Probablemente haya visto que si una taza de té caliente se deja sobre una mesa durante mucho tiempo, se enfría. Esto se debe a la pérdida de calor hacia el medio ambiente. Como resultado, la transferencia de calor se describe como la transmisión de calor o energía térmica de un sistema físico a otro. Por lo tanto, cuando dos cuerpos tienen un diferencial de temperatura, el calor se transporta del cuerpo caliente al cuerpo más frío. La conducción, la convección y la radiación son las tres formas más frecuentes de transferencia de calor. Hablaremos de la transmisión de calor por convección en este post.
Convección
La acción de transmisión de calor a través del movimiento de un gran número de moléculas dentro de fluidos como gases y líquidos se conoce como convección.
La transmisión de calor inicial entre el artículo y el fluido ocurre por conducción, pero la mayor parte de la transferencia de calor ocurre debido al movimiento del fluido.
Los sólidos no experimentan convección porque sus partículas básicas no se mueven. El proceso de difusión de calor en los sólidos se conoce como conducción térmica. En condiciones normales, los gases y los líquidos son malos conductores del calor; sin embargo, pueden transportar rápidamente el calor por convección.
Transferencia de calor por convección: ¿cómo funciona?
La convección es el proceso de transferencia de calor entre un sólido y un líquido o fluido que está en contacto con el sólido. Cuando se transmite calor de un líquido a otro a través de una barrera, la convección es fundamental. La transferencia de calor por convección ocurre a través de la difusión térmica (movimiento de las moléculas del fluido) o por advección, en la que el calor se transfiere a través del movimiento masivo de las corrientes de calor en el fluido.
La expansión térmica ocurre cuando cualquier fluido se calienta desde abajo. La densidad del fluido disminuye en las capas inferiores a medida que se calienta. La parte más caliente y menos densa del fluido asciende debido a la flotabilidad y es reemplazada por un fluido más denso y frío. Cuando esta parte se calienta, también sube y es reemplazada por la capa superior más fría, y se repite el proceso. De esta manera, se utiliza la convección para transmitir calor.
Tipo de convección
La convección se puede dividir en dos tipos:
- Convección natural
- Convección forzada
Convección natural: cuando se produce la diferencia de temperatura, provoca una diferencia de densidad que produce la fuerza de flotación y se produce la convección. Este proceso se denomina convección natural. Los vientos oceánicos son un ejemplo de convección natural.
Convección forzada: ocurre cuando se utiliza una fuente externa, como una bomba o un ventilador, para producir convección. El uso de géiseres de agua o calentadores para calentar agua rápidamente, así como el uso de ventiladores en los días cálidos de verano, son ejemplos de convección forzada.
Ley de enfriamiento de Newton
En circunstancias típicas, la transferencia de calor por convección es proporcional al diferencial de temperatura entre los componentes. Este fenómeno ha sido establecido por la ley de enfriamiento de Newton, que establece:
La tasa de transmisión de calor de cualquier persona a su entorno por convección está relacionada con la diferencia de temperatura entre ellos. La diferencia de temperatura debe ser mínima y la naturaleza de la superficie radiante debe permanecer sin cambios.
La ley de enfriamiento de Newton está relacionada con la convección forzada, que se escribe como:
PAG = dq⁄dt = hA(T s -T f )
donde, P = dq⁄dt es la tasa de transferencia de calor, h es el coeficiente de transferencia de calor por convección, A es el área superficial del cuerpo que está expuesta, T s es la temperatura corporal y T f es la temperatura del fluido.
El valor del coeficiente de transferencia de calor depende de varios factores:
- Viscosidad
- Densidad
- Capacidad calorífica específica
- Conductividad térmica
Ejemplos de convección
- El agua caliente va hacia los polos a medida que se acerca al ecuador, mientras que el agua más fría va hacia el ecuador.
- Los animales de sangre caliente utilizan la convección para hacer circular su sangre, lo que ayuda a regular la temperatura de su cuerpo.
- El fenómeno del viento del mar y la tierra es uno de los ejemplos más frecuentes de convección natural.
Sea Breeze: Durante el día, hay un viento del mar. Tanto el agua como la tierra son calentadas por el sol. Debido a que el agua tiene una mayor capacidad de calentamiento que la tierra, recibe más energía del sol y, sin embargo, se calienta considerablemente más lentamente. Como resultado, la temperatura sobre la tierra aumenta, calentando el aire en el entorno circundante.
El aire caliente se expande porque es menos denso, lo que da como resultado una región de baja presión sobre la tierra a lo largo de la costa. Mientras tanto, el agua está bajo una presión considerablemente más alta. Debido a la diferencia de presión en el aire, el aire fluye del mar a la tierra. Como resultado, se siente una ráfaga de viento inesperada conocida como brisa marina .
Brisa marina
Brisa terrestre: cuando la situación cambia por la noche, surgen estos fenómenos. La tierra y el mar comienzan a enfriarse como las puestas de sol. Debido a las variaciones en la capacidad calorífica, la tierra pierde calor más rápido que el agua. De manera comparable, la temperatura del agua aumenta, lo que resulta en una baja presión de aire allí. Esto crea un viento fresco en la costa, conocido como brisa terrestre.
Brisa de tierra
Problemas de muestra
Problema 1: ¿Qué papel juega la convección en nuestra vida diaria?
Responder:
En las siguientes situaciones, se utiliza la convección:
- Cuando el agua se calienta a cierta temperatura, las moléculas de agua se expanden y circulan en las inmediaciones. Como resultado del transporte del calor a las diferentes secciones de la olla, el agua fría comienza a hundirse mientras que el agua caliente sube.
- El aire dentro del globo aerostático se calienta continuamente, haciéndolo más cálido. El globo, como el aire caliente, se eleva.
- Por la tarde, la tierra cerca del mar es más cálida que por la noche. Por el concepto de convección, el aire caliente asciende y es reemplazado por aire más frío. De manera similar, el aire cerca del agua es más cálido que el aire cerca de la costa durante la noche. Esto sucede porque el aire caliente sube y es reemplazado por aire frío.
Problema 2: ¿Por qué los materiales sólidos no experimentan convección?
Responder:
La convección es el proceso de transferencia de calor a través del movimiento de partículas. Dado que las partículas sólidas no se mueven, la convección no es posible en los materiales sólidos.
Problema 3: ¿Cuáles son los procesos a través de los cuales se produce la convección?
Responder:
Cuando se transfiere calor de un líquido a otro a través de una barrera, la convección es fundamental. La transferencia de calor por convección ocurre a través de la difusión térmica (movimiento de las moléculas del fluido) o por advección, en la que el calor se transfiere a través del movimiento masivo de las corrientes de calor en el fluido.
Problema 4: ¿Qué significa convección “libre” o “natural”?
Responder:
El mecanismo de transmisión de calor se considera convección libre o natural si el movimiento del fluido es causado por un cambio en la densidad causado por gradientes de temperatura.
Problema 5: Convección natural o inducida, ¿cuál tiene mayor coeficiente de transferencia de calor? Cuál es la razón detrás de esto?
Responder:
Dado que el coeficiente de transferencia de calor por convección está determinado principalmente por características como la densidad, la velocidad y la viscosidad del fluido, generalmente es mayor en la convección forzada que en la convección natural.