Coeficientes Individuales

Introducción.

Los cuerpos, sometidos a la influencia de una fuente calórica, se calientan, es decir, absorben parte del calor transmitido. También esos cuerpos, en función del material de que están constituidos, no absorben ese calor de la misma forma e intensidad.

El calor absorbido por el cuerpo lo recorre interiormente, desde la cara expuesta a la fuente calórica, hasta la cara opuesta. Es decir desde una zona de mayor temperatura a otra de menor temperatura.

En este fenómeno, que se conoce con el nombre de conductividad térmica, vemos que no todo el calor absorbido por la cara expuesta llega hasta la opuesta. Esto lo podemos comprobar aplicando una mano sobre ambas caras, con lo cual sentiremos que la cara opuesta está más fría que la expuesta.

Esto significa que el cuerpo opuso cierta resistencia al paso del calor por su interior; este fenómeno se conoce como resistencia térmica del material.

La propiedad de retener parte del calor absorbido e impedir su paso total de una cara a la otra del cuerpo, es la capacidad aislante al calor que posee el material.

En un muro cualquiera de una construcción, el calor imperante en el exterior, pasará a través de su masa al interior del local, en la medida que su capacidad aislante lo permita.

Si dentro de un ambiente debemos lograr un rango de confort determinado, en función de las normas mínimas de habitabilidad, habrá que diseñar el muro con materiales y espesores adecuados, de modo tal que se logre el máximo aislamiento.

La transmitancia térmica, es decir, la propiedad de los cuerpos de dejar pasar calor a través de su masa, deberá entonces limitarse.

Para ello debemos estudiar los fenómenos de transferencia de energía en forma de calor, que comúnmente denominamos transferencia de calor.

Transmisión de calor

La transferencia de calor está caracterizada por una ecuación de aparente simpleza:

Velocidad de transferencia= (Fuerza impulsora )/Resistencia

La transferencia de calor puede efectuarse por tres mecanismos: por radiación, por conducción y por convección. La radiación consiste en la transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas (por ejemplo en el horno eléctrico). La conducción es un tipo de transporte de calor que tiene lugar en los sólidos y que se produce por transmisión directa de la energía molecular (por ejemplo a través de recipientes metálicos, paredes de una cámara fotográfica o en alimentos sólidos). La convección consiste en la transferencia de calor por grupos de moléculas que se mueven por diferencia de densidad (por ejemplo el aire caliente o vapor de agua) o por agitación (por ejemplo en líquidos sometidos a agitación, aceites en frituras y otros). En la mayor parte de los casos la transferencia de calor se produce simultáneamente por los tres mecanismos, si bien algunos de ellos suele predominar sobre los demás.

La transferencia de calor por conducción está gobernada por la ley de Fourier.

La transferencia de calor por convección está gobernada por la ley de Newton.

La transferencia de calor por radiación está gobernada por la ley de Stefan-Boltzmann.

Los problemas de transferencia de calor se pueden poner en dos categorías. Transferencia de calor en estado estacionario, significa una situación en la cual las propiedades del sistema no cambian con el tiempo. La transferencia de calor transitoria denota una situación en la cual las propiedades cambian con el tiempo.

Transmisión de calor por conducción.

La conducción es el mecanismo de transferencia de calor en escala atómica a través de la materia por actividad molecular, por el choque de unas moléculas con otras, donde las partículas más energéticas le entregan energía a las menos energéticas, produciéndose un flujo de calor desde las temperaturas más altas a las más bajas. Los mejores conductores de calor son los metales. El aire es un mal conductor del calor. Los objetos malos conductores como el aire o plásticos se llaman aislantes.

Ilustración 1. Mecanismo de la conducción

La conducción de calor sólo ocurre si hay diferencias de temperatura entre dos partes del medio conductor. Para un volumen de espesor ∆x, con área de sección transversal A y cuyas caras opuestas se encuentran a diferentes T1 y T2, con T2 > T1, se encuentra que el calor ∆Q transferido en un tiempo ∆t fluye del extremo caliente al frío. Si se llama H (en Watts) al calor transferido por unidad de tiempo, la rapidez de transferencia de calor H = ∆Q/∆t, está dada por la ley de la conducción de calor de

Fourier.

Q= -kA dT/dx

Donde Q (J/s) representa la velocidad de transferencia de calor; k (J/m.s. °k) es la conductividad térmica; A (m2) es el área de intercambio; dT (°C) es la diferencia de temperaturas; dx (m) es el grosor del material. El signo negativo indica que la energía fluye en la dirección en la que la temperatura decrece o hacia abajo en el gradiente de temperatura, y la cantidad dT/dx es una cantidad negativa, la temperatura decrece a medida que x aumenta.

Ilustración 2. Fourier

Transmisión de calor por convección.

Cuando la transferencia de calor involucra fluidos, la convección de calor es un mecanismo de transmisión muy importante. Aunque existe conducción, ésta queda “enmascarada” dentro de la convección o del desplazamiento del fluido, de una zona a otra, causada por agente externos, como bombas y compresores, o por la presencia de una diferencia de gradientes de densidad que, a su vez son provocados por diferencias de temperatura. En la mayoría de las aplicaciones industriales, se trasfiere calor de una fluido a otro a través de un pared solida.

Ilustración 3. Ejemplo de convección

De la transmisión por convección se distinguen dos tipos distintos:

Convección libre.- Cuando el calor es llevado por la circulación de los líquidos debido a la flotabilidad de los cambios de la densidad inducidos calentándose, entonces el proceso se conoce como libre o natural.

Los ejemplos familiares son el flujo ascendente del aire debido a un fuego o a un objeto caliente y la circulación del agua en un pote de debajo el cual se caliente.

Para una experiencia visual de la convección natural, un cristal lleno de agua caliente con el colorante alimenticio rojo se puede colocar en un tanque de los pescados con agua fría, clara. Las corrientes de la convección del líquido rojo serán vistas para levantarse y para caer, después colocan eventual, ilustrando el proceso pues se disipan los gradientes del calor.

Convección forzada.- Convección natural del calor (también llamada convección libre) es distinguido de varios tipos de forzado caliente la convección, que refieren a la advección del calor por un líquido que sea no debido a las fuerzas naturales de la flotabilidad inducidas por la calefacción. En la convección forzada del calor, la transferencia del calor es debido al movimiento en el líquido que resulta de muchas otras fuerzas, tales como (por ejemplo) un ventilador o una bomba. A horno de la convección así los trabajos por la convección forzada, como ventilador que circula rápidamente calor caliente de las fuerzas aéreas en el alimento más rápidamente que sucederían naturalmente debido a la calefacción simple sin el ventilador. Calefacción aerodinámica es una forma de convección forzada. Los sistemas fluidos comunes del calor-radiador, y también la calefacción y el refrescarse de las partes del cuerpo por la circulación de la sangre, son otros ejemplos familiares de la convección forzada.

En cero-g los ambientes allí pueden ser no las fuerzas de la flotabilidad, y así ninguna convección (libre) natural posible, así que se flamea en muchas circunstancias sin gravedad, sofocan en sus propios humos. Sin embargo, las llamas se pueden mantener con cualquier tipo de convección forzada (brisa); o (en altos ambientes del oxígeno en “todavía” provea de gas los ambientes) enteramente de la convección forzada mínima que ocurre como provocado por el calor extensión (no flotabilidad) de gases tiene en cuenta la ventilación de la llama, pues los humos mueven exterior y se refrescan, y el gas fresco del alto-oxígeno se mueve adentro para tomar las zonas de la presión baja creadas cuando el agua del llama-extractor condensa.

En cualquiera de los casos el fenómeno se puede evaluar mediante la Ley de Newton del enfriamiento:

q=hA (T_p- T_∞ )

En ella q (J/s) indica la velocidad de transferencia de calor, A (m2) el área o superficie de intercambio; Tp es la temperatura de la superficie, T∞ es la temperatura del fluido y h (W/m2K) es el coeficiente de intercambio calórico en la superficie.

Ilustración 4. Isaac Newton

Transmisión de calor por radiación.

Se denomina transmisión de calor por radiación cuando la superficie del cerramiento intercambia calor con el entorno mediante la absorción y emisión de energía por ondas electromagnéticas. Mientras que en la conducción y la convección era preciso la existencia de un medio material para transportar la energía, en la radiación el calor se transmite a través del vacío, o atravesando un medio transparente como el aire.

Todas las superficies opacas emiten energía en forma de radiación en una magnitud proporcional a la cuarta potencia su temperatura absoluta T, y en un rango de longitudes de onda inversamente proporcional a su temperatura absoluta. Por consiguiente, los cerramientos emiten radiaciones de onda larga, correspondiente al espectro infrarrojo lejano, procedente de

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