¿Qué es la eficiencia de transferencia de calor?

La eficiencia de transferencia de calor mide cómo un sistema transfiere calor de un lugar a otro sin pérdidas significativas.

¿Cómo se calcula la eficiencia de transferencia de calor?

Se calcula dividiendo la cantidad de calor útil transferido por la cantidad total de energía suministrada al sistema.

¿Por qué es importante la eficiencia de transferencia de calor?

Es crucial para maximizar el uso de energía y minimizar pérdidas, mejorando la sostenibilidad y reduciendo costos.

¿Cuáles factores afectan la eficiencia de transferencia de calor?

Factores incluyen la conductividad térmica de materiales, el área de superficie, la diferencia de temperatura y el diseño del sistema.

¿Cómo se relaciona la conservación de la energía con la eficacia de la transferencia de calor?

El principio de conservación de la energía establece que la energía de un sistema se conserva. Esto significa que la energía de entrada es igual a la energía de salida. Como los sistemas siempre pierden algo de energía, la energía total de salida siempre será mayor que la energía útil de salida. Hallando esa relación conocemos la cantidad de energía desperdiciada.

¿Es posible un sistema de máxima eficiencia (100%) en la vida real?

No, siempre hay cierta disipación de calor al entorno durante la transferencia de calor de un almacén de energía a otro.

Eficiencia de Transferencia de Calor: Conducción, Radiación

Significado de la eficiencia de la transferencia de calor

La energía térmica se define como la energía asociada a la temperatura de un objeto. Los objetos más calientes suelen tener una mayor cantidad de energía térmica que los objetos más fríos. La energía térmica puede transformarse a partir de otras formas de energía mediante la fricción, las corrientes eléctricas e incluso la resistencia del aire.

La transferencia de calor es el flujo de energía térmica de regiones de alta temperatura a regiones de baja temperatura. Esto significa que la energía térmica se transfiere de objetos calientes a objetos fríos que están cerca unos de otros. Probablemente ya estés familiarizado con este fenómeno; utilizamos hielo para mantener frías las bebidas en los días calurosos. El líquido transfiere energía térmica al hielo frío, que aumenta su temperatura y se derrite. Este proceso extrae energía térmica del líquido, enfriando la bebida.

El tema de este artículo es la eficiencia de la transferencia de calor. En primer lugar, podemos dar la siguiente definición general:

La eficacia de la transferencia decalor es la relación entre la transferencia de energía térmica útil de salida y la transferencia total de energía térmica de entrada.

Cuando se transfiere energía entre diferentes formas, una parte de la energía suele perderse en una forma de energía no deseada durante la conversión y se desperdicia en el entorno. Debido a la conservación de la energía, la producción total de energía del sistema incluye tanto la producción de energía útil como la energía disipada (perdida). La eficacia puede calcularse como un porcentaje y no puede superar el 100% de eficacia, ¡ya que esto implicaría que sale más energía de la transferencia de la que entra! A continuación se muestra la fórmula utilizada para calcular la eficacia de la transferencia de calor, en la que se puede utilizar energía o potencia. Cuanto mayor sea la eficacia, menor será la proporción de energía desperdiciada y viceversa.

La ecuación de la eficiencia de la transferencia de calor

Podemos escribir matemáticamente la definición de la eficacia de la transferencia de calor de la siguiente manera:

$\begin{array}{rcl} heat transfer efficiency & = & \frac{useful heat output}{total heat input} \end{array}$

Podemos observar en esta ecuación que tanto el numerador como el denominador son cantidades que se miden en la unidad de julios $(J)$ . Queda claro, pues, que la eficiencia no tiene unidad y es simplemente un número. Utilizando esta ecuación podemos identificar cuánta energía térmica se transfiere útilmente de un sistema a otro. Recordemos que la energía transferida por unidad de tiempo es la potencia del sistema; de ello se deduce que podemos escribir la eficiencia de la transferencia de calor de otra manera:

$heat transfer efficiency = \frac{useful heat power output}{total heat power input}$

Mecanismos a considerar para la eficacia de la transferencia de calor

La transferencia de calor se produce a través de tres mecanismos principales: conducción, convección y radiación. La energía se transfiere a través de cada mecanismo, pero los procesos son diferentes. La eficacia de la transferencia de calor puede calcularse independientemente del mecanismo responsable de la transferencia de calor, ya que en la mayoría de las situaciones de la vida real el calor se transferirá utilizando una combinación de estos mecanismos.

Conducción

La conducción es el mecanismo de transferencia de calor entre dos sustancias en contacto directo. La sustancia a mayor temperatura tiene colisiones de átomos más energéticas, que transfieren gradualmente energía térmica a la sustancia más fría. La conducción es el flujo de energía térmica a través de un objeto y hacia otro, y también el mecanismo por el que el calor se difunde a través de un objeto sólido. La imagen siguiente muestra la conducción de energía térmica de una varilla metálica desde la llama de una vela.

Eficacia de la transferencia de calor Ilustración que muestra una mano sujetando una varilla metálica sobre una vela StudySmarter La imagen muestra la transferencia de calor de la llama de una vela a una varilla metálica por conducción. La conducción se produce cuando la energía térmica se transfiere entre objetos, Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0

Convección

La convección es un mecanismo de transferencia de calor que se produce en líquidos y gases que se expanden al calentarse. Las partículas calientes se vuelven menos densas que su entorno, por lo que se elevan y las partículas más frías se desplazan para ocupar su lugar. Estas partículas más frías se calientan a continuación, y el proceso se repite. Se crea así una corriente de convección que transfiere calor de una partícula a otra.

Un ejemplo de convección es la transferencia de calor que se produce en el manto de la Tierra. Las capas extremadamente calientes del manto más cercanas al núcleo se desplazan hacia la superficie terrestre, ya que son menos densas que las capas de roca más frías de las regiones más altas del manto. La roca más fría se hunde más cerca del núcleo y entonces se calienta lo suficiente como para que el proceso se repita. Se produce una corriente de convección que mueve el material de un lado a otro del manto muy lentamente. La figura siguiente ilustra este efecto.

Eficacia de la transferencia de calor Diagrama de las corrientes de convección en el manto StudySmarter Esta imagen muestra las corrientes de convección que surgen de la diferencia de densidad del material en distintas regiones del manto terrestre, Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0

Radiación

La radiación es la energía emitida en forma de radiación electromagnética infrarroja por las superficies calentadas. Las propiedades de la radiación térmica dependen del tipo de superficie del material y de su temperatura. Se produce cuando las cargas en movimiento dentro de un objeto se desaceleran, y su energía se convierte en ondas electromagnéticas. La imagen siguiente muestra un ejemplo de radiación térmica emitida por un incendio.

Eficacia de la transferencia de calor Ilustración de unas manos que se calientan por la radiación procedente de un fuego de leña StudySmarter

La figura muestra la radiación térmica que crea un incendio cuando el movimiento de electrones y protones en el aire circundante emite ondas infrarrojas, adaptado de la imagen de Kmecfiunit CC BY-SA 4.0

El principio de conservación de la energía establece que la energía no puede crearse ni destruirse, sino que sólo puede cambiar de forma de una energía a otra dentro de un sistema. Sin embargo, en la práctica, cuando la energía se transfiere de una forma a otra, parte de la energía transferida casi siempre se pierde en el entorno. Esta energía no puede ser utilizada por el sistema, por lo que se conoce como energía desperdiciada o disipada. Siempre hay alguna pérdida de calor en todos los sistemas de transferencia de calor. Si reducimos la cantidad de energía térmica que pierde un sistema, podemos aumentar la eficiencia de ese sistema.

Cálculos de la eficiencia de la transferencia de calor

Un hervidor se utiliza para calentar agua. La energía térmica de $1000 J$ del elemento calefactor a la caldera, y de $820 J$ de energía térmica del hervidor al agua. Halla el rendimiento de la energía transferida al agua.

Respuesta: Podemos aplicar la ecuación de la eficacia de transferencia de calor de la siguiente manera:

\begin{array}{rcl} heat transfer efficiency & = & \frac{useful heat output}{total heat output} \times 100 % \\ = & \frac{820}{1000} \times 100 % \\ = & 82 % \end{array}

Multiplicamos por 100 para convertir la fracción en porcentaje. Al final, sólo el 82% de la energía calorífica del hervidor se destina a calentar el agua. El resto se ha perdido en el aire circundante y en el cuerpo del hervidor por conducción y convección.

Un motor recibe $450 J$ de energía eléctrica de una fuente de alimentación. $20 %$ de esta energía se desperdicia. Halla el rendimiento del motor.

Responde: Primero podemos escribir la ecuación de la eficiencia de la transferencia de calor como:

$heat transfer efficiency = \frac{useful heat output}{total heat input} \times 100 %$

Hallamos la cantidad de energía útil producida restando el aporte total de energía de $450 J$ por la cantidad de energía desperdiciada.

$\begin{array}{rcl} useful heat output & = & 450 - (450 \times \frac{20}{100}) \\ = & 450 - 90 \\ = & 360 J \end{array}$

Por último, sustituimos la producción de energía útil y la producción total de energía en la ecuación de eficiencia.

$\begin{array}{rcl} heat transfer efficiency & = & \frac{useful heat output}{total heat input} \times 100 % \\ = & \frac{360}{450} \times 100 % \\ = & 80 % \end{array}$

Q. Halla la energía desperdiciada en un sistema si la producción de calor útil es $350 J$ mientras que el aporte total de calor es $900 J$ . ¿Cuál es la eficiencia del sistema?

A. Para hallar la energía desperdiciada restamos la producción de calor útil del aporte total de calor. Esto nos da $550 J$ como se muestra a continuación.

$Wasted Energy = 900 J - 350 J = 550 J$

A continuación, para hallar la eficacia de la transferencia de calor utilizamos la fórmula.

$\begin{array}{rcl} heat transfer efficiency & = & \frac{useful heat output}{total heat input} \times 100 % \\ = & \frac{350}{900} \times 100 % \\ = & 40 % \end{array}$

Factores que afectan a la eficacia de la transferencia de calor

En distintas aplicaciones, puede que queramos diseñar dispositivos para mejorar o restringir la eficacia de la transferencia de calor en un sistema, dependiendo del objetivo. A continuación describimos algunas aplicaciones que mejoran la transferencia de calor y otras que la restringen.

Mejorar la eficacia de la transferencia de calor

Aletas de refrigeración

Las aletas de refrigeración utilizan la conducción y la convección para alejar el calor de los objetos que generan calor y necesitan mantenerse fríos. Aumentan la superficie sobre la que se puede transferir calor al fluido circundante por conducción y convección, y son un método eficaz de mejorar la transferencia de calor. La imagen siguiente muestra un ejemplo de aletas de refrigeración en una moto, utilizadas para mantener frío el motor.

Eficacia de la transferencia de calor Aletas de refrigeración en una moto StudySmarter El motor de una moto está rodeado de aletas de refrigeración para transferir el calor fuera de él sobre una superficie mayor y, por tanto, mantenerlo frío.

Cacerolas de cobre

Si tienes la suerte de tener un juego de cacerolas de alta calidad en tu cocina, es posible que tengan una base de cobre. Esto se debe a que el principal método de transferencia de calor que utiliza una cacerola para transferir el calor de los fogones a los alimentos es la conducción. Puede que ya sepas que el cobre es un excelente conductor de la electricidad, ¡y también es un gran conductor del calor! Al utilizar cobre en la parte de la cacerola que está en contacto con el fuego, hay menos resistencia térmica a la transferencia de calor del fuego a la cacerola. Esto significa que la sartén se calienta más rápido y es mejor para cocinar.

Restringir la eficacia de la transferencia de calor

Doble acristalamiento

Las ventanas de doble acristalamiento constan de dos cristales en lugar de uno. Los cristales están separados por una capa de gas, normalmente argón, que es mal conductor del calor. Además, los dos cristales están situados lo suficientemente cerca el uno del otro como para que no pueda formarse una corriente de convección en el gas que hay entre ellos. El doble acristalamiento tiene por objeto impedir que se produzca conducción o convección entre el interior de la vivienda y el exterior. El doble acristalamiento es un método eficaz para restringir la transferencia de calor.

Guantes de horno

Cuando manipulamos objetos calientes de un horno, solemos utilizar guantes de horno para protegernos las manos de las quemaduras. Funcionan separando el objeto caliente y tu piel mediante una gruesa capa de material aislante, como algodón o silicona. Estos materiales aumentan la resistencia térmica a la transferencia de calor por conducción, lo que disminuye la velocidad a la que la energía calorífica se transfiere a través del guante.

Eficiencia de la transferencia de calor - Puntos clave

La eficiencia de la transferencia de calor es la relación entre la transferencia de energía térmica útil de salida y la transferencia total de energía térmica de entrada.
La definición de eficiencia de la transferencia de calor puede escribirse matemáticamente como sigue

$\begin{array}{rcl} heat transfer efficiency & = & \frac{useful heat output}{total heat input} \end{array}$

La transferencia de calor se produce a través de tres mecanismos: conducción, convección y radiación.
La conducción es el mecanismo de transferencia de calor entre dos sustancias a temperaturas diferentes en contacto directo con colisiones atómicas que transfieren calor entre las sustancias.
La convección es el mecanismo de transferencia de calor a través de líquidos y gases que se expanden al calentarse.
La radiación es la energía emitida en forma de radiación electromagnética infrarroja por las superficies calentadas.

Resúmenes

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Significado de la eficiencia de la transferencia de calor

La ecuación de la eficiencia de la transferencia de calor