Un coeficiente de transferencia de calor es un concepto en física y termodinámica que detalla cómo y con qué facilidad pasa la energía térmica de un material a otro. En muchos casos, el calor se transfiere más fácilmente a medida que los materiales en cuestión cambian de sólidos a fluidos a gases; el calor también puede pasar de un fluido a un gas o viceversa, como es el caso del aire frío sobre un lago tibio. El calor siempre fluirá de caliente a frío para los materiales en contacto directo, y el coeficiente de transferencia es una forma de expresar este cambio de manera tangible y matemática. Es un concepto importante para fabricantes y constructores en muchas industrias. Ayuda a los ingenieros a diseñar mejores ollas para cocinar, por ejemplo, y ayuda a que la maquinaria y cosas como los motores de combustión en los automóviles sean más seguros; también se utiliza para hacer que el aislamiento en hogares y oficinas sea más eficiente. Establecer los conceptos básicos del coeficiente suele ser bastante sencillo, pero los detalles de cómo funciona su fórmula central y se aplica a los escenarios termodinámicos cambiantes pueden ser algo complicados.
Conceptos básicos de cálculo
Cuantitativamente, el coeficiente es función de los dos materiales en contacto; la temperatura de cada uno, que determina la fuerza motriz; y factores que mejoran o restan valor a la transferencia de calor, como la convección o el ensuciamiento de la superficie, respectivamente. La rúbrica de cálculo estándar se expresa típicamente como h = q / ∆t, donde «h» es el coeficiente de transferencia de calor general, «q» es la cantidad de calor transferido por unidad de área y «∆t» es la diferencia de temperatura entre los Superficies contiguas o superficies en cuestión.
También hay ecuaciones para determinar la cantidad de calor que se transfiere por unidad de área, por grado de diferencia de temperatura entre los dos materiales contiguos y por período de tiempo que pueden ayudar a influir en la fórmula más básica. Los cálculos para dimensionar equipos industriales, como calentadores e intercambiadores de calor, generalmente resuelven el calor transferido por hora porque la capacidad de producción de la planta generalmente se determina por horas.
Comprensión de los coeficientes generales
Un coeficiente de transferencia de calor general, como el que se usa a menudo en las ecuaciones de los intercambiadores de calor, necesitaría considerar varios factores. Por ejemplo, en el escenario de una máquina de vapor, el vapor saturado a una temperatura determinada, la interfaz del vapor al tubo, la conductividad a través de la pared del tubo, la interfaz con el líquido dentro de los tubos, como el aceite, y la temperatura del aceite entrante, todos necesitarían para ser considerado. La información de estos factores podría ayudar a determinar qué tan grande se necesitaría un intercambiador de calor y qué diseño y estrategia de materiales funcionaría mejor.
Importancia para la manufactura
Estos coeficientes siempre se tienen en cuenta al diseñar equipos destinados específicamente a transferir calor o no a transferir calor. Cocinar ollas, enfriar las aletas del motor de una motocicleta, soplar una cucharada de sopa demasiado caliente o una persona calentar las manos frías de otra son ejemplos de mejora del coeficiente de transferencia de calor. El mayor contribuyente individual a mejores coeficientes de transferencia, dadas las limitaciones del material, es el movimiento rápido de la fase fluida de los componentes. Soplar aire a través de un radiador, inducir un flujo turbulento en un intercambiador de calor o aire en movimiento rápido en un horno de convección produce coeficientes de transferencia mucho más altos que las condiciones de quietud. Esto se debe a que se presentan más moléculas para absorber el calor en la superficie caliente en un período de tiempo más corto.
Papel en el aislamiento y la construcción en general
Por otro lado, la búsqueda de un aislamiento altamente efectivo también considera la transferencia de calor calculada de cada una de sus interfaces. El aislamiento es importante para todo tipo de cosas, incluidos refrigeradores y congeladores, neveras portátiles para picnic, ropa de invierno y hogares energéticamente eficientes. Los espacios de aire muerto, los huecos en la espuma y los materiales con baja conductividad ayudan a proporcionar aislamiento.