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Cuando ocurre un fenómeno de transferencia de calor, son muchas las variables que son objeto de curiosidad, para ser estudiados por la ciencia y la ingeniería, debemos de tener presente que la ciencia estudia los fenómenos y leyes que rigen un comportamiento físico, para luego poner todos estos logros en manos de la ingeniería, y que esta se encargue de aplicar toda esa ciencia en beneficios para la humanidad.
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Es por ello que todos estos estudios experimentales sobre la transferencia de calor han tenido que trascender e ir por encima de todos los conocimientos que nos puede brindar la termodinámica. Para ello la ciencia evolucionó para crear un apartado donde se pueda aglomerar todo el conocimiento que involucre los fenómenos de transferencia de calor, la transferencia de calor completa al primer y segundo principio de la termodinámica, al proporcionar reglas experimentales adicionales que se pueden utilizar para establecer las leyes que rigen los fenómenos de rapidez de transferencia de energía. Decimos entonces que existe una transferencia de energía, ya que existe un desplazamiento o trayectoria para mover una cantidad de calor de un punto a otro.
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Para entender un poco porque los fenómenos de transferencia de calor son estudiados por otra rama diferente a la termodinámica, nos podemos hacer la siguiente pregunta:
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¿Quedarán cubiertos todos los parámetros físicos que se originan en la transferencia del calor?
Para responder a esta pregunta, consideremos los diferentes tipos de problemas que son tratados por la termodinámica y la transferencia de calor, considérese el enfriamiento de una barra de acero caliente que se coloca en un recipiente con agua.
La termodinámica puede usarse para predecir la temperatura de equilibrio final de la combinación de la barra de acero y agua. La termodinámica no nos dirá cuánto tardará en alcanzar esta condición de equilibrio o cuál será la temperatura de la barra después de pasado un cierto tiempo antes que se alcance la condición de equilibrio.
Esta limitación nos hace pensar en tener que desarrollar un conocimiento paralelo a la termodinámica, que nos ayude a tener resultados por separado, y no en una totalidad del fenómeno. La transferencia de calor como ciencia independiente de la termodinámica hace de que podamos entender y estudiar los estados finales de la temperatura de los dos componentes, es decir de la barra de acero y el agua, las velocidades en la transferencia del calor, las magnitudes de la trayectoria recorrida por dicha transferencia, e incluso mediante ecuaciones desarrolladas por diversas leyes podemos encontrar el tipo de material que conduce y/o transfiere dicho calor de un cuerpo a otro.
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Modos de transporte para la transferencia del calor.
Transferencia de calor por conducción.
La experiencia ha demostrado que cuando existe un gradiente de temperatura en un cuerpo, hay una transferencia de energía de la región de alta temperatura a la de baja temperatura. Decimos que la energía es transferida por conducción y que la rapidez de transferencia de energía por unidad de área es proporcional al gradiente normal de temperatura:
q: representa la transferencia de calor total
A: es el área del material que está involucrado en la transferencia de calor
K: es la conductividad térmica del material.
Es importante evaluar y analizar lo que representa esta ecuación, en primer lugar esta ecuación es el resultado de estudios experimentales realizados por el físico matemático francés Joseph Fourier, el cual expresa por medio de esta ecuación una igualdad en la que se define la conductividad térmica K, donde el flujo de calor es expresado en watts por metro por grado Celsius, todas pertenecientes al sistema internacional.
Existen otras formas de transferencia de calor, que son por convección y radiación, los modos de transferencia de calor por convección y radiación los tratare en posteriores publicaciones, con la intención de no hacer tan extenso esta publicación.
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Importancia del estudio de la transferencia de calor en la ingeniería.
Casi todos los procesos industriales a pequeña y gran escala se dan fenómenos de transferencia de calor, lo que nos hace pensar que la energía cuesta, el costo unitario por generación de calor, sobre todo en partes donde hace mucho frío suele ser muy costoso, es por ello la importancia del estudio de la transferencia del calor, ya que por medio de sus diversas leyes, por ejemplo en la transferencia de calor por conducción podemos estimar elegir el material que me haga realizar una alta transferencia de calor en el menor tiempo y menos costo posible, eso dentro de la o ingeniería implica diseñar de manera optimizada, en mi caso particular estoy consciente que al egresar en el campo laboral de la Ingeniería de alimentos es una de las ramas de los procesos que más me llama la atención, y a la que creo que daré mi mayor aporte.
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Libro consultado: Transferencia de calor. J. P. Holman.Mcgraw Hill. México. 1999.
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