BASES DE LA INGENIERÍA AMBIENTAL
Dpto. Química Inorgánica y Química Técnica
UNED
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TRANSFERENCIA DE CALOR
CONVECCIÓN NATURAL
INTRODUCCIÓN
La transferencia de calor puede ocurrir a través de tres mecanismos: conducción, convección y
radiación, cuya relevancia y extensión depende de las características del sistema. En condiciones
normales la conducción y la convección son preponderantes, mientras que la radiación térmica sólo
representa una parte minúscula de la energía transferida De hecho la emisión de radiación térmica
suele ser el proceso dominante tan solo para cuerpos relativamente aislados del entorno o para muy
altas temperaturas.
La conducción de calor es un mecanismo de transferencia de energía térmica entre dos sistemas
basado en el contacto directo de sus partículas sin flujo neto de materia. El principal parámetro,
dependiente del material, que regula la conducción de calor en los materiales es la conductividad
térmica, una propiedad física que mide la capacidad de conducción de calor o capacidad de una
substancia de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias moléculas
adyacentes o a otras substancias con las que está en contacto. La conducción térmica viene descrita
por la ley de Fourier, que establece que la tasa de transferencia de calor por conducción en una
dirección dada es proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente de
temperatura en esa dirección.
x
T
A
t
Qx
∂
∂
−=
∂
∂
λ
donde Qx es el flujo de calor que atraviesa el área A en la dirección x, la constante de
proporcionalidad λ se conoce como conductividad térmica, T es la temperatura y t el tiempo.
El fenómeno de la radiación consiste en la propagación de energía en forma de ondas
electromagnéticas o partículas subatómicas a través del vacío o de un medio material. La cantidad
de energía radiante emitida, o calor radiado, viene descrita por la Ley de Stefan-Boltzmann, que
establece cómo el calor radiado es proporcional a su temperatura absoluta elevada a la cuarta
potencia.
4
QAT
εσ
=
Donde Q es la cantidad de calor radiada,
ε
es el coeficiente de emisividad que depende de la
naturaleza del cuerpo (1 para el cuerpo negro), A es el área de la superficie que radia y
σ
la
constante de Stefan-Boltzmann (5,67 × 10-8 W/m²K4)
Finalmente, la convección es un mecanismo de transmisión de calor de un punto a otro de un
fluido, entre un fluido y un sólido, o entre dos fluidos inmiscibles. El mecanismo se explica como
el resultado del movimiento que dentro de un fluido tienen sus moléculas y agregados. Esta
movilidad en el fluido puede surgir como diferencia de densidades debida a la diferencia de
temperatura, lo que se denomina convección natural, o por agitación mecánica, lo que se conoce
como convección forzada. La transmisión de calor por convección, dentro de un medio fluido,
responde a la ley de enfriamiento de Newton:
)( ie TTah
dt
dQ −=
Donde dQ/dt es un flujo de calor a través del área a normal a la dirección del flujo, h el coeficiente
de convección, Te y Ti las temperaturas en las posiciones donde se contempla el flujo.
En este trabajo experimental se desea fijar la atención sobre el mecanismo de convección. En la
práctica se pretende conocer la convección natural entre vidrio y aire, si bien, dado que es difícil
hallar la temperatura del sólido en contacto con el fluido, se recurre a un sistema no estacionario en
el que se evaluarán varios mecanismos de transferencia de calor simultáneamente. En el sistema
