Clase 1. TQ Introducción
Clase 1. TQ Introducción
Clase 1. TQ Introducción
“¡Hoy hace mucho frio!! ¡¡Y con este viento!!” o “Me gusta la cerveza bien fría, pónla un rato en el
congelador para que baje tres o cuatro grados” o “Nuestro proceso productivo necesita que la
mezcla se caliente hasta X ºC en 45 minutos y se mantenga en esa temperatura X durante 1 hora”
Expresiones como estas o parecidas hemos escuchado y dicho nosotros mismos muchas veces,
forman parte de la vida cotidiana y profesional. Todas ellas tienen en común conceptos como calor,
temperatura, grados, que por habituales consideramos perfectamente conocidos y no por ello
dejamos de tener algunas confusiones ocasionales.
Definiciones previas.
Calor y temperatura
El calor y la temperatura son conceptos diferentes, aunque muy relacionados. El calor es la energía
total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de su
energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño
y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo.
Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua caliente será mayor que la temperatura
de un océano, pero el océano tiene más calor porque tiene más agua – más partículas – y por lo
tanto más energía térmica total.
También hay diferencias en los tipos de estudio requeridos de los procesos que queremos
desarrollar. Empezando por las ciencias implicadas:
La transferencia de energía – calor – se realiza siempre desde el medio de temperatura más alta –
la que dispone de una medida más elevada – a la de temperatura más baja y se detiene cuando
los dos medios alcanzan la misma temperatura y por tanto un estado de equilibrio térmico.
Aunque nos fija los parámetros básicos necesarios y establece un marco de actuación, en la
práctica no es suficiente. Nos indica que cantidad de calor debemos disipar para enfriar nuestra
cerveza para conseguir la temperatura que deseamos, pero no nos da ninguna orientación sobre
el tiempo para conseguirlo y por supuesto en el problema de nuestro proceso productivo no
alcanzamos a sospechar ninguna solución.
TRANSFERENCIA DE CALOR
Lo que ocurre es que realmente estamos interesados en la tasa de transferencia de calor; la
determinación de las velocidades de transferencia de calor hacia o desde un sistema y, por lo tanto,
los tiempos de calentamiento o enfriamiento, así como la variación de la temperatura, es objeto de
la ciencia de la transferencia de calor.
La transferencia de calor nos ayuda a resolver las cuestiones planteadas en el inicio de este escrito
y juega un papel determinante en el diseño de prácticamente todos los equipos y dispositivos que
nos rodean: nuestras Pcs y televisores deben considerar las tasas de transferencia de calor que
permitan su enfriamiento (refrigeración) y eviten sobrecalentamientos que afecten a su
funcionamiento, los electrodomésticos como cocinas, secadoras y neveras tienen que asegurar las
características de calentamiento/enfriamiento para las que van a ser comercializadas.
Los procesos de transmisión de calor no sólo aumentan, disminuyen o mantiene las temperaturas
de los cuerpos afectados, también pueden producir cambios de fase, como la fusión del hielo o la
ebullición del agua. En ingeniería, los procesos de transferencia de calor suelen diseñarse de forma
que aprovechen estos fenómenos. Las cápsulas espaciales que regresan a la atmósfera de la
Tierra a velocidades muy elevadas, están dotadas de un escudo térmico que se funde de forma
controlada en un proceso llamado ablación para impedir un sobrecalentamiento del interior de la
cápsula. La mayoría del calor producido por el rozamiento con la atmósfera se emplea en fundir el
escudo térmico y no en aumentar la temperatura de la cápsula.
La transferencia del calor es pues el proceso por el que se intercambia energía en forma de calor
entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta
temperatura. Este calor puede transferirse de tres formas: por conducción, por convección y por
radiación. Aunque estos tres métodos de transferencia tienen lugar muchas veces
simultáneamente, habitualmente uno de los mecanismos predomina sobre los otros dos.
En 1822, el matemático francés Joseph Fourier formuló una expresión matemática precisa que hoy
se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de
conducción/transferencia de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es
proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo:
Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y
conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o la madera tienen conductividades
menores y conducen muy mal el calor. No hay duda que para resolver las preguntas que iniciaron
este documento, es necesario conocer perfectamente los materiales implicados y conocer su
conductividad térmica y dimensiones en las temperaturas del proceso, ya que a través de ellos se
produce una transferencia de calor por conducción.
Por lo tanto y si analizamos como enfriar nuestra cerveza desde un punto totalmente científico,
será importante conocer las características de la aleación de aluminio de la lata y el espesor que
tiene, puesto que la cerveza cederá calor a la lata por medio de una transferencia por conducción.
Convección
La convección transfiere calor por el intercambio de moléculas frías y calientes. Se presenta
cuando una superficie a cierta temperatura está en contacto con un fluido en movimiento a
temperatura diferente.
Fue Newton con su Ley del enfriamiento quien indicó la forma de la transferencia a través de la
ecuación, definiendo el calor transmitido desde la superficie de un sólido a un fluido en movimiento:
donde
Hay dos grandes tipos en función del origen del movimiento del fluido:
Convección forzada en la que el movimiento del fluido se debe a algún factor externo. La
transferencia de calor es mejor con convección forzada, ya que el movimiento – la velocidad
– es mucho mayor al existir además de la diferencia de densidad un apoyo por ese factor
externo – bomba, ventilador, viento, agitador -.
Para resolver pues nuestras preguntas, ya sean cotidianas o profesionales, debemos no sólo
conocer las características de los fluidos de nuestros procesos, sino también su estado – velocidad
– en el proceso.
Radiación
La radiación es la transferencia de calor que se realiza a través de ondas electromagnéticas. Se
podría catalogar como transporte molecular, ya que la energía es producida por los cambios en las
configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivos y transportados por las ondas
electromagnéticas o fotones. No existe contacto directo entre los dos medios y el intermedio o
interfase no participa en las funciones de intercambio – en la mayoría de ocasiones es el aire,
aunque también hay transferencia de calor a través del vacío -.
El calor que recibe la Tierra desde el Sol, se transmite por radiación a través del espacio vacío. El
calor que se siente al estar frente a una fogata también es transferido por radiación.
El físico alemán Max Planck en 1900, empleó la teoría cuántica y el formalismo matemático de la
mecánica estadística para formular la ley fundamental de la radiación. La expresión matemática de
esta ley, relaciona la intensidad de la energía radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda
determinada, con la temperatura del cuerpo. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe
un máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo ideal – cuerpo negro – emite radiación ajustándose
exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten con una intensidad algo menor.
La contribución de todas las longitudes de onda a la energía radiante emitida se denomina poder
emisor del cuerpo, y corresponde a la cantidad de energía emitida por unidad de superficie del
cuerpo y por unidad de tiempo. A partir de la ley de Planck, dos físicos austriacos, Joseph Stefan
y Ludwig Boltzmann que, en 1879 y 1884 respectivamente, descubrieron que el poder emisor de
una superficie es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. El factor de esa
proporcionalidad se denomina constante de Stefan−Boltzmann en su honor:
donde
Si tenemos presente que todas las sustancias emiten energía radiante sólo por tener una
temperatura superior al cero absoluto, la expresión (3) se convierte en
Donde F1-2 es un módulo que pondera la relación geométrica de los dos cuerpos y sus coeficientes
de emisividad.
En el proceso productivo del que hacíamos referencia al inicio de este escrito tendremos
absolutamente implicados todos los procesos de transferencia de calor. El calor se transmitirá
básicamente por convección en los intercambiadores, reactores y baterías de nuestra instalación,
entre los fluidos caloportadores – fluido térmico, vapor, agua caliente – y los fluidos contenidos en
dichos equipos.
El calor se generará a partir del combustible en una caldera con transferencia básicamente por
radiación en su cámara de combustión y por convección en serpentines o tubos de humos.
Finalmente en el cálculo para evitar pérdidas a través de las tuberías o de los equipos, deberemos
considerar las características y espesor del aislamiento térmico, ya que la transferencia de calor
entre la pared metálica de tubos o de intercambiadores y nuestro aislamiento se realiza por medio
de conducción.
Hasta aquí una visión rápida de los procesos de transferencia de calor. La gran cantidad de
aplicaciones y su complejidad y diversidad, hacen que las cuatro fórmulas mencionadas en este
documento se deriven en centenares, para poder considerar cada particularidad y permiten para
cada aplicación concreta disponer de criterios específicos y adecuados de diseño.
Aplicaciones.