Convección Natural y Forzada: Definición y ejemplos

Convección natural

El calor es una medida de la cantidad de energía térmica contenida dentro de un objeto y se puede cuantificar registrando la temperatura de un objeto. A medida que se agrega energía térmica a un objeto, el movimiento de la molécula dentro del objeto aumenta y, a su vez, aumenta la temperatura de un objeto. A medida que se elimina energía térmica de un objeto, el movimiento de la molécula dentro del objeto disminuye y, a su vez, la temperatura del objeto disminuye. La transferencia de calor es el movimiento de energía térmica desde un área de alta temperatura a un área de baja temperatura hasta que la energía térmica alcanza el equilibrio. Hay muchas vías diferentes de transferencia de calor, incluidas la radiación, la conducción y la convección.

Radiación

La radiación implica la transferencia de energía térmica a través de ondas electromagnéticas, generalmente en forma de luz. La transferencia de calor a través de la radiación es única porque no requiere un medio sólido, líquido o gaseoso para fluir a través de ella. Un ejemplo de transferencia de calor a través de la radiación son los fenómenos de luz o calor generados por la llama de una vela.

Conducción

La conducción es el ejemplo más simple de transferencia de calor. La conducción implica la transferencia de energía térmica a través del tacto. Por ejemplo, cuando una persona toca un objeto caliente con la mano, la energía térmica se transfiere del objeto a la mano mediante conducción.

Convección natural

El término conducción puede confundirse fácilmente con el término convección, pero los dos fenómenos tienen cualidades distintas. La convección natural es la transferencia de energía térmica a través de un fluido como un líquido o aire, pero no mediante el tacto. El movimiento cíclico del agua hirviendo en una olla es un ejemplo de convección natural. El agua tibia en el fondo de la olla se expande, sube a la parte superior de la olla, se enfría y cae dentro de la misma olla. Para que se produzca la convección, la energía térmica debe viajar a través de un líquido o gas. La convección natural está impulsada por cambios de calor, densidad y el efecto de la gravedad.

¿Cómo se transfiere el calor por convección?

A medida que los fluidos se calientan, sus moléculas no sólo se mueven más rápido, sino que también se expanden y se vuelven menos densas. Los fluidos circularán naturalmente debido a los cambios de calor. Los fluidos calientes y menos densos aumentarán en relación con los fluidos más fríos y densos. Para entender esto, imagine un globo aerostático posado en el suelo. A medida que el aire dentro del globo se calienta, las moléculas de aire comienzan a rebotar y expandirse. La expansión molecular infla el globo y hace que se levante del suelo. Esta expansión se debe a que el aire atrapado dentro del globo es caliente y menos denso que el aire que lo rodea. El globo continuará elevándose y flotando sobre el suelo hasta que la fuente de calor dentro del globo ya no esté activa. Cuando ya no se suministra calor al aire dentro del globo, las moléculas de aire se enfriarán y se condensarán. Una vez que el aire dentro del globo sea igual o más denso en relación con el aire alrededor del globo, el globo volverá a caer al suelo. Así funciona la convección. Las moléculas calentadas en un líquido o gas se expandirán, se volverán menos densas que las moléculas que las rodean y se elevarán. Una vez que las moléculas calentadas alcanzan un punto lo suficientemente alejado de su fuente de calor, se condensarán y caerán. El patrón de ascenso, enfriamiento y descenso de un fluido crea lo que se conoce como celda de convección. Una celda de convección natural consiste en el movimiento circular de moléculas de líquido o gas desde áreas de alto calor a áreas de bajo calor y viceversa. Este patrón cíclico de transferencia de calor hace que aumente la temperatura de un fluido.

Ejemplos de convección natural

La convección natural se puede observar de muchas formas diferentes. Un ejemplo de célula de convección natural que puede afectar a la vida diaria es el calentamiento de masas de aire provocando lo que se conoce como brisa marina. Se puede sentir la brisa marina soplando hacia una persona parada en tierra junto a una playa o una gran masa de agua en un caluroso día de verano. Durante las horas del día, cuando el sol brilla sobre la superficie de la Tierra, el aire que se encuentra sobre la tierra se calienta más rápidamente que el aire que se encuentra sobre el agua. A medida que la masa de aire que se encuentra sobre la tierra se calienta, las moléculas se mueven más rápido, se dispersan y se vuelven menos densas que las masas de aire circundantes, lo que hace que la masa de aire se eleve. Una vez que la masa de aire que se encuentra sobre la tierra se eleva, el aire más frío que se encuentra sobre el agua ingresa para llenar el espacio. La persona que está en tierra puede sentir el movimiento del aire fresco para llenar el espacio desocupado como la brisa que sopla desde el agua hacia la tierra.

Convección forzada

La convección forzada es similar a la convección natural en que la energía térmica se transfiere mediante un fluido; sin embargo, existe una diferencia clave entre los dos fenómenos: mientras que la convección natural ocurre debido a diferencias de densidad causadas por variaciones en la energía térmica, la convección forzada ocurre cuando se usa una herramienta mecánica para mover un fluido con el fin de calentar, enfriar o secar un objeto. Los sopladores, ventiladores y bombas son ejemplos de herramientas mecánicas que se utilizan para mover fluidos. En algunos casos, se puede utilizar la convección forzada para acelerar la convección natural.

Ejemplos de convección forzada

En la mayoría de los hogares se puede observar un ejemplo de convección forzada. La convección natural hace circular lentamente masas de aire de diferentes temperaturas dentro de un hogar, y esa circulación lenta creará regiones de temperaturas frías y calientes dentro del hogar. El aire caliente en una casa subirá dentro de una habitación e incluso entre los pisos de la casa, si se permite. El aire frío se hundirá. Si bien esto es el resultado de la convección natural, puede crear un ambiente de vida incómodo si uno pasa muchas horas arriba en una casa durante los meses de verano. Si se aplica la convección forzada con una bomba de aire que hace circular aire por la casa, la temperatura del aire será más uniforme y cómoda en toda la casa.

Otro ejemplo de convección forzada es un horno de convección. Los hornos de convección utilizan un ventilador integrado en el costado del horno para empujar aire caliente hacia el interior del horno. La circulación forzada de aire caliente cocina los alimentos que se colocan dentro del horno.

Cálculos

Los ingenieros pueden calcular la cantidad de transferencia de energía térmica debido a la convección multiplicando la masa de un objeto por su calor específico y el cambio de temperatura. La ecuación es la siguiente: {eq}Q=mc(delta)T {/eq}.

• ”Q” es el cambio de energía térmica medido en julios.
• La letra ”m” es la masa del objeto.
• La letra ”c” es el calor específico del objeto.
• ”(delta)T” se refiere al cambio de temperatura del objeto.

Para calcular la tasa de transferencia de calor, se debe calcular la respuesta de Q y dividirla por el incremento de tiempo previsto para la transferencia de calor (Q/tiempo).

Si el cambio de temperatura implica un cambio de estado (por ejemplo, de un estado líquido a un estado gaseoso), se utilizará una fórmula ligeramente diferente. Si el objeto se está congelando o derritiendo, el calor necesario para cambiar de fase se calcula multiplicando la masa del objeto por su calor latente de fusión. La ecuación es la siguiente: {eq}Q=mL_f {/eq}.

Si el objeto se está evaporando o condensando, el calor requerido para cambiar de fase se calcula multiplicando la masa del objeto por su calor latente de vaporización. La ecuación es la siguiente: {eq}Q=mL_v {/eq}.

Ejemplos

Problema de práctica 1: Calcular la tasa de transferencia de calor dentro de un fluido

Si el calor dentro de una habitación se transfiere mediante convección natural y la temperatura del aire aumenta 7 grados Celsius en 15 minutos, ¿cuánto calor se transfiere por segundo si la masa del aire es de 15 kg? (La capacidad calorífica específica promedio del aire es de 1.000 julios/kg C.)

Aplica la ecuación: {eq}Q=mc(delta)T {/eq}.

Q = 15 kg x 1000 julios/kg C x 7 grados Celsius.

Q = 105.000 julios de calor.

Para calcular la tasa de transferencia por segundo, primero convierta 15 minutos a segundos: 15 x 60 (segundos por minuto) = 900 segundos.

Luego, divida la cantidad de transferencia de calor por la cantidad de segundos (Q/tiempo): 105.000 julios/900 segundos = 116,67 julios de transferencia de calor por segundo.

Problema de práctica 2: Calcular la transferencia de calor que implica un cambio de estado

¿Cuánta energía se requiere para vaporizar 32 kg de agua, suponiendo que el calor latente de vaporización del agua es {eq}2,25/10^6 {/eq} julios/kg?

Aplica la ecuación: {eq}Q=mL_v {/eq}.

Q = 32 kg x {eq}2,25/10^6 {/eq} julios/kg

Q = 7,2/105 julios.

Resumen de la lección

En resumen, el calor es una medida de la cantidad de energía térmica contenida dentro de un objeto y se puede medir registrando la temperatura de un objeto. El calor se puede transferir por conducción mediante el tacto, mediante radiación mediante ondas electromagnéticas o mediante convección mediante el movimiento de un fluido. La convección natural es el ciclo de la energía térmica dentro de un líquido o gas debido a un cambio de densidad. Los fluidos más calientes se expanden, se vuelven menos densos y ascienden, mientras que los fluidos más fríos se condensan y caen creando una celda de convección. Un ejemplo de convección natural se puede ver en el movimiento del aire cálido sobre la tierra que se eleva y el aire frío de una masa de agua que se mueve para ocupar su lugar. La convección forzada es el movimiento de un fluido utilizando una herramienta mecánica para calentar, enfriar o secar un objeto. Para calcular el cambio de calor (en julios) debido a la convección, los científicos utilizan la ecuación {eq}Q=mc(delta)T {/eq}. Para calcular la tasa de cambio de calor, divida Q por una cantidad de tiempo especificada. Si se calcula el cambio de calor cuando se produce un cambio de fase, se debe tener en cuenta el calor latente de vaporización o el calor latente de fusión del objeto.