Transferencia
de calor
Transferencia de calor
El calor puede transferirse de tres
formas: por conducción, por convección y por radiación. La conducción es la
transferencia de calor a través de un objeto sólido: es lo que hace que el asa
de un atizador se caliente aunque sólo la punta esté en el fuego. La convección
transfiere calor por el intercambio de moléculas frías y calientes: es la causa
de que el agua de una tetera se caliente uniformemente aunque sólo su parte
inferior esté en contacto con la llama. La radiación es la transferencia de
calor por radiación electromagnética (generalmente infrarroja): es el principal
mecanismo por el que un fuego calienta la habitación.
Transferencia de calor, en física, proceso por
el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o
entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El
calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos
tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los
mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a
través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una
cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por
convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.
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CONDUCCIÓN
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En los sólidos, la única
forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de
una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se
transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su
totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se
cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que
transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría
explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos
conductores del calor. En 1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una
expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la
conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a
través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al
gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).
El factor de proporcionalidad
se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como el oro, la
plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el
calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen
conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el
calor, y se conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario conocer la
velocidad de conducción del calor a través de un sólido en el que existe una
diferencia de temperatura conocida. Para averiguarlo se requieren técnicas
matemáticas muy complejas, sobre todo si el proceso varía con el tiempo; en
este caso, se habla de conducción térmica transitoria. Con la ayuda de
ordenadores (computadoras) analógicos y digitales, estos problemas pueden
resolverse en la actualidad incluso para cuerpos de geometría complicada.
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CONVECCIÓN
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Si existe una diferencia de
temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se
producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una
parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido
puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad
(masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra
en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende,
mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento,
debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se
denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el
fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de
acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.
Supongamos, por ejemplo, que
calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al
fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de
la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el
agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo
que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a
calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba
pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima. De
forma similar, en una cámara vertical llena de gas, como la cámara de aire
situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el aire situado
junto al panel exterior —que está más frío— desciende, mientras que al aire
cercano al panel interior —más caliente— asciende, lo que produce un movimiento
de circulación.
El calentamiento de una
habitación mediante un radiador no depende tanto de la radiación como de las
corrientes naturales de convección, que hacen que el aire caliente suba hacia
el techo y el aire frío del resto de la habitación se dirija hacia el radiador.
Debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, los
radiadores deben colocarse cerca del suelo (y los aparatos de aire
acondicionado cerca del techo) para que la eficiencia sea máxima. De la misma
forma, la convección natural es responsable de la ascensión del agua caliente y
el vapor en las calderas de convección natural, y del tiro de las chimeneas. La
convección también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre
la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes, las
corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde el interior del Sol
hasta su superficie.
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RADIACIÓN
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La radiación presenta una
diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias
que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar
separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente
a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas (véase Radiación
electromagnética). Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse
mediante la teoría de ondas (véase Movimiento ondulatorio), pero la
única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la
teoría cuántica. En 1905, Albert Einstein sugirió que la radiación presenta a
veces un comportamiento cuantizado: en el efecto fotoeléctrico, la radiación se
comporta como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. La
naturaleza cuántica de la energía radiante se había postulado antes de la aparición
del artículo de Einstein, y en 1900 el físico alemán Max Planck empleó la
teoría cuántica y el formalismo matemático de la mecánica estadística para
derivar una ley fundamental de la radiación. La expresión matemática de esta
ley, llamada distribución de Planck, relaciona la intensidad de la energía
radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda determinada con la
temperatura del cuerpo. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe un
máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo ideal (cuerpo negro) emite radiación
ajustándose exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten con una
intensidad algo menor.
La contribución de todas
las longitudes de onda a la energía radiante emitida se denomina poder emisor
del cuerpo, y corresponde a la cantidad de energía emitida por unidad de
superficie del cuerpo y por unidad de tiempo. Como puede demostrarse a partir
de la ley de Planck, el poder emisor de una superficie es proporcional a la
cuarta potencia de su temperatura absoluta. El factor de proporcionalidad se
denomina constante de Stefan-Boltzmann en honor a dos físicos austriacos,
Joseph Stefan y Ludwig Boltzmann que, en 1879 y 1884 respectivamente,
descubrieron esta proporcionalidad entre el poder emisor y la temperatura.
Según la ley de Planck, todas las sustancias emiten energía radiante sólo por
tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor es la
temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida. Además de emitir
radiación, todas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un
cubito de hielo emite energía radiante de forma continua, se funde si se
ilumina con una lámpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor
mayor de la que emite.
Las superficies opacas pueden
absorber o reflejar la radiación incidente. Generalmente, las superficies mates
y rugosas absorben más calor que las superficies brillantes y pulidas, y las
superficies brillantes reflejan más energía radiante que las superficies mates.
Además, las sustancias que absorben mucha radiación también son buenos
emisores; las que reflejan mucha radiación y absorben poco son malos emisores.
Por eso, los utensilios de cocina suelen tener fondos mates para una buena
absorción y paredes pulidas para una emisión mínima, con lo que maximizan la
transferencia total de calor al contenido de la cazuela.
Algunas sustancias, entre ellas
muchos gases y el vidrio, son capaces de transmitir grandes cantidades de
radiación. Se observa experimentalmente que las propiedades de absorción,
reflexión y transmisión de una sustancia dependen de la longitud de onda de la
radiación incidente. El vidrio, por ejemplo, transmite grandes cantidades de
radiación ultravioleta, de baja longitud de onda, pero es un mal transmisor de
los rayos infrarrojos, de alta longitud de onda. Una consecuencia de la
distribución de Planck es que la longitud de onda a la que un cuerpo emite la
cantidad máxima de energía radiante disminuye con la temperatura. La ley de
desplazamiento de Wien, llamada así en honor al físico alemán Wilhelm Wien, es
una expresión matemática de esta observación, y afirma que la longitud de onda
que corresponde a la máxima energía, multiplicada por la temperatura absoluta
del cuerpo, es igual a una constante, 2.878 micrómetros-Kelvin. Este hecho,
junto con las propiedades de transmisión del vidrio antes mencionadas, explica
el calentamiento de los invernaderos. La energía radiante del Sol, máxima en
las longitudes de onda visibles, se transmite a través del vidrio y entra en el
invernadero. En cambio, la energía emitida por los cuerpos del interior del
invernadero, predominantemente de longitudes de onda mayores, correspondientes
al infrarrojo, no se transmiten al exterior a través del vidrio. Así, aunque la
temperatura del aire en el exterior del invernadero sea baja, la temperatura
que hay dentro es mucho más alta porque se produce una considerable
transferencia de calor neta hacia su interior. (Véase Efecto
invernadero).
Además de los procesos de
transmisión de calor que aumentan o disminuyen las temperaturas de los cuerpos
afectados, la transmisión de calor también puede producir cambios de fase, como
la fusión del hielo o la ebullición del agua. En ingeniería, los procesos de
transferencia de calor suelen diseñarse de forma que aprovechen estos
fenómenos. Por ejemplo, las cápsulas espaciales que regresan a la atmósfera de
la Tierra a velocidades muy altas están dotadas de un escudo térmico que se
funde de forma controlada en un proceso llamado ablación para impedir un
sobrecalentamiento del interior de la cápsula. La mayoría del calor producido
por el rozamiento con la atmósfera se emplea en fundir el escudo térmico y no
en aumentar la temperatura de la cápsula.
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