Transmisión del calorUn cuerpo caliente cede calor no sólo a los cuerpos con los cuales está en contacto sino, también, a todos los cuerpos que le rodean.La transmisión del calor de los cuerpos calientes a los cuerpos fríos (o menos calientes) se efectúa de tres formas:

a) por conducción;b) por radiación, c) por convección. Cuando se coloca la mano en contacto directo con un radiador de calefacción de agua caliente o vapor, el calor del radiador pasa a la mano por conducción, a través de las paredes del radiador. En cambio, si la mano se mantiene encima del radiador y sin estar en contacto con él, el calor alcanza la mano por convección (a través de corrientes de aire hacia arriba). Por último, si la mano se coloca a un lado del radiador, también le llega su calor, a pesar de que su conducción a través del aire es despreciable, y a pesar de que la mano no está situada en la trayectoria de las corrientes de convección. En este caso, la energía calorífica, llega a la mano por radiación, es decir, por ondas caloríficas.La transmisión del calor por conducción tiene lugar en el interior de los cuerpos, o entre cuerpos en íntimo contacto¸ Como se verá a continuación esta transmisión se efectúa de molécula a molécula.En efecto: si el extremo de una barra metálica se coloca en una llama y el otro se sostiene con la mano, se observa que el calor llega a la mano. Este fenómeno físico se explica porque en el extremo que calienta la llama, las moléculas aumentan su agitación y al chocar con las vecinas que se mueven con más lentitud, les entregan parte de su energía cinética. A su vez, estas últimas transmiten parte de su energía cinética a las moléculas más agitadas, y así sucesivamente. Por lo tanto, la energía de la agitación térmica se transmite a lo largo de la barra de una molécula a otra, a pesar de que cada molécula permanece en su posición primitiva.La conducción del calor únicamente puede tener lugar cuando las distintas partes de un cuerpo se encuentran a temperaturas diferentes.La dirección de la corriente calorífica es siempre desde los puntos de mayor temperatura a los puntos dé menor temperatura.En consecuencia, si el calor de un cuerpo pasa a otro cuando ambos están en contacto, por definición, la temperatura del primero es mayor que la del segundo; si no hay paso de calor del uno al otro, sus temperaturas son iguales.Cuando las diferentes temperaturas se mantienen constantes en cada punto del cuerpo, se dice que éste se encuentra en un estado estacionario.

La experiencia demuestra que para un cuerpo en estado estacionario, la cantidad de calor transmitida por conducción es proporcional a la superficie transversal. S, a la diferencia de temperatura t1 — t2 , al intervalo de tiempo, Δt, e inversamente proporcional al espesor, e, o distancia que media entre dos secciones consideradas. Además, se supone que la corriente calorífica es perpendicular a las secciones de pasaje. Los esquemas de la figura ilustran al respecto.

De acuerdo a lo dicho se tiene: ( 3)

que es la fórmula de Fourier de la conductibilidad, y en las cuales ct = coeficiente de conductibilidad térmica.Si en la formula anterior se hace:

S = 1; (ti— ,tj)= 1; At = 1; e = 1, se obtienen Q = — ct

Es decir, el coeficiente de conductibilidad térmica de un cuerpo es la cantidad de calor que, en la unidad de tiempo, conduce a través de una superficie transversal unitaria y a lo largo de una longitud unitaria, mediante una diferencia unitaria de temperaturaAsí, por ejemplo, si: S = 1 m2 ; (t1—t2)= 1 °C ; Δt = 1 hora ; e = 1 m ; Q = 1 kcalEl coeficiente ct será igual a la cantidad de kilocalorías que un cuerpo conduce en una hora a través de una sección de 1 m2, a lo largo de 1 m, mediante una diferencia de temperatura de 1° C.El signo negativo de la formula se debe al hecho de que la temperatura disminuye a medida que la distancia aumentaEl valor de ct, varía entre límites muy amplios de un cuerpo a otro, siendo mayor en los metales (buenos conductores) y menor en los cuerpos menos densos (esponjosos o fibrosos). A estos últimos cuerpos, malos conductores, también se los denomina aislantes.En la Tabla N° 3 se dan los valores de ct para algunos metales, materiales de construcción y líquidos más comunes.Los valores están dados en Kcal . m m2 . h . °CCabe destacar que en la Naturaleza no hay ninguna sustancia que sea conductor perfecto del calor (ct =∞ ) o aislador perfecto (ct =0).El valor de ct para una determinada sustancia varía con la temperatura. t 1—t2

La relación ct /e, se denomina permeabilidad térmica; y la relación-; gradiente térmico. . e

La fórmula (3) es válida para el caso que las superficies interior y exterior, son iguales. Cuando dichas superficies difieren, la expresión que da la cantidad de calor transmitida por conducción, es otra.Asi por ejemplo, para una envoltura cilíndrica de longitud L y radio interior r i exterior re, en la cual la sección de pasaje de calor varia con la distancia al centro, la Q ( cantidad de calor transmitida por conducción) transmitida desde el centro al exterior , esta expresada por la siguiente formula:

L. c t . (t1 – t2) Q = 2.73 (4) r e

log 10

r i

Para aumentar la superficie de transmisión del calor por conductibilidad, sea para refrigerar los cilindros de un compresor, sea para aumentar el efecto de un aparato de calefacción, se emplean aletas salientes que presentan un desarrollo considerable y pueden quintuplicar y aún hacer diez veces mayor, la superficie sobre la cual se colocan.La transmisión del calor por radiación se verifica de la misma manera que la propagación de la luz.

La radiación calorífica es la emisión continua de energía radiante desde la superficie de los cuerpos calientes.Ambas radiaciones son de naturaleza ondulatoria, es decir se propagan en forma de ondas. Entre las ondas caloríficas y las ondas luminosas no existe más diferencia que la longitud de onda, la cual es mayor en las primeras.Todas las propiedades de los movimientos ondulatorios (reflexión, refracción, dispersión, interferencias, etc.) se verifican en las radiaciones caloríficas.

En consecuencia, la transmisión del calor por radiación se efectúa sin necesidad de que entre los cuerpos exista una materia ponderable, es decir, se verifica tanto a través de la materia como a través del espacio vacío. Tal es, por ejemplo, la forma como llega el calor del Sol a la Tierra.La energía radiante emitida por una superficie depende de la naturaleza de ésta y de su temperatura.Todo cuerpo irradia calor cuando su temperatura absoluta es mayor de 0o K, y el calor irradiado es tanto mayor cuanto mayor es la temperatura del cuerpo, siendo independiente de la temperatura, forma y naturaleza de los cuerpos que le rodean.La cantidad de calor emitida por un cuerpo (capaz de emitir y absorber todas las radiaciones de cualquier longitud de onda) está determinada por la Ley de Stefan-Boltzman:"

Q = • T4 • S (4) [ (sigma) ]en la cual:

(sigma) = el poder emisivo del cuerpo; T = temperatura absoluta del cuerpo; S = área de la superficie del cuerpo.Considerando dos cuerpos con igual "poder emisivo" pero con temperaturas absolutas T1 y T2> (T1 > T2), el de menor temperatura absorberá una cantidad de calor, por unidad de tiempo, igual a:

Q = -- T2

4 ) S (5)

Como en general T2 es pequeña en comparación a T1, el valor de T24 es despreciable frente a T1

4 y, por lo tanto, la cantidad de calor que absorbe un cuerpo se lo calcula directamente con la expresión (4).Cuando un cuerpo absorbe toda la energía radiante que recibe, es decir, cuando su superficie no refleja nada de calor, se denomina cuerpo negro. Como la radiación tiene lugar con las otras formas de transmisión de calor, no reviste importancia la determinación del poder emisivo.

transmisión del calor por convección se efectúa mediante el movimiento real de la sustancia caliente, es decir, la convección' es el transporte del calor mediante el escurrimiento de fluidos calientes, tal como sucede en el caso de un sistema de calefacción por agua caliente, o en el caso de la estufa a aire caliente.Si la sustancia caliente se mueve a causa de diferencias de densidad (casos anteriores) se tiene la convección natural o convección libre. Pero, cuando la sustancia caliente es obligada a moverse mediante un ventilador (gases) o una bomba (líquido) el proceso se denomina: convección forzada.La teoría matemática de la convección es muy complicada debido al hecho de que el calor ganado o perdido por una superficie (a una cierta temperatura) en contacto con un flúido, a otra temperatura distinta, depende de muchas circunstancias, a saber:a) de la forma de la superficie (plana, curva, etc.)b) de la posición de la superficie (horizontal, vertical, etc.)c)del fluido en contacto con la superficie (líquido o gas)d) de la densidad, viscosidad, calor específico y conductibilidad térmica del fluido.

e) de la velocidad de escurrimiento del fluido.

f) de la evaporación, condensación o formación de películas líquidas.

g) La cantidad de calor transmitida por convección se expresa:

Q= hc . S ( t1 – t2 ) Δ Ƭ (6)Donde: Q= calor ganado o perdido por convección. S = área de la superficie. t1 – t2 =diferencia de temperatura entre la superficie y la masa fluida.

Δ Ƭ = tiempo. hc = coeficiente de convección.

Un caso muy frecuente en la práctica, es el de la "convección" de una pared o de un conducto a temperatura constante, rodeado de aire a la presión atmosférica, y con una diferencia constante de temperatura: Δt = (t1 —t2).

El aire en contacto con el paramento de la pared AB puede moverse sobre él sea por convección natural, sea por convección forzada, pero en ambos casos escurre con movimiento laminar (a filetes paralelos) solamente en una pequeñísima capa de espesor ; en el resto de la masa el escurrimiento es turbulento (los filetes se entrecruzan, con retornos y desviaciones laterales).

El espesor varía conforme a la mayor o menor lisura de la pared, de la viscosidad del aire y de la velocidad del escurrimiento.

El calor proveniente de la pared pasa a través de esa película por conductibilidad y convección, y de ésta a la masa fluida por convección. Como en cierta medida también existe la radiación de calor desde la pared, en este caso se supone que la transmisión del calor se efectúa, simultáneamente, por las tres formas (conducción, radiación y convección). En este caso el coeficiente se denomina: de película ( h p ) .

Para los casos de convección natural, los coeficientes de película hp obtenidos para los distintos dispositivos de transmisión, son los siguientes:

Coeficiente de transmisión total. Sea el caso de una pared homogénea de espesor uniforme e , que separa dos recintos en los cuales se encuentran fluidos a temperatura t1 y t2 respectivamente, cuyos valores medios permanecen constantes y uniformes (fig. ).

Si t1 > t2 el calor pasará por radiación, convección y conductibilidad desde el fluido de temperatura t1 a la cara AB de la pared a temperatura t3. Luego pasará a través de la pared por conductibilidad y, finalmente, de la cara DE, a la temperatura t4, pasará por conductibilidad, radiación y convección al otro flúido con temperatura t2 < t1.

La cantidad de calor Q que pasa es la misma para las tres etapas del proceso descripto, de manera que si se indica son: hp y hp' los coeficientes de película entre los fluidos y las caras de la pared, y ct, coeficiente de conductibilidad de la pared, el valor de la cantidad de calor valdrá, en esas tres etapas, respectivamente:

Es decir, la cantidad de calor transmitida es igual al producto de la superficie por la diferencia de temperatura entre los fluidos por el intervalo de tiempo Δ Ƭ , y por el coeficiente de transmisión total, K, el cual depende de los valores de los coeficientes ct, hp, h'p y del espesor de la pared.

La (7) se aplica al caso de una pared homogénea en material y en espesor. Cuando la pared no es homogénea, es necesario dividirla en secciones homogéneas, y la cantidad de calor transmitida será igual a:

Q= (t1 —t2) ΔƬ •Ʃ(S • K) (8)

. Revestimientos aislantes.

Tanto para prevenir las pérdidas de calor hacia el exterior, en los conductos o cilindros que contienen fluidos a temperaturas elevadas, como para impedir la entrada del calor a recintos donde reinan bajas temperaturas (cámaras frigoríficas), se han seleccionado gran cantidad de materiales, denominados aislantes, que, además, deben resistir las acciones mecánicas y los efectos del calor, del frío, de la humedad, de los parásitos, etc. Por lo tanto, los revestimientos aislantes se deben hacer, combinando materiales, dé manera que cumplan con esas exigencias. Así, por ejemplo, si se desea aislar una cámara frigorífica, se revocará exteriormente la pared (mampostería de ladrillos comunes) y el paramento interior se revestirá con dos capas de corcho aglomerado.

Para los revestimientos aislantes sometidos a temperaturas muy elevadas, se emplean capas de magnesia plástica, formada por un 85 % de carbonato de magnesio y un 15 % de fibra de amianto, con un coeficiente de conductibilidad ct = 0,06; o bien, se emplea lana mineral, formada por escorias de diversas clases, fundidas y hechas espuma por insuflación de aire o vapor.

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