Fundamentos de la transferencia de calor
Introducción
Hola, bienvenido a la unidad de aprendizaje Transferencia de calor ofertado dentro de la Licenciatura de Ingeniería en Energías Renovables. En esta primera clase se ahondará en los fundamentos básicos necesarios para la comprensión de los fenómenos presentes al momento que se transfiere calor en un sistema, para ello partiremos del hecho de definir ¿qué es el calor?, ¿qué es la temperatura?, ¿qué es la transferencia de calor?, ¿cuál es la diferencia entre calor y temperatura?, etcétera.
Estos conceptos son claves para entender los mecanismos presentes en los fenómenos de transferencia de calor, los cuales no pueden ser vistos por el ser humano, pero que sí se pueden sentir. El conocimiento y dominio de estos fenómenos permite, por ejemplo, que tu cerveza no se caliente tan rápido a la hora de una carne asada, o que tu ropa te mantenga caliente y evite que mueras de hipotermia cuando hace frío o, en un escenario de mayor impacto ingenieril, que el ser humano sea capaz de realizar instalaciones y/o reparaciones sobre la superficie de la Estación Espacial Internacional (ISS, por sus siglas en inglés). Esta es la esencia detrás de la magia que ocurre día con día a nuestro alrededor.
Desarrollo del tema
Partiendo del hecho de que la palabra transferir proviene del latín transferre (llevar de un lado a otro) y la palabra calor proviene del verbo calere (estar caliente) es intuitivo pensar que el presente curso está enfocado en definir cómo se transfiere el calor, pero antes de nada ¿qué es o qué significa calor?
Existen dos definiciones aceptadas para definir el término calor:
- Es un tipo de energía en tránsito presente en todos los sistemas.
- Es una propiedad presente en todos los sistemas que se da a través de las fronteras de los mismos y que se manifiesta por medio de la temperatura; es dependiente de la trayectoria en que se da el proceso.
Esta propiedad al ser un tipo de energía se simboliza con la letra Q y su unidad es el joule J, de acuerdo al Sistema Internacional de Unidades (SI). Es importante resaltar que el tránsito de la energía en forma de calor siempre se da desde un cuerpo o reservorio con un nivel energético mayor hacia uno con menor nivel. Así, surge otra pregunta dentro de esta discusión: ya que el calor se manifiesta a través de la temperatura ¿Qué es la temperatura?
Temperatura: Es una propiedad intensiva de una substancia u objerto la cual indica la cantidad de energía que poseen sus moléculas y se mide a través de grados de calor. Para el SI se tienen grados Celsius, °C (temperatura relativa), o Kelvin, °K (temperatura absoluta).
Para adentrarte más al tema te sugiero revisar los siguientes videos:
Si estás pensando: “pero yo ya llevé un curso de Termodinámica donde se hablaba de temperatura y calor, ¿por qué tengo que llevar un curso sobre Transferencia de calor si ambos tratan de lo mismo?”; esta pregunta es usual entre quienes iniciamos en el área y se responde de la siguiente forma:
Termodinámica: Indica cuánto calor se transfiere, pero nunca de qué forma y a qué razón, lo cual si hace la transferencia de calor una vez que se sabe cuánto calor se transfiere, en otras palabras, ambas áreas se complementan entre sí.
Ejemplifiquemos lo anterior, imagina que estás en tu oficina cómodamente a una temperatura ambiente de 20°C y decides hacerte una taza de café, para prepararlo requieres de un buen café (claro está) y agua caliente en la cual disolverlo. Podríamos calcular que el agua se encuentra aproximadamente a 50°C, si lo bebes inmediatamente te quemarás ¿verdad? En consecuencia, dejas sobre tu escritorio la taza con el líquido caliente para que se enfríe, hecho que eventualmente ocurrirá. Ahora entonces surge la pregunta ¿por qué disminuye la temperatura del café? (Imagen 2).
La taza de café pierde calor con el paso del tiempo ya que está a una temperatura mayor del ambiente en el que se encuentra: “la naturaleza siempre tiende a un equilibrio, en este caso, un equilibrio térmico” y, por lo tanto, se reduce su temperatura transfiriendo calor al medio que lo rodea para alcanzar ese equilibrio. Si hacemos un cálculo rápido a partir de las leyes de la termodinámica, de una taza de café de 200 ml se transfieren al ambiente alrededor de 25 kJ de energía, pero ¿en qué forma?, ¿a qué razón?, ¿cuánto tiempo debemos esperar para tomar la taza de café? La Transferencia de calor es el área enfocada en responder estas preguntas que tal vez nos parecerán insignificantes en el contexto de una taza de café dentro de una oficina, pero para el diseño y construcción del próximo generador eólico que estará operando en las costas de Oaxaca es esencial.
Dentro del estudio de la Transferencia de calor se identifican tres tipos de mecanismos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación. Todos los días, la Tierra los experimenta en sus procesos naturales, por lo tanto nosotros interactuamos directamente con ellos. Por ejemplo, en la cocina de tu casa, al momento de colocar una cacerola para calentar agua, se presentan los siguientes mecanismos: el mango se calienta debido al mecanismo de transferencia de calor por conducción; el agua empieza a moverse (y se generan burbujas) gracias al mecanismo de transferencia de calor por convección; y las paredes de la cacerola se calientan debido al mecanismo de transferencia de calor por radiación. (Diagrama 1)
Fuente: NASA.
Recordemos que para que estos mecanismos de transferencia se efectúen es primordial la existencia de una diferencia de temperaturas entre el sistema y sus alrededores. A través del conocimiento empírico se ha observado que existe una relación directa entre la diferencia de temperaturas y el calor transferido en el sistema, esto se representa de la siguiente manera:
Como se mencionó anteriormente, el estudio de la transferencia de calor permite determinar la razón de calor que se transfiere a través de la frontera del sistema, en otras palabras, el flujo de calor presente sobre la superficie del sistema a estudiar. De tus clases de cálculo diferencial sabes que a medida que derivas una variable dependiente entre su variable independiente aumentas el grado de la derivación, teniendo un significado particular en función de la variable independiente. Entonces, si derivamos la variable dependiente calor (Q) entre la variable independiente área (A) (la cual depende de las posiciones sobre los ejes x y y, siendo estas variables independientes) se obtiene la razón de calor que se está transfiriendo mediante una unidad de área, esto es conocido como flujo de calor:
Así, el flujo de calor es directamente proporcional a la diferencia de temperaturas entre el sistema y el medio con el que interactúa, pero de esta expresión ¿cómo remuevo el término directamente proporcional por el de igual? Matemáticamente hablando, el término de proporcionalidad se transforma en igualdad cuando la ecuación se ajusta a condiciones particulares que representen a un fenómeno dado, convirtiendo a esta ecuación en una familia de curvas representativa del mismo. Es entonces donde se deben considerar los mecanismos de transferencia de calor (fenómeno). Los cuales definiremos a continuación.
- Conducción. Cuantifica la energía en forma de calor transferida a través de un sólido o líquido en estado de reposo a medida que se encuentra sujeto a una diferencia de temperaturas, por lo tanto el fenómeno es dependiente de las propiedades y dimensiones del material por el que fluye la energía.
- Convección. Este mecanismo se da debido al movimiento de un fluido (puede ser un líquido o gas) sobre una superficie fija(sólido o líquido en reposo). De tal manera, el fenómeno es dependiente de las propiedades del fluido en movimiento y las características geométricas de la superficie en reposo.
- Radiación. A diferencia de los anteriores, no requiere de un medio para transmitir la energía. Se presenta cuando se tiene un cuerpo con alta energía a la vista de un cuerpo con baja energía, con las características adecuadas de emisividad.
Conclusión
Si observas tu entorno, te darás cuenta que día con día en todo el universo se está transfiriendo energía en diferentes formas, una de estas es el calor y la rama de la ciencia encargada de su estudio es la Transferencia de calor. Con ella podemos determinar cómo y a qué razón se transfiere esta energía a partir de tres mecanismos principales: transferencia de calor por conducción, transferencia de calor por convección y transferencia de calor por radiación. Para que estos mecanismos se efectúen, debe existir una diferencia de temperaturas entre el sistema y sus alrededores. Asimismo, las propiedades y geometrías de los materiales son primordiales en la definición de cada uno de ellos, aspectos en los que nos adentraremos a lo largo de la unidad de aprendizaje.