Vamos a empezar explicando los conceptos básicos en concreto quiere que entendáis bien la diferencia entre temperatura y calorla temperatura es un concepto que entendemos muy bien intuitivamente pero que es bastante complejo por ejemplosi os pregunto Qué es la temperatura seguramente me digáis que es lo caliente que están las cosas Y esto es una definición errónea por ejemplo si estamos en la playa y el aire estaba integrados y el mar también estaba integrados si nos metemos al mar vamos a sentir que el agua está más fría que el aire cuando el aire y el mar están los dos a 20 grados porque sentimos que el agua está más fría si los dos están a 20 grados o si por ejemplo estamos aquí a 10 grados y empieza a soplar el viento o nos mojamos sentimos más frío cuando Seguimos estando a 10 grados por eso no podemos confundir el concepto de temperatura con el calor o frío la temperatura lo que hace es medir la energía cinética de las partículas lo que se están agitando las moléculas cuanta más temperatura tiene algo más rápido se mueven esas moléculas y el calor es la energía térmica que se transfiere de un cuerpo a otro y esto es muy importante siempre del lugar que tiene más temperatura al lugar que tiene menos temperaturaesto es pura entropía la energía siempre fluye del lugar que más energía tiene al lugar que menos energía tiene por ejemplo este móvil aquí tiene una velocidad potencial y aquí abajo tiene menos energía potencial Entonces si suelta el móvil la energía fluye al lugar de menor energía potencial el calor es el flujo de la energía térmicay cuando estamos hablando de un flujo de la velocidad a que fluye la energía estamos hablando de potencia la potencia es energía entre el tiempo Así que todas las fórmulas que vamos a ver ahora de transferencia de calor por conducción convección y radiaciónestamos hablando de potencia no de energía para saber la energía simplemente tendríamos que multiplicar esa potencia térmica por el tiempo que ha sido aplicada esa potencia el frío es lo contrario Al Calor pero el frío no entra ni sale es el calor el que se mueve de acuerdo por ejemplo el calor sale de la casa no es el frío el que entra es la energía la que sale muy bien pues entendido estos conceptos vamos a empezar explicando la conducciónla conducción térmica es la transferencia de calor a través de un sólido si esto está mucha temperatura y toco con la mano en calor de esta barra de acero transmitirá la energía térmica a mi mano y me quemará la mano esta transmisión de calor se hace sin movimiento de materia no como la convención que se iba a ver un movimiento en materia en la conducción no hay movimiento material la materia Está quieta el calor se transmite por la vibración de los átomos los átomos vibran porque está mucha temperatura y transmiten esa energía al átomo colindante y este al siguiente y este al siguiente y así se transmitiría energía térmica por conducciónla conducción es el principal modo de transmisión de cada uno entre sólidos y depende de la conductividad térmica de cada material por ejemplo la combustibilidad térmica de un metal es muy al tanto es transmite muy bien el calor en cambio la conductividad térmica de un aislante o puede ser de esta chaqueta transmite muy mal esa energía térmica como Vais a ver ahora la cámara térmica mi cara mis manos están mucho más calientes que las chaqueta porque la chaqueta al ser un aislante no transmite bien el calor de mi cuerpo la chaqueta está a una temperatura más cercana al ambiente Pero si por ejemplo pongo mis manos así la chaquetafijaos qué chulo Cómo se quedan mis manos marcadas porque se queda el calor de mi mano en el aislante de la chaquetapara hacer la forja para que no se escapase el calor de dentro de la forjaya que es un aislante que mantiene muy bien la temperatura y encima aguanta mucha temperatura y como es muy mal conductor térmicoyo ahora mismo puedo calentarlo con el soplete tocarlo con la mano que no me va a quemar porque la transferencia de calor que va a hacer a mi mano va a ser muy lenta estoy tocando algo está igual a 500 600 grados de temperatura pero no me quemo la mano porque lo que me queda a mí es el calor y como transmite muy mal el calor no me quemavamos a hacer la pruebaahí imagino que ya estaba muchísima temperatura voy a tocarlo con la manoo es roto caliente pero no me quema, ahora me está empezando a quemar un poco. Mirad cómo estas personas están tocando un cubo de aislante del transbordador espacial que fácilmente está mil grados y no se queman. En cambio, si hiciese lo mismo con un metal, el metal como transfiere muchísimo más rápido su energía me va a quemar. De hecho, esta H es la inicial de mi familia, con la que antiguamente se marcaba al ganado. Esto se calentaba en una hoguera y luego se marcaba en el culo a las vacas o a los caballos para saber quién era el dueño. La H de Hrom viene por el apellido de mi familia. Así que ahora como buenos ingenieros, vamos a ver la fórmula por la cual se modela la conducción. Cómo podemos representar matemáticamente esa transmisión de energía térmica por conducción voy a calentar este trozo de acero y lo voy a pegar a esta barra de acero que tengo aquí, para ver con la cámara térmica, cómo avanza el calor por conducción. Enciende el soplete y va calentando el acero. Bueno, ya está bastante caliente. Vamos a pegarlo ahí, para que pase el calor a la barra.
como podéis apreciar la energía va de la Fuente que está a la izquierda que es el lugar que más temperatura tiene al lugar de la barra que menos temperatura tiene a la derecha y este movimiento del calor de la energía transmitida por conducción lo podemos representar matemáticamente con la ley de fourier qué relaciona el flujo de calor con el gradiente de temperatura por poner un ejemplo más práctico el exterior de mi chaqueta ahora mismo está ay el interior de mi chaqueta está a28 grados cuando la temperatura del exterior de la chaqueta y del interior se vuelven constantes no varían quiere decir que el flujo de calor ha alcanzado un régimen estacionario el calor que se está escapando en mi cuerpo es constante si me pongo las chaqueta fría al principio emitiré más calor para calentarla pero no es que calentado la chaquetael flujo de calor será constante lo mismo con una casa las paredes de interiores de una casa pueden estar por ejemplo a 20 grados y las paredes exteriores a 5 grados y cuando las temperaturas de las dos paredes son constantes quiere decir que el flujo calor que se está escapando la casa es constante Entonces vamos a calcular ahora por ejemplo cuánto calor se está escapando de mi cuerpo por la chaqueta la ecuación de Furia es la siguiente la conductividad térmica del material en este caso la conductividad térmica del aislante de la chaqueta que es muy bajo más o menos será un 0,05 por el área de la chaqueta o sea todo el área en el que se está escapando el calor de mi cuerpo pues aproximadamente igual un metro cuadrado por la diferencia de temperaturas del exterior y el interior que en este caso si el exterior tenemos 11 grados y en el interior tenemos 28 grados la diferencia de temperaturas es de 17 grados entre el espesor de la chaqueta el espesor por el que sale el calor que en este caso pues serán 5 centímetros Bueno ahí no sale que Se escapan 17 vatios es algo muy aproximado pero parapor segundo imaginaos que ahora sube la temperatura del aire y empieza a hacer calor y le quito la chaqueta Cómo podemos entender este procedimiento primero al subir la temperatura del aire lo que hace es calentar la superficie de la chaqueta ahora la chaqueta en vez de estar a 11 grados al subir el aire Pues igual está a 15 grados Qué pasa cada vez menos diferencia de temperatura entre la capa exterior de la chaqueta y la capa exteriorla transferencia de calor es menor por lo tanto como sale menos calor por la chaqueta mi cuerpo que genera calor químicamente como no puede escapar esa energía de mi cuerpo la temperatura de mi cuerpo sube y siento calor y por esoMe quito la chaqueta Esa es la lógica que hay que seguir hemos entendido la conducción térmica ahora vamos a entender la convicción térmica que es la transferencia de calor que se da el líquido y gases mediante el movimiento físico de las partículas del líquido olgas que forman corrientes las partículas del aire por ejemplo tocan mi manoesa partícula al tocar mi mano mediante conducción como esto por ejemplo anterior se energizan sube su temperatura y se marchay se lleva el calor del cuerpo a otra parte hay dos tipos de convección la convección natural y forzada la natural es ahora mismo el aire toca mi mano se calienta y sube el aire caliente sube porque es menos denso y el aire frío baja porque es más eso y luego tenemos la convección forzada que es por ejemplo mediante un ventilador yo me pongo aquí por ejemplo un ventilador y el ventilador lo que haces empujar las partículas de aire contra mí para que esas partículas me roben más rápido el calor y así me enfríe cuál es el problema de estudiar la convecciónal tener tantos millones de partículas en movimiento no podemos modelarlo matemáticamente aquí tenemos que ser buenos ingenieros y aproximar todo lo posible la realidad a un modelo matemático para poder estudiarlo entonces matemáticamente la transferencia de calor por convenciones un coeficiente de convección que es el que tenemos que aproximar todo lo posible que tenemos que atinar muy bien con él por el área en el que se está haciendo esa transferencia de calor y por la diferencia de temperaturas yo por ejemplo mi mano y el aire Así que todo la complejidad que tiene la convención está en hallar ese coeficiente de convección que es un número que vamos a sacar de ecuaciones empíricas de hacer miles y miles de pruebas laboratorios para aproximar la realidad al modelo matemático de la forma más sencilla posible el coeficiente de confección depende de tres factores primero de la conductividad térmica de fluido como hayamos dicho al final la convención en la primera instanciaconducción cuando las partículas de aire toca mi mano se transmite por conducción de mi mano al aire calor cuanta más conductividad térmica tenga el fluido más calor va a absorber o ceder por eso mismo el agua a la misma temperatura estamos fría que el aire depende también de un número adimensional que lo vamos a llamar número nassell que es un número que se calcula para saber cómo
de eficiente es la convección el láser es un número dimensional que si fuese sin nacer es igual a 1 quiere decir que todo el calor se transfiere por conducción por ejemplo si tienes una olla en el momento que la enciende si la calientas ese primer instante el calor está pasando a la olla por conducción no hay un movimiento de fluido en el agua en cambio cuando la olla se empieza a calentar el agua empieza a crear corrientes de convección el agua caliente sube y de la fría baja y eso obviamente partículas hace que haya más partículas tocando la base de la olla y cogiendo calor entonces ese número comienza a crecer cuanto mayor sea el láser más eficiente es la convicción por ejemplo una condición natural suave pues puede ser el senasel de entre un 5 y un 10 o sea quiere decir que la convección es cinco veces más eficiente que la conducción si la conducción esforzada si podemos por ejemplo un ventilador para enfriarme pues ese número pues puede llegar a fácilmente a 100 y en líquidos ese número también es más alto porque hay más partículasel coeficiente de convenciones la conductividad del material por el número nazel entre una longitud característica que depende del tipo de problema pero por ejemplo si es una tubería pues sería el diámetro la tubería Entonces por ejemplo una plancha toda longitud que recorre el aire antes de salir de la planchaEl caso es que principalmente ese coeficiente de convección depende de la conductividad de fluido y del número nacer y por ponernos ejemplos en el aire la convención libre pues suele estar entre 5 y 25 vatios por metro cuadrado y Kelvin Qué pasa que es esa condición natural en vez en Aires en agua aparte de que la conductividad térmica del agua es más alta también enlace les más alto porque son más partículas rozando por la base de la olla Entonces el coeficiente de convección en un líquido en la convención natural en vez de 25 pues puede llegar a ser de 100 vatios por metro cuadradovale esto que tengo aquí es una nevera por detrás y aquí detrás tiene el radiador el calor que coge dentro de la nevera lo suelta por este radiador tiene un coeficiente de conversión dentro del tubo para el refrigerante que refrigerante en este caso vemos que es ventano y otra coeficiente de conversión para el exterior para el aire que circulan por aquí en un radiador en el coeficiente de convección no es muy alto ya que es convección natural no hay un ventilador aquí que esté soplando aire pero para mejorar todo lo posible la transferencia calor lo que hacemos es aumentar el área colocando estas Varillas de aquí de que como hemos dicho al principio el calor transferido por convección es el coeficiente de conversión que ya hemos dicho que aquí no es muy alto por el área aquí al tener muchísimas Varillas tenemos muchísima área y por la diferencia de temperaturas en este caso alrededor y el aire y otra curiosidad Es que aquí dentro del radiador que bueno esto es un condensador porque el refrigerante vienesu calor al aire y se condensa por eso esto se llama condensador pues al haber un cambio de fase en el refrigerante dentro de los tubos el coeficiente de convección dentro de los tubos es altísimo altísimo del orden de 20.000 vatios por metro cuadrado y Kelvinya que al haber un cambio de fase de gas al líquido cede o absorbe muchísima energía por eso mismo nosotros cuando tenemos calor y sudamos ayudar es ese sudor se queda la superficie de la piel y nos enfría porque ese sudor se empieza a evaporar para que se evapore ese sudor tiene que captar muchísima energía de nuestro cuerpo Ese es el motivo por el que el sudor nos enfría porque el sudor Se evapora y al evaporarse ese cambio de fase absorbe muchísima energía se hace calor y encendemos un ventilador el ventilador nos refresca porque hace que más partículas de aire choquen contra nuestra piel y por lo tanto nos roben más calor una convección forzada tiene un coeficiente de confección mucho más alto que una convección natural Pero qué pasaría si el aire está a más de 35 grados cuando nuestra piel está a 33 35 grados que en vez de ceder nosotros se calor al aire el aire no esté de calor a nosotros Entonces si nos ponemos un vea más de 35 grados el ventilador en vez de enfriarnos nos va a calentar porque vamos a hacer que más partículas sobre encontrar nuestro cuerpo y más aire nos queda calor a nosotros a no ser que estemos sudados o mojados que entonces el ventilador puede facilitar la evaporación de ese sudor y seguir refrescándonos un poquito pero ya os digo que aguanta más temperatura los ventiladores en vez de enfriarnos no se calientan Y por último vamos a ver la transferencia de calor por radiación que yo creo que es la más sencilla de todas porque para saber Cuánta energía por radiación está emitiendo un objeto simplemente tenemos que multiplicar una constante que es la constante de Stefan Boltzman, por la temperatura elevado a la cuarta. Por ejemplo. ¿Cuánta radiacción está emitiendo ahora mismo el sol? Pues tenemos que multiplicar la constante Stefan Boltzman, que es