Transferencia de calor por convección (2): ley de Newton
2014-08-16
La transferencia de calor por convección puede ser muy complicada, pero a menudo es posible modelarla satisfactoriamente mediante una ley muy sencilla conocida como la ley del enfriamiento de Newton. Esta ley se aplica al enfriamiento o al calentamiento por convección de un cuerpo en contacto con un fluido. En vez de prestar atención al comportamiento detallado del sistema, la ley del enfriamiento de Newton se centra en alguna temperatura de referencia bien definida del fluido y una temperatura también bien definida del cuerpo a calentar o enfriar. La ley más sencilla que podemos imaginarnos es una en la que la potencia calorífica P que un cuerpo de temperatura característica Tc recibe mediante convección de un fluido de temperatura característica Tf es proporcional a la diferencia de ambas temperaturas:
P ≡ −h ⋅ (Tc−Tf).
Esto es la ley del enfriamiento de Newton. La potencia es positiva cuando el flujo de calor va del fluido al cuerpo y es negativa cuando va del cuerpo al fluido. La constante de proporcionalidad h depende de las características del sistema en cuestión y es positiva para que la potencia recibida sea postiva cuando el fluido está más caliente que el cuerpo. Esta ley es un análogo discreto de la la de Fourier para la conducción térmica.
Esquema de la transferencia de calor por convección modelada
mediante la ley de Newton. Un ventilador sopla una corriente de aire
a temperatura Tf («fría»)
sobre una persona cuya temperatura
es Tc («caliente»), lo que
provoca que se transfiera una potencia
calorífica P
= h ⋅ (Tc−Tf)
del cuerpo de la persona al aire. El signo es el opuesto al usado
hace unos párrafos porque ahora estamos considerando el calor
transferido del cuerpo al fluido y no del fluido al cuerpo. El
proceso detallado de transferencia de calor sería algo complicado
simplemente por la geometría del cuerpo y la refrigeración evaporativa
que proporciona el sudor añade complejidad, pero el modelo de la ley
de Newton puede tener capacidad predictiva adecuada sobre la potencia
con la que se refrigera el cuerpo si no interesan los detalles.
La ley del enfriamiento de Newton es a menudo un buen modelo, pero en general no tiene más justificación que ser el término lineal de un desarrollo en serie de Taylor centrado alrededor de la temperatura característica del fluido o de la temperatura característica del cuerpo. A veces, no obstante, la ley de Newton es insatisfactoria y hay que buscar modelos más sofisticados.
La constante de convección térmica, h en la ecuación de unos párrafos más arriba, captura el comportamiento de un sistema. En un sistema dado, esta constante sale bien de cálculos teóricos, bien de medidas experimentales. Estas medidas experimentales, las famosas correlaciones empíricas, son de uso muy habitual; hay abundante literatura técnica con correlaciones empíricas aplicables a diversas geometrías y condiciones que son muy útiles al preparar nuevos diseños.
Categorías: Física
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