Transmissió tèrmica

Una barra al roig viu transfereix calor a l'ambient principalment per radiació tèrmica i en menor mesura per convecció, car la transferència per radiació és $\scriptstyle \propto T^{4}$ i la convecció $\scriptstyle \propto T$.

En física, la transmissió tèrmica és el pas d'energia tèrmica des d'un cos de major temperatura a un altre de menor temperatura. Quan un cos, per exemple un objecte sòlid o un fluid, està a una temperatura diferent de la del seu entorn o un altre cos, la transferència d'energia tèrmica, també coneguda com a transferència de calor o intercanvi de calor, es produeix de tal manera que el cos i el seu entorn assoleixin l'equilibri tèrmic. La transferència de calor es produeix des d'un cos més calent a un de més fred, com a resultat de la segona llei de la termodinàmica. Quan existeix una diferència de temperatura entre dos objectes en proximitat un de l'altre, la transferència de calor no es pot aturar; només pot fer-se més lenta.

Aïllament i barreres de radiació

Article principal: Aïllament tèrmic

Els aïllants tèrmics són materials específicament dissenyats per reduir el flux de calor limitant la conducció, la convecció o ambdues. Les barreres de radiació són materials que reflecteixen la radiació, reduint així el flux de calor de fonts de radiació tèrmica. Els bons aïllants no són necessàriament bones barreres de radiació i viceversa. Els metalls, per exemple, són excel·lents reflectors però molt mals aïllants.

L'efectivitat d'un aïllant està indicada per la seva resistència (R). La resistència d'un material és l'invers del coeficient de conductivitat tèrmica (k) multiplicat pel gruix (d) de l'aïllant. Les unitats de la resistència són en el Sistema Internacional: (K·m²/W). {{equació ${R}={d \over k},\qquad {C}={Q \over m\Delta T}$ ||left}} La fibra de vidre rígida, un material aïllant utilitzat comunament, té un valor R de 4 per polzada, mentre que el ciment, un mal conductor, té un valor de 0,08 per polzada.

L'efectivitat d'una barrera de radiació està indicat per la seva reflectivitat, la qual és una fracció de la radiació reflectida. Un material amb una alta reflectivitat (en una longitud d'ona) té una baixa absortivitat i per tant una baixa emissivitat. Un reflector ideal té un coeficient de reflectivitat igual a 1, cosa que significa que reflecteix el 100% de la radiació entrant. D'altra banda, en el cas d'un cos negre, el qual té una excel·lent absortivitat i emissivitat de la radiació tèrmica, el seu coeficient de reflectivitat és gairebé 0. Les barreres de radiació tenen una gran aplicació en enginyeria aeroespacial; la gran majoria de satèl·lits utilitzen diverses capes aïllants aluminades que reflecteixen la llum solar, cosa que permet reduir la transferència de calor i controlar la temperatura del satèl·lit.

Bescanviadors de calor

Article principal: Bescanviador de calor

Un bescanviador de calor és un dispositiu construït per bescanviar eficientment la calor d'un fluid a un altre, tant si els fluids estan separats per una paret sòlida per prevenir la seva mescla, com si estan en contacte directe. Els bescanviadors de calor són molt utilitzats en refrigeració, condicionament d'aire, calefacció, producció d'energia, i processament químic. Un exemple bàsic d'un bescanviador de calor és el radiador d'un cotxe, en el que el líquid de radiador calent és refredat pel flux d'aire sobre la superfície del radiador.

Les disposicions més comunes de bescanviadors de calor són flux paral·lel, contracorrent i flux creuat. En el flux paral·lel, ambdós fluids es mouen en la mateixa direcció durant la transmissió de calor; en contracorrent, els fluids es mouen en sentit contrari i en flux creuat els fluids es mouen formant un angle recte entre ells. Els tipus més comuns de bescanviadors de calor són de carcassa i tubs, de doble tub, tub extrudit amb aletes, tub d'aleta espiral, tub en U i de plaques. Pot obtenir-se més informació sobre els fluxos i configuracions dels bescanviadors de calor a l'article bescanviador de calor.

Quan els enginyers calculen la transferència teòrica de calor en un bescanviador, han de comptar amb el fet que el gradient de temperatures entre ambdós fluids varia amb la posició. Per solucionar el problema en sistemes simples, sol utilitzar-se la diferència de temperatures mitja logarítmica (DTML) com a temperatura 'mitjana'. En sistemes més complexos, el coneixement directe de la DTML no és possible i en lloc seu pot utilitzar-se el mètode de nombre d'unitats de transferència (NUT).

Transferència de calor en ebullició

Articles principals: Ebullició i Flux crític de calor

La transferència de calor en líquids en ebullició és complexa, però d'una importància tècnica considerable. Es caracteritza per una corba en forma de "S" en relacionar el flux de calor amb la diferència de temperatures en superfície (vegeu Kay i Nedderman 'Fluid Mechanics & Transfer Processes', CUP, 1985, pàg. 529).

A temperatures baixes de la superfície calefactada no es produeix la ebullició i la taxa de transferència de calor està controlada pels mecanismes habituals d'una sola fase. A mesura que la temperatura de la superfície calefactada s'eleva, va produint-se ebullició localment i es comencen a formar bombolles de vapor (es diu que hi ha nucleació de bombolles de vapor), creixen cap al líquid circumdant més fred i col·lapsen. A altes taxes de nucleació de bombolles, les mateixes bombolles comencen a interferir en el procés de transferència de calor i aquesta transferència deixa d'elevar-se ràpidament amb la temperatura de la superfície calefactada (això és el departure from nucleate boiling). A temperatures més elevades, s'assoleix un màxim en la transferència de calor (el flux crític de calor). La caiguda de la transferència de calor que es produeix a continuació s'explicaria per l'alternança de períodes de ebullició nucleada amb altres períodes de ebullició en pel·lícula.

A temperatures de la superfície calefactada encara més elevades, s'assoleix un règim de ebullició en pel·lícula, hidrodinàmicament més tranquil. La quantitat de calor que travessa la pel·lícula de vapor per unitat de temps és petita, però creix lentament amb la temperatura. Si es donés el cas d'un contacte entre el líquid i la superfície calefactada, es desencadenaria un procés extremadament ràpid de nucleació d'una nova pel·lícula de fase vapor (nucleació espontània).

Disciplines acadèmiques

Els fenòmens de transferència són generalment part del programa d'estudis d'enginyeria industrial, enginyeria química, enginyeria agrícola o enginyeria mecànica. Comunament, els coneixements sobre termodinàmica són una condició prèvia per l’estudi de la transmissió de calor, car les lleis de la termodinàmica són essencials per comprendre el mecanisme de la transferència de calor.

Altres disciplines relacionades amb la transmissió de calor inclouen la conversió d'energia, termofluids i transferència de matèria.

Els mètodes de transferència de calor s'utilitzen en les següents disciplines, entre altres:

• Enginyeria d'automoció
• Sistemes electrònics
• HVAC
• Aïllament
• Processament de materials
• Enginyeria de centrals d'energia

Vegeu també

• Termodinàmica
• Calor
• Radiació tèrmica
• Conducció tèrmica
• Convecció tèrmica
• Aïllament tèrmic
• Mètode NUT
• Anàlisi de circuits de resistència

Referències

Font

Transferència de calor, de Frank Cross. Compañía Editorial continental (300 pàgines)

Revistes relacionades

En anglès:

• Heat Transfer Engineering[1]
• Experimental Heat Transfer[2]
• International Journal of Heat and Mass Transfer[3]
• ASME Journal of Heat Transfer[4]
• Numerical Heat Transfer Part A[5]
• Numerical Heat Transfer Part B[6]
• Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering[7]

Enllaços externs

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Transmissió tèrmica

En anglès:

• Heat Transfer Tutorial (anglès)
• Heat Transfer Podcast - Arun Majumdar - Department of Mechanical Engineering - University of California, Berkeley (anglès)
• Heat Transfer Basics - Vista general (anglès)
• A Heat Transfer Textbook - Llibre de text descarregable gratuïtament (anglès)
• Hyperphysics Article on Heat Transfer - Vista general (anglès)
• A molecular heatwave? (anglès)