Transferencia de calor

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La transferencia de calor es el proceso físico de transferir energía térmica de un cuerpo más caliente a uno menos caliente, ya sea directamente (en contacto), o a través de un intermediario (conductor) o una partición separadora (cuerpo o medio) de cualquier material. Cuando los cuerpos físicos de un sistema están a diferentes temperaturas , entonces hay una transferencia de energía térmica , o transferencia de calor de un cuerpo a otro hasta que se alcanza el equilibrio termodinámico . La transferencia de calor espontánea siempre ocurre de un cuerpo más caliente a uno menos caliente, lo cual es una consecuencia de la segunda ley de la termodinámica .

Tipos de transferencia de calor

En total, hay tres mecanismos simples (elementales) de transferencia de calor:

También hay varios tipos de transferencia de calor, que son una combinación de tipos elementales. Los principales son:

transferencia de calor (transferencia de calor por convección entre flujos de líquido o gas y la superficie de un cuerpo sólido),
transferencia de calor (transferencia de calor de un medio caliente [líquido, gas o sólido] a uno frío a través de una pared que los separa),
transferencia de calor convectiva-radiante (transferencia de calor conjunta por radiación y convección),
convección termomagnética .

Las fuentes internas de calor es un concepto de la teoría de la transferencia de calor, que describe el proceso de producción (raramente absorción) de energía térmica dentro de cuerpos materiales sin ningún suministro o transferencia de energía térmica desde el exterior. Las fuentes internas de calor incluyen:

generación de calor durante el funcionamiento de la corriente eléctrica ,
liberación de calor en reacciones nucleares,
liberación de calor en las reacciones químicas.

Advección

La advección ocurre al transferir materia y energía, incluido el calor, al mover un volumen frío o caliente de un lugar a otro a través de la transferencia física. [1] Los ejemplos incluyen llenar una botella con agua caliente y mover un iceberg a través de las corrientes oceánicas. Un ejemplo práctico es la termohidráulica, que puede describirse mediante una fórmula sencilla:

{\ estilo de visualización \ phi _ {q} = v \ rho c_ {p} \ Delta T}

dónde

${\ estilo de visualización \ phi _ {q}}$ flujo de calor (W / m 2 ),
$\rho$ densidad de la sustancia (kg / m 3 ),
$c_p$ - capacidad calorífica a presión constante (J / kg K),
$\Delta T$ - diferencia de temperatura (K),
$v$ velocidad (m/s).

Conductividad térmica

En una escala microscópica, la conducción térmica ocurre cuando átomos y moléculas calientes, que se mueven rápidamente o vibran, interactúan con átomos y moléculas vecinos, transfiriendo parte de su energía cinética a estas partículas. En otras palabras, el calor se transfiere por conducción cuando los átomos vecinos se mueven entre sí o cuando los electrones se mueven de un átomo a otro. La conducción térmica parece ser el medio más importante de transferencia de calor dentro de un sólido o entre objetos sólidos en contacto térmico . Los líquidos, especialmente los gases, tienen una conductividad térmica más baja. La conductividad térmica de contacto es el estudio de la conductividad térmica entre sólidos en contacto. [2] El proceso de transferencia de calor de un volumen a otro sin movimiento macroscópico de partículas se denomina conductividad térmica. Por ejemplo, cuando pones tu mano sobre un vaso de agua fría, el calor se transfiere de la piel caliente al vidrio frío, pero si tu mano está a unos centímetros del vaso, entonces la conductividad térmica será insignificante, ya que el aire no conducir bien el calor. La conductividad térmica estacionaria es un modelo idealizado de conductividad térmica que ocurre a una diferencia de temperatura constante, es decir, cuando la distribución espacial de temperaturas que ocurre después de un tiempo en un objeto conductor de calor no cambia (consulte la ley de Fourier ). [3] En el estado estacionario de conducción de calor, la cantidad de calor que ingresa al cuerpo es igual a la cantidad de calor que sale, porque, en este modo, el cambio de temperatura (una medida de la energía térmica) es cero. Un ejemplo de conducción de calor estacionaria es el flujo de calor a través de las paredes de una casa cálida en un día frío: se mantiene una temperatura alta dentro de la casa y la temperatura exterior permanece baja, por lo que la transferencia de calor por unidad de tiempo permanece constante, determinada por el aislamiento térmico del muro de matas hebra, y la distribución espacial de temperatura en los muros será aproximadamente constante en el tiempo.

La conducción de calor no estacionaria se describe mediante la ecuación del calor y ocurre cuando la temperatura dentro de un objeto cambia en función del tiempo. El análisis de sistemas no estacionarios es más complicado y las soluciones analíticas de la ecuación del calor se obtienen solo para sistemas modelo idealizados. En las aplicaciones prácticas se suelen utilizar métodos numéricos, métodos de aproximación o estudios empíricos. [2]

Convección

La transferencia de calor por convección, o simplemente convección , es el proceso de transferir calor de un volumen a otro debido al movimiento de líquidos y gases, proceso que es esencialmente transferencia de calor a través de transferencia de masa .

El movimiento de una masa fluida mejora la transferencia de calor en muchas situaciones físicas, como la transferencia de calor entre una superficie sólida y un fluido. [cuatro]

La convección generalmente domina el proceso de transferencia de calor en líquidos y gases. Aunque a veces se denomina el tercer método de transferencia de calor, la convección se usa comúnmente para describir los efectos combinados de la conducción de calor dentro de un fluido ( difusión ) y la transferencia de calor por el flujo de fluido a granel. [5]

El proceso de transferencia de calor con el flujo de un fluido se conoce como advección, pero la advección pura es un término generalmente asociado solo con la transferencia de masa en un fluido, como la advección de guijarros en un río. En el caso de la transferencia de calor en un líquido, el transporte por advección en un líquido siempre va acompañado de transferencia de calor por difusión (también conocida como conducción térmica), el proceso de convección se entiende como la suma de transferencia de calor por advección y difusión/conducción.

La convección libre o natural ocurre cuando los movimientos volumétricos de un fluido (flujos y corrientes) son causados por fuerzas de flotabilidad que resultan de cambios en la densidad del fluido que depende de la temperatura. La convección forzada ocurre cuando los flujos en un líquido son inducidos por medios externos como ventiladores, agitadores y bombas. [6]

Radiación térmica

La radiación térmica se transmite a través del vacío o de cualquier medio transparente ( sólido, líquido o gaseoso ). Tal transferencia de energía con la ayuda de fotones de ondas electromagnéticas, sujeto a las mismas leyes. [7]

La radiación térmica es la energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas debido a la presencia de energía térmica en toda la materia a una temperatura superior al cero absoluto . La radiación térmica se propaga sin materia en el vacío . [ocho]

La radiación térmica existe debido a los movimientos aleatorios de átomos y moléculas en la materia. Debido a que estos átomos y moléculas están formados por partículas cargadas ( protones y electrones ), su movimiento da como resultado la emisión de radiación electromagnética , que aleja la energía de la superficie.

La ecuación de Stefan-Boltzmann , que describe la tasa de transferencia de energía radiante, para un objeto en el vacío, se escribe de la siguiente manera:

{\ estilo de visualización \ phi _ {q} = \ épsilon \ sigma T ^ {4}.}

Para la transferencia de radiación entre dos cuerpos, la ecuación es la siguiente:

\phi _{q}=\epsilon \sigma F(T_{a}^{4}-T_{b}^{4}),

dónde

${\ estilo de visualización \ phi _ {q}}$ flujo de calor,
$\epsilon$ - emisividad (igual a uno para un cuerpo completamente negro ),
$\sigma$ es la constante de Stefan-Boltzmann ,
$F$ coeficiente de visibilidad entre dos superficies a y b, [9] y
$T_{a}$ y son las temperaturas absolutas (en kelvin o grados Rankine) de los dos objetos. ${\ Displaystyle T_ {b}}$

La radiación generalmente solo es importante para objetos muy calientes, o para objetos con grandes diferencias de temperatura, o para cuerpos en el vacío.

La radiación del sol o la radiación solar se puede utilizar para generar calor y energía. [10] A diferencia de la conducción de calor y las formas de transferencia de calor por convección, la radiación de calor que llega en un ángulo estrecho, es decir, desde una fuente mucho más pequeña que la distancia a ella, se puede concentrar en un punto pequeño utilizando espejos reflectantes que se utilizan para energía solar concentrada , o una lente ardiente. [11] Por ejemplo, la luz solar reflejada por los espejos se utiliza en la planta de energía solar PS10, que puede calentar el agua hasta 285 °C (545 °F) durante el día .

La temperatura alcanzable en el objetivo está limitada por la temperatura de la fuente de radiación caliente. ( La Ley T 4 permite el flujo inverso de radiación para calentar la fuente). El sol caliente (en su superficie tiene una temperatura de aproximadamente 4000 K) permite alcanzar aproximadamente 3000 K (o 3000 °C) en una pequeña sonda en el foco de un gran espejo concentrador cóncavo en el horno solar de Mont-Louis en Francia. [12]

Coeficiente de transferencia de calor

El coeficiente de transferencia de calor muestra cuánto calor pasa por unidad de tiempo de un refrigerante más calentado a uno menos calentado a través de 1 m 2 de la superficie de intercambio de calor a una diferencia de temperatura entre los refrigerantes de 1 K. Por lo general, se expresa en W / (m 2 ·K), los libros de referencia también pueden dar la cantidad de flujo en una hora. En la construcción , el valor recíproco se ha generalizado: el "coeficiente de resistencia térmica".

Ecuación básica de transferencia de calor

La ecuación básica de transferencia de calor: la cantidad de calor transferido de un cuerpo más calentado a uno menos calentado es proporcional a la superficie de transferencia de calor, la diferencia de temperatura promedio y el tiempo:

Q'=K\cdot F\cdot \Delta t_{\text{cf))\cdot \tau ,

dónde

K es el coeficiente de transferencia de calor a lo largo de la superficie de intercambio de calor, F es la superficie de intercambio de calor, Δ t cf - diferencia de temperatura logarítmica promedio (diferencia de temperatura promedio entre los portadores de calor), τ es el tiempo.

Notas

↑ Transferencia de masa . Thermal-FluidsPedia . Central de Fluidos Térmicos. Consultado el 9 de marzo de 2021. Archivado desde el original el 12 de abril de 2021. (indefinido)
↑ 1 2 Abbott, JM Introducción a la termodinámica de ingeniería química / JM Abbott, HC Smith, MM Van Ness. — 7mo. - Boston, Montreal: McGraw-Hill, 2005. - ISBN 0-07-310445-0 .
↑ Conducción de calor . Thermal-FluidsPedia . Central de Fluidos Térmicos. Consultado el 9 de marzo de 2021. Archivado desde el original el 12 de abril de 2021. (indefinido)
↑ Zengel, Yunus. Transferencia de calor: un enfoque práctico . — 2do. - Boston: McGraw-Hill, 2003. - ISBN 978-0-07-245893-0 . Archivado el 26 de mayo de 2021 en Wayback Machine .
↑ Transferencia de calor por convección . Thermal-FluidsPedia . Central de Fluidos Térmicos. Consultado el 9 de marzo de 2021. Archivado desde el original el 31 de octubre de 2018. (indefinido)
↑ Convección - Transferencia de calor . Borde de los ingenieros. Consultado el 20 de abril de 2009. Archivado desde el original el 18 de noviembre de 2018. (indefinido)
↑ Procesos de transporte y principios de separación. - Prentice Hall. — ISBN 0-13-101367-X .
↑ Radiación . Thermal-FluidsPedia . Central de Fluidos Térmicos. Consultado el 9 de marzo de 2021. Archivado desde el original el 14 de marzo de 2021. (indefinido)
↑ Transferencia de calor por radiación térmica. —Taylor y Francisco.
↑ Mojiri, A (2013). "División del haz espectral para la conversión eficiente de la energía solar: una revisión". Revisiones de energías renovables y sostenibles . 28 : 654-663. DOI : 10.1016/j.rser.2013.08.026 .
↑ Taylor, Robert A. (marzo de 2011). “Aplicabilidad de nanofluidos en colectores solares de alto flujo” . Revista de Energías Renovables y Sostenibles . 3 (2): 023104. doi : 10.1063 /1.3571565 . Archivado desde el original el 19 de abril de 2021 . Consultado el 09-03-2021 . Parámetro obsoleto utilizado |deadlink=( ayuda )
↑ Megan Crouse: This Gigantic Solar Furnace Can Melt Steel Archivado el 25 de julio de 2019 en Wayback Machine manufacturing.net, 28 de julio de 2016, consultado el 14 de abril de 2019.

Literatura

Grigoriev B. A., Tsvetkov F. F. Transferencia de calor y masa: Proc. subsidio - 2ª ed. - M: MPEI, 2005.
Isachenko VP et al. Transferencia de calor: un libro de texto para universidades. 3ra ed., revisada. y adicional - M.: Energía, 1975.
Galin N. M., Kirillov P. L. Transferencia de calor y masa. — M.: Energoatomizdat, 1987.
Kartashov EM Métodos analíticos en conductividad térmica de sólidos. - M.: Superior. escuela, 1989.
Krupnov B. A., Sharafadinov N. S. Directrices para el diseño de sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado. 2008
Kotlyar Ya. M., Perfection VD, Strizhenov DS Métodos y problemas de transferencia de calor y masa. - M .: Mashinostroenie, 1987. - 320 p.
Lykov AV, Mikhailov Yu. A. Teoría de la transferencia de energía y sustancias. - Minsk, Academia de Ciencias de la BSSR, 1959. - 330 p.