El calor es un intercambio de energía producido entre dos cuerpos, o las distintas regiones de un mismo cuerpo, que están a distinta temperatura. El intercambio de calor se lleva a cabo entre los zonas de mayor temperatura a las de menor temperatura. El calor fluye del cuerpo más caliente al más frío, cediéndole energía, hasta que se alcanza el equilibrio térmico. Es decir, hasta que ambos cuerpos (o las distintas zonas del mismo) adquieren la misma temperatura.
El calor tiene unidades de energía, por lo que puede medirse en julios, J, o en calorías, cal. La relación entre ambas unidades es 1\,J=0,239006\,cal .
Los tres mecanismos mediante los cuales se transfiere el calor son la conducción, la convección y la radiación, los cuales se detallan a continuación. También tenéis un vídeo con animaciones al final del artículo.
1. Conducción térmica
La conducción es el principal mecanismo para la transferencia de calor en sólidos, ya que las partículas se encuentran muy juntas unas de otras en este estado de la materia, lo que permite que se produzcan un gran número de colisiones entre ellas.
Según se incrementa la temperatura de las partículas, estas comienzan a agitarse, aumentando su energía cinética. La vibración acelerada de las partículas incrementa el aumento de las colisiones con las partículas vecinas, transfiriéndoles parte de esa energía cinética e incrementando su vibración. Se genera así una cadena que se repite de partícula en partícula, transfiriendo el calor desde la primera a la última en forma de energía cinética, que se manifiesta también en forma de incremento de temperatura.
Como vemos, el mecanismo de transferencia de calor por conducción se basa realmente en un intercambio de energía cinética entre partículas en contacto. Por este motivo, para que el calor pueda transportarse mediante este método, es necesario que haya materia y que las partículas estén próximas, como ocurre en los sólidos.
Sin embargo, no todos los sólidos conducen bien el calor. Estamos acostumbrados a oír hablar sobre aislantes y conductores térmicos. Esta diferencia (cómo de bien o mal conduce un material el calor) queda definida por el valor de su conductividad térmica, k, que es una propiedad del material.
Los buenos conductores térmicos tienen una alta conductividad térmica, como el caso de la mayoría de los metales, propagando rápidamente el calor. Esto explica que objetos tan comunes a nuestro alrededor como las sartenes u ollas para cocinar sean metálicas, ya que se fabrican de manera que favorezcan la transferencia de calor desde la fuente (gas o vitrocerámica…) a los alimentos contenidos en su interior.
Por el contrario, los materiales aislantes tienen una baja conductividad y se utilizan en aplicaciones donde interese evitar el intercambio térmico.
| Conductores | k(\dfrac{W}{mK}) | Aislantes | k(\dfrac{W}{mK}) |
|---|---|---|---|
|
Acero Cobre Oro Plata Mercurio |
50 380 308 410 84 |
Agua Aire Madera Ladrillo Corcho |
0,58 0,02 0,13 0,80 0,03 |
Aquí os dejo un experimento casero para comprobar como la conductividad térmica del material afecta a la transferencia de calor entre sólidos. El hielo se derrite más rápido sobre una bandeja metálica que sobre un plato de plástico.
Ley de Fourier
Esta ley describe el flujo de calor, q, que circula por una superficie sometida a un gradiente de temperatura, teniendo en cuenta la conductividad térmica del material. Es aplicable, por ejemplo, si se desea calcular el flujo de calor que viaja desde la zona caliente a la zona fría en una barra con dos temperaturas fijas en los extremos.
q = \dfrac{{\dot Q}}{A} = – k\nabla T
No obstante, esta ecuación no permite conocer la temperatura exacta en cada punto o zona de la barra y en cada instante de tiempo. Para este fin es necesario aplicar la ecuación del calor, que explicamos en otro artículo.
\dfrac{{\partial T}}{{\partial t}} = \alpha \left( {\dfrac{{{\partial ^2}T}}{{\partial {x^2}}} + \dfrac{{{\partial ^2}T}}{{\partial {y^2}}} + \dfrac{{{\partial ^2}T}}{{\partial {z^2}}}} \right)
Donde \alpha representa la difusividad térmica.
2. Convección térmica
El mecanismo de transferencia de calor por convección suele ser predominante en fluidos como líquidos y gases. En estos estados, la conducción no es tan relevante debido a la mayor dispersión de las partículas, lo que dificulta el choque entre ellas y la transferencia de energía cinética.
La convección se basa en el movimiento y desplazamiento de las partículas debido a su propia temperatura. Es decir, se produce un transporte de energía, pero también de materia, lo que marca una diferencia clara con el mecanismo de conducción.
Cuando un fluido es calentado, se expande. Las partículas se separan disminuyendo la densidad del fluido en la zona caliente. Se produce una diferencia de densidades entre las zonas caliente y frías del fluido, generando una corriente de convección. El fluido caliente, menos denso, asciende, dejando su sitio al fluido frío. Como resultado, hay una transferencia de materia entre zonas.
Esto se observa muy fácilmente con el ejemplo de una olla con agua que es calentada en su parte inferior. El fluido en la parte de abajo alcanzará una temperatura superior por conducción, al estar en contacto con el fondo del recipiente. El incremento térmico genera una disminución de su densidad, por lo que este fluido asciende, bajando el fluido frío de la parte superior. Al llegar abajo, este se calienta, reduciendo su densidad y volviendo a subir, repitiendo el ciclo.
Esto también explica que los radiadores de las viviendas estén colocados en una zona baja. El aire de su alrededor se calienta y asciende, bajando el aire frío para ser calentado, generando la corriente de convección. ¡Si colocásemos un radiador en el techo, calentaría el aire de esa zona pero no se crearía la corriente de convección, dejando el resto de la habitación fría!
Convección natural y convección forzada
Se diferencian dos tipos de convección. La convección natural es un fenómeno físico que se origina en la naturaleza debido a la variación de densidad de un fluido con la temperatura, tal y como se ha explicado anteriormente.
Por otro lado, la convección forzada ocurre cuando el flujo del fluido es gobernado artificialmente mediante un agente externo, como un ventilador, redirigiendo la distribución de zonas calientes y frías del fluido.
Ecuación del flujo de calor por convección
El flujo de calor, q, intercambiado entre una superficie en contacto con un fluido depende de la temperatura de la superficie, T, y la temperatura del fluido en las regiones alejadas de este, {T_\infty }, y del coeficiente de transferencia de calor o coeficiente de película, h.
q = \dfrac{{\dot Q}}{A} = h\left( {T – {T_\infty }} \right)
El coeficiente de transferencia de calor depende del tipo de convección, las propiedades del fluido, su velocidad o la rugosidad de la superficie.
3. Radiación térmica
El último mecanismo de transferencia de calor es la radiación, cuya principal diferencia con los dos mecanismos anteriores es que no necesita de la presencia de materia para transmitir calor. Tanto la convección como la conducción requieren la existencia de partículas para que transporten, mediante cambios de energía cinética o con su propio desplazamiento, la energía entre zonas. La radiación térmica es un mecanismo de transferencia de calor que ocurre incluso en el vacío. Es la forma principal por la cual la radiación solar puede llegar hasta la tierra, calentándola.
La radiación se basa en la emisión y absorción de ondas electromagnéticas debido al incremento de temperatura de los cuerpos. Todos los cuerpos emiten radiación térmica, que engloba un pequeño rango dentro de las longitudes de onda. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor es la emisión.
Los seres humanos también emitimos radiación debido a nuestra temperatura corporal, lo que puede comprobarse con el uso de cámaras termográficas.
Reflexión, transmisión y absorción
Cuando la onda electromagnética del espectro de radiación térmica alcanza un cuerpo, pueden ocurrir tres fenómenos distintos:
- Una parte de la radiación es reflejada, rebota y se aleja del cuerpo, lo que se conoce como reflexión.
- Otra parte se transmite, atravesando el cuerpo y llegando a lo que haya detrás de éste, lo que se conoce como transmisión.
- Otra parte de la radiación se absorbe, incrementando la temperatura del cuerpo, lo que se conoce como absorción.
La proporción de radiación que corresponde a cada fenómeno se define mediante los coenficientes de reflectividad, \rho, transmisividad, \tau, y absortividad, \alpha, cuya suma es igual a 1.
\rho+\tau+\alpha=1
Conociendo dos coeficientes, es posible determinar el tercero. Cada material, en función de sus características, presentará distintos coeficientes.
Estos coeficientes explican cómo reacciona un cuerpo al recibir la radiación térmica, pero hemos mencionado que todos los cuerpos son también emisores. Para determinar la cantidad de radiación que emite un cuerpo se define el coeficiente de emisividad, \epsilon. Para entender su significado es necesario definir el concepto de cuerpo negro.
El cuerpo negro es un concepto teórico ideal que representa un sólido que absorbe toda la radiación que le llega, por lo que \alpha=1. Matemáticamente se demuestra que la absortividad de cualquier cuerpo es igual a su emisividad, \epsilon, por lo que el cuerpo negro emite toda la radiación que aborbe, \alpha=\epsilon. El cuerpo negro es el que más radiación emitirá para una temperatura dada, cualquier cuerpo real emite menos que él. La emisividad de cualquier cuerpo representa la proporción de radiación térmica que emite en comparación con el cuerpo negro, siendo siempre inferior a 1.
Según la ley de Stefan Boltzmann, la potencia térmica emitida por el cuerpo negro depende de una constante \sigma=5,67\cdot 10^{-8} \dfrac{W}{m^{2}K^{4}}, el área, A, y la temperatura, T, elevada a la cuarta potencia.
\dot Q = \sigma A{T^4}
Para cualquier objeto real, la fórmula incluye el coeficiente de emisividad del cuerpo, siempre inferior a la unidad, representando la proporción de potencia térmica que ese cuerpo emite respecto del cuerpo negro.
\dot Q = \epsilon\sigma A{T^4}
La emisividad depende de factores como el color, el material o las características de la superficie. De manera orientativa, algunos valores de emisividad son: agua (0,96), madera (0,85), ladrillo (0,75), acero inoxidable (0,14) y cobre (0,06).
Si queréis ampliar un poco más vuestros conocimientos sobre los mecanismos de transferencia de calor os animo a ver el siguiente vídeo donde se detallan todos estos conceptos con animaciones!!