Transferencia de calor

Te explicamos qué es la transferencia de calor y cómo se produce por conducción, convección y radiación. Además, aislantes y medidas.

¿Qué es la transferencia de calor?

Se denomina transferencia de calor, transferencia térmica o transmisión de calor al fenómeno físico que consiste en el traspaso de energía calórica de un medio a otro.

Esto ocurre cuando dos sistemas que se encuentran a distintas temperaturas se ponen en contacto, permitiendo el flujo de la energía del punto de mayor temperatura al de menor, hasta alcanzar un equilibrio térmico, en el que se igualan las temperaturas.

El proceso de la transferencia de calor es indetenible (no se lo puede frenar) aunque ralentizable (se puede desacelerar), empleando barrares y aislantes. Pero siempre que exista una diferencia de calor en el universo, el calor tenderá a transferirse a través de los medios disponibles. Dependiendo de ellos, dicha transferencia podrá darse por tres modos: conducción, convección y radiación.

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Conducción

Se llama conducción a la transferencia de calor mediante el contacto directo de las partículas de un material con las de otro, sin transferir materia entre los cuerpos. Ocurre en todos los estados de agregación: sólido, líquido o gaseoso, aunque en estos dos últimos suele preferirse la convección.

La cantidad de calor que se transfiere mediante la conducción está determinada por la Ley de Fourier, según la cual la velocidad de transferencia del calor a través de un cuerpo es proporcional al gradiente de temperatura que existe en él.

Un ejemplo sencillo se ve en una cocina eléctrica: la hornalla se calienta por efecto de las resistencias eléctricas y ese calor es transferido por conducción a la sartén que depositamos sobre ella y, a su vez, la sartén hará lo mismo con los alimentos que cocinamos.

También ocurre cuando, por accidente, tocamos la sartén caliente con la mano: el calor se transferirá a nuestra piel por contacto, causándonos una quemadura.

Convección

La convección es semejante a la conducción, excepto que ocurre en los casos en que un fluido recibe calor y se mueve para transmitirlo dentro de un espacio donde está contenido. La convección es el transporte de calor por medio del movimiento de un fluido, sea gaseoso o líquido.

Dicha transferencia se da en los términos planteados por la Ley del enfriamiento de Newton, que establece que un cuerpo pierde su calor a un ritmo proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y sus alrededores.

Un claro ejemplo de ello ocurre cuando calentamos agua en un recipiente. El calor transferido por conducción del recipiente al líquido calentará las porciones que estén en contacto directo con él, que ascenderán y forzarán a otras porciones frías del líquido a ocupar su lugar, calentándose así uniformemente el agua.

Radiación

El último tipo de transferencia de calor es también el único que puede darse en ausencia de contacto y, por ende, también de un medio físico, o sea, en el vacío.

Esto se debe a que su origen está en el movimiento térmico de las partículas cargadas de la materia, que desencadena la emisión de partículas electromagnéticas, es decir, de radiación térmica, siendo su intensidad dependiente de su temperatura y la longitud de onda de la radiación considerada.

Generalmente, los cuerpos en esta situación emiten radiación ultravioleta, pero a partir de ciertas temperaturas pueden emitir radiación en el espectro visible, o sea, luz. La cantidad de calor irradiada de esta manera puede determinarse por la Ley de Stefan-Boltzmann.

A diario observamos el mejor ejemplo de radiación térmica: el Sol. A pesar de hallarse a 149,6 millones de kilómetros de nuestro planeta, la temperatura del Sol es tan alta que irradia hacia el espacio enormes cantidades de luz y de calor.

Ambas cosas alcanzan la superficie terrestre y la mantienen caliente e iluminada, con longitudes de onda que van desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, pasando obviamente por todo el espectro visible.

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Aislantes y barreras de radiación

Como hemos dicho, la transferencia de calor no puede impedirse, pero sí hacerse más lenta, a través de la utilización de ciertos y determinados materiales. Esto se debe a que todos los materiales transfieren de un modo u otro el calor, pero no al mismo ritmo ni con la misma facilidad.

Aquellos que lo transmiten rápida y eficazmente son llamados conductores térmicos. Por el contrario, aquellos que lo hacen lenta y trabajosamente, se denominan aislantes térmicos (conducción y convección) o barreras (radiación).

Un claro ejemplo de materiales aislantes son los que componen un termo, que permiten mantener un líquido caliente o frío durante mayor cantidad de tiempo, al hacer más lento su intercambio de calor con el medio ambiente.

Unidades de medida de la transferencia de calor

Según el Sistema Internacional de Medidas, la conductividad de un cuerpo se expresa en julios (J), al igual que para el trabajo y la energía. Sin embargo, existen otras unidades de uso común para medir la transferencia de calor:

• Kilocalorías (Kcal). Una caloría se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Celsius la temperatura de un gramo de agua. Es una medida empleada a menudo en nutrición para medir la energía química contenida en los alimentos. Una kilocaloría equivale a 1000 calorías.
• BTU (del inglés British Thermal Unit o unidad térmica británica). Se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua, lo que equivale a 252 calorías. Esta medida es empleada comúnmente en los países de habla anglosajona, principalmente el Reino Unido y Estados Unidos.

Sigue con: Calor específico

Referencias

• “Transferencia de calor” en Wikipedia.
• “Radiación, conducción y convección: tres formas de transferencia de calor” en Nergiza.
• “Transferencia de calor” en Universidad Nacional Experimental del Táchira (Venezuela).
• “Heat Transfer: Crash Course Engineering #14” (video) en Crash Course.
• “Heat Transfer (Physics)” en The Encyclopaedia Britannica.