flujo de calor

En física e ingeniería , el flujo de calor o flujo térmico , a veces denominado densidad de flujo de calor ^{[ 1 ]} , densidad de flujo de calor o intensidad de la tasa de flujo de calor , es un flujo de energía por unidad de área por unidad de tiempo . Sus unidades del SI son vatios por metro cuadrado (W/m² ⁾ . Tiene dirección y magnitud, por lo que es una magnitud vectorial . Para definir el flujo de calor en un punto determinado del espacio, se toma el caso límite en el que el tamaño de la superficie se vuelve infinitesimalmente pequeño.

El flujo de calor se suele denominar ${\vec {\phi }}_{\mathrm {q} }$ , donde el subíndice $q$ especifica el flujo de calor , en contraposición al flujo de masa o momento . La ley de Fourier es una aplicación importante de estos conceptos.

Ley de Fourier

En la mayoría de los sólidos , en condiciones normales, el calor se transporta principalmente por conducción y el flujo de calor se describe adecuadamente mediante la ley de Fourier.

Ley de Fourier en una dimensión

$\phi _{\text{q}}=-k{\frac {\mathrm {d} T(x)}{\mathrm {d} x}}$

dónde $k$ es la conductividad térmica . El signo negativo indica que el flujo de calor se mueve desde regiones de mayor temperatura a regiones de menor temperatura.

Extensión multidimensional

El caso multidimensional es similar, el flujo de calor va "hacia abajo" y, por lo tanto, el gradiente de temperatura tiene signo negativo:

${\vec {\phi }}_{\mathrm {q} }=-k\nabla T$ dónde ${\nabla }$ es el operador gradiente .

Medición

La medición del flujo de calor se puede realizar de varias maneras diferentes.

Con una conductividad térmica dada

Un método conocido, pero a menudo poco práctico, consiste en medir la diferencia de temperatura a través de un material con una conductividad térmica conocida . Este método es similar a la medición estándar de la corriente eléctrica, donde se mide la caída de tensión en una resistencia conocida . Generalmente, este método es difícil de realizar, ya que la resistencia térmica del material analizado suele ser desconocida. Se requieren valores precisos del espesor y la conductividad térmica del material para determinar la resistencia térmica. Utilizando la resistencia térmica, junto con las mediciones de temperatura a ambos lados del material, se puede calcular indirectamente el flujo de calor.

Con conductividad térmica desconocida

Un segundo método para medir el flujo de calor consiste en utilizar un sensor o transductor de flujo de calor para medir directamente la cantidad de calor que se transfiere hacia/desde la superficie donde está montado. El tipo más común de sensor de flujo de calor es una termopila de temperatura diferencial , que funciona esencialmente con el mismo principio que el primer método de medición mencionado, con la ventaja de que la resistencia/conductividad térmica no necesita ser un parámetro conocido. Estos parámetros no tienen que conocerse, ya que el sensor de flujo de calor permite una medición in situ del flujo de calor existente mediante el efecto Seebeck . Sin embargo, los sensores de flujo de calor de termopila diferencial deben calibrarse para relacionar sus señales de salida [μV] con los valores de flujo de calor [W/(m² ^· K)]. Una vez calibrado, el sensor de flujo de calor puede utilizarse para medir directamente el flujo de calor sin necesidad de conocer el valor, a menudo desconocido, de la resistencia o conductividad térmica.

Ciencia e ingeniería

Una de las herramientas en la caja de herramientas de un científico o ingeniero es el balance energético . Dicho balance se puede establecer para cualquier sistema físico, desde reactores químicos hasta organismos vivos, y generalmente toma la siguiente forma:

{\big .}{\frac {\partial E_{\mathrm {in} }}{\partial t}}-{\frac {\partial E_{\mathrm {out} }}{\partial t}}-{\frac {\partial E_{\mathrm {accumulated} }}{\partial t}}=0

donde los tres ${\big .}{\frac {\partial E}{\partial t}}$ Los términos representan la tasa de cambio temporal de la cantidad total de energía entrante, la cantidad total de energía saliente y la cantidad total de energía acumulada, respectivamente.

Ahora bien, si la única forma en que el sistema intercambia energía con su entorno es a través de la transferencia de calor, la tasa de calor se puede utilizar para calcular el balance energético, ya que

{\frac {\partial E_{\mathrm {in} }}{\partial t}}-{\frac {\partial E_{\mathrm {out} }}{\partial t}}=\oint _{S}{\vec {\phi }}_{\mathrm {q} }\cdot \,\mathrm {d} {\vec {S}}

donde hemos integrado el flujo de calor ${\vec {\phi }}_{\mathrm {q} }$ sobre la superficie $S$ del sistema.

En aplicaciones del mundo real, no se puede conocer el flujo de calor exacto en cada punto de la superficie, pero se pueden utilizar esquemas de aproximación para calcular la integral, por ejemplo, la integración de Monte Carlo .

Véase también

Notas

↑ El término «flujo» se utiliza en la mayoría de las disciplinas físicas para referirse al flujo de una magnitud (masa, calor, momento, etc.) a través de una superficie por unidad de tiempo y por unidad de área . La principal excepción es el electromagnetismo, donde se refiere a la integral de una magnitud vectorial a través de una superficie. Consulte el artículo sobre flujo para obtener más detalles.

[1] El término «flujo» se utiliza en la mayoría de las disciplinas físicas para referirse al flujo de una magnitud (masa, calor, momento, etc.) a través de una superficie por unidad de tiempo y por unidad de área . La principal excepción es el electromagnetismo, donde se refiere a la integral de una magnitud vectorial a través de una superficie. Consulte el artículo sobre flujo para obtener más detalles.

[ 1 ]