Transferencia de calor por convección: natural frente a forzada

¿Qué es la convección?

Cuando vivía con mis padres, mi habitación era la habitación más calurosa de la casa. Mi habitación estaba en el desván, encima del sistema de calefacción de agua caliente. Incluso en el clima más frío, cuando la familia temblaba en la sala de estar, yo estaba calentito encima de ellos. Tal vez haya notado que las habitaciones de arriba suelen ser más cálidas que las de abajo. Pero, ¿alguna vez te has preguntado por qué?

No son solo habitaciones. El calor parece funcionar mucho de esta manera. Digamos que tu habitación está en la parte más fría de la casa y decides hacer un poco de sopa para calentarte. Si tiene una cacerola de sopa hirviendo, ¿es más probable que se queme con la mano sobre la cacerola o junto a ella? Si alguna vez ha cocinado algo en la estufa, probablemente sepa que hace mucho más calor arriba.

Entonces, ¿por qué suceden estas cosas? Todo se debe a la convección.

La convección es un proceso en el que el material caliente sube y el material frío se hunde para ocupar su lugar. Ese material debe ser un fluido , un líquido o un gas. Si hay una diferencia de temperatura entre dos lugares, uno debajo y otro arriba, es probable que ocurra convección y continúe en un ciclo. A diferencia de los otros dos tipos de transferencia de energía, conducción y radiación, la convección implica que el propio material se mueva a gran escala.

Pero, ¿por qué sucede eso? ¿Qué significa exactamente calentar algo? La temperatura es la energía de movimiento promedio de las moléculas en una sustancia. Cuanto más rápido se mueven, más caliente es la temperatura. Cuando las moléculas se mueven más rápido, tienden a extenderse un poco y a ocupar más espacio. Y si las moléculas están más dispersas, eso significa que la sustancia es menos densa.

¿Qué sucede cuando mezclas un material denso con un material no tan denso? Intente poner un corcho en el fondo de un balde de agua. Verás que sube a la superficie. Los materiales menos densos flotan sobre los materiales más densos. Esta es una de las razones por las que el aceite y el agua no siempre se mezclan bien cuando se cocina un guiso.

Lo mismo ocurre con la convección. Bien, volvamos a su almuerzo: la estufa calentará el fondo de la sopa más que la parte superior. A medida que la sopa cerca del fondo se calienta, se volverá menos densa y subirá a la parte superior. Ahora está cerca de la superficie, se enfría de nuevo y se hunde. Esto se repite una y otra vez, formando continuas corrientes de convección en la sopa.

La habitación de mi infancia estaba caliente porque el calor aumenta en las corrientes de convección, por lo que gran parte del calor de la casa subía directamente a mi habitación.

Natural vs forzado

Los procesos de los que hemos hablado hasta ahora se denominan convección natural . La convección natural es donde los procesos ocurren por sí solos siempre que hay una diferencia de temperatura entre dos lugares. Pero hay otro tipo de convección llamada convección forzada .

La convección forzada ocurre cuando intentas acelerar el proceso de convección, empujando un poco el fluido. Por ejemplo, puede empujar el aire con un ventilador. Así funcionan los hornos con ventilador.

Ejemplos

Hay muchísimos ejemplos de convección en la vida diaria. Pero comencemos con uno agradable: relajarse en una hermosa y cálida playa. Cuando estás acostado en la playa, te calientas bastante rápido. Así que siempre estás agradecido de sentir una brisa fresca y agradable. Pero, ¿alguna vez has notado de dónde vienen esas brisas marinas? La mayoría de las veces, venían del mar hacia la tierra. Pero, ¿por qué es eso?

Bueno, eso también se debe a la convección. En el verano, el aire sobre la tierra tiende a ser más caliente que el aire sobre el mar. El aire del mar es más difícil de calentar. A medida que el aire de la tierra se calienta, se eleva como hemos hablado, pero esta vez no es el aire más frío de arriba lo que llena el espacio. En cambio, el aire más frío del mar es succionado hacia el espacio que el aire caliente dejó atrás, succionado hacia la tierra. Esa es tu brisa fresca y agradable.

Hemos hablado del aire marino, pero profundicemos. ¡Mucho más profundo! No bajo el mar, aunque dicen que es mejor donde está más húmedo. Más profundo que eso. Vayamos hasta el fondo de la propia Tierra. Muy por debajo de la superficie, millas y millas por debajo: ¡en el núcleo exterior!

La convección también ocurre aquí. Hace más calor cuanto más te acercas al centro de la Tierra, y más fresco más lejos… aunque, para ser justos, ¡hace muchísimo calor en todas partes! Sin embargo, esta diferencia de temperatura es suficiente para que las corrientes de convección de metales líquidos fluyan incluso aquí. ¡Y gracias a Dios que lo hacen!

Estos metales líquidos contienen partículas cargadas y el movimiento de esas partículas cargadas le da a la Tierra su campo magnético. Sin él, la Tierra no podría eliminar la peligrosa radiación del Sol. Sin él, los humanos no sobreviviríamos mucho tiempo. Sin mencionar que el Capitán Cook habría tenido verdaderos problemas para explorar el Pacífico: ¡es difícil navegar si su brújula ya no funciona!

Cálculos

Un cálculo común que puede tener que hacer consiste en calcular el calor transferido por convección por segundo, también conocido como potencia, medido en vatios. En álgebra, el calor transferido por segundo es Q / t. Entonces, si sabemos cuánto tiempo ha pasado y cuánta energía se transfirió en ese tiempo, podemos dividir una por otra para obtener la respuesta.

Pero encontrar el calor transferido, Q, podría implicar otro paso. Cuando agregamos calor a un material, puede suceder una de dos cosas: puede cambiar la temperatura o puede cambiar el estado (también conocido como fase) al fundirse o hervir.

Si el calor se usa para cambiar la temperatura , podemos usar la ecuación Q = mc (delta) T. Conecte la masa que se calienta, m, medida en kilogramos, la capacidad calorífica del material que se calienta, c, que es solo un número que se le debe dar en la pregunta, y el cambio de temperatura, (delta) T. Multiplícalos juntos y obtendrás tu calor transferido, Q.

Pero digamos que el calor no se usa para cambiar la temperatura del material, sino que se usa para cambiar el estado, como derretir o hervir. En ese caso, puede usar la ecuación Q = mL para calcular el calor transferido. Aquí, todo lo que necesita saber es la masa de la sustancia que se calienta y el calor latente. El calor latente es solo un número que varía según el material y el cambio de estado que está ocurriendo. Debería recibirlo en una pregunta de examen.

Ejemplo de cálculo

Así que veamos un ejemplo de cálculo. Una casa contiene 500 kg de aire al mismo tiempo. El sistema de calefacción se ha encendido y debe aumentar la temperatura de la casa en 5 grados Celsius. Si se necesitan 600 segundos para hacer esto, ¿cuánta energía se usa por segundo en el proceso? (Nota: la capacidad calorífica específica media del aire es de 1000 J / kg C.)

Bien, pensemos en lo que necesitamos calcular. Está pidiendo energía por segundo. En este caso, cuánta energía térmica se transfiere cada segundo. Entonces esto es Q / t. Ya sabemos cuánto tarda: 600 segundos. Pero tenemos que averiguar Q, la cantidad de energía transferida. Esta pregunta implica un cambio de temperatura, por lo que deberíamos usar Q = mc (delta) T. Tenemos la masa, la capacidad calorífica específica y el cambio de temperatura. Inserte esos números: 500 por 1000 por 5, y obtenemos 2.500.000 Julios. Ese es nuestro valor de Q. Ahora, para calcular la energía por segundo, encontramos Q / t, que es 2.500.000 dividido por 600 segundos. Eso nos da 4167 julios por segundo, o 4167 vatios.

Y eso es todo, hemos terminado.

Resumen de la lección

La convección es causada por una diferencia de temperatura entre dos partes de un fluido (un líquido o un gas). En la convección, la parte densa y caliente de un fluido se eleva y la parte más fría se hunde. Este ciclo se repite y es por eso que aumenta el calor, por qué hace tanto calor encima de una cacerola de sopa hirviendo y por qué el piso de arriba de una casa tiende a ser más cálido que el de abajo.

La convección natural es donde los procesos ocurren por sí solos siempre que hay una diferencia de temperatura entre dos lugares. La convección forzada ocurre cuando intentas acelerar el proceso de convección, empujando un poco el fluido. Por ejemplo, puede empujar el aire con un ventilador.

Hay muchos ejemplos de convección, desde la brisa fresca en la playa hasta las corrientes de convección en el núcleo exterior de la Tierra, que le dan a la Tierra su campo magnético protector. Sin corrientes de convección sería difícil sobrevivir en la Tierra.

Puede calcular el calor transferido por convección por segundo si tiene suficiente información. Debe poder calcular cuánto calor se transfiere (Q) y saber cuánto tiempo tardó en suceder (t). Luego divida uno por el otro (Q / t).

Si no sabe cuánto calor se transfiere (Q), puede usar la ecuación mc (delta) T o la ecuación mL para calcularlo. Usas mc (delta) T cuando hay un aumento de temperatura, y usas la ecuación mL cuando hay un cambio de estado (o un cambio de fase).

Aprende más sobre: