TRANSFERENCIA DE CALOR:

INTRODUCCIÓNIng. Marcos Chambi Yana

Ing. Marcos Chambi YanaPET 245 - Operaciones Unitarias I

GENERALIDADES

La transferencia de calor es la ciencia que se ocupa de predecir el intercambio de energía que tiene lugar entre los cuerpos materiales como resultado de una diferencia de temperatura.

La termodinámica enseña que esta transferencia de energía se define como calor. La ciencia de la transferencia de calor pretende, no sólo explicar cómo la energía térmica se transfiere, sino también predecir la rapidez con la que ocurre esa transferencia bajo condiciones específicas.

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El hecho de que el objetivo deseado del análisis sea la rapidez de la transmisión de calor, señala la diferencia entre la transferencia de calor y la termodinámica.

La termodinámica se ocupa de sistemas en equilibrio y, puede emplearse para predecir la cantidad de energía requerida para llevar un sistema desde un estado de equilibrio a otro, pero, no puede utilizarse para predecir cuán rápido será el cambio, ya que, el sistema no está en equilibrio durante el proceso.

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La transferencia de calor complementa la primera y segunda leyes de la termodinámica al proporcionar leyes experimentales adicionales, que se utilizan para establecer la rapidez de la transferencia de energía.

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

El calor puede transferirse por medio de tres mecanismos diferentes: conducción, convección y radiación.

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Conducción. Cuando el paso de calor a través de un cuerpo ocurre de molécula a molécula, sin desplazamiento visible de sus partículas.

Convección. Se conoce con este nombre al paso del calor en el interior de un gas o líquido, por mezcla de las porciones a diferentes temperaturas. Si el movimiento del fluido se debe, enteramente, a las diversas densidades originadas por la variación de temperaturas, estamos refiriéndonos a la convección natural. Cuando activamos mecánicamente el movimiento, entonces, tendremos la convección forzada.

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Radiación. El calor transmitido de este modo, no requiere de un medio material como vehículo.

Un cuerpo caliente emite calor en todas las direcciones, en forma de energía radiante. Cuando esta energía incide sobre otro cuerpo, es reflejada en parte, mientras que, la otra parte se transmite a su través, y el resto se absorbe transformándose cuantitativamente en calor.

Entre dos cuerpos sólidos a diferentes temperaturas, ubicados éstos en el interior de un recinto, se establece un intercambio continuo de energía.

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El cuerpo más caliente radia más energía de la que absorbe, e inversamente sucede con el cuerpo frío. En el equilibrio térmico, no se anula la emisión, sino que se igualan para cada superficie las energías emitida y absorbida.

Los tres mecanismos arriba indicados, suelen aparecer combinados en la práctica, aunque casi siempre con predominio de uno de ellos. Por ello, el cálculo adecuado de la transferencia de calor requiere, junto al estudio de las leyes que rigen la conducción, la convección y la radiación, el conocimiento del modo en que se combinan dichos mecanismos en cada caso dado.

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En general, la conducción y la convección dependen de una diferencia de temperaturas, y muy poco del nivel de la temperatura en sí. Sin embargo, la transmisión por radiación, para una misma diferencia de temperaturas entre los focos caliente y frío, aumenta notablemente con la temperatura.

ECUACIONES BÁSICAS

Antes de ingresar a un estudio detallado de la transferencia de calor, creemos que es necesario dar a conocer las ecuaciones básicas que rigen los tres mecanismos.

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Conducción. Cuando en un cuerpo existe un gradiente de temperatura, la experiencia demuestra que existe una transferencia de energía desde la región de temperatura alta hacia la región de temperatura baja.

En este caso, se dice que la energía se ha transferido por conducción y que el flujo de calor por unidad de área es proporcional al gradiente normal de temperatura:

(1)

Introduciendo la constante de proporcionalidad, resulta:

(2)

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Convección. En la transferencia de calor desde la superficie de un sólido a una temperatura Ts hacia un fluido a temperatura T, intervienen tanto la convección como la conducción a través del fluido. El problema se resuelve mediante la aplicación de la ecuación:

(3)

Esta expresión, se conoce como la ley de enfriamiento de Newton.

Aquí, el factor de proporcionalidad h se conoce con el nombre de coeficiente de transferencia de calor por convección.

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Éste depende de determinadas propiedades físicas del fluido y de las características del movimiento natural o forzado de aquél con respecto a la superficie y una variedad de propiedades termodinámicas del fluido y de transporte. Su valor puede variar, según los casos, en un intervalo de 1*105.

Radiación. El tercer mecanismo de transferencia de calor se denomina radiación térmica.

La energía calorífica emitida por radiación en la unidad de tiempo, por la superficie de área A, a la temperatura T, está dada por la ecuación:

(4)

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Esta expresión se conoce como la ley de Stefan-Boltzman.

El factor de proporcionalidad es una constante universal y se denomina constante de Stefan-Boltzman, cuyo valor numérico sólo depende de las unidades empleadas en su medida. El factor sin dimensiones (una propiedad radiativa de la superficie), que se conoce con el nombre de emisividad, y su valor varía entre cero y la unidad.

PROBLEMAS

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BIBLIOGRAFÍA

- Vian Ortuño, A. y Ocón García, J.; Elementos de Ingeniería Química: Operaciones Básicas, Ed. Aguilar- Holman, J. P.; Transferencia de Calor, Ed. McGraw-Hill- Incropera, F. P. y De Witt, D. P.; Fundamentos de Transferencia de Calor, Ed. Prentice Hall - Manrique, J. A.; Transferencia de Calor, Ed. Harla

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