Cuándo dos sistemas entran en contacto, el calor se propaga de forma espontánea desde el sistema con mayor temperatura hacia el sistema con menor temperatura hasta alcanzar el equilibrio térmico, uno de los componentes del estado de equilibrio termodinámico.
Lo mismo ocurre dentro de un mismo sistema en el que exista un gradiente térmico, el calor se propagará desde las zonas de mayor temperatura hacia las zonas de menor temperatura.
Esta transmisión o transferencia de calor se puede producir de tres formas:
- Conducción
- Radiación
- Convección
La convección térmica es, por tanto, una forma de transferencia de calor. En concreto, es la transferencia de calor que se produce en medios fluidos debido al movimiento de grupos de moléculas mediante advección, difusión o ambos.
En este movimiento intervienen frecuentemente fuerzas externas cuya acción está relacionada con propiedades del fluido que cambian con la temperatura. Por ejemplo, la gravedad es una fuerza externa que determina el peso, y este a su vez está relacionado con la densidad, propiedad a la que le afecta la temperatura.
Generalmente, al aumentar la temperatura disminuye la densidad y los fluidos se hacen menos pesados. Si en un fluido existen zonas con diferentes temperaturas, el fluido de la zona más caliente tenderá a ascender desplazando a masas frías y más pesadas hacia abajo.
Con el movimiento, las moléculas calientes se mezclan con las frías y la fracción caliente se va enfriando a medida que asciende. Al enfriarse se va haciendo cada vez más densa hasta que se enfría lo suficiente y comienza de nuevo a caer. Así se crean las conocidas como corrientes convectivas.
Si hay una fuente de calor, las corrientes convectivas continúan indefinidamente. Si la fuente de calor cesa, las corrientes convectivas van haciéndose más lentas hasta que desaparecen cuándo todo el fluido, ya sea líquido o gaseoso, alcanza una temperatura homogénea.
Las corrientes convectivas son muy importantes en la naturaleza. Son responsables, en gran medida, de los movimientos de aire en la atmósfera, de las corrientes oceánicas y de la tectónica de placas.
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Ley de Enfriamiento de Newton
La transferencia de calor por convección se rige por la conocida como Ley de Enfriamiento de Newton. Según esta Ley, la tasa de pérdida de calor de un objeto es proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el medio que le rodea.
Expresado de forma matemática:
Dónde:
- Q es la energía térmica.
- t es el tiempo.
- h es el coeficiente de transferencia de calor.
- A es la superficie que transmite calor al medio, la superficie del objeto.
- Ts – Tenv es el gradiente térmico debido a la diferencia de temperatura entre el objeto, generalmente tomada como la temperatura en su superficie, y la temperatura del medio, generalmente tomada como la temperatura del medio lejos de la superficie del objeto.
Aplicando esta fórmula a la convección térmica en fluidos, h es el coeficiente de convección.
No obstante, la Ley del enfriamiento de Newton tiene limitaciones en su aplicación a la convección térmica y se considera generalmente un método de aproximación. Aún así, es muy utilizado para predecir movimientos convectivos en diferentes fluidos; por ejemplo, se utiliza para predecir movimientos atomosféricos, imprescindible para realizar predicciones meteorológicas.
Radiación y conducción
Además de la convección, el calor se puede transmitir mediante radiación y mediante conducción. De hecho, lo más común es que el calor de un objeto se transmita de varias formas a la vez. A diferencia de la convección, en la radiación y en la conducción no interviene desplazamiento de masa.
En el caso de la radiación, el calor se transmite mediante ondas electromagnéticas que se producen por cambios en la configuración electrónica de los átomos y moléculas del sistema. La transmisión por radiación, que se da en cualquier superficie de temperatura finita, hace posible que se pueda trasmitir calor entre dos superficies en ausencia de medio y sin contacto directo.
La cantidad de calor irradiado por una superficie se rige por la Ley de Stefan-Boltzmann y se puede dar en cualquier medio, ya sea sólido, líquido o gaseoso.
En el caso de la conducción, por el contrario, la trasmisión de calor requiere contacto directo entre partículas, y por tanto requiere de un medio material. A mayor temperatura, los átomos y moléculas tienen una mayor vibración, más energía cinética. Al chocar diferentes partículas, las de mayor movimiento pueden acelerar a las más lentas; las primeras ceden parte de su energía cinética y se enfrian, mientras que las segundas absorben la energía cinética y se calientan.
La tasa de transmisión de calor por conducción se rige por Ley de Fourier y se puede dar en cualquier medio, aunque en fluidos sólo se daría conducción pura si se pudiera excluir la convección. Y lo mismo ocurre al contrario, la convección pura solo se daría si se pudiera excluir la conducción.
Otros tipos de convección
Además de la convección térmica, a veces también llamada convección natural o libre y que se debe a diferentes temperaturas y su relación con la densidad, existen otros tipos de convección. Entre ellos:
- Convección forzada: utilizando fuerzas externas se puede forzar la convección en un fluido, por ejemplo con ayuda de un ventilador o de una bomba. Generalmente se utiliza para aumentar la tasa de intercambio de calor.
- Convección gravitacional: se debe a la acción de la fuerza de gravedad en diferentes partes de un fluido de forma independiente a la temperatura. Generalmente se debe a variaciones en la composición que generan diferentes fuerzas de flotación.
- Convección granular: la convección granular es una convección inducida por vibración que se puede observar en polvos y materiales granulares cuándo se someten a vibración mecánica.
- Convección termomagnética: si un fluido susceptible a campos magnéticos, por ejemplo un ferrofluido, no presenta una temperatura homogénea, se puede crear un cuerpo magnético no uniforme que cree corrientes convectivas. Es útil en dispositivos microelectrónicos dónde la convección natural no proporcione una transferencia de calor adecuada.
- Otros: la acción capilar, el efecto Marangoni, el efecto Weissenberg o la expansión por calor, son otros fenómenos que pueden dar lugar a convección en un fluido.