Transferencia de calor

En física, la transferencia de calor es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Cuando un cuerpo, por ejemplo, un objeto sólido o un fluido, está a una temperatura diferente de la de su entorno u otro cuerpo, la transferencia de energía térmica, también conocida como transferencia de calor o intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno alcancen equilibrio térmico. La transferencia de calor siempre ocurre desde un cuerpo más caliente a uno más frío, como resultado de la ley cero de la termodinámica. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos en proximidad uno del otro, la transferencia de calor no puede ser detenida; solo puede hacerse más lenta.

Aplicaciones

Aislamiento y barreras de radiación

Los aislantes térmicos son materiales específicamente diseñados para reducir el flujo de calor limitando la conducción, convección o ambos. Las barreras de radiación, son materiales que reflejan la radiación, reduciendo así el flujo de calor de fuentes de radiación térmica. Los buenos aislantes no son necesariamente buenas barreras de radiación, y viceversa. Los metales, por ejemplo, son excelentes reflectores pero muy malos aislantes.

La efectividad de un aislante está indicado por su resistencia (R). La resistencia de un material es el inverso del coeficiente de conducción (k) multiplicado por el grosor (d) del aislante. Las unidades para la resistencia son en el Sistema Internacional: (K•m²/W).

${R}={d \over k},\qquad {C}={Q \over m\Delta T}$

La fibra de vidrio rígida, un material aislante usado comúnmente, tiene un valor R de 4 por pulgada, mientras que el cemento, un mal conductor, tiene un valor de 0.08 por pulgada.​

La efectividad de una barrera de radiación está indicado por su reflectividad, la cual es una fracción de la radiación reflejada. Un material con una alta reflectividad (en una longitud de onda) tiene una baja absorbitividad, y por consiguiente una baja emisividad. Un reflector ideal tiene un coeficiente de reflectividad igual a 1, lo que significa que refleja el 100% de la radiación entrante. Por otro lado, en el caso de un cuerpo negro, el cual tiene una excelente absorbitividad y emitividad de la radiación térmica, su coeficiente de reflectividad es casi 0. Las barreras de radiación tiene una gran aplicación en ingeniería aeroespacial; la gran mayoría de los satélites usan varias capas aislantes aluminizadas que reflejan la luz solar, lo que permite reducir la transferencia de calor y controlar la temperatura del satélite.

Intercambiadores de calor

Un intercambiador de calor es un dispositivo construido para intercambiar eficientemente el calor de un fluido a otro, tanto si los fluido están separados por una pared sólida para prevenir su mezcla, como si están en contacto directo. Los cambiadores de calor son muy usados en refrigeración, acondicionamiento de aire, calefacción, producción de energía, y procesamiento químico. Un ejemplo básico de un cambiador de calor es el radiador de un coche, en el que el líquido de radiador caliente es enfriado por el flujo de aire sobre la superficie del radiador.

Las disposiciones más comunes de cambiadores de calor son flujo paralelo, contracorriente y flujo cruzado. En el flujo paralelo, ambos fluidos se mueven en la misma dirección durante la transmisión de calor; en contracorriente, los fluidos se mueven en sentido contrario y en flujo cruzado los fluidos se mueven formando un ángulo recto entre ellos. Los tipos más comunes de cambiadores de calor son de carcasa y tubos, de doble tubo, tubo extruido con aletas, tubo de aleta espiral, tubo en U, y de placas. Puede obtenerse más información sobre los flujos y configuraciones de los cambiadores de calor en el artículo intercambiador de calor.

Cuando los ingenieros calculan la transferencia teórica de calor en un intercambiador, deben lidiar con el hecho de que el gradiente de temperaturas entre ambos fluidos varía con la posición. Para solucionar el problema en sistemas simples, suele usarse la diferencia de temperaturas media logarítmica (DTML) como temperadura 'media'. En sistemas más complejos, el conocimiento directo de la DTML no es posible y en su lugar puede usarse el método de número de unidades de transferencia (NUT).

Transferencia de calor en ebullición

Véanse también: ebullición y Flujo de calor crítico.

La transferencia de calor en líquidos en ebullición es compleja, pero de una importancia técnica considerable. Se caracteriza por una curva en forma de "S" al relacionar el flujo de calor con la diferencia de temperaturas en superficie (ver Kay & Nedderman 'Fluid Mechanics & Transfer Processes', CUP, 1985, p529).

A temperaturas bajas de la superficie calefactada no sucede la ebullición y la tasa de transferencia de calor está controlada por los mecanismos habituales de una sola fase. A medida que la temperatura de la superficie calefactada se eleva, va produciéndose ebullición localmente y se empiezan a formar burbujas de vapor (se dice que hay nucleación de burbujas de vapor), crecen hacia el líquido circundante más frío y colapsan. A altas tasas de nucleación de burbujas, las mismas burbujas empiezan a interferir en el proceso de transferencia de calor y dicha transferencia deja de elevarse rápidamente con la temperatura de la superficie calefactada (esto es el departure from nucleate boiling). A temperaturas mayores, se alcanza un máximo en la transferencia de calor (el flujo de calor crítico). La caída de la transferencia de calor que se sucede a continuación se explicaría por la alternancia de períodos de ebullición nucleada con otros períodos de ebullición en película.

A temperaturas de la superficie calefactada aún mayores, se alcanza un régimen de ebullición en película, hidrodinámicamente más tranquilo. La cantidad de calor que atraviesa la película de vapor por unidad de tiempo es pequeña, pero crece lentamente con la temperatura. Si se diera el caso de un contacto entre el líquido y la superficie calefactada, se desencadenaría un proceso extremadamente rápido de nucleación de una nueva película de fase vapor (nucleación espontánea).

Disciplinas académicas

Los fenómenos de transferencia son generalmente parte del programa de estudios de ingeniería química, Ingeniería Agrícola o ingeniería mecánica. Comúnmente, los conocimientos sobre termodinámica son un condición previa para el estudio de la transmisión de calor, dado que las leyes de la termodinámica son esenciales para comprender el mecanismo de la transferencia de calor. Otras disciplinas relacionadas con la transmisión de calor incluyen la conversión de energía, thermofluids and transferencia de materia.

Los métodos de transferencia de calor se usan en las siguientes disciplinas, entre otras:

• Ingeniería de automoción
• Thermal management of electronic devices and systems
• HVAC
• Aislamiento
• Procesamiento de materiales
• Ingeniería de centrales de energía

Véase también

• Termodinámica
• Calor
• Radiación térmica
• Conducción térmica
• Convección térmica
• Aislamiento térmico
• Método NUT
• Análisis de circuitos de resistencia

Referencias

Revistas relacionadas

En inglés:

• Heat Transfer Engineering[1]
• Experimental Heat Transfer[2]
• International Journal of Heat and Mass Transfer[3]
• ASME Journal of Heat Transfer[4]
• Numerical Heat Transfer Part A[5]
• Numerical Heat Transfer Part B[6]
• Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering[7]

Enlaces externos

En inglés:

• Heat Transfer Tutorial Modes of heat transfer (conduction, convection, radiation) within or between media are explained, together with calculations and other issues such as heat transfer barriers - Spirax Sarco
• Heat Transfer Podcast - Arun Majumdar - Department of Mechanical Engineering - University of California, Berkeley
• Heat Transfer Basics - Overview
• A Heat Transfer Textbook - Downloadable textbook (free)
• Hyperphysics Article on Heat Transfer - Overview
• A molecular heatwave?