Control de la transferencia de calor

Control de la transferencia de calor:

Una buena forma de repasar los métodos de transferencia de calor es examinar un dispositivo que inhibe los tres métodos, y que es la botella al vacío o termo. Consiste en un recipiente de vidrio de doble pared, donde el espacio entre las paredes contiene vacío, es decir se ha hecho vacío en él. (Además suele haber una cubierta exterior también). Las superficies de vidrio que miran una hacia la otra están plateadas. Un tapón hermético de corcho o de plástico sella la botella. Cualquier líquido dentro de ella, esté caliente o frío, permanecerá casicon su temperatura inicial durante muchas horas.

1. Es imposible la transferencia de calor por conducción a trávez del vacío. Algo de calor escapa por conducción por el vidrio y el plástico o el corcho son malos conductores de calor.

2. También el vacío evita que se pierda calor por convección a trávez de las paredes.

3. Se reduce la pérdida de calor por radiación, con las superficies plateadas de las paredes, que reflejan las ondas electromagnéticas y las devuelven a la botella.

Transferencia de Calor

Transferencia de Calor:

La transferencia de calor es el proceso de propagación del calor en distintos medios. La parte de la física que estudia estos procesos, se llama a su vez: Transferencia de calor o Transmisión de calor. La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente térmico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas, se ponen en contacto. El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio térmico, es decir, hasta que se igualan las temperaturas. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente próximas, la transferencia de calor no puede ser detenida, solo puede hacerse más lenta.

La Termodinámica es la ciencia que estudia la relación entre el calor y otras formas de energía. El calor es energía en tránsito. Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura, se transfiere energía entre ellos. Sabemos de esta transferencia, no porque la veamos, sino por los cambios que se producen en el o los sistemas. La Termodinámica basándose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscópico, es decir, en función de atributos tales como; la presión, la temperatura y el volumen, que se pueden medir, determina si ha habido cambios en la energía interna de los mismos. En cumplimiento del Primer principio y descartada la interacción de trabajo con el exterior, la variación de energía interna solo puede ser debida a calor, es decir, a transferencia de energía de un sistema al otro.

Pero los parámetros macroscópicos solo se pueden medir, o tiene valor su medida, si es homogénea en todo el sistema, lo que solo ocurre si están en equilibrio. La termodinámica, por tanto, se ocupa de los estados de equilibrio y en función de sus diferencias, determina la cantidad de energía transferida de un estado al otro, pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia. En un análisis termodinámico se sabe la cantidad de energía necesaria para pasar de un estado al otro, pero no se conoce cuanto tiempo ha requerido la transferencia, porque el tiempo no se incluye como variable en el análisis. Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor.

La Transferencia de calor como ciencia, tiene como objetivo calcular: La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura específica, y no es una misión baladí, ya que casi cualquier rama de la ingeniería encuentra problemas de transferencia de calor que no podrían ser resueltos con, únicamente, el razonamiento termodinámico.

Ley de enfriamiento de Newton

Ley de Enfriamiento de Newton:



Un objeto a temperatura diferente de la de sus alrededores terminará alcanzando una temperatura igual a la de sus alrededores.

La rapidez pérdida de calor, sea por conducción, convección o radiación, es proporcional a la diferencia de temperaturas (DT) y al área de contacto (A) entre el objeto y sus alrededores.

Q~ADT

Esta ley también aplica para el calentamiento.

Reflexión de la energía radiante

Reflexión de la Energía Radiante:

La absorción y la reflexión son procesos opuestos.




La radiación que entra a la cueva tiene muy poca probabilidad de salir, porque la mayor parte de ella se absorbe. Por esta razón, la abertura de cualquier cueva o cavidad nos parece negra.

Un buen absorbedor de energía radiante, incluyendo de luz visible, refleja muy poca de ella, y se ve oscuro.

Enfriamiento nocturno por la radiación

Enfriamiento Nocturno por Radiación:

Los cuerpos que irradian más energía que la que reciben, se enfrían. Esto sucede por la noche, cuando no hay radiación solar.



Es común que la escarcha se forme sobre el pasto, aun cuando la temperatura no baje a nivel de congelación. Esto se debe a que el pasto es un aislante y los aislantes son emisores netos que de noche se enfrían más que el aire.

Absorción de energía radiante

Absorción de Energía Radiante:

Cuando el Sol calienta, los objetos negros absorben mejor la radiación y se calientan con mayor rapidez...



...pero luego se enfrían fácil porque los buenos absorbedores son buenos emisores y los malos absorbedores son malos emisores. Por ejemplo el pavimento oscuro en el día está caliente y en la noche se enfría rápidamente.



Todo objeto, esté caliente o frío, absorbe y emite la energía radiante al mismo tiempo. Si emite más de la que absorbe es emisor neto y su temperatura baja. El que un objeto tenga el papel de emisor neto o absorbedor neto, depende de si su temperatura es más alta o más baja que la de sus alrededores.

Emisión de energía radiante

Emisión de Energía Radiante:

Curva de radiación para distintas temperaturas. La frecuencia para la máxima energía radiante es directamente proporcional a la temperatura absoluta del emisor.

Todas las sustancias, a cualquier temperatura mayor que el cero absoluto, emiten energía radiante. La frecuencia para el máximo de la energía radiante es directamente proporcional a la temperatura absoluta del emisor.

Los objetos con alta temperatura como el Sol, emiten ondas de alta frecuencia y cortas longitudes de onda. Otros objetos emiten ondas de menor frecuencia y mayor longitud de onda en el extremo de la región infrarroja. Esta radiación se llama también "radiación térmica“.



Cuando la radiación infrarroja encuentra un objeto se refleja en parte y se absorbe en parte. La parte que se absorbe aumenta la energía térmica del objeto. Una vez que el objeto se calienta, emite radiación que puede ser captada por sensores de infrarrojo.




Cuando un objeto está bastante caliente, emite algo de energía radiante en la región de la luz visible. Por ejemplo, a medida que la lava se calienta a más de 500 oC, pasa de verse roja a amarilla y por último, a 1200 oC, produce luz blanca.



a)Una fuente fría emite principamente ondas largas, de baja frecuencia.
b)Una fuente tibia emite principalmente ondas de longitud y frecuencia intermedia.
c)Una fuente caliente emite principalmente ondas cortas, de alta frecuencia.