Transmisión de calor: la casa térmica

LA CASA TÉRMICA

Es una caja compuesta por cuatro paredes de materiales distintos de los cuales se estima la conductividad térmica. La conductividad es una propiedad del material relacionada con su facilidad o dificultad para permitir el flujo de calor a través del mismo (ver teoría más adelante).

La práctica consiste en la toma de datos de las temperaturas de cada pared de la caja, en las cuales variaba el espesor y el material; las mediciones se hacían tanto en la pared interior como en la exterior con el fin de estimar la conductividad de cada material y poder sacar una comparación entre los mismos.

El interés de esta práctica radica en trabajar los principios de la trasmisión del calor, la estimación de las propiedades de distintos materiales así como la estimación de las pérdidas de calor, lo cual puede constituir la base de la estimación de las necesidades de calefacción de una casa por ejemplo.

   

 

 

 

 

 

 

 

FORMAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

 

El calor es una forma de energía en tránsito; aparece cuando hay diferencia de temperaturas. La transferencia de calor es el proceso por el que se intercambia energía entre distintos cuerpos a diferente temperatura, o entre diferentes partes de uno mismo que se encuentra a distintas temperaturas.

El calor puede transmitirse por:

  • Convección → Ley de Newton
  • Conducción→ Ley de Fourier
  • Radiación → Ley de Stefan-Boltzmann.

 

CONDUCCIÓN

Es la forma de transferencia de calor en los sólidos. La conducción es el flujo de calor (calor por unidad de tiempo) a través de un material cuando se ponen en contacto dos objetos de diferentes temperaturas. El calor fluye desde el objeto con una mayor temperatura al de menor hasta alcanzar ambos la misma temperatura.

Considerando una pared simple con distintas temperaturas a uno y otro lado, en régimen permanente, el calor que se transfiere por conducción por unidad de tiempo (Ley de Fourier) es proporcional a la conductividad térmica k, a la diferencia de temperaturas entre ambas paredes con el signo cambiado, a la superficie A e inversamente proporcional al espesor del cuerpo x

∆Q: calor trasferido en el intervalo de tiempo ∆t

A: área transversal

x: espesor de la lamina

k: constante de conductividad térmica

(T1-T2) diferencia de temperatura entre temperatura mayor menos la menor

 

Se deduce que a mayor conductividad mayor flujo, los metales transmiten mejor calor que los aislantes. También que a mayor espesor menor flujo. Por ejemplo una pared de piedra de gran espesor transmite el calor lentamente, y una pared delgada muy rápidamente..etc.

 

CONVECCIÓN

Transferencia de energía por acción combinada de conducción de calor, diferencia de temperaturas, almacenamiento de energía y movimiento de materiales. Puede ser:

  • Convección natural → el movimiento se da por las diferencias de densidades.
  • Convección forzada→ cuando el movimiento es inducido externamente.

Este ciclo da lugar a una continua circulación, también conocido como corrientes convectivas, del calor hacia las regiones frías.

En los líquidos y en los gases la convección es la forma más eficiente de transferir calor. Si entre la superficie de un sólido y el fluido con el que está en contacto existe una diferencia de temperatura, el flujo de calor por convección que pasa del sólido al fluido (si éste es el más frío) será:

Siendo h el coeficiente de convección entre la pared y el aire (depende de las características de ambos)  medido en W/(m2 K),  y A la superficie de la pared.

 

RADIACIÓN

Los cuerpos cuya temperatura es superior a 0 K (es decir, todos) emiten energía en forma de ondas electromagnéticas. Todo esto ha llevado a establecer varias leyes que se resumen a continuación. Se denomina exitancia radiante M al flujo de energía (energía por unidad de tiempo) que emite un cuerpo por unidad de superficie:
La radiación presenta una diferencia esencial respecto a las dos anteriores, mientras que la convección y conducción necesitan de un medio material, en la radiación las sustancias que intercambian calor no tienen por qué estar en contacto, puede existir un vacío entre ambas. Al existir un vacío entre los cuerpos, lo más calientes tienden a emitir más energía que los fríos, con lo que la radiación tiende a igualar las temperaturas.

Esto se puede calcular a través de la ley de Stefan-Boltzmann:       

W radiación total emitida (energía radiante) (Wm-2)

σ constante de Stefan-Boltzmann (5.67×10-8 Wm-2K-4)

T temperatura absoluta del cuerpo (K)

 

EJEMPLOS DE TRANSMISION DE CALOR

Estos tres procesos mencionados anteriormente pueden ocurrir tanto por separado como simultáneamente, no obstante, siempre predominará uno sobre los demás como se puede ver en los siguientes ejemplos:

  • Placa solar

El calor llega desde el Sol hasta la placa metálica por radiación. El metal de la placa emite radiación

El calor se transmite al líquido que está en contacto con la placa por convección. En el líquido se establecen corrientes convectivas que lo mezclan y uniformizan la temperatura. El agua caliente sube y la fría baja.
El agua más caliente sube al depósito superior y de la parte inferior de este depósito baja el agua más fría que entra por la parte inferior de la placa

  • Recipiente metálico con agua al fuego

Las llamas o placa eléctrica calientan el metal porque los gases de combustión están en contacto con el fondo y le transmiten el calor por conducción.

El metal transmite el calor al agua del fondo del recipiente por convección. El agua caliente del fondo asciende, originando corrientes convectivas, por convección, y se mezcla con el agua fría.

Las paredes de los recipientes calientes emiten radiación en el infrarrojo a los alrededores.

 

BIBLIOGRAFÍA

http://www.monografias.com/trabajos15/transf-calor/transf-calor.shtml https://es.wikipedia.org/wiki/Transferencia_de_calor

http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/Calor/Transmision.htm

Física para Ingenieros. Atanasio Lleó. Ed Mundiprensa.