Transferencia de calor, en física, proceso por el
que se intercambia energía en forma de calor entre
distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo
que están a distinta temperatura.
El calor se
transfiere mediante convección, radiación
o conducción. Aunque estos tres procesos
pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno
de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el
calor se transmite a través de la pared de una casa
fundamentalmente por conducción, el agua de una
cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta
en gran medida por convección, y la Tierra
recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.
El calor puede transferirse de tres formas: por
conducción, por convección y por radiación.
La conducción es la transferencia de calor a través
de un objeto sólido: es lo que hace que el asa de un
atizador se caliente aunque sólo la punta esté en
el fuego. La convección transfiere calor por el
intercambio de moléculas frías y calientes: es la
causa de que el agua de una
tetera se caliente uniformemente aunque sólo su parte
inferior esté en contacto con la llama. La
radiación es la transferencia de calor por
radiación electromagnética (generalmente
infrarroja): es el principal mecanismo por el que un fuego
calienta la habitación.
En los sólidos, la única forma de
transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un
extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su
temperatura,
el calor se transmite hasta el extremo más frío por
conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo
exacto de la conducción de calor en los sólidos,
pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de
los electrones libres que transportan energía cuando
existe una diferencia de temperatura. Esta teoría
explica por qué los buenos conductores eléctricos
también tienden a ser buenos conductores del calor. En
1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una
expresión matemática
precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de
la conducción del calor. Esta ley afirma que la
velocidad de
conducción de calor a través de un cuerpo por
unidad de sección transversal es proporcional al gradiente
de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo
cambiado).
El factor de proporcionalidad se denomina
conductividad térmica del material. Los materiales
como el oro, la plata o el cobre tienen
conductividades térmicas elevadas y conducen bien el
calor, mientras que materiales
como el vidrio o el
amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces
menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes.
En ingeniería resulta necesario conocer la
velocidad de
conducción del calor a través de un sólido
en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Para
averiguarlo se requieren técnicas
matemáticas muy complejas, sobre todo si el
proceso
varía con el tiempo; en este
caso, se habla de conducción térmica transitoria.
Con la ayuda de ordenadores (computadoras)
analógicos y digitales, estos problemas
pueden resolverse en la actualidad incluso para cuerpos de
geometría complicada.
Si existe una diferencia de temperatura en el
interior de un líquido o un gas, es casi
seguro que se
producirá un movimiento del
fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido
a otra por un proceso llamado convección. El movimiento
del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un
líquido o un gas, su densidad (masa
por unidad de volumen) suele
disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo
gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso
asciende, mientras que el fluido más frío y
más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido
exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido,
se denomina convección natural. La convección
forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de
presiones, con lo que se fuerza su
movimiento de acuerdo a las leyes de la
mecánica de fluidos.
Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo
una cacerola llena de agua. El
líquido más próximo al fondo se calienta por
el calor que se ha transmitido por conducción a
través de la cacerola. Al expandirse, su densidad
disminuye y como resultado de ello el agua
caliente asciende y parte del fluido más frío baja
hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de
circulación. El líquido más frío
vuelve a calentarse por conducción, mientras que el
líquido más caliente situado arriba pierde parte de
su calor por radiación y lo cede al aire situado por
encima. De forma similar, en una cámara vertical llena de
gas, como la cámara de aire situada
entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el aire
situado junto al panel exterior —que está más
frío— desciende, mientras que al aire cercano al
panel interior —más caliente— asciende, lo que
produce un movimiento de circulación.
El calentamiento de una habitación mediante un
radiador no depende tanto de la radiación como de las
corrientes naturales de convección, que hacen que el aire
caliente suba hacia el techo y el aire frío del resto de
la habitación se dirija hacia el radiador. Debido a que el
aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, los
radiadores deben colocarse cerca del suelo (y los
aparatos de aire
acondicionado cerca del techo) para que la eficiencia sea
máxima. De la misma forma, la convección natural es
responsable de la ascensión del agua caliente y el vapor
en las calderas de
convección natural, y del tiro de las chimeneas. La
convección también determina el movimiento de las
grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la
acción de los vientos, la formación de nubes, las
corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde el
interior del Sol hasta su superficie.
La radiación presenta una diferencia
fundamental respecto a la conducción y la
convección: las sustancias que intercambian calor no
tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por
un vacío. La radiación es un término que se
aplica genéricamente a toda clase de fenómenos
relacionados con ondas
electromagnéticas. Algunos fenómenos de la
radiación pueden describirse mediante la teoría
de ondas, pero la
única explicación general satisfactoria de la
radiación electromagnética es la teoría
cuántica. En 1905, Albert
Einstein sugirió que la radiación presenta a
veces un comportamiento
cuantizado: en el efecto fotoeléctrico, la
radiación se comporta como minúsculos proyectiles
llamados fotones y no como ondas. La naturaleza
cuántica de la energía radiante se había
postulado antes de la aparición del artículo de
Einstein, y en 1900 el físico alemán Max Planck
empleó la teoría cuántica y el formalismo
matemático de la mecánica estadística para derivar una ley
fundamental de la radiación. La expresión matemática
de esta ley, llamada distribución de Planck, relaciona la
intensidad de la energía radiante que emite un cuerpo en
una longitud de onda determinada con la temperatura del cuerpo.
Para cada temperatura y cada longitud de onda existe un
máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo
ideal (cuerpo negro) emite radiación ajustándose
exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten con una
intensidad algo menor.
La contribución de todas las longitudes de
onda a la energía radiante emitida se denomina poder emisor
del cuerpo, y corresponde a la cantidad de energía emitida
por unidad de superficie del cuerpo y por unidad de tiempo. Como
puede demostrarse a partir de la ley de Planck, el poder emisor
de una superficie es proporcional a la cuarta potencia de su
temperatura absoluta. El factor de proporcionalidad se denomina
constante de Stefan-Boltzmann en honor a dos físicos
austriacos, Joseph Stefan y Ludwig Boltzmann que, en 1879 y 1884
respectivamente, descubrieron esta proporcionalidad entre el
poder emisor y la temperatura. Según la ley de Planck,
todas las sustancias emiten energía radiante sólo
por tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor
es la temperatura, mayor es la cantidad de energía
emitida. Además de emitir radiación, todas las
sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un cubito
de hielo emite energía radiante de forma continua, se
funde si se ilumina con una lámpara incandescente porque
absorbe una cantidad de calor mayor de la que
emite.
Las superficies opacas pueden absorber o reflejar la
radiación incidente. Generalmente, las superficies mates y
rugosas absorben más calor que las superficies brillantes
y pulidas, y las superficies brillantes reflejan más
energía radiante que las superficies mates. Además,
las sustancias que absorben mucha radiación también
son buenos emisores; las que reflejan mucha radiación y
absorben poco son malos emisores. Por eso, los utensilios de
cocina suelen tener fondos mates para una buena absorción
y paredes pulidas para una emisión mínima, con lo
que maximizan la transferencia total de calor al contenido de la
cazuela.
Algunas sustancias, entre ellas muchos gases y el
vidrio, son capaces de transmitir grandes cantidades de
radiación. Se observa experimentalmente que las
propiedades de absorción, reflexión y
transmisión de una sustancia dependen de la longitud de
onda de la radiación incidente. El vidrio, por ejemplo,
transmite grandes cantidades de radiación ultravioleta, de
baja longitud de onda, pero es un mal transmisor de los rayos
infrarrojos, de alta longitud de onda. Una consecuencia de la
distribución de Planck es que la longitud
de onda a la que un cuerpo emite la cantidad máxima de
energía radiante disminuye con la temperatura. La ley de
desplazamiento de Wien, llamada así en honor al
físico alemán Wilhelm Wien, es una expresión
matemática de esta observación, y afirma que la longitud de
onda que corresponde a la máxima energía,
multiplicada por la temperatura absoluta del cuerpo, es igual a
una constante, 2.878 micrómetros-Kelvin. Este hecho, junto
con las propiedades de transmisión del vidrio antes
mencionadas, explica el calentamiento de los invernaderos. La
energía radiante del Sol, máxima en las longitudes
de onda visibles, se transmite a través del vidrio y entra
en el invernadero. En cambio, la
energía emitida por los cuerpos del interior del
invernadero, predominantemente de longitudes de onda mayores,
correspondientes al infrarrojo, no se transmiten al exterior a
través del vidrio. Así, aunque la temperatura del
aire en el exterior del invernadero sea baja, la temperatura que
hay dentro es mucho más alta porque se produce una
considerable transferencia de calor neta hacia su
interior.
Además de los procesos de
transmisión de calor que aumentan o disminuyen las
temperaturas de los cuerpos afectados, la transmisión de
calor también puede producir cambios de fase, como la
fusión
del hielo o la ebullición del agua. En ingeniería, los procesos de transferencia
de calor suelen diseñarse de forma que aprovechen estos
fenómenos. Por ejemplo, las cápsulas espaciales que
regresan a la atmósfera de la
Tierra a
velocidades muy altas están dotadas de un escudo
térmico que se funde de forma controlada en un proceso
llamado ablación para impedir un sobrecalentamiento del
interior de la cápsula. La mayoría del calor
producido por el rozamiento con la atmósfera se emplea
en fundir el escudo térmico y no en aumentar la
temperatura de la cápsula.
Nelson Diaz Tapia