Transferencia de calor impulsada por diferencias de temperatura: Aplicaciones y Distinciones en Ingeniería Termodinámica y Transferencia de Calor

En los innumerables mundos en los que vivimos se producen constantemente diversos procesos, uno de los procesos físicos más estrechamente relacionados con la supervivencia humana es la transferencia de energía térmica. Desde el aire acondicionado central de los edificios modernos hasta la formación de fenómenos meteorológicos naturales como la escarcha, la lluvia y la nieve, desde los retos de protección térmica de las naves espaciales que reingresan en la atmósfera hasta la refrigeración eficaz de los dispositivos electrónicos, desde los cambios estacionales en la ropa de las personas hasta el almacenamiento congelado de los alimentos humanos, todos están estrechamente relacionados con el proceso de transferencia de calor.

Los estudios sobre transferencia de calor son una disciplina que investiga las leyes de la transferencia de calor o energía causada por las diferencias de temperatura. La Segunda Ley de la Termodinámica establece que siempre que hay una diferencia de temperatura, el calor se transfiere de forma natural de un objeto a mayor temperatura a otro a menor temperatura. Este calor transferido suele denominarse energía térmica.

Las diferencias de temperatura existen en todas partes en la naturaleza y en diversos campos de la tecnología de producción, por lo que la transferencia de calor es un fenómeno físico muy común. Por ejemplo, los vientos en la naturaleza están causados por diferencias de temperatura entre dos lugares, haciendo que el aire fluya de una zona de temperatura más alta a otra de temperatura más baja, influenciado además por la rotación de la Tierra para formar el viento. Las corrientes oceánicas y los tifones también se deben a diferencias de temperatura que provocan el movimiento del agua o del aire. En la producción industrial, el uso de tubos calefactores de fibra de carbono para calentar productos también implica transferir el calor de los tubos calefactores al material calentado, lo que constituye otro proceso de transferencia de calor.

Las llamadas leyes de transferencia de calor relacionan principalmente la cantidad de calor transferida por unidad de tiempo con la correspondiente diferencia de temperatura dentro de un objeto. La relación de primer nivel que refleja esta ley se convierte en la ecuación de velocidad de transferencia de calor. En artículos posteriores, analizaré con ustedes las ecuaciones de velocidad de los tres modos básicos de transferencia de calor en determinadas condiciones simplificadas. Un nivel de estudio más profundo consiste en hallar la distribución de la temperatura en varios puntos dentro de un objeto en diferentes condiciones.

Los estudios de transferencia de calor y la ingeniería termodinámica son disciplinas relacionadas con los fenómenos térmicos. En el sector de la enseñanza de la ingeniería en China, estos dos cursos se denominan colectivamente cursos de ingeniería térmica. La diferencia fundamental entre estos dos campos de la ciencia puede explicarse de la siguiente manera: La ingeniería termodinámica estudia los sistemas en equilibrio, en los que no hay diferencias de temperatura ni diferencias de presión, mientras que la transferencia de calor estudia precisamente lo contrario, las leyes de la transferencia de calor que implican diferencias de temperatura. Por ejemplo, consideremos el proceso de enfriamiento de un lingote de acero desde 1000°C en un baño de aceite hasta 100°C. La termodinámica estudia el calor perdido por kilogramo de lingote de acero durante este proceso de enfriamiento y el calor absorbido por el baño de aceite, pero la termodinámica no puede decirnos cuánto tiempo tarda este sistema de temperatura en alcanzar el equilibrio. Este tiempo depende de la temperatura del baño de aceite, del movimiento del aceite, de las propiedades físicas del aceite, etc., que son precisamente lo que estudia la transferencia de calor.

Además, debido a la diferencia fundamental mencionada anteriormente, existe una distinción en los parámetros físicos utilizados en termodinámica y transferencia de calor: en termodinámica, las magnitudes físicas no incluyen el tiempo, mientras que en transferencia de calor, las principales magnitudes físicas se denominan en tiempo, es decir, la transferencia de calor se ocupa más de cuánta energía térmica puede transferirse por unidad de tiempo. Por otra parte, los estudios de transferencia de calor están estrechamente relacionados con la termodinámica de la ingeniería: el análisis de cualquier proceso de transferencia de calor debe utilizar la Primera Ley de la Termodinámica, es decir, la ley de conservación de la energía. La Primera Ley de la Termodinámica puede aplicarse tanto en sistemas cerrados como abiertos, y cada tipo de sistema tiene estados estacionarios y no estacionarios. Desde el punto de vista de la transferencia de calor, un proceso en estado estacionario es aquel en el que la temperatura en cada punto del sistema no cambia con el tiempo, mientras que en un proceso en estado inestable, las temperaturas en cada punto cambian con el tiempo.

En futuros debates sobre la conducción de calor en sólidos, utilizaremos la Primera Ley de la Termodinámica para sistemas cerrados, mientras que el estudio de la transferencia de calor por convección requiere el uso de sistemas abiertos. Además, cuando la energía térmica se transfiere de un medio a otro, el principio de conservación de la energía debe aplicarse también en la interfase entre los dos medios, como en el mencionado proceso de enfriamiento de un lingote de acero en un baño de aceite, en la interfase entre el sólido y el líquido, tanto si el proceso de transferencia de calor es estacionario como inestable, consideramos que el calor transferido del sólido al líquido y el calor absorbido por el líquido del sólido son iguales en cualquier momento dado. Los conceptos de equilibrio energético y equilibrio térmico que se mencionan en física de secundaria son, en realidad, simples términos de la Primera Ley de la Termodinámica.

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