Transferencia de calor

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¿Sabes por qué se calientan nuestras manos si las colocamos cerca del fuego?, ¿por qué no se calienta el mango de la sartén, pero sí la parte donde cocinamos? Todos estos ejemplos son consecuencia del intercambio de energía térmica. La transferencia de calor ocurre cuando colocamos en contacto a dos sistemas con diferentes temperaturas: el calor va a fluir del punto con mayor temperatura al de menor temperatura.

En este artículo aprenderemos sobre la transferencia de energía térmica en forma de calor entre dos materiales.
Luego, veremos los distintos mecanismos de transferencia de calor.
Después hablaremos del coeficiente de transferencia de calor.
Y por último, repasaremos lo aprendido con ejemplos de transferencia de energía térmica.

¿Qué es la transferencia de energía térmica?

La transferencia de energía térmica o transferencia de calor es el fenómeno en el cual se intercambia energía, en forma de calor, entre dos materiales o entre dos puntos de material.

La teoría de la conservación de la energía nos dice que esta no puede crearse ni destruirse; solo puede transformarse en formas diferentes.

La energía térmica es energía calorífica en forma de calor, que se transfiere cuando existe una diferencia de temperatura.

La energía térmica solo puede transferirse de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura, hasta que ambos cuerpos alcancen el equilibrio térmico (que las dos temperaturas lleguen a ser iguales).

Equilibrio térmico

El equilibrio térmico es un estado en el que dos sustancias de la materia han alcanzado la misma temperatura y, por tanto, ya no hay transferencia de energía térmica entre ellas.

También, puede describirse como un estado isotérmico. Para que se considere una condición isotérmica, los dos cuerpos deben estar en contacto entre sí.

Si un bloque de hielo con una temperatura de \(-5\,\,\mathrm{^{\circ}C}\) se coloca sobre una mesa con una temperatura de \(25\,\,\mathrm{^{\circ}C}\), ¿se alcanzará el equilibrio térmico?

Solución

La energía térmica de la mesa se transferirá al hielo —debido a la diferencia de temperatura (\(\Delta Τ\)) de \(20\,\,\mathrm{^{\circ}C}\)—, hasta que estos dos objetos alcancen el equilibrio térmico. Así, el equilibrio térmico se alcanzará cuando estos dos objetos lleguen a la misma temperatura.

La dirección de la transferencia de calor

La temperatura de las dos regiones bajo el gradiente de temperatura actual proporcionará la dirección de la transferencia de calor. La dirección de la energía térmica será siempre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el de menor temperatura, cuando no haya adiciones de calor externas en el sistema. En el ejemplo anterior, la dirección de la transferencia de calor es de la mesa al hielo, ya que la mesa tiene una temperatura más alta.

Mecanismos de transferencia de energía térmica: conducción, convección y radiación.

Los mecanismos de transferencia de energía térmica por los que puede producirse la transferencia de calor son:

Convección.
Conducción.
Radiación.

Transferencia de calor por convección

El método de convección implica la transferencia de calor a través del movimiento de un fluido, que puede estar en forma de gas o líquido. Cuando un fluido se mueve, la energía térmica se transfiere a partir del movimiento de las partículas del fluido.

El movimiento de un fluido caliente dentro de una tubería hará que esta se caliente, ya que la energía térmica se transferirá del fluido caliente a las paredes de la tubería (calienta su material).

Transferencia de calor por conducción

Se trata de un método de transferencia de calor que se produce debido a las colisiones entre partículas y partículas subatómicas dentro de un cuerpo. Cuando las partículas subatómicas chocan entre sí, se produce una transferencia de energía cinética —conocida como energía interna— que genera calor.

Cuando se retira una sartén caliente de la estufa y se coloca sobre una mesa, la energía térmica de la sartén caliente se transfiere localmente a la superficie de la mesa, por la colisión de partículas entre las dos superficies.

Transferencia de calor por radiación

La radiación es un método de transferencia de calor en forma de luz u ondas electromagnéticas. Este tipo de energía es emitida por ciertas materias que nos rodean.

Un ejemplo de transferencia de calor por radiación es el calentamiento de una habitación, a partir de la energía térmica emitida por una chimenea. En este ejemplo, la transferencia de calor por conducción también se produce en la habitación, pero a un ritmo menor.

Coeficiente de transferencia de calor

El coeficiente de transferencia de calor es una propiedad física de un objeto que sirve para expresar el grado de transferencia de calor.

Si el coeficiente de transferencia de calor \(h\) es grande, el calor se transferirá de un objeto a otro con mayor facilidad y rapidez, y viceversa.

El coeficiente de transferencia de calor depende de dos parámetros: la conductividad térmica y el grosor de los materiales en los que se produce la transferencia de calor.

La conductividad térmica es una medida de la capacidad de un material para conducir el calor.

Si la conductividad térmica es alta, también el coeficiente de transferencia de calor será mayor. Asimismo, si el material es bastante grueso, el coeficiente de transferencia de calor resultante será menor.

La ecuación de la transferencia de calor

La velocidad a la que se produce la transferencia de calor puede describirse mediante la siguiente ecuación:

\[ Q=h\cdot A \cdot \Delta T = h \cdot A \cdot (T_2-T_1)\]

Hay que tener en cuenta lo siguiente:

\( h\) es el coeficiente de transferencia de calor.
\(Q\) es el calor transferido medido en Watts.
\(\Delta Τ\) es la diferencia de temperatura entre los dos objetos de interés (se mide en Kelvin).
\(A\) es la superficie de la zona de conducción en \(m^2\).
\(T_1\) y \(T_2\) son las temperaturas de la superficie y de los alrededores respectivamente.

Ejemplos de transferencia de calor

Se está calentando una cacerola de \(20 \,\,\mathrm{cm}\) de diámetro y \(5 \,\,\mathrm{cm}\) de profundidad. La energía se transfiere por convección, desde la estufa hasta el fondo de la cacerola, a razón de \(600\,\,\mathrm{W}\). La temperatura resultante en el fondo exterior de la cacerola es de \(380\,\,\mathrm{K}\).

Halla el coeficiente de transferencia de calor, si la temperatura en la superficie interior del fondo es de \(300\,\,\mathrm{K}\).

Solución:

Primero, tenemos que encontrar la superficie en unidades del SI. Lo hacemos convirtiendo \(20\,\,\mathrm{cm}\) en metros. Luego, convirtiendo el diámetro en radio, para encontrar el área:

\[\begin{aligned}D&= 20 \,\,\mathrm{cm} = 20 \cdot 10^{-2}\,\,\mathrm{m}\\ R&=\dfrac{20\cdot 10^{-2}\,\,\mathrm{m}}{0,1 \,\,\mathrm{m}}\\ A&= \pi r^2 =\pi (0,1 \,\,\mathrm{m})^2 \\ A&=0,0314\,\,\mathrm{m}^2\end{aligned} \]

Segundo, encontramos el coeficiente de transferencia de calor, reordenando la ecuación de la tasa de transferencia de calor:

\[ Q=h\cdot A (T_2-T_1)\rightarrow h=\dfrac{Q}{A (T_2-T_1)}\]

Por último, sustituimos los valores dados en la ecuación final para hallar el coeficiente de transferencia de calor:

\[\begin{aligned} h&= \dfrac{Q}{A(T_2-T_1)} \\ &= \dfrac{600}{0,0314(380-300)}\,\,\mathrm{W/m^2 K}\\ &= 238,85\,\,\mathrm{W/m^2 K}\end{aligned}\]

Transferencia de energía térmica - Puntos clave

La transferencia de calor es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos, debido a las diferencias de temperatura.
La energía térmica puede transferirse por tres métodos principales: la convección, la conducción y la radiación.
El coeficiente de transferencia de calor es una característica de la conductividad térmica de un material, que mide lo bien que se transfiere el calor a través del material.

Preguntas frecuentes sobre Transferencia de calor

Conducción, convección y radiación.

La transferencia de calor es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos, debido a las diferencias de temperatura.

La transferencia de calor ocurre cuando colocamos en contacto dos sistemas con diferentes temperaturas. El calor va a fluir del punto con mayor temperatura al de menor temperatura, hasta alcanzar un equilibrio térmico (es decir, cuando las temperaturas sean iguales).

El equilibrio térmico es un estado en el que dos sistemas han alcanzado la misma temperatura y, por tanto, ya no hay transferencia de energía térmica entre ellas.

El calor es una forma de energía que se transfiere entre dos cuerpos con distintas temperaturas.

La fórmula para calcular la transferencia de calor es: Q=hA (T₂-T₁)

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¿Qué es el coeficiente de transferencia de calor?

Se trata de una propiedad física de un objeto, que sirve para indicar la temperatura de un objeto tras recibir calor. Se trata de una propiedad física de un objeto, que sirve para expresar el grado de transferencia de energía en cualquiera de sus formas. Ninguna de las anteriores. Se trata de una propiedad física de un objeto, que sirve para expresar el grado de transferencia de calor.

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¿Qué es la transferencia de energía térmica?

Es la energía que se transfiere en forma de calor entre los cuerpos.

¿Cuál de los siguientes no es un método de transferencia de energía térmica?

Convección.

¿Qué es la transferencia de calor por convección?

Es la transferencia de energía térmica, a través de un fluido, debido al movimiento de las partículas.

¿Qué es la transferencia de calor por radiación?

Es la energía térmica que emiten los cuerpos calentados en forma de radiación electromagnética.

¿Qué es la transferencia de calor por conducción?

Se trata de un método de transferencia de calor que se produce debido a las colisiones entre partículas dentro de un cuerpo.

¿Qué es el coeficiente de transferencia de calor?

Se trata de una propiedad física de un objeto, que sirve para expresar el grado de transferencia de calor.

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