Principios básicos de transferencia de calor

La transferencia de calor es un fenómeno bastante común que consiste en el intercambio de energía (propagación de calor) de un sistema con sus alrededores, o viceversa. Se debe, principalmente, a una diferencia de temperatura que hay entre el sistema y sus alrededores. Esta diferencia de temperatura fomenta el intercambio de energía que cesa una vez que las temperaturas se igualan, tanto la del sistema como la de sus alrededores.

Planta con equipos de transferencia de calor
La transferencia de calor es fundamental en la industria. Imagen de omeelcoils

Las aplicaciones de la transferencia de calor son múltiples a nivel industrial, sobre todo en la industria química, en donde es la base para la evaporación, el secado, la destilación fraccionada, etc. En este artículo definiremos a la transferencia de calor, los diferentes mecanismos de transferencia de calor y la importancia y aplicaciones de la transferencia de calor.

Tabla de contenidos
  1. Conceptos básicos para comprender la transferencia de calor
    1. Temperatura
    2. Calor
  2. Definición de transferencia de calor
  3. Mecanismos de transferencia de calor
    1. Mecanismo de transferencia de calor por conducción
    2. Mecanismo de transferencia de calor por convección
    3. Mecanismo de transferencia de calor por radiación
  4. Importancia de la transferencia de calor
  5. Aplicaciones de la transferencia de calor

Conceptos básicos para comprender la transferencia de calor

Equipo de transferencia de calor en mantenimiento
Las calderas o generadores de vapor son equipos de transferencia de calor. Imagen de cgthermal

Existen un par de conceptos fundamentales para entender la transferencia de calor. El primero, es la temperatura y el segundo, es el calor.

Temperatura

La temperatura es una magnitud física que se refiere a la sensación térmica (frío o caliente). La podemos definir de la siguiente manera:

La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de los átomos y moléculas individuales de una sustancia.

Podemos decir que la temperatura es un valor medible mediante instrumentos (termómetro) y que nos da una idea de la energía cinética presente en una sustancia química, en un objeto, en un ser vivo o en el ambiente. Cuando se le aplica calor a un sistema, la temperatura se eleva y cuando se retira calor, la temperatura disminuye.

Calor

El calor es la energía en movimiento o en tránsito. Lo podemos definir de la siguiente manera:

El calor es una medida de la energía cinética total de todos los átomos o moléculas presentes en una sustancia.

Definición de transferencia de calor

Diagrama de un sistema de transferencia de calor
La transferencia de calor va de un objeto de alta temperatura a uno de baja temperatura. Imagen de pinterest 

La termodinámica se encarga del estudio de la transferencia de calor y nos indica que la transferencia de calor es un intercambio de energía. Este concepto de transferencia de calor estándar lo podemos resumir de la siguiente manera:

La transferencia de calor (calor) es el tránsito de energía (véase balance de energía en ingeniería química) debido a una diferencia de temperaturas (gradiente de temperatura).

Hay que tener en cuenta que mientras exista una diferencia de temperatura entre un sistema y sus alrededores, o entre dos sistemas, debe ocurrir una transferencia de calor o un intercambio de energía. Este intercambio térmico perdurará hasta que las temperaturas sean iguales (punto de equilibrio térmico). Una característica importante de la transferencia de calor es que mientras más cerca se encuentren los cuerpos que experimentan la transferencia de calor, ésta será mucho más rápida. Además, el flujo de energía térmica va desde el objeto o sistema de mayor temperatura hasta el objeto o sistema que tiene menor temperatura.

Entonces, podemos presentar un concepto de transferencia de calor un poco más elaborado y sería el siguiente:

La transferencia de calor es un fenómeno físico que se presenta cuando dos sistemas se encuentran a diferentes temperaturas y entran en contacto entre sí, permitiendo un traspaso de energía desde el sistema que se encuentra a mayor temperatura hasta el sistema que se encuentra a menor temperatura, hasta que se alcance el equilibrio térmico.

Cabe destacar, que la transferencia de calor es un proceso que no puede detenerse, aunque si se puede desacelerar aplicando diferentes tipos de aislantes.

Mecanismos de transferencia de calor

Dibujo con los mecanismos de transferencia de calor en la naturaleza
Mecanismos de transferencia de calor. Imagen de weather

Los métodos de transferencia de calor o mecanismos de transferencia de calor (también se les conoce como modos de transferencia de calor) son los diferentes tipos de procesos de transferencia de calor. En otras palabras, son los procesos por los cuales se puede dar la transferencia de calor o la manera en la cual se transfiere la energía térmica. El estudio de estos mecanismos de transferencia de calor es bastante extenso y lo profundizaremos en futuros artículos. A continuación, definiremos a los tres mecanismos de transferencia de calor:

  • Conducción
  • Convección
  • Radiación




Mecanismo de transferencia de calor por conducción

EJemplo d etransferencia de calor por conducción
Ejemplo de mecanismo de transferencia de calor por conducción. Imagen de thermtest

La transferencia de calor por conducción se basa en la transferencia de calor de dos o más sólidos, o sólidos y líquidos, que presentan un gradiente de temperatura en estado estacionario (medio estacionario). También, podemos definir a la conducción como la transferencia de energía entre objetos que se encuentran en contacto directo, ocurriendo principalmente en sólidos y en menor medida en líquidos. Ejemplos de transferencia de calor por conducción: Cuando tocamos una taza de café caliente, o cuando calentamos agua en un recipiente.

Mecanismo de transferencia de calor por convección

Ejemplo de transferencia de calor por convección
Ejemplo de mecanismo de transferencia de calor por convección. Imagen de insulationstop

La transferencia de calor por convección se refiere al intercambio térmico que ocurre entre una superficie y un fluido que se encuentra en movimiento, cuando ambos se encuentran a diferentes temperaturas. Es decir, es el intercambio de energía que se da entre moléculas que fluyen o que se mueven entre regiones calientes y frías de aire, gas o líquido, tratándose del movimiento de masa de moléculas a diferentes temperaturas. Ejemplos de transferencia de calor por convección: Cuando utilizamos vapor para calentar una superficie, o los nubarrones que se producen en el aire.

Mecanismo de transferencia de calor por radiación

Ejemplo de transferencia de calor por radiación
Ejemplo de mecanismo de transferencia de calor por radiación. Imagen de insulationstop

Este mecanismo se da cuando las superficies con temperatura finita emiten energía en forma de ondas electromagnéticas. Por lo tanto, en ausencia de un medio existe una transferencia neta de calor por radiación entre dos superficies a diferentes temperaturas. Un ejemplo de transferencia de calor por radiación, es sentir el calor que emite una fogata o el sol.

Importancia de la transferencia de calor

A nivel de ingeniería, la transferencia de calor es muy utilizada en procesos de refrigeración y de calentamiento, lo que permite realizar diferentes operaciones en una planta industrial. La transferencia de calor y la termodinámica van de la mano para que el ingeniero pueda estimar el tiempo necesario para que ocurra una transferencia de calor eficiente y pueda producirse un proceso determinado, como por ejemplo, una evaporación o un condensado, destilación, o para diseñar intercambiadores de calor, calderas, evaporadores, radiadores, calentadores, entre otros equipos donde se requiera un intercambio térmico.

Podemos resumir la importancia de la transferencia de calor tanto en la naturaleza, como en nuestra vida cotidiana o a nivel industrial así:

  • La transferencia de calor en la naturaleza permite la transferencia de energía entre cuerpos y fomenta diferentes cambios físicos necesarios para la estabilidad del medio ambiente.
  • En nuestra vida cotidiana la transferencia de calor juega un papel fundamental, ya que es utilizada por procesos del cuerpo humano. La utilizamos para cocinar, también para calentar o enfriar alimentos, modificar el ambiente del hogar o de nuestro vehículo, entre otras aplicaciones, que nos permiten mejorar nuestra calidad de vida.
  • La importancia industrial de la transferencia de calor se basa en que permite al ingeniero realizar cambios químicos y físicos de diferentes materiales y fluidos, los cuales, permiten la creación de productos industriales o realizar diseños de equipos que aprovechen la transferencia de calor para beneficio industrial.

Aplicaciones de la transferencia de calor

Entre las principales aplicaciones de la transferencia de calor, podemos destacar las siguientes:

  • Diseño de diferentes tipos de intercambiadores de calor, ya sean industriales o comerciales (de uso doméstico).
  • Diseño y uso de calderas o generadores de vapor.
  • Diseño y uso de condensadores.
  • Diseño y operación de torres de enfriamiento.
  • Diseño y uso de regeneradores.
  • Dilatación de materiales.

Licencia de Creative Commons
Principios básicos de transferencia de calor by Ing. Bulmaro Noguera is licensed under a Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional License


Publicar un comentario

0 Comentarios