Transmisión del calor: Convección

Cuando se transfiere calor a, o desde una sustancia, la energía interna de la sustancia pue-de cambiar, como vimos en el capítulo anterior. Este cambio en la energía interna viene
acompañado por un cambio en la temperatura o un cambio en la fase. La transferencia de
calor nos afecta de muchos modos. Por ejemplo, dentro de nuestros hogares, las calefaccio-nes distribuyen calor en los días fríos, y los aires acondicionados lo retiran en los días ca-lientes. Nuestros cuerpos están transfiriendo calor constantemente en un sentido u otro,
para prevenir los efectos adversos de hipo e hipertermia. Prácticamente toda nuestra ener-gía procede del Sol y se transfiere a nosotros desde una distancia de 150 millones de kiló-
metros, a través del espacio exterior. La luz del Sol provee la energía para la fotosíntesis de
las plantas que proporcionan nuestro alimento y, por tanto, energía metabólica. La luz del
Sol de hace muchos años alimentó la materia orgánica que se convirtió en combustibles
fósiles: petróleo, gas natural y carbón. Este bloque examina los tres procesos por los que se
transfiere el calor: convección, conducción y radiación.
Cuando parte de un fluido se calienta, como el aire sobre un fuego, el volumen de esa parte
del fluido se expande y disminuye su densidad. De acuerdo con el principio de Arquímedes,
el fluido circundante más denso y frío ejerce una fuerza de empuje sobre el fluido caliente
y lo empuja hacia arriba. Cuando el fluido sube, el fluido circundante más frío lo reemplaza.
Este fluido más frío, a su vez, se calienta y es empujado hacia arriba. Así, se establece un
flujo continuo que arrastra el calor. Siempre que el calor se transfiere por el movimiento de
una masa de gas o líquido se dice que el calor se ha transferido por convección. El propio
fluido se llama corriente de convección.
Convección
Es el proceso por el que se transporta calor de un lugar a otro por el movimiento de
una masa de fluido.
El humo de un incendio, como el de la figura, es un resultado visible de la convección. La
figura muestra un ejemplo menos visible de las corrientes de convección en un cazo con
agua que se está calentando en una estufa de gas. Las corrientes distribuyen el calor desde
el gas en combustión a todas las partes del agua. El ejemplo se refiere a uno de los impor-
tantes papeles que juega la convección en el hogar.
Columna de humo procedente de crudo de
petróleo ardiendo en Deepwater Horizon,
cerca del lugar donde ocurrió el desastre del
vertido de petróleo en el Golfo de México
en 2010. La columna alcanzó centenares de
metros en el aire a causa de la convección.
(© Getty Images)
EJEMPLO  La física de el calentamiento y enfriamiento por convección
En las casas se usan con frecuencia instalaciones de calefacción por zócalos de agua calien-te, y un serpentín de refrigeración es un componente importante de un refrigerador. La
localización de estos dispositivos de calentamiento y enfriamiento es diferente porque cada
uno está diseñado para maximizar la producción de corrientes de convección. ¿Dónde se
debería localizar la unidad de calefacción y el serpentín refrigerante?
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(a) La unidad de calefacción cerca del suelo de la habitación y el serpentín de refrigeración
cerca de la parte superior del refrigerador.
(b) La unidad de calefacción cerca del techo de la habitación y el serpentín de refrigeración
cerca de la parte inferior del refrigerador.
Razonamiento
Un objetivo importante del sistema de calefacción es distribuir el calor por toda la habitación.
El objetivo análogo del serpentín refrigerante es eliminar el calor de todo el espacio dentro del
refrigerador. En cada caso, los dispositivos de calentamiento o enfriamiento deben estar colo-cados para hacer posible el objetivo.
La respuesta (b) es incorrecta
Si la unidad de calentamiento se colocara cerca del techo de la habitación, el aire caliente de
la unidad permanecería ahí, porque el aire caliente no desciende (sube). Así, sería muy poco
natural el movimiento (o convección) del aire para distribuir el calor por la habitación. Si el
serpentín refrigerante se colocara cerca de la parte inferior del refrigerador, el aire frío per-manecería allí, porque el aire frío no sube (desciende). Habría muy poca convección para llevar
el calor de otras partes del refrigerador al serpentín para que lo eliminase.
La respuesta (a) es correcta
El aire sobre la unidad de calefacción se calienta, igual que el aire sobre un fuego. El aire frío
del ambiente ejerce fuerzas de empuje que llevan el aire caliente hacia arriba. El aire frío
cerca del techo es desplazado hacia abajo y entonces se calienta por la unidad calefactora,
provocando la corriente de convección que se ilustra en la figura (a). Dentro del refrigerador,
el aire en contacto con el serpentín colocado en la parte superior es enfriado, su volumen
disminuye y su densidad aumenta. El aire de los alrededores más caliente y menos denso, no
puede ejercer una fuerza de empuje suficiente para soportar el aire más frío, que acaba des-
cendiendo. En el proceso, el aire más caliente cerca de la parte inferior del refrigerador es
desplazado hacia arriba y luego es enfriado en el serpentín, estableciendo las corrientes de
convección que se muestran en la figura (b).
Cuando se calienta la olla se forman
corrientes de convección.
La física de las térmicas. Otro ejemplo de convección se produce cuando el suelo, calentado
por los rayos del Sol, calienta el aire de las capas vecinas. El aire de los alrededores más frío
y denso empuja al aire caliente hacia arriba. La corriente ascendente resultante o “térmica”
Corriente de
convección
Serpertín
refrigerante
El aire calentado por la unidad de
calefacción del zócalo es empujado
a la parte alta de la habitación
por el aire más frío y denso (a).
El aire enfriado por el serpentín
refrigerante desciende a la parte
inferior del refrigerador (b). En
ambos casos (a) y (b) se establece
una corriente de convección.
Unidad de calefacción por
zócalo de agua caliente
a
b
Suelo
Suelo
frío
caliente
puede ser bastante fuerte, dependiendo de la cantidad de calor que pueda aportar el suelo.
Suelo
Como ilustra la figura, esas térmicas pueden ser usadas por pilotos de vuelo sin motor para
frío
ganar una altura considerable. Algunas aves, como las águilas, usan las térmicas para la
misma finalidad.
Las corrientes ascendentes o
térmicas, están provocadas por los
movimientos de convección del aire
que ha calentado el suelo.
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    Conducción
Cualquiera que haya asado una hamburguesa en una sartén de metal sabe que el mango de
metal se calienta. De algún modo, el calor es transferido de la hornilla a la mano. Obvia-
mente, el calor no ha sido transferido por el movimiento del metal o el aire circundante, por
tanto, no se pueden aplicar las reglas de la convección. En vez de ello, el calor se ha trans-ferido directamente a través del metal por un proceso llamado conducción.
Conducción Es el proceso por el que el calor se transfiere directamente a través de un material,
sin que ningún movimiento aparente del material juegue papel alguno en la trans-
ferencia.Se produce un mecanismo de conducción cuando los átomos o moléculas de las partes calientes del material vibran o se mueven con mayor energía que las de las partes frías. Por
medio de colisiones, las moléculas más energéticas pasan algo de su energía a las vecinas
menos energéticas. Por ejemplo, imagina un gas que llena el espacio entre dos paredes
cuyas caras se mantienen a diferente temperatura. Las moléculas golpean la pared más
caliente, absorben energía de ella y rebotan con mayor energía cinética que cuando llegaron.
Cuando estas moléculas chocan con sus vecinas menos energéticas, les transfieren parte de
su energía. Finalmente esta energía se transmite hasta que llega a las moléculas próximas
a la pared más fría. Estas moléculas, a su vez, chocan con la pared, cediendo algo de su
energía en el proceso. Por medio de estas colisiones moleculares, el calor es conducido de
la pared más caliente a la más fría.
Para ilustrar los factores que influyen en la conducción del calor, la figura muestra una
barra rectangular. Los extremos de la barra están en contacto térmico con dos cuerpos, uno
de los cuales se mantiene a una temperatura constante más alta, mientras que la otra se
mantiene a una temperatura constante más baja. Aunque no se muestra en aras de la claridad, los lados de la barra están aislados de manera que la pérdida de calor a través de ellos
es despreciable. La cantidad de calor Q conducida a través de la barra del extremo más caliente al extremo más frío depende de una serie de factores:
Área de sección transversal = A
El calor es conducido a través de la barra
cuando sus extremos se mantienen a
temperaturas diferentes. El calor fluye del
extremo más caliente al más frío.
Cuerpo
caliente
Cuerpo
frío
Flujo del calor
L
PROBLEMA DE CONCEPTOS MÚLTIPLES
Ejemplo  La temperatura en un punto entre los extremos de la barra
La temperatura en los extremos de la barra de la figura es 85.0 °C para el extremo
caliente y 27.0 °C para el extremo frío. La barra tiene una longitud de 0.680. ¿Cuál
es la temperatura en un punto que está a 0.220 m del extremo más frío de la barra?
Razonamiento
El punto en cuestión está más próximo al extremo más frío de la barra que a su
extremo más caliente. Se puede esperar, por tanto, que la temperatura en este
punto esté a menos de la mitad de la diferencia entre 27.0 °C y 85.0 °C. Demostra-
remos que, en efecto, esto es así, aplicando la ecuación. Se aplica esta expresión
porque no escapa calor por los lados aislados de la barra y lo usaremos dos veces
para determinar la temperatura deseada.
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Datos e incógnitas
Los datos disponibles son los siguientes:
Descripción
Símbolo Valor
Temperatura del extremo caliente TC 85.0 °C
Temperatura del extremo frío TF 27.0 °C
Longitud de la barra L 0.680 m
Distancia desde el extremo frío D 0.220 m
T ¿?
Variable desconocida
Temperatura a la distancia D del extremo frío
Planteamiento del problema
PASO 1   La conducción del calor. El calor Q conducido en el tiempo t por el
punto en cuestión (que está a la distancia D del extremo más frío de la barra)
viene dado por la ecuación como:
QD
T = TF +

kAt
   
   
   
T = TF +
Q=
QD

kAt
Q=
k A (T - TF) t
D
donde k es la conductividad térmica del material de que está hecho, A es el área
de la sección transversal de la barra, y T y TF son, respectivamente, la temperatu-
ra en el punto en cuestión y en el extremo más frío de la barra. Resolviendo para
T obtenemos la ecuación de la izquierda. Las variables Q, k, A y t son desconocidas,
así que iremos al paso 2 para tratar de ellas.
PASO 2   Revisión de la conducción del calor. El calor Q que es conducido desde
el punto en cuestión hasta el extremo frío de la barra se origina en el extremo
caliente de la barra. De ese modo, puesto que no hay pérdidas de calor a través
de los lados, podemos aplicar la ecuación por segunda vez para obtener una
expresión para Q:
k A (TC - TF) t
L
Q=
kA (TC - TF) t
L
Donde TC y TF son, respectivamente, las temperaturas de los extremos caliente y
frío de la barra, cuya longitud es L. Esta expresión para Q se puede sustituir en
la ecuación, como se indica a la izquierda. Los términos k, A, y t siguen siendo
desconocidos. Afortunadamente, sin embargo, son innecesarios, porque se pueden
eliminar algebráicamente en el cálculo final.
Solución
Combinando algebráicamente los resultados de cada paso, obtenemos que:
PASO 1    
   
PASO 2
   
   
QD
T = TF +
= TF +
kAt
Simplificando este resultado obtenemos:
;
k A (TC - TF) t
ED
L
kAt
k A (TC - TF) t
D
(TC - TF) D
L
T = TF +
= TF +
L
kAt
= 27.0 °C +
(85.0 °C - 27.0 °C ) $ (0.220 m)
= 45.8 °C
0.680 m
Como esperábamos, esta temperatura está a menos de la mitad de la diferencia
entre 27.0 °C y 85 °C.