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La magia del flujo de calor: ¿cómo se transfiere silenciosamente entre el aire y los objetos?
En física e ingeniería, el flujo de calor, o densidad de flujo de calor, a veces llamado intensidad de flujo de calor, es la cantidad de energía que fluye por unidad de área por unidad de tiempo. La unidad de este concepto es el vatio por metro cuadrado (W/m2). El flujo de calor tiene dirección y magnitud y, por lo tanto, se considera una cantidad vectorial. Ya sea en ciencia o ingeniería, la medición y aplicación adecuadas del concepto de flujo de calor son esenciales para comprender y mejorar diversos sistemas de gestión térmica.
El flujo de calor está en todas partes, tanto en nuestra vida diaria como en aplicaciones de ingeniería de alta tecnología.
Definición y aplicación del flujo de calor
Para definir el flujo de calor en un punto del espacio, normalmente consideramos estados superficiales infinitesimales. El flujo de calor a menudo se representa mediante
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, con la subetiquetaq que indica que se trata de un flujo de calor, no de un flujo de masa o momento. La ley de Fourier es una de las leyes importantes que describen el flujo de calor, especialmente en materiales sólidos, donde el calor se transfiere principalmente por conducción.
La ley de Fourier nos dice que el flujo de calor siempre fluye desde áreas de alta temperatura hacia áreas de baja temperatura.
Ley de Fourier y sus extensiones
La expresión de la ley de Fourier en una dimensión es:
φq = -k * dT(x)/dx
Donde k es la conductividad térmica. El signo negativo indica que el flujo de calor es hacia la zona de menor temperatura. Cuando exploramos situaciones multidimensionales, el flujo de calor todavía sigue principios similares:
Aquí, ∇ es el operador de gradiente, que muestra la relación entre el flujo de calor y el gradiente de temperatura.
Métodos para medir el flujo de calor
Hay varias formas de medir el flujo de calor. En primer lugar, podemos medir el flujo de calor a través de un material de conductividad térmica conocida, de forma similar a medir la caída de voltaje a través de una resistencia conocida al medir la corriente eléctrica. Sin embargo, este enfoque es relativamente difícil de implementar en situaciones prácticas porque la resistencia térmica del material generalmente no está clara, por lo que el espesor preciso del material y la conductividad térmica son cruciales.
Cuando se desconoce la conductividad térmica, un sensor de flujo de calor es una herramienta de medición eficaz.
Otra forma de medir el flujo de calor es utilizar un sensor de flujo de calor o un transductor de flujo de calor, que mide directamente la cantidad de calor transferida por la superficie en la que está montado. Por lo tanto, aunque no es necesario conocer los valores de resistencia térmica o conductividad térmica, podemos realizar mediciones in situ.
Aplicaciones de los sensores de flujo térmico
Los sensores de flujo de calor comunes, como las termopilas de temperatura diferencial, tienen un principio básico similar al primer método de medición mencionado anteriormente, pero no requieren conocimiento de la resistencia térmica o la conductividad térmica del producto. Esto hace que los sensores de flujo térmico sean más flexibles en muchas aplicaciones prácticas. Sin embargo, estas termopilas deben calibrarse para convertir su señal de salida (generalmente medida en microvoltios) en un valor de flujo de calor (medido en vatios por metro cuadrado por Kelvin). Una vez calibrado, el sensor de flujo de calor se puede utilizar para medir el flujo de calor directamente sin necesidad de conocer la resistencia térmica o la conductividad térmica.
Análisis del flujo térmico en ciencia e ingeniería Los científicos e ingenieros a menudo recurren a la herramienta del equilibrio energético, que puede aplicarse a cualquier sistema físico, desde reactores químicos hasta organismos biológicos. La fórmula del balance energético es la siguiente: ∂Eentrada/∂t - ∂Esalida/∂t - ∂Eacumulada/∂t = 0En ciencia e ingeniería, el balance energético es una herramienta importante para analizar el flujo de calor y los sistemas de gestión térmica.
Los tres elementos aquí representan el cambio total de energía que ingresa al sistema, el cambio total de energía que sale del sistema y el cambio acumulativo de energía dentro del sistema. Si la única forma de transferir energía es mediante flujo de calor, entonces la tasa de flujo de calor se puede utilizar para calcular el balance energético. Incluso en aplicaciones prácticas, donde no es posible conocer el flujo de calor exacto en cada punto de la superficie, podemos utilizar esquemas aproximados para realizar cálculos, como el método de integración de Monte Carlo.
Con el avance de la tecnología, la medición y el control del flujo de calor se han vuelto cada vez más importantes. Desempeñan un papel importante en diversas aplicaciones, como la gestión térmica de edificios, el diseño de disipación de calor de equipos electrónicos y muchos procesos industriales. En este mundo que cambia rápidamente, ¿podemos comprender mejor los misterios del flujo de calor para avanzar en la ciencia y la tecnología?
