es proporcional a la diferencia de temperatura a través de está y el área de transferencia de calor, es inversamente proporcional al espesor de esa capa; es decir.

En donde la constante de proporcionalidad es la conductividad térmica k del material, que es una medida de la capacidad de un material para conducir calor. En el caso límite de Δx → 0 , la ecuación (1.2) se reduce a la forma diferencial,

y se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor, donde indica que la velocidad de conducción de calor en una dirección es proporcional al gradiente de temperatura en esa dirección. El calor es conducido en la dirección de la temperatura decreciente y el gradiente de temperatura se vuelve negativo cuando esta última decrece al crecer x . El signo negativo en la ecuación (1.3) garantiza que la transferencia de calor en la dirección x sea una cantidad positiva.

CONVECCIÓN. 

La transferencia de calor por convección se compone de dos mecanismos. Además de la transferencia de energía debida al movimiento molecular aleatorio (difusión), la energía también se transfiere mediante el movimiento global, o macroscópico del fluido. El movimiento del fluido se asocia con el hecho de que, en cualquier instante, grandes números de moléculas se mueven de forma colectiva o como agregados. Tal movimiento, en presencia de un gradiente de temperatura, contribuye a la transferencia de calor. Como las moléculas en el agregado mantienen su movimiento aleatorio, la transferencia total de calor se debe entonces a una superposición de transporte de energía por el movimiento aleatorio de las moléculas y por el movimiento global del fluido. 

Se acostumbra utilizar el término convección cuando se hace referencia a este transporte acumulado y el término de advección cuando se habla del transporte debido al movimiento volumétrico del fluido. La transferencia de calor por convección se clasifica de acuerdo con la naturaleza del flujo. Hablamos de convección forzada cuando el flujo es causado por medios externos, como un ventilador, una bomba o vientos atmosféricos. Como ejemplo en la fig.1.2, se muestra el uso de un ventilador para proporcionar enfriamiento por aire mediante convección forzada de los componentes eléctricos calientes sobre un arreglo de tarjetas de circuitos impresos.

En cambio en la convección libre (o natural) el flujo es inducido por fuerzas de empuje que surgen a partir de diferencias de densidad ocasionadas por variaciones de temperatura en el fluido. Un ejemplo es la transferencia de calor por convección libre, que ocurre a partir de componentes calientes sobre en arreglo vertical de tarjetas de circuitos en aire inmóvil. El aire que hace contacto con los componentes experimenta un aumento de temperatura, y en consecuencia una reducción en su densidad. Como ahora es más ligero que el aire de los alrededores, las fuerzas de empuje inducen un movimiento vertical por lo que el aire caliente que asciende de las tarjetas es reemplazado por un flujo de aire frío.

Sin importar la naturaleza particular del proceso de transferencia de calor por convección, la ecuación o modelo apropiado es de la forma,

convección, Ts es la temperatura de la superficie y T∞ es la temperatura del fluido suficiente alejado de esta superficie. El coeficiente de transferencia de calor por convección h no es una propiedad del fluido, es un parámetro que se determina en forma experimental y cuyo valor depende de todas las variables que influyen sobre la convección, [9].

RADIACIÓN. 

La radiación es la energía emitida por la materia en la forma de ondas electromagnéticas (o fotones), como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. A diferencia de la conducción y la convección, la transferencia de energía por radiación no requiere la presencia de un medio solidó. De hecho, la transferencia de energía por radiación es la mas rápida (a la velocidad de la luz) y no sufre atenuación en el vació. 

En los estudios de transferencia de calor es de interés la radiación térmica, que es la forma de radiación emitida por los cuerpos debido a su temperatura. Todos los cuerpos a una temperatura arriba del cero absoluto emiten radiación térmica. La radiación es un fenómeno volumétrico y todos los sólidos, líquidos y gases emiten, absorben o transmiten radiación en diversos grados. Sin embargo la radiación suele considerarse como un fenómeno superficial para los sólidos que son opacos a la radiación térmica, como los metales, la madera y las rocas, ya que las radiaciones emitidas por las regiones interiores de un material de ese tipo nunca pueden llegar a la superficie, y la radiación incidente sobre esos cuerpos suelen absorberse en unas cuantas micras hacia adentro de dichos sólidos. 

La velocidad máxima de radiación que puede ser emitida desde una superficie a una temperatura Ts en (K o R) se expresa por la ley de Stefan - Boltzmann como:

Stefan – Boltzmann. La superficie idealizada que emite radiación a esta velocidad máxima se llama cuerpo negro y la radiación emitida por éste es la radiación del cuerpo negro. La radiación emitida por todas las superficies reales es menor que la emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura y se expresa como,

donde (ε)  es la emisividad de la superficie cuyo valor está en el intervalo 0 ≤ ε ≤ 1, es una medida de cuán próxima está una superficie de ser un cuerpo negro, para el cual ε = 1. Otra propiedad importante relativa a la radiación de una superficie es su absortividad α , y es la fracción de la energía de radiación incidente sobre una superficie que es absorbida por ésta, su valor esta en el intervalo 0 ≤ α ≤ 1. Un cuerpo negro absorbe toda la radiación incidente sobre él, es decir, un cuerpo negro es un absorbente perfecto (α = 1)  del mismo modo que es un emisor perfecto. 

La velocidad de absorción de radiación en una superficie se muestra en la figura (1.4)

donde qincidente es la velocidad a la cual la radiación incide sobre la superficie y α es la absortividad de la superficie. Para las superficies opacas (no transparentes), la parte de la radiación incidente no absorbida por la superficie se refleja. La diferencia entre las velocidades de la radiación emitida por la superficie y la radiación absorbida es la transferencia neta de calor por radiación. Si la velocidad de absorción de la radiación es mayor que la de emisión, se dice que la superficie está ganando energía por radiación. 

De lo contrario se dice que la superficie está perdiendo energía por radiación. En general la determinación de la velocidad neta de la transferencia de calor por radiación entre dos superficies es un asunto complicado, ya que depende de las propiedades de las superficies, de la orientación de una con respecto a la otra y de la interacción del medio que existe entre ellas con la radiación. Cuando una superficie de emisividad ε y área superficial As que se encuentra a una temperatura absoluta Ts esta completamente encerrada por una superficie mucho mayor (o negra) que se encuentra a la temperatura absoluta Talred y separada por un gas (como el aire) que no interviene con la radiación, la rapidez neta de transferencia de calor por radiación entre estas dos superficies se expresa en la figura 1.5.

En este caso especial la emisividad y el área superficial de la superficie circundante no tienen efecto sobre la transferencia neta de calor por radiación. 

Las transferencia de calor por radiación hacia una superficie, o desde está, rodeada por un gas como el aire, ocurre paralela a la conducción (o convección, si se tiene un movimiento masivo del gas) entre esa superficie y el gas. Por tanto, la transferencia total de calor se determina al sumar las contribuciones de los dos mecanismos de transferencia. Por sencillez y conveniencia esto se lleva a cabo con frecuencia mediante la definición de un coeficiente combinado de transferencia de calor, hcombinado , que incluye los efectos tanto de la convección como de la radiación. Entonces la velocidad total de transferencia de calor hacia una superficie, o desde está, por convección y radiación se expresa como;

Note que, en esencia, el coeficiente combinado de transferencia de calor es un coeficiente de transferencia de calor por convección modificado para incluir los efectos de la radiación.