La energía se puede trasmitir de forma química, de forma eléctrica, de forma mecánica, pero hoy nos vamos a centrar en la transmisión de energía de forma térmica en la transmisión de calor en este vídeo vamos a aprender los tres tipos de transmisión de energía térmica por conducción, por convección, y por radiación y para ello nos vamos a ayudar de esta cámara térmica que he comprado estas cámaras térmicas son bastante caras están en concreto me ha costado 1.200 euros, hay cámaras térmicas más baratas, pero quería una que tuviese buena resolución para traeros la mejor calidad y me puedo permitir comprar una cámara térmica.
Vamos a empezar explicando los conceptos básicos. En concreto, quiero que entendáis bien la diferencia entre temperatura y calor. La temperatura es un concepto que entendemos muy bien, intuitivamente, pero que es bastante complejo. Por ejemplo, si os pregunto qué es la temperatura, segurameníite 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 esta a 20 grados y el mar también esta a 20 grados, si nos metemos al mar, vamos a sentir que el agua esta más fria que el aire. Cuando el aire y el mar están los dos a 20 grados. ¿Por qué 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 temperatura. Esto 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 suelto el móvil, la energía fluye al lugar de menor energía potencial. El calor es el flujo de la energía térmica. Y cuando estamos hablando 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 fórmula que vamos a ver ahora de transferencia de calor, por conducción, convección y radiación, estamos 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 a 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 tocó con la mano el 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 en la convención que se iba a ver un movimiento en materia en la conducción no hay movimiento en materia 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 transmitían energía térmica por conducción la conducción es el principal modo de transmisión de calor entre sólidos y depende de la conductividad térmica de cada material por ejemplo en la conductividad 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 chaqueta, fijaos qué chulo. Cómo se quedan mis manos marcadas, porque se queda el calor de mi mano en el aislante de la chaqueta.
esto que tengo aquí es fibra cerámica es de los mejores aislantes que podéis conseguir esto lo use para 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 quemó la mano porque lo que me queda a mí es el calor y como transmite muy mal calor no me quemavamos a hacer la pruebaimagino que ya estaba muchísima temperatura voy a tocarlo con la manoporque transmite muy mal el calorahora me está empezando a quemar un pocoMirad cómo estas personas están tocando un cubo de aislante del transbordador espacial que fácilmente este amigurados y no se quemanen cambiosi hiciese lo mismo con un metalBueno lo voy a hacer 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 hdh 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 y lo voy a pegar a esta barra de acero que tengo aquí para ver con la cámara térmica Cómo avanza el calor por conduccióntodavía está bastante calientevamos a pegarlo ahípara que pase el calor a la barracomo 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 a11 grados y 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 mi cuerpo es constante si me pongo la chaqueta fría al principio emitiré más calor para calentarla pero no es que he calentado la chaquetael flujo de calor será constante lo mismo con una casa las paredes 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 Claro 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 de La isla 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 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 eran cinco centímetros Bueno ahí no sale que Se escapan 17 vatios es algo muy aproximado pero paraentendáis como se hace 17 vatios o 17 de Julio por segundo imaginaos que ahora sube la temperatura del aire y empieza a hacer calor y Me 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 interior la transferencia de calor es menor por lo tanto como sale menos calor por la chaqueta de cuerpo que genera calor químicamente como no puedes 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 convección térmica, que es la transferencia de calor que se da el líquido y gases mediante el movimiento físico de las partículas del líquido o del gas y que forman corrientes. Las partículas del aire, por ejemplo, tocan mi mano. Esa partícula, al tocar mi mano, mediante conducción, como hemos visto el ejemplo anterior, se energiza, sube su temperatura y se marcha y se lleva el calor de mi 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 10:46
sube porque es menos denso y el aire frío baja porque es más denso 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 moderarlo 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 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 y 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 convección 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 está más fría que el aire depende también de un número a dimensional que lo vamos a llamar número nusselt que es un número que se calcula para saber cómo de eficiente es la convección el Nusselt es un número dimensional que si fuese si Nusselt es igual a 1 quiere decir que todo el calor se transfiere por conducción. Por ejemplo, si tienes una olla 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 son 20 partículas hace que haya más partículas tocando la base de la olla y cogiendo calor. Entonces, ese número adimensional, el Nusselt comienza a crecer. Cuanto mayor sea el Nusselt, más eficiente es la convección. Por ejemplo, una convección natural suave, pues puede ser el Nusselt de entre un 5 y un 10. O sea, quiere decir que la convección es cinco veces más eficiente que la conducción. si la convección es forzada,
si podemos por ejemplo un ventilador para enfriarme pues ese número pues puede llegar a más fácilmente a 100 y en líquidos ese número también es más alto porque hay más partículas O sea que el coeficiente de condiciones 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 de la tubería Entonces por ejemplo una plancha toda longitud que recorre el aire antes de empezar desde la plancha El caso es que principalmente ese cociente de convección depende de la conductividad del fluido y del número NASA y por poneros ejemplos en el aire la convención libre pues suele estar entre 5 y 25 vatios por metro cuadrado Y qué pasa que es esa condición natural en vez en Aires en agua aparte de que la comunidad térmica del agua es más alta también enlace es más alto porque son más partículas rozando con la base de la olla Entonces el coeficiente de convección en un líquido en la convención natural en vez de 25 pues puede llegarse de 100 vatiosy aquí detrás tiene el radiador el calor que coge dentro de la nevera lo suelta por este rallado tienen un coeficiente de convección 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 de 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 de 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 convención 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 alrededory el aire y otra curiosidad Es que aquí dentro del radiador Que bueno que esto es un condensador porque el refrigerante tiene en estado vapor cede su 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 convención dentro de los buses altísimo altísimo del orden de 20.000 vatios por metro cuadrado y Kelvinya que al haber un cambio de fase de gas al líquidoo absorbe muchísima energía por eso mismo nosotros cuando tenemos calor y sudamos al sudar es ese sudor se queda en la superficie de la piel y nos enfría porque ese es uno se empieza a vacunar para que se evapore ese sudor tiene que captar muchísima energía de nuestro cuerpo es el motivo por el que el sudor nos enfría porque el sudor Se evapora y al evaporarse ese cambio de fase absorben muchísima energía se hace calor y encendemos un ventilador el ventilador nos refresca porque hace que más partículas de aire choque contra nuestra piel y por tanto no roben más calor una convención forzada tiene un coeficiente de convicción mucho más alto que una convención natural Pero qué pasaría si el aire está a más de 35 grados cuando nuestra piel está a 33 35 horas que en vez de ceder nosotros se calor al aire el aire no esté de calor a nosotros Entonces si nos ponemos un ventilador a más de 35 grados el ventiladorenfriarnos nos va a calentar porque vamos a hacer que más partículas sobre encontrar nuestro cuerpo y más aire nos ceda calor a nosotros al 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 es 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 temperat ura elevado a la cuarta. Por ejemplo, ¿ cuánta radiación está emitiendo ahora mismo el Sol ? Pues tenemos que multiplicar la constante Stefan Boltzman, que es 5,67 por 10 a la menos 8 que es bastante fácil recordar, 5, 6, 7, 8, Por la temperatura en Kelvin. Ahora sí, muy importante poner esta temperatura en Kelvin. Antes podíamos utilizar Celsius porque en la diferencia de temperaturas, así que daba igual que usemos Kelvin que Celsius, pero ahora tenemos que usar Kelvin porque luego vamos a llevar a la cuarta. Así que multiplicamos por 5778 Kelvin que tienen la superficie del sol elevado a la cuarta y nos sale que el sol tiene unos 63 millones de vatios por metro cuadrado. Ahora para saber la potencia total que está emitiendo el Sol, tenemos que multiplicar esto por todo el área del Sol, que es una barbaridad, que el área del Sol son 6,1 * 10¹⁸ metros cuadrados, que bueno vamos a calcularlo ya por curiosidad. Y nos sale que en total, el Sol está emitiendo 3,8 * 10²⁶ vatios. De hecho la Tierra solamente intercepta un 0,00000005% de lo que emite el Sol, lo que vienen siendo 1,74 * 10¹⁷ W, 18:28
que también es una barbaridad pero claro como la Tierra está tan lejos es un puntito muy pequeño al final la parte de radiación que le llega a la Tierra es muy baja prácticamente tenemos entendido Cuántas raciones emite un cuerpo pero nos faltan tener un concepto más en cuenta la emisividad en este caso al sol estoy considerando un cuerpo negro que toda la región que absorbe es la misma que la que emite Qué pasa que no todas las religión que nos llega de un objeto es la emitida por la propia temperatura del objeto mucha radiación nos llega porque el objeto la reflejapor ejemplo Ahora si me estáis viendo vosotros a mí que decir que hay luz que me está reflejando la cara y esa luz en espectro visible la refleja y la ve la cámara pero esa luz que por ejemplo está llegando a la cámaraporque me refleja no es la debida a temperatura de mi cuerpo la debilidad de temperatura del cuerpo solo la puede ver la cámara infrarroja un objeto con la radiación recibida puede o absorber esa energía para calentarseo reflejarla o transmitirla o sea atravesarla un cuerpo negro no reflejan nada de radiación por eso lo vemos negro toda la radiación que le llega un cuerpo negro la absorbe se calienta Y luego por la propia temperatura emite en el infrarrojo pero la mayoría de objetos pues no son cuerpos negros y ahora mismo veis que tengo colores Eso quiere decir que la radiación visible refleja mi mano y os llega a vosotros por eso entra el concepto de emisividad la emisividad es el porcentaje de radiación térmica que emite un cuerpo en comparación con un cuerpo negro por ejemplo la piel humana tiene una emisividad muy alta del 0,98%. Eso quiere decir que prácticamente toda la región que emite mi mano es debida a la temperatura de la mano hay solamente un 2% de revisión térmica que emite mi mano que es la reflejada aquí tengo un trozo de aluminio anualizado te tiene una admisibilidad de un 70% o sea de 0,7y como veis cuando la punto Pues yo me veo reflejado porque hay un 30% de radiación que refleja pero fijaos por esta parte que he podido el aluminioesto tiene homicidad bajísima porque es casi un espejodiferenciaveis como refleja y la radiación ese aluminio Pulido tiene una emisividad bajísima porque prácticamente todo lo que nos está llegando de ahí es el reflejo no es la radiación que emite el propio aluminio muy bien pues ahora vamos a calcular Cuánta potencia térmica emite mi cuerpo por radiación para saber la potencia térmica tenemos que multiplicar la emisividad de la piel humana pues ya hemos dicho que es 0,98 por ahí así que vamos a ponerla uno para simplificar los cálculos por el área el que está emitiendo esa radiación Que bueno que también para simplificar los cálculos vamos a suponer que el área de todo mi cuerpo es un metro cuadrado por la constante de Stefan bosman 5,67 por 10 a la menos 8 por la temperatura en Kelvin de mi cuerpo elevado a la cuarta que como estoy a 35 grados Celsius hay que sumar 273 para pasarlo a Kelvin Así que estoy a 308 Kelvin y lo elevamos a la puerta y nos sale que mi cuerpo está emitiendo 510 vatios eso es 500 10es la potencia que está viendo la cámara térmica bueno eso sería la potencia que perdería yo si estuviese completamente desnudo sin ropa y muy importante en el espacio en un lugar donde no reciba Yo nada de radiación que solamente la pierna aquí como veis tengo el suelo que me está emitiendo radiación tengo aquella pared que me está emitiendo radiación está esa batalla que también me invita algo radiación lo mismo que yo emito radiación a las cosas las cosas Me emiten radiación a mí por eso al final pues la pérdida por radiación térmica de mi cuerpo no es tan alta para empezar porque tengo ropa y aunque estuviese desnudotengo un montón de cosas que me están emitiendo radiación ahí está la complejidad de los problemas de radiación en calcular el factor de emisión que tengo con cada cosa en la conducción o la convección la energía siempre va del lugar que tiene más temperatura al lugar que tiene menos temperatura pero la radiación no lo mismo que yo emito radiación a un cuerpo que tiene menos temperatura como puede ser las nubes las nubes también me emiten radiación a mí lo que pasa que la transferencia de esta de potencia térmica Siempre será positiva o sea mayor hacia el lugar que tiene menos temperatura.
¿Por qué a los coches de noche, cuando la noche está despejada, veis que se ven las estrellas, se condensa el agua en el techo?
pero en cambio por ejemplo este coche que está aquí al ladoaquíno tiene agua condensada esta charla Entonces porque este coche al hacer una noche despejada toda la radiación que emite se está escapando a las estrellas todo si vemos ahora la temperatura que marca la cámara térmica del cielo como veis ahí el cielo marca que está a menos 64 gradosdigamos que se escapa del montón de radiación y no le llega nada entonces enfría muchísimo la chapa en cambio aquel coche haycomo tiene Esa pared el coche emite radiación a la pared y le aparece meterla al coche y no baja tanto su temperatura ya que las paredes como veis está acinco grados este coche ahora está un equilibrio térmico con el aire que le está cediendo calor por convección Y ese calor y luego lo pierde por radiación al cielo entonces esta chapapuede estar a mucha menos temperatura que el propio aire porque está soltando su energía por radiación al cielo es por eso que si por ejemplo vamos a dormir en el bosque es mejor que nos metamos siempre debajo de Algún sitio debajo de un árbol cualquier sitio que esté tapado porque así Aunque nosotros perdamos radiación por el calor que emitimos el árbol nos va a emitir a nosotros para dirección y no nos vamos a enfriar tanto como si estuviéramos en un descampado claro es nubes igual estaño que sea un grado de temperatura da igual es mucho más temperaturaque los menos 60 grados que está el cielo despejado entonces un día que está nublado pues nos enfría los coches tantos y no se congelan o los enfrían tanto como para alcanzar el punto de Rocío que se quede mojado ya que por lo menos están las nubes hay emitiendo algo de radiación si vamos a hacer una tejavana y debajo va a haber gente o en este caso animales esto es una cuadrada de animales es muy importante que en el pecho pongamos chapas Sanla chapa sandwich es una chapa de metal una aislante de poliuretano y luego otra chapa de detalle imaginaros Que ponemos en este techo una chapa normal y corriente metálica qué va a pasar que en una noche despejada esa chapa va a perder por la parte de arriba un montón de energía por radiación al cielo como lo hemos visto que le pasa a los coches y al perder tanta energía por redención va a caer mucho su temperatura y claro como es una Chama finita la parte de abajo de la chapa también va a estar a muy baja temperatura Así que si tenemos aquí animales o personas esa humedad que se va a crear aquí dentro al tocar la parte de abajo de la chapa que está muy poca temperatura va a alcanzar el punto de Rocío y se va a condensar y van a acabar cayendo gotas como si estuviera lloviendo aquí en cambio el tener el aislante de poliuretano la parte inferior de la chapa sandwich no baja tanto su temperatura y no condensa el agua ha quedado claro reinaEspero que hayan quedado claras las tres formas de transmisión de calor obviamente esto en ingeniería es bastante complejo pero he intentado simplificarlo todo lo posible