Transferencia de calor
La transferencia de calor es el proceso físico de propagación del calor en distintos medios. La subdisciplina de la física que estudia estos procesos se llama a su vez termodinámica.
El estudio de la transferencia de calor se aplica en industrias químicas en etapas como la evaporación y secado. La evaporación consiste en eliminar una gran cantidad de agua mientras que el secado consiste en eliminar una baja cantidad de agua por lo que la transferencia de calor es menor para el secado que para la evaporación. Esto ocurre porque el calor latente es el que más prepondera en las ecuaciones de transferencia de calor. La transferencia de masa también acompaña a la transferencia de calor, en las operaciones mencionadas.
La destilación fraccionada ocurre en una torre con relleno o con platos con el objeto de aumentar el área de contacto entre el vapor y el líquido formado de manera de retirar un líquido más puro en el componente menos volátil por debajo y un líquido más volátil por encima. También en la industria de los alimentos para fabricar pastas secas y para producir bebidas alcohólicas. Los casos más sencillos de transferencia de calor son transferencia de calor transitoria y estado estacionario unidimensional.
La Termodinámica es la ciencia que estudia la transferencia de calor. Siempre que existe un gradiente térmico en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferentes temperaturas, se transfiere energía entre ellos o las temperaturas se mantienen constantes punto a punto en el sistema. El cumplimiento del primer principio de la termodinámica y descartada la presencia de trabajo con el exterior, la variación de energía interna solo puede ser debida a calor, que es la energía en movimiento o en tránsito. El trabajo se manifiesta por el movimiento de un eje que invierte una máquina sobre el sistema o el sistema lo invierte sobre la máquina.
Pero los parámetros solo representarán magnitudes si se dispone de un dispositivo de medición corresponden las condiciones de flujo a uno estacionario o transitorio. La termodinámica por lo tanto se ocupa de los estados de equilibrio y en función de sus diferencias de temperaturas determina la cantidad de energía transferida de un estado al otro, pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor. Los fenómenos de transporte se encargan de estudiar los sistemas físicos en los que ocurren transferencias o transportes de propiedades considerando los mecanismos de flujo de calor y la velocidad de transferencia de calor. El alcance del análisis termodinámico es calcular los flujos de calor pero no la velocidad de transferencia de calor ni tampoco considerar los mecanismos para transmitir el calor por ello es que los fenómenos de transporte poseen un campo de estudio más amplio dado por la especialización en la ciencia.
En general, se reconocen tres modos distintos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación, aunque, en rigor, solo la conducción y radiación debieran considerarse formas de transmisión de calor, porque solo ellas dependen exclusivamente de un desequilibrio térmico para producirse. Para que se produzca convección, tiene que haber un transporte mecánico de masa además de una diferencia de temperatura, sin embargo, teniendo en cuenta que la convección también transfiere energía de zonas con mayor temperatura a zonas con menor temperatura, normalmente se admite el modo transferencia de calor por convección,
Como se ha visto, no se puede impedir la transferencia de calor, pero se puede actuar sobre la velocidad en que se produce. Todos los materiales son, en mayor o menor grado, conductores del calor, su disposición para este fin se califica mediante el coeficiente de conductividad. Los materiales cuyo coeficiente de conductividad es muy bajo, se denominan aislantes. Los metales son buenos conductores de calor. En contraposición, la baja conductividad es inherente a los gases.
Los aislantes térmicos son materiales específicamente diseñados para reducir el flujo de calor limitando la conducción, convección o ambos. En la mayoría de los casos, esto se logra atrapando un gas en el interior de pequeñas oquedades practicadas en un sólido. Sin embargo, como los gases son fluidos, el calor también se transfiere por convección en el interior de los huecos y por radiación entre sus paredes, con lo que la conductividad conseguida, ya no es una propiedad del material, sino que es el resultado de la combinación de mecanismos de flujo y se la podría denominar conductividad efectiva, la cual no solo cambia con la temperatura, sino que lo hace también con la presión y con las condiciones ambientales como la humedad.
La conductividad de una sustancia depende de su estado y de la temperatura. Se expresa en el S.I. de unidades en
Según la ecuación de Fourier:
se llama resistencia térmica por unidad de superficie y es un coeficiente característico de los materiales aislantes, inverso de la conductancia.
La fibra de vidrio rígida, un material aislante usado comúnmente, tiene un valor R de 4 por pulgada, mientras que el cemento, un buen conductor, tiene un valor de 0.08 por pulgada.
Las barreras de radiación, son materiales que reflejan la radiación, reduciendo así el flujo de calor de fuentes de radiación térmica. Los buenos aislantes no son necesariamente buenas barreras de radiación, y viceversa. Los metales, por ejemplo, son excelentes reflectores pero muy malos aislantes.
La efectividad de una barrera de radiación está indicado por su reflectividad, la cual es una fracción de la radiación reflejada. Un material con una alta reflectividad (en una longitud de onda) tiene una baja absortividad, y por consiguiente una baja emisividad. Un reflector ideal tiene un coeficiente de reflectividad igual a 1, lo que significa que refleja el 100% de la radiación entrante. Por otro lado, en el caso de un cuerpo negro, el cual tiene una excelente absortividad y emitividad de la radiación térmica, su coeficiente de reflectividad es casi 0. Las barreras de radiación tiene una gran aplicación en ingeniería aeroespacial; la gran mayoría de los satélites usan varias capas aislantes aluminizadas que reflejan la luz solar, lo que permite reducir la transferencia de calor y controlar la temperatura del satélite.
En inglés:
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