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la transferencia de calor es el acto físico de la energía térmica que se intercambia entre dos sistemas mediante la disipación de calor. La temperatura y el flujo de calor son los principios básicos de la transferencia de calor. La cantidad de energía térmica disponible está determinada por la temperatura, y el flujo de calor representa el movimiento de la energía térmica.
en una escala microscópica, la energía cinética de las moléculas es la relación directa con la energía térmica., A medida que aumenta la temperatura, las moléculas aumentan en agitación térmica manifestada en movimiento lineal y vibración. Las regiones que contienen mayor energía cinética transfieren la energía a regiones con menor energía cinética. En pocas palabras, la transferencia de calor se puede agrupar en tres grandes categorías: conducción, convección y radiación.
la imagen de arriba, proporcionada por la NASA, destaca cómo funcionan los tres métodos de transferencia de calor (conducción, convección y radiación) en el mismo entorno.
conducción
la conducción transfiere calor a través de una colisión molecular directa., Un área de mayor energía cinética transferirá energía térmica a un área con menor energía cinética. Las partículas de mayor velocidad chocarán con las partículas de menor velocidad. Las partículas de velocidad más lenta aumentarán en energía cinética como resultado. La conducción es la forma más común de transferencia de calor y se produce a través del contacto físico. Los ejemplos serían colocar su mano contra una ventana o colocar metal en una llama abierta.
el proceso de conducción de calor depende de los siguientes factores: gradiente de temperatura, sección transversal del material, longitud de la trayectoria de viaje y propiedades físicas del material., El gradiente de temperatura es la cantidad física que describe la dirección y la velocidad de desplazamiento del calor. El flujo de temperatura siempre ocurrirá de más caliente a más frío o, como se dijo antes, de mayor a menor energía cinética. Una vez que hay equilibrio térmico entre las dos diferencias de temperatura, la transferencia térmica se detiene.
tanto la sección transversal como el recorrido juegan un papel importante en la conducción. Cuanto mayor sea el tamaño y la longitud de un objeto, más energía se requiere para calentarlo. Y cuanto mayor es la superficie expuesta, más calor se pierde., Los objetos más pequeños con secciones transversales pequeñas tienen una pérdida de calor mínima.
Las propiedades físicas determinan qué materiales transfieren calor mejor que otros. Específicamente, el coeficiente de conductividad térmica dicta que un material metálico conducirá el calor mejor que la tela cuando se trata de conducción. La siguiente ecuación calcula la velocidad de conducción:
Q = / D
donde Q = calor transferido por unidad de tiempo; k = conductividad térmica de la barrera; a = área de transferencia de calor; Thot = temperatura de la región caliente; Tcold = temperatura de la región fría; y D = espesor de la barrera.,
un moderno uso de la conducción está siendo desarrollado por el Dr. Gyung-Min Choi en la Universidad de Illinois. Dr. Choi utiliza corriente de giro para generar torque de transferencia de giro. El par de transferencia de espín es la transferencia del Momento angular de espín generado por los electrones de conducción a la magnetización de un ferromagneto. En lugar de utilizar campos magnéticos, esto permite la manipulación de nanomagnetos con corrientes de espín., (Cortesía de Alex Jerez, Imaging Technology Group, The Beckman Institute)
convección
Cuando un fluido, como el aire o un líquido, se calienta y luego se aleja de la fuente, transporta la energía térmica. Este tipo de transferencia de calor se llama convección. El fluido sobre una superficie caliente se expande, se hace menos denso y se eleva.
a nivel molecular, las moléculas se expanden al introducir la energía térmica. A medida que aumenta la temperatura de la masa de fluido dada, el volumen del fluido debe aumentar por el mismo factor. Este efecto sobre el fluido causa desplazamiento., A medida que el aire caliente se eleva, empuja aire más denso y frío hacia abajo. Esta serie de eventos representa cómo se forman las corrientes de convección. La ecuación para las tasas de convección se calcula de la siguiente manera:
Q = hc · a · (Ts – Tf)
donde Q = calor transferido por unidad de tiempo; hc = coeficiente de transferencia de calor convectivo; a = área de transferencia de calor de la superficie; Ts = temperatura de la superficie; y Tf = temperatura del fluido.
un calentador de espacio es un ejemplo clásico de convección., A medida que el calentador calienta el aire que lo rodea cerca del piso, el aire aumentará de temperatura, se expandirá y subirá a la parte superior de la habitación. Esto fuerza el aire más frío para que se caliente, creando así una corriente de convección.
radiación
la radiación térmica se genera a partir de la emisión de ondas electromagnéticas. Estas ondas llevan la energía lejos del objeto emisor. La radiación se produce a través del vacío o de cualquier medio transparente (sólido o líquido). La radiación térmica es el resultado directo de movimientos aleatorios de átomos y moléculas en la materia., El movimiento de los protones y electrones cargados resulta en la emisión de radiación electromagnética.
Todos los materiales irradian energía térmica en función de su temperatura. Cuanto más caliente sea un objeto, más se irradia. El sol es un claro ejemplo de radiación térmica que transfiere calor a través del sistema solar. A temperatura ambiente normal, los objetos irradian como ondas infrarrojas. La temperatura del objeto afecta la longitud de onda y la frecuencia de las ondas radiadas., A medida que aumenta la temperatura, las longitudes de onda dentro de los espectros de la radiación emitida disminuyen y emiten longitudes de onda más cortas con radiación de mayor frecuencia. La radiación térmica se calcula utilizando la Ley de Stefan-Boltzmann:
P = E · σ · A · (Tr4 – Tc4)
donde P = potencia radiada neta; a = área radiante; Tr = temperatura del radiador; Tc = temperatura del entorno; e = emisividad; y σ = constante de Stefan.
la emisividad para un radiador ideal tiene un valor de 1. Los materiales comunes tienen valores de emisividad más bajos. El aluminio anodizado tiene un valor de emisividad de 0.,9 mientras que el cobre es 0.04.
célula Solar o célula fotovoltaica, convierte la energía de la luz en electricidad a través del efecto fotovoltaico. La luz es absorbida y excita el electrcon a un estado de energía más alto y el potencial eléctrico es producido por la separación de cargas. La eficiencia de los paneles solares ha aumentado en los últimos años. De hecho, las que actualmente produce SolarCity, una empresa co-fundada por Elon Musk, son del 22%.
la emisividad se define como la eficacia de un objeto en la emisión de energía como radiación térmica., Es la relación, a una temperatura dada, de la radiación térmica de una superficie a la radiación de una superficie negra ideal determinada por la Ley de Stefan-Boltzmann. La constante de Stefan está determinada por constantes de la naturaleza. El valor de la constante es el siguiente: