Mecanismo de trasferencia de calor

Ley de Fourier

La conducción térmica está determinada por la ley de Fourier, que establece que el flujo de transferencia de calor por conducción en un medio isótropo es proporcional y de sentido contrario al gradiente de temperatura en esa dirección. De forma vectorial:

El caso más general de la ecuación de conducción, expresada en forma diferencial, refleja el balance entre el flujo neto de calor, el calor generado y el calor almacenado en el material:

Conductividad Termica

Coeficientes λ para distintos materiales

Material λ Material λ Material λ

Acero 47-589​ Corcho 0,04-0,30 Mercurio 83,7

Agua 0,58 Estaño 64,0 Mica 0,35

Aire 0,02 Fibra de vidrio 0,03-0,079​ Níquel 52,3

Alcohol 0,16 Glicerina 0,29 Oro 308,2

Alpaca 29,1 Hierro 80,2 Parafina 0,21

Aluminio 209,3 Ladrillo 0,80 Plata 406,1-418,7

Amianto 0,04 Ladrillo refractario 0,47-1,05 Plomo 35,0

Bronce 116-186 Latón 81-116 Vidrio 0,6-1,0

Zinc 106-140 Litio 301,2 Yeso 0,488

Cobre 372,1-385,29​ Madera 0,139​ Polietileno 0,035

El coeficiente de conductividad térmica (λ) expresa la cantidad o flujo de calor que pasa a través de la unidad de superficie de una muestra del material, de extensión infinita, caras planoparalelas y espesor unidad, cuando entre sus caras se establece una diferencia de temperatura igual a la unidad, en condiciones estacionarias.

La conductividad térmica es una propiedad intrínseca de los materiales que valora la capacidad de conducir el calor a través de ellos. El valor de la conductividad varía en función de la temperatura a la que se encuentra la sustancia, por lo que suelen hacerse las mediciones a 300 K con el objeto de poder comparar unos elementos con otros.

Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en los gases (a pesar de que en ellos la transferencia puede hacerse a través de electrones libres) y en materiales iónicos y covalentes, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes térmicos. Para que exista conducción térmica hace falta una sustancia, de ahí que es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vacío elevado.

La ley del enfriamiento de Newton o enfriamiento newtoniano establece que la tasa de pérdida de calor de un cuerpo es proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y sus alrededores.

La convección atmosferica:

La conveccion en la atmósfera terrestre involucra la transferencia de enormes cantidades del calor absorbido por el agua. Forma nubes de gran desarrollo vertical (por ejemplo, cúmulos congestus y, sobre todo, cumulonimbos, que son los tipos de nubes que alcanzan mayor desarrollo vertical). Estas nubes son las típicas portadoras de tormentas eléctricas y de grandes precipitaciones. Al alcanzar una altura muy grande (por ejemplo, unos 12 o 14 km) y enfriarse violentamente, pueden producir tormentas de granizo, ya que las gotas de lluvia se van congelando al ascender violentamente y luego se precipitan al suelo ya en estado sólido. Pueden tener forma de un hongo asimétrico de gran tamaño; y a veces se forma en este tipo de nubes una estela que semeja una especie de yunque (anvil's head, como se conoce en inglés).

El proceso que origina la convección en el seno de la atmósfera terrestre es sumamente importante y genera una serie de fenómenos fundamentales en la explicación de los vientos y en la formación de nubes, vaguadas, ciclones, anticiclones, precipitaciones, etc. Todos los procesos y mecanismos de convección del calor atmosférico obedecen a las leyes físicas de la termodinámica. De estos procesos es fundamental el que explica el ciclo del agua en la naturaleza o ciclo hidrológico. Casi todos los fenómenos antes nombrados tienen que ver con este último mecanismo.

Las características de la radiación térmica dependen de las propiedades de la superficie del objeto de donde emana, como su temparatura, y su capacidad para absorber y emitir radiación, tal como expresa la ley de Kirchhoff. La radiación no es monocromática, sino que incluye un rango continuo de energías, conocido como espectro característico. La ley de Kirchoff conlleva que la absorción y emisión sean iguales a una misma longitud de onda. Es decir, aquellos objetos que con un capacidad alta para absorber la radiación son también buenos emisores, y viceversa.

Cuando el objeto irradiador se encuentra en equilibrio termodinámico y la superficie presenta una absortividad máxima a todas las longitudes de onda, se denomina un cuerpo negro. Un cuerpo negro es también un emisor perfecto. La radiación térmica emitida por un cuerpo negro se llama radiación de cuerpo negro. La proporción de la emisión de un cuerpo en relación a la de un cuerpo negro se conoce como la emisividad.

La radiación térmica es uno de los mecanismos principales de transferencia de calor, además de la conducción y de la convección. El intercambio de energía por radiación térmica viene dado por la siguiente ecuación:

A temperatura ambiente, una persona pierde una cantidad considerable de energía debido a la emisión térmica en el infrarrojo. La emisividad de la piel humana casi llega a la unidad. Con una superficie de alreadedor de dos metros cuadrados y una temperatura de unos 307 K, el ser humano medio irradia continuamente unos mil vatios.5​ Parte de esta pérdida se compensa por la absorción de la energía que emiten otros objetos circundantes; en una habitación con paredes, techo, etc. a 296 K, la pérdida neta se reduce a unos cien vatios. Estos cálculos pueden variar si existen variable que alteran la conductividad térmica, por ejemplo, el uso de ropa.

El cálculo de la transferencia de calor por radiación entre objetos o el medio ambiente en general pasa por la solución de un sistema de ecuaciones algebraicas. Para realizar los cálculos para diferentes condiciones y superficies, se usan factores de forma para describir la configuración geométrica del problema.4​ Estos cálculos son importantes en el diseño de dispositivos para captar la energía solar térmica, de hornos y calentadores y para el trazado de rayos en la síntesis de imágenes por ordenador, entre otras aplicaciones.