La transferencia de calor es un concepto importante en el mundo de la física y la ingeniería. También es al mismo tiempo uno de los sujetos más difíciles y fáciles de estos campos. Es una de las materias más difíciles debido a las complejas matemáticas involucradas en el modelado y la predicción de la transferencia de calor incluso en los sistemas más simples. También es uno de los más fáciles porque una vez que superas las matemáticas, es una materia muy conceptualmente intuitiva.
Todos saben por sus clases de ciencias medias que el calor se transfiere de tres maneras diferentes, conducción, convección y radiación. Pero, ¿qué significan realmente estos y cómo se pueden describir en términos de matemáticas para que se puedan hacer cálculos útiles? Este artículo intentará describir las ideas de transferencia de calor más a fondo que el quinto grado, pero sin embargo, de una manera que un estudiante de quinto grado lo entendería.
Entonces, ¿qué es exactamente el calor? El calor es una forma de energía llamada energía térmica que se debe principalmente al movimiento o vibraciones de moléculas y átomos dentro del medio. La temperatura de un objeto es en realidad una medición de la intensidad de las vibraciones moleculares, o una medida de su energía térmica. transferencia de calor entonces es la transferencia de energía térmica a través de un espacio físico debido a una diferencia de temperatura. Toda la transferencia de calor es impulsada por diferencias de temperatura. Los científicos e ingenieros interesados en la transferencia de calor a menudo están interesados en la tasa de transferencia de calor , la cantidad total de energía térmica transferida o la distribución de temperatura durante los procesos de transferencia de calor.
conducción es el modo de transferencia de calor más familiar y fácil de entender. En la escuela secundaria supimos que la conducción es la transferencia de calor debido al contacto entre dos objetos. Esto es cierto, pero generalmente estamos más interesados en la transferencia de calor de la conducción dentro de un objeto. Esto también se debe al contacto, el contacto entre las moléculas. A medida que las moléculas enérgicas calientes vibran, chocan con moléculas cercanas, transfiriendo parte de su energía a las siguientes moléculas. Estas moléculas ahora son más enérgicas y transfieren algo de energía a moléculas cerca de ellas. Esto sucede a gran escala y la energía térmica se transfiere efectivamente de una región de temperatura más alta (alta energía) a una región de baja temperatura (baja energía). Esta transferencia debido al movimiento molecular aleatorio también se llama difusión de energía. Usando el concepto de conservación de la energía se puede derivar una fórmula para describir esto. Esta ecuación se conoce como Ley de Fourier y es la siguiente:
q = -k*dt/dx. En esta ecuación Q es la tasa de transferencia de calor , que es la cantidad de energía térmica transferida por unidad de tiempo, k es una propiedad material conocida como la conductividad térmica , y dt/ DX es el gradiente de temperatura para personas que no son de cálculo, esto puede aproximarse como la diferencia de temperatura en dos puntos dividido por la distancia entre los puntos.
La convección es la siguiente Modo de transferencia de calor y es menos intuitivo al principio. La convección es similar a la conducción; De hecho, me gusta pensar en ella como una conducción “mejorada”. La convección es transferencia de calor en fluidos , es decir, gases y líquidos. Por lo general, pensamos en la transferencia de calor de un fluido sólido a un fluido en movimiento o viceversa. El calor se transfiere de dos maneras de conducción. El primero es a través de la difusión de energía, exactamente como en la conducción. La otra forma que mejora la transferencia de calor es a través del movimiento a granel del fluido. Esto significa que un gran número de moléculas se están moviendo más allá de llevar energía térmica adicional. Esto también se conoce como advection . La convección es la combinación de difusión y advección. Hay dos tipos de convección, convección forzada y convección libre. Convección forzada ocurre cuando el fluido se mueve debido a una fuerza externa, como una bomba o un ventilador. La convección libre ocurre cuando el calor se transfiere a un fluido aún, y el calentamiento de parte de un fluido causa movimiento en un fluido; Como el aumento de aire caliente, trayendo aire más frío para moverse en su lugar. En la convección forzada, el movimiento del fluido causa la transferencia de calor, en convección libre, la transferencia de calor causa movimiento de fluido. La convección también se puede describir mediante una ecuación, conocida como la ley de enfriamiento de Newton: Q = H (t s -t inf ). En esta ecuación Q es nuevamente la tasa de transferencia de calor, y H es el coeficiente de transferencia de calor . T S es la temperatura de la superficie y t inf es la temperatura del fluido. El coeficiente de transferencia de calor H no se deriva fácilmente matemáticamente y debe determinarse a través de experimentos.
radiación , el modo final de transferencia de calor, es completamente diferente de la conducción o la convección. La conducción y la convección requieren un medio para que se produzca transferencia de calor, la radiación no. La radiación es la transferencia de energía a través del espacio en forma de ondas electromagnéticas . En todos los objetos, las moléculas no solo vibran, sino que también pueden cambiar los estados de energía eléctrica. Esto significa que un objeto puede absorber algo de energía y un electrón se moverá a un estado de energía más alto. Cuando el electrón vuelve a un estado de energía más baja, libera energía en forma de fotón. Los fotones son otra forma de pensar en las ondas electromagnéticas. Es de esta manera que una superficie irradiará la energía. Resulta que la cantidad de energía emitida por un objeto de esta manera no depende del material, solo de la temperatura. Esto se conoce como la Ley Stefan-Boltzmann: E = ïƒt 4 . En esta ecuación, E es la cantidad de energía emitida, y ïƒ es un conocimiento constante como la constante Stefan-Boltzmann. En equilibrio, las superficies emiten la misma cantidad de energía que emiten. Una transferencia de calor neta entre dos objetos depende nuevamente de la diferencia de temperatura y se muestra aquí: Q = ïƒ (t 1 4 -t 2 4 ), con energía que fluye desde el objeto de temperatura más alta hasta el objeto de temperatura más baja. La radiación no solo es importante en el campo de la transferencia de calor, sino que los descubrimientos relacionados con la radiación a principios del siglo XX fueron los primeros descubrimientos que lanzaron física al mundo de la mecánica cuántica, pero esa es otra historia.
<
La transferencia de calor en un sistema puede consistir en uno, dos o los tres modos. Esta es solo una breve introducción al campo. En aplicaciones de la vida real, las ecuaciones de velocidad mencionadas aquí se utilizan y, especialmente en la conducción, componen ecuaciones diferenciales que deben resolverse para determinar la temperatura y la transferencia de calor. Estas ecuaciones pueden volverse intratables con geometrías complejas y condiciones de contorno, pero afortunadamente ahora hay programas informáticos que pueden resolver estas ecuaciones numéricamente. Pero sin una comprensión básica de la transferencia de calor, estos programas son inútiles. Con suerte, este artículo proporcionó una idea de una mejor comprensión de la transferencia de calor y las leyes básicas que rigen cómo ocurre.
