Definim transferència de calor com la transmissió d‟un flux d‟energia en forma de calor d‟un cos a un altre. Hi ha diferents mecanismes per transferir la calor, però a tots ells la calor viatja del cos calent al cos fred d'acord amb la segona llei de la termodinàmica.
La transmissió de calor juga un paper crucial per al desenvolupament de la vida a la Terra. Trobem molts exemples de transferència de calor al nostre dia a dia. De la mateixa manera, també és molt important en molts processos industrials.
Mecanismes de transferència de calor
Hi ha tres tipus de transferència de calor: conducció, convecció i radiació:
- Transferència per conducció : la conducció de la calor es produeix quan dos objectes a diferent temperatura estan en contacte directe. La calor passa de l'objecte calent al fred a través dels punts de contacte.
- Transferència per radiació tèrmica : aquest mecanisme de transmissió de calor es produeix a través d'ones electromagnètiques i es pot transmetre a través del buit. La quantitat de calor transferida depèn de la longitud d'ona. Aquesta és la forma a través de la qual la radiació solar viatja a través del sistema solar.
- Transmissió de calor per convecció: El procés de convecció es fa mitjançant un mitjà intermedi que transporta l'energia, normalment són líquids i gasos com ara l'aire o l'aigua.
Transmissió per conducció
La transferència per conducció es produeix quan dues substàncies estan en contacte directe i hi ha una diferència de temperatura.
La calor flueix des de les partícules amb més energia cinètica (temperatura) a partícules menys riques en energia (més fredes). El flux de calor depèn de la diferència de temperatura al llarg de la distància (el gradient de temperatura) i la resistència interna al flux de calor del material rellevant, el que s'anomena conductivitat tèrmica o coeficient de conductivitat tèrmica. Aquest principi s'expressa a la llei de Fourier.
Exemple de conducció tèrmica
Un exemple de transmissió de calor per conducció és quan toquem un tros de gel amb la mà. El fred que notem és perquè estem transferint calor del nostre cos al gel.
Transmissió per radiació
Transferència denergia tèrmica per radiació. Aquesta és la transferència de calor entre dos cossos que no estan en contacte entre si sense fer servir un intermedi. Un cos està calent i, per tant, emet molta radiació electromagnètica i per tant perd calor, i l'altre cos absorbeix part de la radiació entrant i la converteix en calor.
Exemple de transmissió de calor per radiació
Un exemple de transmissió per radiació és la radiació ultraviolada que prové del Sol. L'energia solar es transmet per l'espai a través d'ones electromagnètiques.
Transmissió per convecció
La transferència de calor per convecció és la transmissió de calor a través del desplaçament d'un líquid tebi o gas calent, o d'un líquid fred o gas fred. Quan la calor arrossega el flux, la seva extensió es pot expressar amb el coeficient de transferència de calor.
Hi ha dos tipus de convecció tèrmica:
-
La convecció natural es produeix sense cap ajut artificial. El moviment del fluid es produeix per diferències en la densitat degut a la diferència de temperatura.
-
La convecció forçada es produeix quan el moviment del fluid es fa a través d'algun mecanisme artificial com una bomba d'aigua.
Exemple de transmissió de calor per convecció
Un exemple de transmissió de calor per convecció és el funcionament dun ventilador. Quan el ventilador està en marxa, l'aire que hi circula es porta l'aire calent que està en contacte amb la pell i el substitueix per aire més fresc.
Un altre exemple de convecció es produeix en una dutxa daigua calenta. L'escalfador elèctric escalfa aigua augmentant la seva energia tèrmica. L'aigua calenta viatja per les canonades fins que arriba a la dutxa, ens cau a sobre transmetent-nos la calor.
Lleis de la física i de la termodinàmica relacionades
La transmissió de calor es regeix per diverses lleis fonamentals de la física i la termodinàmica.
En primer lloc, destaquem la llei de Fourier de la conducció tèrmica descriu com la calor es propaga a través dun material sòlid. Com més gran sigui la diferència de temperatura entre dos punts, més gran serà la taxa de transferència de calor.
La convecció, un altre mecanisme de transferència de calor, segueix les lleis de la física de fluids, on la densitat i la temperatura del fluid afecten la transferència de calor.
Per acabar, la radiació tèrmica es regeix per la llei de Stefan-Boltzmann, que estableix que la taxa de radiació és proporcional a la quarta potència de la temperatura absoluta.
