Convección (transferencia de calor)

La convección (o transferencia de calor por convección) es la transferencia de calor de un lugar a otro debido al movimiento de un fluido. Aunque a menudo se la analiza como un método distinto de transferencia de calor, la transferencia de calor por convección implica los procesos combinados de conducción (difusión de calor) y advección (transferencia de calor por flujo de fluido a granel). La convección suele ser la forma dominante de transferencia de calor en líquidos y gases.

Tenga en cuenta que esta definición de convección solo es aplicable en contextos de transferencia de calor y termodinámica. No debe confundirse con el fenómeno de convección de fluidos dinámicos, al que normalmente se hace referencia como convección natural en contextos termodinámicos para poder distinguirlos.

La convección puede ser "forzada" por el movimiento de un fluido por medios distintos a las fuerzas de flotabilidad (por ejemplo, una bomba de agua en un motor de automóvil). La expansión térmica de los fluidos también puede forzar la convección. En otros casos, las fuerzas de flotabilidad naturales son las únicas responsables del movimiento del fluido cuando se calienta, y este proceso se denomina "convección natural". Un ejemplo es la corriente de aire en una chimenea o alrededor de cualquier fuego. En la convección natural, un aumento de la temperatura produce una reducción de la densidad, que a su vez provoca el movimiento del fluido debido a las presiones y fuerzas cuando los fluidos de diferentes densidades se ven afectados por la gravedad (o cualquier fuerza g). Por ejemplo, cuando se calienta agua en una estufa, el agua caliente del fondo de la olla es desplazada (o forzada hacia arriba) por el líquido más frío y denso, que cae. Una vez que se detiene el calentamiento, la mezcla y la conducción de esta convección natural finalmente dan como resultado una densidad casi homogénea y una temperatura uniforme. Sin la presencia de la gravedad (o condiciones que provoquen una fuerza g de cualquier tipo), no se produce convección natural y solo funcionan los modos de convección forzada.

El modo de transferencia de calor por convección comprende dos mecanismos. Además de la transferencia de energía debida al movimiento molecular específico (difusión), la energía se transfiere mediante el movimiento en masa o macroscópico del fluido. Este movimiento está asociado con el hecho de que, en cualquier instante, un gran número de moléculas se mueven colectivamente o como agregados. Este movimiento, en presencia de un gradiente de temperatura, contribuye a la transferencia de calor. Debido a que las moléculas en conjunto conservan su movimiento aleatorio, la transferencia total de calor se debe entonces a la superposición del transporte de energía por el movimiento aleatorio de las moléculas y por el movimiento en masa del fluido. Es habitual utilizar el término convección cuando se hace referencia a este transporte acumulativo y el término advección cuando se hace referencia al transporte debido al movimiento en masa del fluido.

Se pueden distinguir dos tipos de transferencia de calor por convección:

• Convección libre o natural: cuando el movimiento fluido es causado por fuerzas de flotabilidad que resultan de las variaciones de densidad debido a variaciones de la ±temperatura térmica en el fluido. En ausencia de una fuente interna, cuando el líquido está en contacto con una superficie caliente, sus moléculas se separan y dispersan, causando que el líquido sea menos denso. Como consecuencia, el líquido se desplaza mientras el líquido más fresco se densa y los sumideros de fluidos. Así, el volumen más caliente transfiere calor hacia el volumen más fresco de ese líquido. Ejemplos familiares son el flujo ascendente de aire debido a un fuego o objeto caliente y la circulación de agua en una olla que se calienta desde abajo.
• Convección forzada: cuando un líquido se ve obligado a fluir sobre la superficie por una fuente interna como los ventiladores, al agitar y las bombas, creando una corriente de convección artificialmente inducida.

En muchas aplicaciones de la vida real (por ejemplo, pérdidas de calor en receptores solares centrales o enfriamiento de paneles fotovoltaicos), la convección natural y forzada ocurren al mismo tiempo (convección mixta).

El flujo interno y externo también pueden clasificar la convección. El flujo interno ocurre cuando un fluido está encerrado por un límite sólido, como cuando fluye a través de una tubería. Un flujo externo ocurre cuando un fluido se extiende indefinidamente sin encontrar una superficie sólida. Ambos tipos de convección, ya sea natural o forzada, pueden ser internos o externos porque son independientes entre sí. La temperatura en masa, o la temperatura promedio del fluido, es un punto de referencia conveniente para evaluar las propiedades relacionadas con la transferencia de calor por convección, particularmente en aplicaciones relacionadas con el flujo en tuberías y conductos.

Se pueden realizar clasificaciones adicionales según la suavidad y las ondulaciones de las superficies sólidas. No todas las superficies son lisas, aunque gran parte de la información disponible trata de superficies lisas. Las superficies irregulares onduladas se encuentran comúnmente en dispositivos de transferencia de calor, que incluyen colectores solares, intercambiadores de calor regenerativos y sistemas de almacenamiento de energía subterráneos. Tienen un papel importante que desempeñar en los procesos de transferencia de calor en estas aplicaciones. Dado que aportan una complejidad adicional debido a las ondulaciones de las superficies, deben abordarse con delicadeza matemática mediante elegantes técnicas de simplificación. Además, afectan las características de flujo y transferencia de calor, por lo que se comportan de manera diferente a las superficies lisas y rectas.

Para experimentar visualmente la convección natural, se puede colocar un vaso lleno de agua caliente y un poco de colorante alimentario rojo dentro de una pecera con agua fría y clara. Se puede ver cómo las corrientes de convección del líquido rojo suben y bajan en diferentes regiones y luego se asientan, lo que ilustra el proceso a medida que se disipan los gradientes de calor.

A veces se supone vagamente que el enfriamiento por convección se describe mediante la ley de enfriamiento de Newton.

La ley de Newton establece que la tasa de pérdida de calor de un cuerpo es proporcional a la diferencia de temperaturas entre el cuerpo y su entorno cuando se encuentra bajo los efectos de una brisa. La constante de proporcionalidad es el coeficiente de transferencia de calor. La ley se aplica cuando el coeficiente es independiente, o relativamente independiente, de la diferencia de temperatura entre el objeto y el entorno.

En la transferencia de calor por convección natural clásica, el coeficiente de transferencia de calor depende de la temperatura. Sin embargo, la ley de Newton se aproxima a la realidad cuando los cambios de temperatura son relativamente pequeños y para el enfriamiento por aire forzado y líquido bombeado, donde la velocidad del fluido no aumenta con el aumento de la diferencia de temperatura.

La relación básica para la transferencia de calor por convección es:

${\displaystyle {\dot {}=hA(T-T_{f}}$

Donde ${\displaystyle {\ dot {}}}$ es el calor transferido por unidad de tiempo, A es el área del objeto, h es el coeficiente de transferencia de calor, T es la temperatura superficial del objeto, y T_f es la temperatura del fluido.

El coeficiente de transferencia de calor por convección depende de las propiedades físicas del fluido y de la situación física. Se han medido y tabulado los valores de h para fluidos y situaciones de flujo que se encuentran comúnmente.

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• Convección mixta
• Coeficiente de transferencia de calor
• Mejora de la transferencia de calor
• Gráfico Heisler
• Conductividad térmica
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