La transferencia de calor está presente en todos lados, ya sea que estés calentando sobras de la noche anterior o tratando de mantenerte fresco en el calor del verano, está en todas partes. De hecho, el mundo está construido alrededor de la transferencia de calor. Los edificios bien diseñados están hechos de materiales que ayudan a mantener la temperatura interior en un nivel adecuado, incluso durante tormentas de nieve o olas de calor.
Un horno o un aire acondicionado solo te llevarán hasta cierto punto sin protegerte contra la transferencia de calor. Puedes pensar en la ingeniería como el uso del conocimiento de los procesos naturales para evitar que interfieran con lo que estás tratando de hacer, o incluso aprovechar esos procesos en algunos casos.
Por lo tanto, sin una sólida comprensión de cómo y por qué se mueve el calor de la manera en que lo hace, tus diseños no serán muy exitosos, especialmente si acabas de descubrir una isla tropical. Entonces, vamos a imaginar esta isla tropical.
Es pequeña, completamente desierta y parece el lugar perfecto para construir la casa de vacaciones con la que siempre has soñado. El clima tropical es agradable, pero también hace mucho calor, así que probablemente querrás diseñar tu casa para mantener el calor afuera y el frío adentro, es decir, querrás prevenir la transferencia de calor tanto como sea posible.
Cómo se produce la transferencia de calor
Aunque el calor no es en sí mismo un fluido, la transferencia de calor se produce de manera similar al movimiento de los fluidos que hemos hablado en episodios anteriores. Cuando los fluidos se mueven, siempre hay una fuerza impulsora detrás de ellos, específicamente una diferencia de presión o velocidad. Con la transferencia de calor, la fuerza impulsora es una diferencia de temperatura.
De hecho, si no tienes una diferencia de temperatura, no puedes tener transferencia de calor (punto). Si tienes dos cajas justo al lado de cada una y ambas están a la misma temperatura, entonces una de las cajas no comenzará a ceder su energía térmica a la otra al azar. Sin embargo, si estás viendo este artículo en tu computadora portátil y está justo encima de tus piernas, es probable que tus piernas se calienten a medida que el calor se transfiere de la computadora portátil a ellas.
Esto se debe a que en este momento tu computadora portátil es más cálida que tu piel y cuando el calor se transfiere pasivamente, siempre se mueve desde una temperatura más alta hacia una más baja. Deberías utilizar los ciclos y la energía de trabajo que hablamos antes, básicamente un motor, para hacer que se mueva en la dirección opuesta. Y a menos que tengas un aislamiento perfecto, que es prácticamente imposible en la mayoría de los entornos, una diferencia de temperatura causará la transferencia de calor.
Reduciendo la transferencia de calor
Esta casa que estás construyendo se calentará debido al cálido aire tropical, independientemente de lo que hagas, pero hay mucho que puedes hacer para frenar este proceso. Hay tres tipos principales de transferencia de calor a tener en cuenta: conducción, convección y radiación. Con la conducción, la energía calorífica se transfiere mediante las colisiones de moléculas u otras partículas.
Cuando dos cosas se tocan, las moléculas de mayor movimiento del objeto más cálido chocan con las moléculas de menor movimiento del objeto más frío, transfiriendo energía y calentándolas. En tu casa, esto causará la transferencia de calor a través de las capas de las paredes a medida que la capa exterior se calienta y la conducción transfiere el calor a las capas internas más frías.
Para frenar esto, querrás construir las paredes con un material de baja conductividad térmica, algo que no transfiera calor fácilmente. El cobre, por ejemplo, tiene una alta conductividad térmica. Si hicieras tus paredes con él, estarías construyendo una sauna gigante, lo cual no suena como un buen lugar para vivir.
Materiales como el ladrillo y la placa de yeso, por otro lado, tienen menor conductividad térmica, por lo que serían opciones mucho mejores. Cualquier material vendido como aislamiento también tiene una baja conductividad térmica, por lo que probablemente querrás tener algunas capas de eso también. Cuanto más gruesas sean estas capas, más resistente será la pared a la transferencia de calor por conducción, específicamente, tendrán más resistencia térmica, que se define como el espesor de la capa del material dividido por la conductividad térmica del material y el área de la capa.
Todo esto significa que los materiales con baja conductividad térmica tienen una mayor resistencia térmica y que una capa más gruesa también tendrá una mayor resistencia térmica. Pero si hay más área para que el calor se conduzca a través, esto reducirá la resistencia térmica. La resistencia térmica también es igual a la diferencia de temperatura dividida por la tasa de transferencia de calor, lo que también tiene sentido.
Esto significa que, para una diferencia de temperatura dada, los materiales con una tasa de transferencia de calor mayor tendrán una resistencia térmica menor, y viceversa. Puedes usar esta ecuación para determinar el nivel de resistencia térmica que necesitarás si quieres una baja tasa de transferencia de calor para la diferencia de temperatura que esperas tener en las capas de tus paredes.
La resistencia de las diferentes capas se suma, por lo que la resistencia térmica total de las paredes es igual a la resistencia de cada capa combinada. Es como ponerse capas de ropa en un día frío. Cuantas más capas tengas, menor será tu pérdida de calor y más fácil será mantenerse calentito. Entonces, para tu casa, si el ladrillo y la placa de yeso no tienen suficiente resistencia térmica para mantener el interior fresco, puedes agregar capas de aislamiento para incrementar esta resistencia. Eso se encarga de la transferencia de calor dentro de las paredes, pero hay cosas adicionales en el exterior de ellas. Esto nos lleva al segundo método de transferencia de calor: la convección.
Transferencia de calor por convección
La convección es el proceso en el que la energía se transfiere mediante el movimiento físico de un fluido, que en ingeniería puede ser líquido o gas. A medida que el fluido se mueve contra o a través de una superficie, puede agregar o eliminar calor. Por ejemplo, a medida que el aire se calienta, sus partículas se expanden, lo que reduce su densidad. El aire más cálido se eleva llevándose consigo la energía calorífica, y es reemplazado por aire más fresco y denso.
Esto se conoce como convección natural, ya que las variaciones de temperatura del fluido crean movimientos naturales sin ninguna fuerza externa. También existe la convección forzada, donde algo externo, como un ventilador o el viento, mueve el fluido. La transferencia de calor por convección en realidad involucra algo de conducción, especialmente al principio, cuando el aire caliente exterior entra en contacto con las paredes de tu casa.
Crea la condición de no deslizamiento que hemos mencionado anteriormente, donde la capa que toca la superficie se detiene por completo. Justo encima de eso, hay lo que se llama una capa límite donde el aire se mueve pero lentamente. La baja velocidad reduce la tasa de transferencia de calor, creando una capa límite térmica en la que hay más conducción entre las partículas y menos convección. Más allá de la capa límite, sin embargo, la transferencia de calor ocurre principalmente por convección a través del aire en movimiento más rápido.
Puedes medir cuánto calor se transfiere por convección utilizando lo que se conoce como el coeficiente de transferencia de calor convectivo, que se representa con la letra h y es proporcional a la conductividad térmica del fluido dividida por el espesor de la capa límite. Eso solo significa que los fluidos más delgados con mayor conductividad térmica transferirán más calor. La letra h también depende de la velocidad a la que se mueve el fluido; cuanto menos gas se mueva, menos calor se transferirá por convección.
Por eso las ventanas a menudo tienen paneles dobles: el aire atrapado entre las capas de vidrio no puede moverse mucho, lo que reduce la transferencia de calor. Por lo tanto, las ventanas de doble panel son probablemente una buena idea para tu casa. No hay mucho más que puedas hacer para minimizar los efectos de la convección, ya que no puedes controlar realmente lo que hace el aire a medida que se mueve alrededor del exterior.
Transferencia de calor por radiación
La radiación es la transferencia de energía en forma de ondas electromagnéticas y, en este contexto, estamos hablando de todas las ondas electromagnéticas, no solo las que causan cáncer. Sientes esta radiación cada vez que sales y te bañas al sol o te calientas junto a un fuego. A diferencia de la conducción y la convección, la radiación puede ocurrir sin ningún contacto entre la fuente de calor y el objeto.
Por eso la energía calorífica del sol puede llegar a la Tierra. Los recubrimientos reflectantes pueden ayudar a reducir un poco la transferencia de calor por radiación, ya que absorben menos ondas electromagnéticas. Pero cuando se trata de la radiación, dónde construirás la casa será mucho más importante que de qué estará hecha.
Dado que el sol probablemente será la fuente radiativa más grande, querrás construir la casa en un lugar donde no reciba demasiada luz solar directa. Por lo tanto, hay muchos factores a considerar cuando intentas minimizar la transferencia de calor, pero con un lugar sombreado, paredes con mucha resistencia térmica y algunas ventanas de doble panel, deberías tener un lugar bastante cómodo para pasar el rato en tu isla tropical.
