En este artículo exploramos una de las formas de transmisión de calor, sus usos y aplicaciones, y del proceso de convección en sí mismo.
Qué es la convección térmica
La transferencia de calor por convección es un proceso en el que interviene un tipo de fluido, sea líquido o gaseoso, para transportar la energía térmica de un punto A a un punto B, teniendo en cuenta que la transferencia sucede del cuerpo de mayor temperatura al de menor.
La transmisión por convección del calor puede ser forzada o natural. En la convección natural, es el propio fluido el que extrae calor de la zona con mayor temperatura, cambiando así su densidad y pudiéndose desplazar a la zona más fría para transmitirle calor. En la convección forzada, se utiliza una bomba o ventilador para generar el movimiento en el fluido de la zona caliente a la zona fría.
Por qué sucede la convección térmica
A un nivel físico químico, la transferencia convectiva sucede al tener un fluido que entra en contacto con otro elemento o material, poseyendo ambos diferentes temperaturas. Según el valor de las temperaturas, van a variar las cargas de energía de las moléculas de estos dos elementos, siendo el de mayor temperatura el que ceda calor para lograr la equivalencia de temperaturas.
La transferencia se realizará hasta que ambos posean igual temperatura, las moléculas que cedan calor van a desacelerarse, por lo que disminuirán la temperatura y aumentarán su densidad. Asimismo, las moléculas que reciban el calor se acelerarán y aumentarán su densidad, como lo hace un fluido en la convección: El calor recibido para transmitir hace que el fluido descienda su densidad, aumente su actividad molecular, y con eso puede desplazarse.
Ejemplos de convección térmica
En estos ejemplos se puede observar el proceso de transferencia de calor mediante convección:
- Las estufas funcionan por convección: El aire caliente sale de ellas, al tener menor densidad se transporta hacia la parte superior del ambiente mientras transporta el calor.
- Los secadores de pelo funcionan mediante convección forzada: El aire ingresa y se mueve mediante la fuerza de un ventilador.
- El funcionamiento de globos aerostáticos se basa en la convección: El aire caliente dentro del globo tiene menor densidad que el aire atmosférico, por lo que provoca que se mantenga en el aire. Asimismo, para subir el globo aún más se sigue calentando el aire, y para que el globo pueda descender, la temperatura se va bajando.
- Las ventanas del baño que tienen vapor condensado en ellas es por la diferencia de temperatura entre el vapor caliente y la superficie fría de la ventana.
- Al calentar una olla con agua, el líquido depositado en el fondo se calentará, moviéndose hacia arriba y transmitiendo el calor a las capas superiores.
- Al abrir la puerta del horno, el aire caliente sale con velocidad hacia el aire atmosférico debido a la convección.
- Los barcos y buques de caldera emiten calor por convección.
- Los ventiladores generan de forma forzada convección, al agitar el aire y hacer que el aire caliente se disipe mediante esta corriente.
Características de la convección térmica
La convección tiene dos métodos de transferencia de energía, uno por el movimiento molecular antes mencionado, pero también por el movimiento del fluido; por lo que este sistema combina la superposición de transporte de energía por el movimiento del fluido, además del movimiento molecular. De hecho, se nombra como advección cuando esta transferencia se debe solamente por el fluido.
Usos o aplicaciones de la convección térmica
Estos son los casos en que se aprovecha el fenómeno de convección:
- Fabricación de caloventores y estufas: Estos artículos generan calor mediante la convección del aire en diferentes temperaturas.
- Aires acondicionados: Estos artefactos van lo más cercanos al techo para que el aire frío descienda y enfríe lo más cercano al piso.
- Uso en industrias de secado: Mediante el soplado de aire caliente sobre superficies húmedas se genera el secado mediante la convección.
- Intercambiadores de calor: Son dispositivos que permiten la transferencia de calor entre fluidos, se incluye en sistemas de refrigeración de todo tipo.
- Aislantes térmicos: El aire que se inyecta dentro de las láminas de aislante mantiene en temperatura estable el poco calor que logre pasar el otro material.
- Torres de enfriamiento: Mediante la convección del aire, estas torres de refrigeración desechan el calor producido por todo tipo de instalaciones industriales.
Fórmula
La convección se expresa mediante la ley de enfriamiento de Newton:
Donde:
h: coeficiente de convección
As: área de cuerpo en contacto con el fluido
Ts: temperatura de superficie del cuerpo
Tinf: temperatura de fluido lejos del cuerpo
El coeficiente de convección dependerá de la conductividad térmica, la cual variará según las propiedades del fluido, la velocidad del flujo, cómo se distribuye la temperatura y cómo ésta varía.
