Convección

¿Qué es la convección?

La convección es uno de los tres mecanismos en los que se transfiere calor desde una zona más caliente hacia otra más fría. Sucede por el movimiento de la masa de un fluido, que puede ser líquido o un gas. En todo caso, se requiere siempre de un medio material para que este mecanismo se pueda dar.

Mientras más rápido sea el movimiento del fluido en cuestión, más rápida será la transferencia de energía térmica entre zonas de distinta temperatura. Esto ocurre continuamente con las masas de aire atmosférico: la flotabilidad se encarga de que las más calientes y menos densas asciendan mientras las más frías y densas descienden.

Un ejemplo de ello está en la imagen superior, donde se explica el movimiento de los fluidos fríos y calientes.

Tipos de convección

• Convección natural y forzada. La convección puede ser natural o forzada. En el primer caso, el fluido se mueve por sí mismo, como al abrir la puerta de una habitación, mientras que en el segundo se le obliga mediante un ventilador o una bomba, por ejemplo.

• Difusión y advección. También pueden darse dos variantes: difusión y advección. En la difusión, las moléculas del fluido se mueven de forma más o menos aleatoria y la transmisión de calor es lenta. En cambio, en la advección se mueve una buena cantidad de masa de fluido, lo que puede lograrse forzando la convección con un ventilador, por ejemplo. Pero la ventaja de la advección es que es mucho más rápida que la difusión.

Transferencia del calor por convección

Un modelo matemático sencillo de transferencia de calor por convección es la ley de enfriamiento de Newton. Consideremos una superficie caliente de área A, rodeada de aire más frío, de tal manera que la diferencia de temperatura sea pequeña.

Llamemos Q al calor transferido y t al tiempo. La tasa a la que el calor se transfiere es dQ/dt o derivada de la función Q(t) respecto al tiempo.

Como el calor es energía térmica, sus unidades en el Sistema Internacional son joules (J), por lo tanto, la tasa de transferencia viene en joules/segundo, que son watts o vatios (W).

Esta tasa es directamente proporcional a la diferencia de temperatura entre el objeto caliente y el medio, denotada como ΔT y también al área superficial A del objeto:

ΔT = Temperatura en la superficie del objeto – Temperatura lejos del objeto

La constante de proporcionalidad se llama h, que es el coeficiente de transmisión de calor por convección y se determina experimentalmente. Sus unidades en Sistema Internacional (SI) son W/m². K, pero es habitual encontrarlo en términos de grados Celsius o centígrados.

Es importante destacar que este coeficiente no es una propiedad de fluido, ya que depende de diversas variables, como la geometría de la superficie, la velocidad del fluido y otras características.

Combinando todo lo antes dicho, matemáticamente la ley de enfriamiento de Newton adquiere esta forma:

dQ/dt = hA ΔT

Aplicación de la ley de enfriamiento de Newton

Una persona se para en medio de una habitación a 20 °C, a través de la cual sopla una leve brisa. ¿Cuál es la tasa de calor que la persona transmite al ambiente por convección? Suponga que el área superficial expuesta es 1.6 m² y la temperatura superficial de la piel es de 29 °C.

Dato: el coeficiente de transferencia de calor por convección en este caso es de 6 W/m². °C

Solución

La persona puede transmitir calor al aire que la rodea, ya que este se encuentra en movimiento al soplar la brisa. Para encontrar la tasa de transferencia dQ/dt, simplemente se sustituyen los valores en la ecuación de Newton para el enfriamiento:

dQ/dt = 6 W/m². °C x 1.6 m² x (29 °C – 20 °C) = 86.4 W.

Ejemplos de convección

• Calentar las manos en una fogata. Es común calentarse las manos acercándolas a una fogata o al tostador caliente, ya que el aire que rodea la fuente de calor se calienta a su vez y se expande, elevándose por ser menos denso. Mientras circula, este aire caliente envuelve y calienta las manos.
• Flujo de aire en la costa. En la costa, el mar está más frío que la tierra, así que el aire que está sobre la tierra se calienta y sube, mientras que el más frío llega y se establece en el espacio dejado por este otro al ascender. A esto se le denomina célula de convección, y es la razón por la cual se siente más fresco cuando se mira al mar y la brisa sopla contra la cara en un día caluroso. En la noche ocurre al contrario, la brisa fresca viene desde tierra.
• El ciclo del agua. La convección natural ocurre en el aire de las costas oceánicas mediante el ciclo hidrológico, en el cual el agua se calienta y evapora gracias a la radiación solar. El vapor de agua así formado asciende, se enfría y se condensa formando nubes, cuyas masas aumentan y ascienden por convección. Al aumentar el tamaño de las gotas de agua llega un momento en que el agua se precipita en forma de lluvias, sólidas o líquidas, según la temperatura.

• Hervir agua en un recipiente. Cuando se coloca el agua en la tetera o la cacerola, las capas más cercanas al fondo se calientan primero, ya que la llama o el calor de la hornilla está más cerca. Luego, el agua se expande y su densidad disminuye, por lo tanto, asciende y el agua más fría toma su lugar en el fondo del recipiente. De esta forma, todas las capas circulan rápidamente y toda la masa de agua se calienta. Este es un buen ejemplo de advección.

• Generación de vientos. La convección en las masas de aire, junto con el movimiento de rotación terrestre produce vientos, ya que el aire frío se mueve y circula por debajo del aire caliente, creando corrientes diversas llamadas corrientes de convección.
• Corrientes oceánicas. El agua se comporta de manera semejante a como lo hace el aire en la atmósfera. Las aguas más cálidas se encuentran casi siempre cerca de la superficie, mientras que las más frías son más profundas.
• Efecto dinamo. Ocurre en el núcleo fundido del interior del planeta, donde se combina con el movimiento de rotación de la Tierra, generando corrientes eléctricas que dan lugar al campo magnético terrestre.
• Transmisión de energía en el interior de las estrellas. Las estrellas como el Sol son enormes esferas de gas. La convección es un mecanismo eficiente de transporte de energía allí, ya que las moléculas gaseosas tienen suficiente libertad de moverse entre zonas del interior de las estrellas.

Aplicaciones de la convección

• Aires acondicionados. El aire acondicionado se coloca cerca del techo de las habitaciones, para que el aire enfriado, más denso, descienda y enfríe más cerca del suelo rápidamente.
• Intercambiadores de calor. Es un dispositivo que permite la transmisión de calor de un fluido a otro y es el principio de funcionamiento de los aires acondicionados y los mecanismos de enfriamiento del motor del automóvil, por ejemplo.
• Aislantes térmicos en construcciones. Se hacen combinando láminas de material aislante y añadiendo burbujas de aire en el interior.
• Torres de enfriamiento. También llamadas torres de refrigeración, sirven para desechar al aire el calor producido por centrales nucleares, refinerías de petróleo y otras instalaciones industriales diversas, en lugar de hacerlo a la tierra o a las aguas.

Referencias

1. Giambattista, A. Physics. 2nd. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Conducción, convección y radiación. Recuperado de eltamiz.com.
3. Aplicaciones del calor. Recuperado de natahenao.wordpress.com.
4. Convection. Recuperado de en.wikipedia.org.
5. Convection thermique. Recuperado de fr.wikipedia.org.