Transferencia de calor

Mediante la transferencia de materia, la energía —incluida la energía térmica— se mueve a través del traslado físico de un objeto caliente o frío de un lugar a otro. Esto puede ser tan simple como colocar agua caliente en una botella y calentar una cama, o el movimiento de un iceberg en las corrientes oceánicas cambiantes. Un ejemplo práctico es la termohidráulica . Esta se puede describir mediante la fórmula: $${\displaystyle \phi _{q}=v\rho c_{p}\Delta T}$$ dónde

• ${\displaystyle \phi _{q}}$es el flujo de calor (W/m ² ),
• ${\displaystyle \rho }$es la densidad (kg/m ³ ),
• ${\displaystyle c_{p}}$es la capacidad calorífica a presión constante (J/kg·K),
• ${\displaystyle \Delta T}$es la diferencia de temperatura (K),
• ${\displaystyle v}$es la velocidad (m/s).

A escala microscópica, la conducción de calor ocurre cuando átomos y moléculas calientes, que se mueven rápidamente o vibran, interactúan con átomos y moléculas vecinos, transfiriendo parte de su energía (calor) a estas partículas vecinas. En otras palabras, el calor se transfiere por conducción cuando los átomos adyacentes vibran entre sí, o cuando los electrones se mueven de un átomo a otro. La conducción es el medio más significativo de transferencia de calor dentro de un sólido o entre objetos sólidos en contacto térmico . Los fluidos, especialmente los gases, son menos conductores. La conductancia de contacto térmico es el estudio de la conducción de calor entre cuerpos sólidos en contacto. ^{[ 8 ]} El proceso de transferencia de calor de un lugar a otro sin el movimiento de partículas se llama conducción, como cuando se coloca una mano sobre un vaso de agua fría: el calor se conduce de la piel caliente al vaso frío, pero si la mano se mantiene a unos centímetros del vaso, ocurriría poca conducción ya que el aire es un mal conductor del calor. La conducción en estado estacionario es un modelo idealizado de conducción que ocurre cuando la diferencia de temperatura que impulsa la conducción es constante, de modo que después de un tiempo, la distribución espacial de temperaturas en el objeto conductor no cambia más (ver ley de Fourier ). ^{[ 9 ]} En la conducción en estado estacionario, la cantidad de calor que entra en una sección es igual a la cantidad de calor que sale, ya que el cambio de temperatura (una medida de la energía calorífica) es cero. ^{[ 8 ]} Un ejemplo de conducción en estado estacionario es el flujo de calor a través de las paredes de una casa cálida en un día frío: dentro de la casa se mantiene una temperatura alta y, fuera, la temperatura permanece baja, por lo que la transferencia de calor por unidad de tiempo se mantiene cerca de una tasa constante determinada por el aislamiento en la pared y la distribución espacial de la temperatura en las paredes será aproximadamente constante en el tiempo.

La conducción transitoria (véase la ecuación del calor ) se produce cuando la temperatura dentro de un objeto cambia en función del tiempo. El análisis de sistemas transitorios es más complejo, y las soluciones analíticas de la ecuación del calor solo son válidas para sistemas modelo idealizados. Las aplicaciones prácticas se investigan generalmente mediante métodos numéricos, técnicas de aproximación o estudios empíricos. ^{[ 8 ]}

El flujo de un fluido puede ser impulsado por procesos externos o, en ocasiones (en campos gravitatorios), por fuerzas de flotación causadas por la expansión del fluido debido a la energía térmica (por ejemplo, en una columna de humo), influyendo así en su propia transferencia. Este último proceso se conoce como «convección natural». Todos los procesos convectivos también transfieren calor, en parte, por difusión. Otra forma de convección es la convección forzada. En este caso, el fluido se impulsa mediante una bomba, un ventilador u otro medio mecánico.

La transferencia de calor por convección , o simplemente convección, es la transferencia de calor de un lugar a otro mediante el movimiento de fluidos , un proceso que es esencialmente la transferencia de calor a través de la transferencia de masa . El movimiento global del fluido mejora la transferencia de calor en muchas situaciones físicas, como entre una superficie sólida y el fluido. ^{[ 10 ]} La convección suele ser la forma dominante de transferencia de calor en líquidos y gases. Aunque a veces se habla de ella como un tercer método de transferencia de calor, la convección se utiliza generalmente para describir los efectos combinados de la conducción de calor dentro del fluido (difusión) y la transferencia de calor por el flujo global del fluido. ^{[ 11 ]} El proceso de transporte por el flujo del fluido se conoce como advección, pero la advección pura es un término que generalmente se asocia solo con el transporte de masa en fluidos, como la advección de guijarros en un río. En el caso de la transferencia de calor en fluidos, donde el transporte por advección en un fluido siempre va acompañado también del transporte por difusión de calor (también conocido como conducción de calor), se entiende que el proceso de convección de calor se refiere a la suma del transporte de calor por advección y difusión/conducción.

La convección libre o natural se produce cuando los movimientos del fluido (corrientes) son causados ​​por fuerzas de flotación que resultan de variaciones de densidad debidas a variaciones de temperatura en el fluido. La convección forzada es un término que se utiliza cuando las corrientes en el fluido se inducen mediante medios externos, como ventiladores, agitadores y bombas, creando una corriente de convección artificialmente inducida. ^{[ 12 ]}

En un fluido que se calienta desde abajo de su recipiente, la conducción y la convección compiten por predominar. Si la conducción de calor es excesiva, el fluido que desciende por convección se calienta tan rápidamente que su flotabilidad lo detiene , mientras que el fluido que asciende por convección se enfría tan rápidamente que su flotabilidad disminuye. Por otro lado, si la conducción de calor es muy baja, se puede formar un gran gradiente de temperatura y la convección puede ser muy intensa.

El número de Rayleigh (${\displaystyle \mathrm {Ra} }$) es el producto del Grashof (${\displaystyle \mathrm {Gr} }$) y Prandtl (${\displaystyle \mathrm {Pr} }$) números. Es una medida que determina la fuerza relativa de la conducción y la convección. ^{[ 13 ]}

$${\displaystyle \mathrm {Ra} =\mathrm {Gr} \cdot \mathrm {Pr} ={\frac {g\Delta \rho L^{3}}{\mu \alpha }}={\frac {g\beta \Delta TL^{3}}{\nu \alpha }}}$$ dónde

• g es la aceleración debida a la gravedad,
• ρ es la densidad con${\displaystyle \Delta \rho }$siendo la diferencia de densidad entre los extremos inferior y superior,
• μ es la viscosidad dinámica ,
• α es la difusividad térmica ,
• β es la expansividad térmica volumétrica (a veces denotada como α en otros contextos),
• T es la temperatura,
• ν es la viscosidad cinemática y
• L es la longitud característica.

El número de Rayleigh puede entenderse como la relación entre la tasa de transferencia de calor por convección y la tasa de transferencia de calor por conducción; o, equivalentemente, la relación entre las escalas de tiempo correspondientes (es decir, la escala de tiempo de conducción dividida por la escala de tiempo de convección), con un factor numérico. Esto se puede ver de la siguiente manera, donde todos los cálculos tienen un factor numérico que depende de la geometría del sistema.

La fuerza de flotación que impulsa la convección es aproximadamente${\displaystyle g\Delta \rho L^{3}}$, por lo que la presión correspondiente es aproximadamente${\displaystyle g\Delta \rho L}$. En estado estacionario , esto se cancela por el esfuerzo cortante debido a la viscosidad y, por lo tanto, es aproximadamente igual a${\displaystyle \mu V/L=\mu /T_{\text{conv}}}$, donde V es la velocidad típica del fluido debido a la convección y${\displaystyle T_{\text{conv}}}$el orden de su escala de tiempo. ^{[ 14 ]} La escala de tiempo de conducción, por otro lado, es del orden de${\displaystyle T_{\text{cond}}=L^{2}/\alpha }$.

La convección se produce cuando el número de Rayleigh es superior a 1.000-2.000.

La transferencia de calor por radiación es la transferencia de energía mediante radiación térmica , es decir, ondas electromagnéticas . ^{[ 1 ]} Ocurre a través del vacío o cualquier medio transparente ( sólido , fluido o gas ). ^{[ 15 ]} Todos los objetos emiten radiación térmica a temperaturas superiores al cero absoluto , debido a los movimientos aleatorios de átomos y moléculas en la materia. Dado que estos átomos y moléculas están compuestos de partículas cargadas ( protones y electrones ), su movimiento produce la emisión de radiación electromagnética que transporta energía. La radiación suele ser importante únicamente en aplicaciones de ingeniería para objetos muy calientes o para objetos con una gran diferencia de temperatura.

Cuando los objetos y las distancias que los separan son grandes en tamaño y en comparación con la longitud de onda de la radiación térmica, la tasa de transferencia de energía radiante se describe mejor mediante la ecuación de Stefan-Boltzmann : $${\displaystyle \phi _{q}=\epsilon \sigma T^{4}.}$$

Para la transferencia radiativa entre dos objetos, la ecuación es la siguiente: $${\displaystyle \phi _{q}=\epsilon \sigma F(T_{a}^{4}-T_{b}^{4}),}$$ dónde

• ${\displaystyle \phi _{q}}$es el flujo de calor ,
• ${\displaystyle \epsilon }$es la emisividad (unidad para un cuerpo negro ),
• ${\displaystyle \sigma }$es la constante de Stefan-Boltzmann ,
• ${\displaystyle F}$es el factor de visión entre dos superficies a y b, ^{[ 16 ]} y
• ${\displaystyle T_{a}}$y${\displaystyle T_{b}}$son las temperaturas absolutas (en kelvin o grados Rankine ) de los dos objetos.

El límite de cuerpo negro establecido por la ecuación de Stefan-Boltzmann puede superarse cuando los objetos que intercambian radiación térmica o las distancias que los separan son de escala comparable o menores que la longitud de onda térmica dominante . El estudio de estos casos se denomina transferencia de calor radiativa de campo cercano .

La radiación solar puede aprovecharse para generar calor y energía. ^{[ 17 ]} A diferencia de las formas de transferencia de calor por conducción y convección, la radiación térmica —que llega con un ángulo estrecho, es decir, que proviene de una fuente mucho más pequeña que su distancia— puede concentrarse en un punto pequeño mediante el uso de espejos reflectantes, lo que se aprovecha en la generación de energía solar concentrada o en un vidrio incandescente . ^{[ 18 ]} Por ejemplo, la luz solar reflejada por los espejos calienta la torre de energía solar PS10 y, durante el día, puede calentar agua a 285 °C (545 °F) . ^{[ 19 ]}  

La temperatura alcanzable en el objetivo está limitada por la temperatura de la fuente de radiación caliente. (La ley T4 ^permite que el flujo inverso de radiación de regreso a la fuente ascienda). El sol , que en su superficie alcanza unos 4000 K , permite alcanzar aproximadamente 3000 K (o 3000  °C, que son unos 3273 K) en una pequeña sonda en el punto focal de un gran espejo concentrador cóncavo del Horno Solar de Mont-Louis en Francia. ^{[ 20 ]}

El punto de ebullición de una sustancia es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión que rodea al líquido ^{[ 22 ] [ 23 ]} y el líquido se evapora, lo que resulta en un cambio abrupto en el volumen de vapor.

En un sistema cerrado , la temperatura de saturación y el punto de ebullición son sinónimos. La temperatura de saturación es aquella a la que, bajo una presión de saturación determinada, un líquido hierve y se convierte en vapor. Se dice que el líquido está saturado de energía térmica. Cualquier adición de energía térmica produce una transición de fase.

A presión atmosférica estándar y bajas temperaturas , no se produce ebullición y la tasa de transferencia de calor está controlada por los mecanismos monofásicos habituales. Al aumentar la temperatura superficial, se produce ebullición localizada y se nuclean burbujas de vapor que crecen en el fluido circundante más frío y colapsan. Este es el fenómeno de ebullición nucleada subenfriada , un mecanismo de transferencia de calor muy eficiente. A altas tasas de generación de burbujas, estas comienzan a interferir entre sí y el flujo de calor deja de aumentar rápidamente con la temperatura superficial (esto marca el fin de la ebullición nucleada , o EBN).

A presiones atmosféricas estándar similares y altas temperaturas , se alcanza el régimen hidrodinámicamente más estable de ebullición en película . Los flujos de calor a través de las capas de vapor estables son bajos, pero aumentan lentamente con la temperatura. Cualquier contacto visible entre el fluido y la superficie probablemente conduce a la nucleación extremadamente rápida de una nueva capa de vapor (" nucleación espontánea "). A temperaturas aún más altas, se alcanza un máximo en el flujo de calor (el flujo de calor crítico , o CHF).

El efecto Leidenfrost demuestra cómo la ebullición nucleada ralentiza la transferencia de calor debido a las burbujas de gas en la superficie del calentador. Como se mencionó, la conductividad térmica en fase gaseosa es mucho menor que en fase líquida, por lo que se produce una especie de " barrera térmica de gas ".

La condensación se produce cuando un vapor se enfría y cambia de fase a líquido. Durante la condensación, se debe liberar el calor latente de vaporización . La cantidad de calor es la misma que la absorbida durante la vaporización a la misma presión del fluido. ^{[ 24 ]}

Existen varios tipos de condensación:

• Condensación homogénea, como durante la formación de la niebla.
• Condensación en contacto directo con líquido subenfriado.
• Condensación por contacto directo con una pared de refrigeración de un intercambiador de calor: Este es el modo más común utilizado en la industria:
  • La condensación en película se produce cuando se forma una película líquida sobre la superficie subenfriada, y suele ocurrir cuando el líquido moja la superficie.
  • La condensación por gotas se produce cuando se forman gotas de líquido sobre la superficie subenfriada, y suele ocurrir cuando el líquido no moja la superficie.
  La condensación por goteo es difícil de mantener de forma fiable; por lo tanto, los equipos industriales normalmente se diseñan para funcionar en modo de condensación por película.

La fusión es un proceso térmico que produce la transición de fase de una sustancia de sólido a líquido . La energía interna de una sustancia aumenta, generalmente mediante calor o presión, lo que provoca un aumento de su temperatura hasta el punto de fusión , en el cual el ordenamiento de las entidades iónicas o moleculares en el sólido se descompone a un estado menos ordenado y el sólido se licúa. Las sustancias fundidas generalmente tienen una viscosidad reducida a medida que aumenta la temperatura; una excepción a esta máxima es el azufre , cuya viscosidad aumenta hasta cierto punto debido a la polimerización y luego disminuye a temperaturas más altas en su estado fundido. ^{[ 25 ]}

La ecuación del calor es una importante ecuación diferencial parcial que describe la distribución del calor (o variación de temperatura) en una región determinada a lo largo del tiempo. En algunos casos, se dispone de soluciones exactas de la ecuación; ^{[ 26 ]} en otros casos la ecuación debe resolverse numéricamente utilizando métodos computacionales como los modelos basados ​​en DEM para sistemas de partículas térmicas/reactivas (como se revisa críticamente por Peng et al. ^{[ 27 ]} ).

El análisis de sistemas concentrados a menudo reduce la complejidad de las ecuaciones a una ecuación diferencial lineal de primer orden, en cuyo caso el calentamiento y el enfriamiento se describen mediante una solución exponencial simple, a menudo denominada ley de enfriamiento de Newton .

El análisis de sistemas mediante el modelo de capacitancia concentrada es una aproximación común en la conducción transitoria que se puede utilizar cuando la conducción de calor dentro de un objeto es mucho más rápida que la conducción de calor a través de su contorno. Este método de aproximación reduce un aspecto del sistema de conducción transitoria —el que ocurre dentro del objeto— a un sistema equivalente en estado estacionario. Es decir, el método supone que la temperatura dentro del objeto es completamente uniforme, aunque su valor puede variar con el tiempo.

En este método, se calcula la relación entre la resistencia a la conducción del calor dentro del objeto y la resistencia a la transferencia de calor por convección a través de su contorno, conocida como número de Biot . Para números de Biot pequeños, se puede utilizar la aproximación de una temperatura espacialmente uniforme dentro del objeto : se puede suponer que el calor transferido al objeto tiene tiempo para distribuirse uniformemente, debido a la menor resistencia a dicha distribución, en comparación con la resistencia al calor que ingresa al objeto. ^{[ 28 ]}

Los modelos climáticos estudian la transferencia de calor radiante utilizando métodos cuantitativos para simular las interacciones de la atmósfera, los océanos, la superficie terrestre y el hielo. ^{[ 29 ]}

Los aislantes térmicos son materiales diseñados específicamente para reducir el flujo de calor limitando la conducción, la convección o ambas. La resistencia térmica es una propiedad del calor y la medida mediante la cual un objeto o material se resiste al flujo de calor (calor por unidad de tiempo o resistencia térmica) en función de la diferencia de temperatura.

La radiancia , o radiancia espectral, es una medida de la cantidad de radiación que atraviesa o emite un material. Las barreras radiantes son materiales que reflejan la radiación y, por lo tanto, reducen el flujo de calor proveniente de fuentes de radiación. Los buenos aislantes no son necesariamente buenas barreras radiantes, y viceversa. El metal, por ejemplo, es un excelente reflector y un mal aislante.

La eficacia de una barrera radiante se indica mediante su reflectividad , que es la fracción de radiación reflejada. Un material con alta reflectividad (a una longitud de onda determinada) tiene baja emisividad (a esa misma longitud de onda), y viceversa. A cualquier longitud de onda específica, reflectividad = 1 - emisividad. Una barrera radiante ideal tendría una reflectividad de 1 y, por lo tanto, reflejaría el 100 % de la radiación incidente. Los termos , o Dewars, se recubren de plata para aproximarse a este ideal. En el vacío del espacio, los satélites utilizan aislamiento multicapa , que consiste en muchas capas de Mylar aluminizado (brillante) para reducir considerablemente la transferencia de calor por radiación y controlar la temperatura del satélite.

Un motor térmico es un sistema que realiza la conversión de un flujo de energía térmica (calor) en energía mecánica para realizar trabajo mecánico . ^{[ 30 ] [ 31 ]} Un termopar es un dispositivo de medición de temperatura y un tipo de sensor de temperatura ampliamente utilizado para medición y control, y también puede utilizarse para convertir calor en energía eléctrica. Un enfriador termoeléctrico es un dispositivo electrónico de estado sólido que bombea (transfiere) calor de un lado del dispositivo al otro cuando pasa una corriente eléctrica a través de él. Se basa en el efecto Peltier . Un diodo térmico o rectificador térmico es un dispositivo que hace que el calor fluya preferentemente en una dirección.

El uso eficiente de la energía tiene como objetivo reducir la cantidad de energía necesaria para la calefacción o la refrigeración. En arquitectura, la condensación y las corrientes de aire pueden causar daños estéticos o estructurales. Una auditoría energética puede ayudar a evaluar la implementación de los procedimientos correctivos recomendados. Por ejemplo, mejoras en el aislamiento, sellado de fugas estructurales o la instalación de ventanas y puertas de alta eficiencia energética. ^{[ 34 ]}

• El contador inteligente es un dispositivo que registra el consumo de energía eléctrica a intervalos regulares.
• La transmitancia térmica es la tasa de transferencia de calor a través de una estructura dividida por la diferencia de temperatura a través de ella. Se expresa en vatios por metro cuadrado por kelvin, o W/(m²K ⁾ . Las partes bien aisladas de un edificio tienen una baja transmitancia térmica, mientras que las partes mal aisladas tienen una alta transmitancia térmica.
• El termostato es un dispositivo para monitorear y controlar la temperatura.

La geoingeniería climática consiste en la eliminación de dióxido de carbono y la gestión de la radiación solar . Dado que la cantidad de dióxido de carbono determina el balance radiativo de la atmósfera terrestre, se pueden aplicar técnicas de eliminación de dióxido de carbono para reducir el forzamiento radiativo . La gestión de la radiación solar consiste en intentar absorber menos radiación solar para contrarrestar los efectos de los gases de efecto invernadero .

Un método alternativo es el enfriamiento radiativo diurno pasivo , que mejora el flujo de calor terrestre hacia el espacio exterior a través de la ventana infrarroja (8–13  μm). ^{[ 35 ] [ 36 ]} En lugar de simplemente bloquear la radiación solar, este método aumenta la transferencia de calor por radiación térmica infrarroja de onda larga (LWIR) saliente con la temperatura extremadamente fría del espacio exterior (~2,7 K ) para reducir las temperaturas ambiente sin requerir ningún aporte de energía. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

El efecto invernadero es un proceso por el cual la radiación térmica de la superficie de un planeta es absorbida por los gases de efecto invernadero y las nubes de la atmósfera, y reemitida en todas direcciones, lo que resulta en una reducción de la cantidad de radiación térmica que llega al espacio en relación con la que llegaría al espacio en ausencia de materiales absorbentes. Esta reducción de la radiación saliente conduce a un aumento de la temperatura de la superficie y la troposfera hasta que la tasa de radiación saliente vuelve a igualar la tasa a la que llega calor del Sol. ^{[ 40 ]}

Los principios de transferencia de calor en los sistemas de ingeniería pueden aplicarse al cuerpo humano para determinar cómo se transfiere el calor. El cuerpo produce calor mediante el metabolismo continuo de los nutrientes, que proporciona energía a los sistemas corporales. ^{[ 41 ]} El cuerpo humano debe mantener una temperatura interna constante para mantener funciones corporales saludables. Por lo tanto, el exceso de calor debe disiparse del cuerpo para evitar el sobrecalentamiento. Cuando una persona realiza una actividad física intensa, el cuerpo requiere combustible adicional, lo que aumenta la tasa metabólica y la tasa de producción de calor. El cuerpo debe entonces utilizar métodos adicionales para eliminar el calor adicional producido y mantener la temperatura interna en un nivel saludable.

La transferencia de calor por convección se produce por el movimiento de fluidos sobre la superficie del cuerpo. Este fluido convectivo puede ser líquido o gaseoso. Para la transferencia de calor desde la superficie externa del cuerpo, el mecanismo de convección depende del área de la superficie corporal, la velocidad del aire y el gradiente de temperatura entre la superficie de la piel y el aire ambiente. ^{[ 42 ]} La temperatura corporal normal es de aproximadamente 37  °C. La transferencia de calor se produce con mayor facilidad cuando la temperatura del entorno es significativamente menor que la temperatura corporal normal. Este concepto explica por qué una persona siente frío cuando no lleva suficiente ropa al exponerse a un ambiente frío. La ropa puede considerarse un aislante que proporciona resistencia térmica al flujo de calor sobre la parte cubierta del cuerpo. ^{[ 43 ]} Esta resistencia térmica hace que la temperatura en la superficie de la ropa sea menor que la temperatura en la superficie de la piel. Este menor gradiente de temperatura entre la temperatura de la superficie y la temperatura ambiente provocará una menor tasa de transferencia de calor que si la piel no estuviera cubierta.

Para asegurar que una parte del cuerpo no esté significativamente más caliente que otra, el calor debe distribuirse uniformemente a través de los tejidos corporales. La sangre que fluye por los vasos sanguíneos actúa como un fluido convectivo y ayuda a prevenir la acumulación de calor excesivo dentro de los tejidos del cuerpo. Este flujo de sangre a través de los vasos puede modelarse como un flujo en tuberías en un sistema de ingeniería. El calor transportado por la sangre está determinado por la temperatura del tejido circundante, el diámetro del vaso sanguíneo, la viscosidad del fluido , la velocidad del flujo y el coeficiente de transferencia de calor de la sangre. La velocidad, el diámetro del vaso sanguíneo y la viscosidad del fluido pueden relacionarse con el número de Reynolds , un número adimensional utilizado en mecánica de fluidos para caracterizar el flujo de fluidos.

La pérdida de calor latente , también conocida como pérdida de calor por evaporación, representa una gran fracción de la pérdida de calor del cuerpo. Cuando la temperatura central del cuerpo aumenta, el cuerpo activa las glándulas sudoríparas de la piel para llevar humedad adicional a la superficie de la piel. El líquido se transforma entonces en vapor, que elimina el calor de la superficie del cuerpo. ^{[ 44 ]} La tasa de pérdida de calor por evaporación está directamente relacionada con la presión de vapor en la superficie de la piel y la cantidad de humedad presente en ella. ^{[ 42 ]} Por lo tanto, la máxima transferencia de calor se producirá cuando la piel esté completamente mojada. El cuerpo pierde agua continuamente por evaporación, pero la mayor cantidad de pérdida de calor se produce durante períodos de mayor actividad física.

El almacenamiento de energía térmica comprende tecnologías para captar y almacenar energía para su uso posterior. Puede emplearse para equilibrar la demanda energética entre el día y la noche. El depósito térmico puede mantenerse a una temperatura superior o inferior a la del ambiente. Entre sus aplicaciones se incluyen la calefacción de espacios, los sistemas de agua caliente sanitaria o industrial, y la generación de electricidad.

En 1701, Isaac Newton publicó anónimamente un artículo en Philosophical Transactions donde señalaba (en términos modernos) que la tasa de cambio de temperatura de un cuerpo es proporcional a la diferencia de temperaturas ( gradium caloris , "grados de calor") entre el cuerpo y su entorno. ^{[ 47 ]} La expresión "cambio de temperatura" fue posteriormente reemplazada por "pérdida de calor", y la relación se denominó ley de enfriamiento de Newton. En general, la ley es válida solo si la diferencia de temperatura es pequeña y el mecanismo de transferencia de calor permanece invariable.

En una carta de 1780 a Benjamin Franklin , el científico británico de origen holandés Jan Ingenhousz relata un experimento que le permitió clasificar siete metales diferentes según sus conductividades térmicas: ^{[ 48 ]}

Recuerdas que me diste un alambre de cinco metales, todos pasados ​​por el mismo agujero: uno de oro, uno de plata, cobre, acero y hierro. Yo proporcioné los otros dos: uno de estaño y otro de plomo. Fijé estos siete alambres en un marco de madera a igual distancia entre sí... Sumergí los siete alambres en esta cera derretida hasta la profundidad del marco de madera... Al sacarlos, estaban cubiertos con una capa de cera... Cuando vi que esta costra tenía aproximadamente el mismo grosor en todos los alambres, los coloqué todos en un recipiente de barro acristalado lleno de aceite de oliva calentado a cierta temperatura por debajo del punto de ebullición, teniendo cuidado de que cada alambre se sumergiera en el aceite a la misma profundidad que el otro... Ahora bien, como todos se habían sumergido por igual al mismo tiempo en el mismo aceite, debe seguirse que el alambre sobre el que la cera se había derretido más profundamente había sido el mejor conductor del calor. ... La plata conducía el calor mucho mejor que cualquier otro metal; después le seguían el cobre, luego el oro, el estaño, el hierro, el acero y el plomo.

Entre 1784 y 1798, el físico británico Benjamin Thompson (conde Rumford) residió en Baviera , donde, entre otras funciones oficiales y benéficas, reorganizó el ejército bávaro para el príncipe elector Carlos Teodoro . El elector le facilitó a Thompson acceso a las instalaciones de la Academia Electoral de Ciencias en Mannheim . Durante su estancia en Mannheim y posteriormente en Múnich , Thompson realizó numerosos descubrimientos e invenciones relacionados con el calor.

En la década de 1830, en los Tratados de Bridgewater , el término convección se atestigua en un sentido científico. En el tratado VIII de William Prout , en el libro sobre química , dice: ^{[ 57 ]}

Este movimiento del calor se produce de tres maneras, como ilustra muy bien una chimenea común. Si, por ejemplo, colocamos un termómetro directamente frente al fuego, este pronto comenzará a subir, indicando un aumento de temperatura. En este caso, el calor se ha propagado a través del espacio entre el fuego y el termómetro, mediante el proceso denominado radiación . Si colocamos un segundo termómetro en contacto con cualquier parte de la rejilla, y lejos de la influencia directa del fuego, encontraremos que este termómetro también indica un aumento de temperatura; pero aquí el calor debe haber viajado a través del metal de la rejilla, mediante lo que se denomina conducción . Por último, un tercer termómetro colocado en la chimenea, lejos de la influencia directa del fuego, también indicará un aumento considerable de temperatura; en este caso, una porción del aire, que pasa a través y cerca del fuego, se ha calentado y ha transportado por la chimenea la temperatura adquirida del fuego. Actualmente no existe un término único en nuestro idioma para denotar este tercer modo de propagación del calor. pero nos atrevemos a proponer para ese propósito el término convección , [en la nota al pie: [del latín] Convectio , transporte o conducción] que no solo expresa el hecho principal, sino que también concuerda muy bien con los otros dos términos.

Más adelante, en el mismo tratado VIII, en el libro de meteorología , el concepto de convección también se aplica al "proceso por el cual el calor se comunica a través del agua".