Introducción
Los cuerpos, sometidos a la influencia de una fuente calórica, se calientan, es decir, absorben parte del calor transmitido. También esos cuerpos, en función del material de que están constituidos, no absorben ese calor de la misma forma e intensidad.
El calor absorbido por el cuerpo lo recorre interiormente, desde la cara expuesta a la fuente calórica, hasta la cara opuesta. Es decir desde una zona de mayor temperatura a otra de menor temperatura.
En este fenómeno, que se conoce con el nombre de conductividad térmica, vemos que no todo el calor absorbido por la cara expuesta llega hasta la opuesta. Esto lo podemos comprobar aplicando una mano sobre ambas caras, con lo cual sentiremos que la cara opuesta está más fría que la expuesta.
Esto significa que el cuerpo opuso cierta resistencia al paso del calor por su interior; este fenómeno se conoce como resistencia térmica del material.
La propiedad de retener parte del calor absorbido e impedir su paso total de una cara a la otra del cuerpo, es la capacidad aislante al calor que posee el material.
En un muro cualquiera de una construcción, el calor imperante en el exterior, pasará a través de su masa al interior del local, en la medida que su capacidad aislante lo permita.
Si dentro de un ambiente debemos lograr un rango de confort determinado, en función de las normas mínimas de habitabilidad, habrá que diseñar el muro con materiales y espesores adecuados, de modo tal que se logre el máximo aislamiento.
La transmitancia térmica, es decir, la propiedad de los cuerpos de dejar pasar calor a través de su masa, deberá entonces limitarse.
Para ello debemos estudiar los fenómenos de transferencia de energía en forma de calor, que comúnmente denominamos transferencia de calor.
El fenómeno de transferencia
Hemos visto que cuando dos o más sistemas de temperaturas diferentes se ponen en comunicación entre sí a través de una pared diatérmana alcanzan el estado de equilibrio térmico.
Este fenómeno se explica por el pasaje de energía calorífica de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura y se lo denomina transmisión de calor. En un sentido más amplio, este fenómeno se produce también entre las porciones de un mismo cuerpo que se encuentran a diferentes temperaturas y entre cuerpos que no estando en contacto se encuentran también a temperaturas diferentes.
En este fenómeno el estado de agregación molecular es importante, ya que de acuerdo a como estén vinculadas estas moléculas, se presentarán tres formas de transmisión de calor:
1) Conducción: esta forma de transmisión de calor se manifiesta principalmente en los cuerpos sólidos y se caracteriza por el pasaje del calor desde los puntos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura sin desplazamiento apreciable de materia. La transmisión de calor puede producirse de una parte a otra del mismo cuerpo o de un cuerpo a otro en contacto con él.
2) Convección: esta forma se manifiesta en los líquidos y gases que alcanzan el equilibrio térmico como consecuencia del desplazamiento de materia que provoca la mezcla de las porciones del fluido que se encuentran a diferentes temperaturas. La convección será natural cuando el movimiento del fluido se debe a diferencias de densidad que resultan de las diferencias de temperatura. La convección será forzada cuando el movimiento es provocado por medios mecánicos, por ejemplo mediante un agitador en los líquidos o un ventilador en los gases.
3) Radiación: es la forma de transmisión en la que el calor pasa de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura sin que entre ellos exista un vinculo material. Esto indica que el calor se transmite en el vacío, en forma de ondas electromagnéticas denominadas comúnmente radiación o energía radiante.
Si bien para facilitar el fenómeno de transmisión hemos separado el fenómeno en tres formas diferentes, en la naturaleza el calor generalmente se transmite en dos o tres formas simultáneamente. Es decir que la conducción puede incluir también convección y radiación y los problemas de convección incluyen a la conducción y a la radiación.
Conducción del calor
Algunas sustancias conducen el calor mejor que otras y se las denomina buenos conductores, mientras que aquellas que lo hacen con mayor dificultad se denominan malos conductores o aisladores. Entre las primeras se encuentran los metales y entre los malos conductores los gases y los líquidos como así también muchos cuerpos sólidos. Se debe tener en cuenta que el mercurio por ser un metal es buen conductor del calor a pesar de encontrarse en estado líquido.
El mecanismo de la transmisión del calor se estudia más fácilmente en los cuerpos sólidos pues en este caso no hay convección. Al no haber movimiento relativo de moléculas.
La temperatura de un punto de un sólido en un instante dado, cuando el sólido está transmitiendo calor por conducción, depende de las coordenadas del punto considerado. Por otra parte, para cada punto en particular, la temperatura será en general función del tiempo.
Si referimos todos los puntos del sólido a un sistema de coordenadas x, y, z y llamamos τ al tiempo, podremos escribir entonces para la temperatura t que:
t = f(x, y, z, τ)
Cuando como en este caso, la distribución de las temperaturas de los puntos de un sólido depende no sólo de las coordenadas de los diferentes puntos sino también del tiempo, el estado térmico del cuerpo se denomina de régimen variable.
En un cuerpo sólido puede ocurrir que después de un cierto tiempo las temperaturas de todos sus puntos permanezcan constantes o sea que no varía con el tiempo. En este caso la distribución de las temperaturas dependerá solamente de las coordenadas de los diferentes puntos considerados, por lo que escribiremos:
t = f (x, y, z )
En este caso el estado térmico se denomina de régimen estacionario o permanente.
Estado térmico estacionario: gradiente o caída de temperatura
Supongamos, para simplificar, que el calor se transmite a lo largo del eje x, o sea que la distribución de las temperaturas es función de esa coordenada:
t = f (x ) en régimen estacionario
Además tomaremos una variación lineal de t con respecto a x, o sea:
t = a + b x
Para un punto A, la temperatura será:
t1 = a + b x1 (1)
y para el punto B:
t2 = a + b x2 (2)
Como el calor se transmite en el sentido de las temperaturas decrecientes, t1 > t2
Restando las ecuaciones (1) y (2):
t1 - t2 = b(x1 - x2)
o también:
t1 - t2 = - b(x2 - x1)
Luego:
Como t2 = f (x2) y t1 = f (x1)
G se denomina caída de temperatura y como t2 < t1 y f (x2) < f (x1), su valor es positivo.
Cuando A y B están próximos, siendo x el parámetro de A y t su temperatura, para el punto B, el parámetro será x + Δ x y su temperatura t + Δt.
La caída media de temperatura entre A y B será:
Cuando los puntos A y B están infinitamente próximos tendremos:
A la magnitud G se denomina gradiente de temperatura.