Este tipo de fenómeno ocurre antes nuestros ojos a diario y en cualquier actividad cotidiana, a veces sin darnos cuenta se lleva a cabo tal proceso, por lo tanto, podemos hacer referencia que existe una rama de la ciencia que nos permite el estudio de dicho proceso de transferencia de energía la cual ocurre entre dos cuerpos físicos, en donde, ellos están sometidos a una diferencia de temperatura, esto representa el punto de referencia o clave del desarrollo de este proceso, al hablar de transferencia de energía encontramos a la termodinámica, la cual, nos ha brindado el conocimiento y nos ha enseñado que este proceso de transferencia de energía lo podemos definir como calor. El extraordinario campo de la ciencia no solo se ha preocupado por enseñarnos la forma como se transmite la energía calorífica, sino que ha podido profundizar dicho conocimiento, con la finalidad de predecir la rapidez con la cual se origina este tipo de fenómeno muy conocido por nosotros.

Por lo tanto, es muy importante realizar una distinción o diferenciación entre lo que representa la transferencia de calor con la termodinámica, ya esta última se encarga de estudiar sistemas en equilibrio, en donde, la misma puede predecir la cantidad de energía que se necesita para poder pasar de un sistema equilibrado a otro, pero la termodinámica no la podemos implementar para predecir la rapidez de un determinado cambio de sistema, debido a que cualquier sistema no se encontrará en equilibrio mediante el proceso, el estudio de la ciencia de la transferencia de calor complementa a los dos primeros principios de la termodinámica, ya que le ofrece reglas experimentales suplementarias las cuales las podemos usar para determinar la rapidez de cualquier proceso de transferencia de energía.

Mediante un práctico ejemplo, para referirnos a los tipos de estudios o de problemas manejados tanto por la termodinámica como por la ciencia de la transferencia de calor, si colocamos cualquier barra de acero caliente en un recipiente con agua, con la termodinámica obtenemos la temperatura equilibrada final con respecto a la combinación de dicha barra con el agua, sin embargo, la termodinámica no nos indicará el tiempo empleado para alcanzar dicho equilibrio con la temperatura, aún más tampoco no dará la temperatura de la barra al pasar un cierto tiempo antes de poder alcanzar el nivel de equilibrio, en cambio, mediante la transferencia de calor podemos predecir la temperatura bien sea de la barra como del agua en cualquier intervalo de tiempo que queramos, daremos a conocer algunas formas que permiten la transferencia de energía, es decir, de calor, por lo tanto, tenemos:

Transferencia de calor por conducción

Los diversos estudios nos han permitido obtener la experiencia, la cual la hemos utilizado para demostrar que al existir un diferencial (gradiente) de temperatura en un cuerpo, existe una transferencia de energía calórica desde la sección de alta temperatura hacia la que tiene menor temperatura, cuando esto se nos presenta expresamos que tal energía es transferida por conducción y en donde, la rapidez de esta transferencia en relación a cada unidad de área será proporcional al diferencial normal de temperatura, por lo tanto:

q= -kA.δT/δx (1)

q= Rapidez de transferencia de energía (calor)

δT/δx = Gradiente de temperatura relacionada a la dirección del flujo de calor

A = Constante positiva

-k = Señala la conductividad térmica del cuerpo estudiado, en cuanto al signo (-) se incluye con la finalidad de cumplir con el segundo principio de la termodinámica, el cual nos indica, que el calor debe circular hacia abajo en la escala de temperatura.

Conductividad térmica

Este tipo de proceso lo podemos valorar de forma experimental y la misma se encuentra fundamentalmente definida por la expresión o ecuación (1), los materiales sólidos poseen una gran variedad de valores numéricos los cuales dependerán del tipo de sólido a utilizar, debido a que encontramos sólidos que son relativamente o muy buenos conductores de calor, como es el caso de los metales, a diferencias de otros materiales como el asbesto que representa un sólido de mala conductividad térmica, los cuales generalmente son empleados como aislantes, es importante tener en cuenta que a pesar que la conducción de calor la relacionamos normalmente con el proceso de transferencia de calor a través de los materiales sólidos, es posible aplicar tales características a los gases como a los líquidos, por supuesto, con las limitaciones referidas a cada caso.

En la siguiente figura podemos observar la conductividad térmica de algunos sólidos característicos reconocidos por nosotros:

Transferencia de calor por convección

Este tipo de transferencia la podemos observar al colocar un placa de metal caliente la cual para enfriarla la colocamos frente de un ventilador, esto acelera el proceso de enfriado de dicha placa, en relación al colocarlo al aire en reposo, cuando esto sucede podemos referir que dicho calor se disipó por convección, por lo tanto, es importante realizar una mayor profundización sobre el término de convección, debido a que el mismo nos brinda una intuición sobre algún proceso donde ocurra una transferencia de calor, pero necesario es poder alcanzar una comprensión analítica para poder manejar dicho término de manera general y amplia en cuanto a la interpretación sobre una determinada transferencia de calor.

Al considerar el ejemplo anterior podemos resaltar algunos aspectos de forma analíticos los cuales pueden influir en tal proceso de transferencia, entonces, podríamos pensar que la velocidad utilizada por el ventilador con la que sopla el aire, el cual va dirigido sobre la placa caliente por razones lógicas debe influir en la rapidez de la transferencia de calor, sin embargo, podríamos preguntarnos ¿si dicho incremento en la velocidad tiene influencia de una forma lineal?, es decir, al duplicar la velocidad, es posible poder duplicar la rapidez del proceso de transferencia de energía (calor),o más aún podemos pensar que la rapidez del proceso de transferencia sería diferente si utilizaríamos agua para enfriar la placa, pero lo relativo será poder saber que tanta diferencia habría entre una acción y otra, estos aspectos analíticos nos permitirán tener mayor entendimiento en la transferencia de calor por convección.

Por lo que tenemos que la transferencia de calor por convección también podemos obtenerla mediante el movimiento de un fluido, en donde, un determinado fluido frío contiguo a las superficies calientes absorbe calor el cual luego lo transmite al resto del fluido frío uniéndose con el mismo, por lo tanto, el tipo de convección libre o natural sucede cuando el respectivo movimiento de cualquier fluido no se aumenta mediante la agitación mecánica, ya que si lo agitamos de manera mecánica, el calor se transferirá mediante un proceso de convección forzada.

Conclusiones

La extraordinaria ciencia de la termodinámica nos brinda el aspecto sobre las transiciones cuantitativas, así como el reajuste de la energía en forma de calor en los distintos cuerpos físicos o materiales, y con respecto a la ciencia de transferencia de calor la podemos relacionar con la razón de reciprocidad de calor ocurrida entre cuerpos calientes y fríos, los cuales los conocemos como fuente y recibidor, en donde, para la comprensión de este fenómeno es necesario el conocimiento de la naturaleza del calor, lo cual no es muy sencillo debido a que durante los estudios realizado se han encontrado varios tipos o manifestaciones sobre calor, entonces, poder cubrir con una sola y simple teoría a todas estas manifestaciones no ha sido posible.

Fuente

Es importante tener en cuenta que el valor numérico indicado en la conductividad térmica nos indica la rapidez con que fluirá en un determinado material, por lo tanto, la transferencia de energía a nivel molecular podemos expresar que mientras más rápido se movilicen las moléculas, de esa forma transportarán más rápidamente la energía, esto nos lleva a determinar que en el caso de un gas su conductividad térmica dependerá de los valores de la temperatura, en donde, dicha conductividad térmica mediante un método analítico simplificado demuestra que dicha conductividad térmica de un referido gas varía con la raíz cuadrada de la temperatura absoluta.

A pesar que de manera cualitativa podemos decir que el mecanismo físico para la conducción de la energía térmica en líquidos es la misma que para los gases, debemos considerar el hecho el cual indica que para este caso (líquidos) la situación es de mayor complejidad debido a que las moléculas están mucho más cercas una de las otras, por lo que los campos de la fuerza molecular ejercerán con mayor fuerza en cuanto al intercambio de energía mediante el proceso de colisión.

En relación a la forma como puede ser conducida la energía térmica en los sólidos podemos expresar que puede ser de dos manera: mediante la vibración de red y transporte a través de electrones libres, por lo que en los sólidos que resultan ser buenos conductores eléctricos encontramos que un gran número de electrones libres se movilizan a través de la estructura de la red de dicho material, por lo tanto, de esta misma forma como describimos que estos electrones pueden llevar o transportar carga eléctrica, también podemos resaltar el hecho que de esta manera pueden llevar la energía térmica de una determinada región o área de alta temperatura a la de más baja temperatura, como sucede en los gases, de allí que generalmente hacemos referencia a tales electrones como gas de electrón.

Observación: La imagen referida a la conductividad térmica la realice con la ayuda de la aplicación de PowerPoint.

Referencias Bibliográficas utilizadas

• Q. Kern Donald. Proceso de transferencia de calor. Editorial Continental, S.A. Trigésima primera reimpresión. México, 1999.

• Holman J. P. Transferencia de calor. Editorial Continental. Décima reimpresión. México, 1999.