Operaciones unitarias - Transmisión de calor - Introducción

Naturaleza del flujo de calor. Cuando dos objetos que están a temperaturas
diferentes se ponen en contacto térmico, el calor fluye desde el objeto de temperatura
más elevada hacia el de temperatura más baja. El flujo neto se produce
siempre en el sentido de la temperatura decreciente. Los mecanismos por los que
fluye el calor son tres: conducción, convección y radiación.


Conducción. Si existe un gradiente de temperatura en una sustancia el calor
puede fluir sin que tenga lugar un movimiento observable de la materia. El flujo
de calor de este tipo recibe el nombre de conducción. En sólidos metálicos la
conducción del calor resulta del movimiento de los electrones no ligados y existe
una estrecha relación entre la conductividad térmica y la conductividad eléctrica.
En los sólidos que son malos conductores de la electricidad, y en la mayor parte
de los líquidos, la conducción del calor se debe al transporte de la cantidad de
movimiento de las moléculas individuales a lo largo del gradiente de temperatura.
En gases la conducción se produce por el movimiento al azar de las moléculas,
de forma que el calor «difunde» desde regiones más calientes hasta otras más
frías. El ejemplo más común de conducción es el flujo de calor en sólidos opacos,
tales como la pared de ladrillo de un horno o la pared metálica de un tubo.



Convección. Cuando una corriente o una partícula macroscópica de fluido cruza
una superficie específica, tal como el límite de un volumen de control, lleva
consigo una determinada cantidad de entalpía. Tal flujo de entalpía recibe el
nombre de flujo convectivo de calor o simplemente convección. Puesto que la
convección es un fenómeno macroscópico, solamente puede ocurrir cuando actúan
fuerzas sobre la partícula o la corriente de fluido y mantienen su movimiento
frente a las fuerzas de fricción. La convección está estrechamente relacionada
con la mecánica de fluidos. De hecho, desde el punto de vista termodinámico, la
convección no es considerada como un flujo de calor sino como una densidad de
flujo de entalpía. La identificación de la convección con el flujo de calor es una
cuestión de conveniencia, debido a que en la práctica es difícil separar la convección
de la conducción verdadera cuando ambas se engloban conjuntamente bajo
el nombre de convección. Ejemplos de convección son la transferencia de entalpía
por los remolinos del flujo turbulento y por la corriente de aire caliente que
circula a través y hacia fuera de un radiador ordinario.


Convección natural y forzada. Las fuerzas utilizadas para crear las corrientes de
convección en los Ruidos son de dos tipos. Si las corrientes son la consecuencia de
las fuerzas de flotación generadas por diferencias de densidad, que a su vez se
originan por gradientes de temperatura en la masa del fluido, la acción recibe el
nombre de convección natural. El flujo de aire a través de un radiador caliente es
un ejemplo de convección natural. Si las corrientes se ponen en movimiento por
la acción de un dispositivo mecánico, tal como una bomba o un agitador, el flujo
es independiente de los gradientes de velocidad y recibe el nombre de convección
forzada. El flujo de calor hacia un fluido que se bombea a través de una tubería
caliente es un ejemplo de convección forzada. Los dos tipos de fuerzas pueden ser
activas simultáneamente en el mismo fluido, teniendo lugar conjuntamente convección
natural y forzada.


Radiación. Radiación es la palabra que se utiliza para designar la transmisión
de energía a través del espacio por medio de ondas electromagnéticas. Si la
radiación pasa a través de un espacio vacío, no se transforma en calor ni en otra
forma de energía. Sin embargo, si en su camino encuentra material, la radiación
se transmitirá, reflejará o absorberá. Solamente la energía absorbida es la que
aparece como calor y esta transformación es cuantitativa. Por ejemplo, el cuarzo
fundido transmite prácticamente toda la radiación que incide sobre él; una
superficie opaca pulimentada o un espejo reflejan la mayor parte de la radiación
incidente; una superficie negra o mate absorbe la mayor parte de la radiación que
recibe y la energía absorbida es transformada cuantitativamente en calor.


Los gases monoatómicos y diatómicos son transparentes a la radiación térmica,
y es muy frecuente encontrarse con que el calor fluye a través de masas de
tales gases por radiación y por conducción-convección.


 Ejemplos son las pérdidas de calor, desde un radiador o una tubería no aislada que conduce vapor de agua,
hacia el aire ambiente de una habitación, así como la transmisión de calor en
hornos y otros aparatos que operan con gases a temperaturas elevadas. Los dos
mecanismos son mutuamente independientes y transcurren paralelamente, de tal
forma que un tipo de flujo de calor puede ser controlado o variado independientemente del otro. 


Conducción-convección y radiación pueden estudiarse separadamente
y sumar sus efectos separados cuando ambos son importantes. 
En términos muy generales, la radiación se hace importante a temperaturas elevadas
y es independiente de las circunstancias del flujo del fluido. La conducción - convección
es sensible a las condiciones de flujo y es relativamente afectada por el
nivel de temperatura.