Transferencia de calor — Conducción, convección y radiación

La transferencia de calor es energía térmica que se mueve debido a una diferencia de temperatura. En situaciones normales, el flujo neto de calor va de la región más caliente a la región más fría. Los tres modos principales son la conducción, la convección y la radiación.

La forma más rápida de distinguirlos es hacer tres preguntas. ¿Las regiones están en contacto? ¿Se está moviendo un fluido? ¿Las superficies pueden intercambiar radiación electromagnética? Esas preguntas suelen indicar qué modo es el más importante.

En qué se diferencian la conducción, la convección y la radiación

Conducción

La conducción es la transferencia de calor a través de la materia o entre materiales en contacto. El material no necesita moverse como un todo.

El ejemplo clásico es una cuchara de metal que se calienta en una sopa caliente. La energía se mueve desde el extremo más caliente hacia el extremo más frío a través de la cuchara.

Convección

La convección involucra un fluido, es decir, un líquido o un gas. Una parte de la transferencia de energía ocurre en una superficie, y otra parte ocurre porque el propio fluido se mueve y transporta energía consigo.

Si el movimiento ocurre principalmente porque el fluido más caliente se vuelve menos denso y asciende, eso es convección natural. Si un ventilador o una bomba impulsa el movimiento, eso es convección forzada.

Radiación

La radiación es la transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas. A diferencia de la conducción y la convección, puede ocurrir a través del vacío.

Por eso la luz solar puede calentar la Tierra. La radiación térmica también es importante en hornos, calderas y habitaciones comunes siempre que superficies a distintas temperaturas intercambian energía.

Un ejemplo que muestra los tres modos

Imagina una taza de té caliente sobre una mesa.

El calor se mueve por conducción a través de la pared de la taza y hacia la mesa donde están en contacto. También se mueve por conducción hacia una cuchara si se deja dentro de la taza.

El calor se mueve por convección dentro del té y en el aire alrededor de la taza. El fluido más caliente tiende a moverse y mezclarse, lo que ayuda a transportar energía térmica lejos de las regiones más calientes.

El calor se mueve por radiación desde la taza y la superficie del té hacia la habitación más fría. Para esa parte no necesitas aire en movimiento ni contacto directo.

Esta es la lección práctica principal: las situaciones reales suelen usar los tres modos al mismo tiempo. En los problemas de física, el paso clave es decidir qué modo domina y cuáles son lo bastante pequeños como para ignorarlos.

Ejemplo resuelto: conducción a través de una pared plana

Para la conducción unidimensional en estado estacionario a través de una capa plana de espesor $L$, un modelo común para la tasa de transferencia de calor es

$$\dot{Q} = \frac{k A \Delta T}{L}$$

Aquí $k$ es la conductividad térmica, $A$ es el área y $\Delta T$ es la diferencia de temperatura a través de la capa. Este modelo solo es útil cuando esa geometría simple y la suposición de estado estacionario son razonables.

Supón que una sección de pared tiene:

• $k = 0.80\ \mathrm{W/(m \cdot K)}$
• $A = 10\ \mathrm{m^2}$
• $\Delta T = 15\ \mathrm{K}$
• $L = 0.20\ \mathrm{m}$

Entonces

$$\dot{Q} = \frac{(0.80)(10)(15)}{0.20} = \frac{120}{0.20} = 600\ \mathrm{W}$$

Así que la energía atraviesa esa sección de pared a una tasa de $600\ \mathrm{J/s}$ en esas condiciones.

La respuesta también pasa una comprobación intuitiva. Un área mayor produce más transferencia, una diferencia de temperatura mayor produce más transferencia y un espesor mayor produce menos transferencia.

Errores comunes en transferencia de calor

Confundir calor y temperatura

La temperatura describe el estado térmico. La transferencia de calor es energía que pasa de una región o sistema a otro debido a una diferencia de temperatura.

Suponer que solo hay un modo presente

Muchos sistemas reales involucran conducción, convección y radiación al mismo tiempo. Un modelo simple puede centrarse en un solo modo, pero la situación física puede seguir incluyendo los otros.

Usar una fórmula sin sus condiciones

La fórmula de la pared anterior no es una ley universal de transferencia de calor. Es un modelo para una configuración específica de conducción. Si la geometría es más complicada, las condiciones cambian con el tiempo o la convección y la radiación importan mucho, el cálculo cambia.

Pensar que frío significa ausencia de energía térmica

Un objeto más frío todavía puede contener una gran cantidad de energía interna. La transferencia de calor trata sobre la dirección del flujo neto de energía, no sobre que un objeto "tenga calor" y el otro no.

Dónde se usa la transferencia de calor en física e ingeniería

La transferencia de calor es importante en el aislamiento, la cocina, la refrigeración de dispositivos electrónicos, los motores, la ciencia del clima, los intercambiadores de calor y el diseño de edificios. También explica muchas observaciones cotidianas, como por qué el metal se siente más frío que la madera a la misma temperatura ambiente o por qué el aire en movimiento ayuda a enfriar la piel.

Una vez que puedes distinguir claramente los tres modos, muchos problemas de termodinámica e ingeniería se vuelven mucho más fáciles de plantear.

Prueba un problema parecido

Cambia una condición en el ejemplo de la pared y predice el efecto antes de calcular. Por ejemplo, duplica el espesor o reduce el área a la mitad, y luego comprueba cómo cambia la tasa de transferencia de calor.