Transferencia de calor
La transferencia de calor, o transmisión de energía térmica, es el proceso de intercambio de energía térmica entre dos cuerpos o sistema. Se da siempre y cuando haya una diferencia de temperaturas, de forma que se transfiere energía del punto más caluroso al más frío.
Este es un proceso que continúa hasta que el sistema o los cuerpos que interactúan alcanzan el equilibrio térmico, es decir, se iguala la temperatura en todo lugar. Llegado a este punto, deja de haber un gradiente térmico y cesa toda transmisión de calor hasta que uno de los cuerpos o el sistema sufra un cambio de temperatura.
Por ejemplo, si calentamos una sopa y la vertemos sobre un cuenco frío, se producen tres fenómenos en los que se transfiere calor.
En primer lugar, el calor se transmite de la sopa caliente al cuenco frío mediante conducción, pues son dos materiales a diferentes temperaturas. A su vez, la sopa desprende un vapor que transfiere calor al medio a través de la convección. Finalmente, tanto la sopa como el cuenco transmiten energía térmica mediante radiación.
La transferencia de calor tiene muchas aplicaciones en muchos sectores, especialmente la industrial. Este concepto se relaciona con otros como la conductividad térmica o el calor específico. Por un lado, la conductividad térmica indica la capacidad conducir calor a lo largo del objeto; mientras más alta sea, más energía térmica podrá transmitir en un mismo plazo de tiempo.
Por el otro lado, el calor específico es una magnitud que nos muestra cuánta calor se ha de transmitir para elevar la temperatura de un objeto. En este caso, mientras más alto sea el calor específico, se ha de transmitir más energía térmica para alcanzar el equilibrio térmico.
Una fórmula general para calcular la transferencia de calor es la siguiente:
En el que Q indica el calor transferido, m es la masa, c es el calor específico, y ΔT es la diferencia de temperatura en un objeto. No obstante, se suelen utilizar otras fórmulas según el tipo de transferencia de calor que se realice. Lo explicamos a continuación.
Tipos de transferencia de calor
Existen tres modos distintos en los que se puede transferir calor o energía térmica a otro objeto o al medio, que son la conducción, la convección y la radiación.
Transferencia de calor por conducción
La transferencia de calor por conducción se produce cuando dos cuerpos a distintas temperaturas entran en contacto directo. Asimismo, también se da cuando dos puntos diferentes de un mismo cuerpo están a diferentes temperaturas. Los cuerpos pueden estar en diferentes estados, sea sólido, líquido o gaseoso.
Lo que sucede es que las partículas del cuerpo o punto caliente transmiten esta energía a las partículas del cuerpo o punto frío. Por tanto, la conducción es la transferencia de energía de las partículas más calientes o energéticas a otras menos energéticas.
Un ejemplo de conducción es cuando se calienta una barra de hierro. Si ponemos un extremo de la barra encima de la llama, dicho extremo se calentará poco a poco. Con el tiempo, el calor en dicho extremo se transfiere por toda la barra mediante el fenómeno de la conducción.
La fórmula para calcular la transferencia por conducción es:
En el que:
- Q es calor transferido, en J;
- k es la conductividad térmica, en W / (m·K);
- A es el área de la superficie, en m2;
- t es la duración de la transferencia, en s;
- ΔT la diferencia de temperatura, en K;
- Δx el grosor del material o la distancia entre dos puntos, en metros.
Es preciso que todas las temperaturas estén en grados K para emplearlas en la fórmula. Recuerda que la conversión de grados centígrados (ºC) a grados Kelvin (K) es:
K = ºC + 273,15
Transferencia de calor por convección
La transferencia de calor por convección sucede debido al movimiento de las partículas de un fluido, que puede ser un líquido o gas. Se da principalmente porque las partículas con mayor temperatura tienden a subir en un fluido hasta enfriarse.
Un ejemplo es una fogata. Si situamos las manos encima del fuego, sentiremos mucho más calor que si ponemos las manos al lado de la fogata. Esto es debido a que el fuego está calentando partículas que luego se suspenden en el aire hacia arriba.
Existen dos tipos de transferencia de calor por convección, que son:
- Convección natural: se da cuando las variaciones de temperatura en el fluido provocan cambios de densidad en diferentes puntos del mismo, produciéndose así un gradiente de temperatura. Las partículas más calientes suben y pueden esparcirse por el medio, transfiriendo su energía térmica y calentándolo en el proceso.
- Convección forzada: también llamada advección, se da cuando un fluido a una temperatura determinada se mueve por la presencia de otro fluido que está a una temperatura distinta. Este contacto entre diferentes fluidos provoca o "fuerza" una transferencia de energía térmica; de ahí el nombre.
La transferencia es más eficiente por mayor movimiento y cambios más rápidos de densidad.
De los dos tipos, la convección forzada o advección se utiliza más en diferentes sectores por la eficiencia y precisión que tiene en transferir calor. Una gran razón es por la presencia de mayor movimiento y mayores cambios de densidad.
La fórmula para calcular la transferencia por convección es:
En el que:
- Q es calor transferido, en J;
- Hc es el coeficiente de transferencia de calor por convección, en W / (m2·K);
- A es el área de la superficie, en m2;
- t es la duración de la transferencia, en s;
- ΔT la diferencia de temperatura, en K.
Transferencia de calor por radiación
La transferencia por radiación se produce por la emisión de radiación electromagnética por cualquier cuerpo cuya temperatura esté por encima del cero absoluto. Esta radiación se transmite en forma de ondas, como sucede al calentar comida en el microondas.
Otro ejemplo de este tipo de transferencia de calor es el Sol. La estrella de nuestro sistema solar nos transmite su energía térmica mediante radiación electromagnética, la cual viaja a través del espacio vacío. Por tanto, la transferencia por radiación no requiere de ningún medio para transmitir su energía.
Aunque no precise de un medio para transferir calor mediante radiación, cabe aclarar que el medio o la sustancia que rodee el objeto ha de estar a una temperatura menor.
La fórmula para calcular la transferencia por radiación es:
En el que:
- Q es el calor transferido, en J;
- σ es la constante de Stefan-Boltzmann, que equivale a 5,67·10-8 W / (m2·K4);
- e es la emisividad del material, que puede tener un valor entre 0 y 1;
- A es la superficie del material, en m2;
- t es la duración de la transferencia, en s;
- T2 es la temperatura del medio, en K;
- T1 es la temperatura del material, en K.
Vea también Calor y Energía térmica.
Ejemplos de transferencia de calor
Aquí te presentamos ejemplos en los que aplicamos las fórmulas para cada tipo de transferencia de calor.
Ejemplo de transferencia por conducción
Tenemos una pieza de aluminio de 0,4 metros de grosor que está en reposo a 25 ºC. Al calentarlo por un extremo, la pieza tarda 6 segundos en alcanzar los 32 ºC en todos los puntos.
Suponiendo que la superficie en la que sucede la transferencia es de 2 m2, y la conductividad del aluminio es de 237 W / (m·K), ¿cuánta calor se ha transmitido a lo largo de la pieza?
Ejemplo de transferencia por convección
Tenemos agua en ebullición que depositamos en un recipiente a 28 ºC. Suponiendo que el área de la superficie equivale a 0,2 m2, ¿cuánta calor transfiere el agua al recipiente en 20 segundos?
Podemos suponer que el coeficiente de transferencia de calor por convección es de 1000 W / (m2·K).
Ejemplo de transferencia por radiación
Calcula cuánta energía térmica transmite un material mediante radiación durante 14 segundos, si su emisividad es de 0,42, su temperatura es de 34 ºC, y la temperatura del medio, de 15 ºC. Supongamos que la superficie del material es 1,4 m2.
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Cómo citar: Rhoton, Stephen (22/07/2025). "Transferencia de calor". En: Significados.com. Disponible en: https://www.significados.com/transferencia-de-calor/ Consultado:
