El balance de energía de un sistema es una consecuencia de la transferencia de calor.
La transferencia de calor es la propagación de la energía térmica de un lugar a otro. Se trata de un fenómeno físico que es analizado por la termodinámica.
Existen tres grandes mecanismos de transferencia de calor: la radiación, la convección y la conducción. Estos modos de transmisión se aprovechan en múltiples ámbitos.
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ResumenDesarrollo de la transferencia de calor
El desarrollo de la transferencia de calor se inicia cuando entran en contacto dos sistemas que se hallan a diferentes temperaturas. Esto hace que el calor comience a fluir desde el sistema que está a mayor temperatura hacia a aquel que se encuentra a menor temperatura.
La transferencia de calor llega a su fin cuando ambos sistemas alcanzan la misma temperatura. En ese punto se logra el denominado equilibrio térmico.
Es importante señalar que, una vez que se pone en marcha la transferencia de calor, no se puede detener: solo se frena cuando se logra el equilibrio térmico. Lo que sí se puede hacer es ralentizarla a través de aislantes y barreras.
La resistencia térmica es la capacidad de un material para presentar oposición a la transferencia de calor.
La energía térmica
La energía térmica es aquella que establece la temperatura de un sistema o un cuerpo. También llamada energía calorífica, aumenta o se reduce mediante la transferencia de calor.
En este punto debe aclararse que el calor nunca se «tiene». Los objetos, según cómo se desarrolla la transferencia, pueden perderlo o ganarlo, sin que sea una propiedad intrínseca de ellos. Por eso puede afirmarse que el calor supone una medida de cambio o una variable.
Dicho de otro modo: la energía térmica es la energía interna que, al crecer o disminuir, modifica la temperatura del sistema, mientras que el calor es la variable asociada a la transmisión de dicha energía térmica. La idea de calor, en definitiva, se vincula a energía en tránsito.
Es posible distinguir entre diferentes tipos de calor. El calor específico es la cantidad de calor que se debe aportar a una unidad de masa de un sistema o elemento para incrementar su temperatura en un grado Celsius.
El calor latente, por su parte, es aquel que no incrementa la temperatura del receptor ya que se destina a propiciar un cambio de estado. Se llama calor sensible, en cambio, al que modifica la temperatura sin que genere un cambio de estado.
La calorimetría mide las cantidades involucradas en una transferencia de calor.
Transferencia de calor por radiación
La transferencia de calor por radiación se produce mediante la emisión de ondas electromagnéticas de energía. Excepto un cuerpo con temperatura de cero absoluto, todos desarrollan una radiación electromagnética que está relacionada con el movimiento térmico de sus partículas con carga eléctrica.
La radiación supone la transformación de la energía térmica (equivalente a la energía cinética de los átomos) en energía electromagnética. El movimiento de las partículas produce una aceleración de las cargas, crea campos electromagnéticos y emite fotones.
La ley de Stefan-Boltzmann, la ley de Kirchhoff, la ley de Planck y la ley de Wien son postulados científicos que describen cómo se da este proceso y brindan fórmulas para desarrollar cálculos al respecto.
La convección
La convección es una transferencia de calor que se lleva a cabo a través de dos procesos simultáneos. Por un lado, el movimiento de las moléculas provoca la propagación por conducción, mientras que el desplazamiento de partes del fluido impulsado por una fuerza exterior también incita la transferencia por convección natural, convección forzada o convección mixta.
Cabe resaltar que la convección solamente tiene lugar mediante fluidos. La transferencia de calor, de hecho, se concreta por el movimiento de los fluidos en cuestión.
Cuando se calienta agua en una olla, por ejemplo, el líquido que está en contacto con la base del utensilio empieza a subir por el centro debido al calor. A su vez, el líquido de la parte superficial baja por los costados al enfriarse, tomando la posición abandonada por la fracción que ascendió. Esta transferencia de calor se da por convección.
Transferencia de calor por conducción
La transferencia de calor por conducción se realiza cuando hay una diferencia de temperatura entre las partículas de un elemento o entre dos objetos o sustancias que están en contacto directo.
Esta conducción del calor, que se determina por la ley de Fourier, depende de las propiedades físicas de los materiales. La tendencia a permitir la conducción se conoce como conductividad térmica; la resistencia a dicha transferencia, en cambio, se menciona como resistividad térmica.
Un cuerpo con una elevada conductividad térmica favorece la transferencia de calor. En el otro extremo, el objeto con alta resistividad térmica rechaza esa propagación.
El aislamiento térmico
El aislamiento térmico es un recurso que apunta a minimizar la transferencia de calor. El uso de materiales aislantes o materiales conductores es indispensable para la calefacción y la refrigeración.
Cuando se desarrolla una construcción, resulta clave pensar en el aislamiento térmico. Según los materiales elegidos, se favorecerá el calentamiento o el enfriamiento del ambiente. La idea es que el edificio sea lo menos permeable posible a las variaciones de temperatura del exterior.
En los sistemas de climatización y los equipos de aire acondicionado, por ejemplo, se emplean intercambiadores de calor. Estos artefactos permiten la transferencia de calor entre dos fluidos o entre un sólido y un fluido. Los acumuladores de calor y las torres de refrigeración son dispositivos que apelan a intercambiadores.
El efecto invernadero y la transferencia de calor
La transferencia de calor es el aspecto clave del efecto invernadero. Si bien el efecto invernadero que se produce de manera natural es imprescindible para la vida en nuestro planeta, aquel que se genera por acción del ser humano promueve un calentamiento global que tiene múltiples efectos dañinos.
Del total de la radiación solar que impacta en el planeta luego de atravesar la atmósfera, un porcentaje calienta el suelo y otra parte es reflejada y regresa al espacio. Debido a los llamados gases de efecto invernadero, esa radiación térmica que emite la superficie no puede volver a salir, incrementando así la temperatura en la Tierra.
Aunque hay sectores que cuestionan la incidencia del hombre en el calentamiento global, existe un consenso basado en la medición de temperaturas de las últimas décadas que atribuye el aumento de las marcas a la actividad industrial y la deforestación.
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