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¿Qué es convección vs conducción? Definición

La conducción y la convección son similares en que ambos mecanismos requieren la presencia de un medio material (en comparación con la radiación térmica). Convección vs Conducción

Convección vs Conducción

Transferencia de calor - mecanismos

En la conducción térmica , la energía se transfiere como calor debido a la migración de electrones libres u ondas vibratorias reticulares ( fonones ). No hay movimiento de masa en la dirección del flujo de energía. La transferencia de calor por conducción depende de la “fuerza” impulsora de la diferencia de temperatura.

En general, la  convección  es la  transferencia de masa  o la  transferencia de calor  debido al  movimiento masivo  de moléculas dentro de fluidos como gases y líquidos.

La conducción y la convección son similares en que ambos mecanismos requieren la presencia de un medio material (en comparación con la radiación térmica). Por otro lado, son diferentes en que la convección requiere la presencia de movimiento fluido.

Debe enfatizarse que , en la superficie, el flujo de energía ocurre  puramente por conducción, incluso en conducción. Es debido al hecho de que siempre hay una capa delgada de película de fluido estancada en la superficie de transferencia de calor.  Pero en las siguientes capas se producen movimientos de conducción y difusión de masa en el nivel molecular o macroscópico. Debido al movimiento de masa, la tasa de transferencia de energía es mayor. A mayor velocidad de movimiento de masa, más delgada será la capa de película de fluido estancada y mayor será la velocidad de flujo de calor.

Cabe señalar que la ebullición de nucleados en la superficie altera efectivamente esta capa estancada y, por lo tanto, la ebullición de nucleados aumenta significativamente la capacidad de una superficie para transferir energía térmica al fluido a granel.

Como se escribió, la transferencia de calor a través de un fluido es por convección en presencia de movimiento de masas y por conducción en ausencia de este. Por lo tanto, la conducción térmica en un fluido puede verse como el caso limitante de convección, correspondiente al caso del fluido inactivo.

Convección como conducción con movimiento fluido

Algunos expertos no consideran que la convección sea un mecanismo fundamental de transferencia de calor, ya que es esencialmente conducción de calor en presencia de movimiento de fluidos. Consideran que se trata de un caso especial de conducción térmica , conocido como ” conducción con movimiento fluido “. Por otro lado, es práctico reconocer la convección como un mecanismo separado de transferencia de calor a pesar de los argumentos válidos en contrario.

¿Qué es la conducción?

La conducción térmica , también llamada  conducción de calor , ocurre dentro de un cuerpo o entre dos  cuerpos en contacto sin la participación del flujo de masa y la mezcla. Es el intercambio microscópico directo de  la energía cinética  de las partículas a través del límite entre dos sistemas. La transferencia de calor  por  conducción depende de la “fuerza” impulsora de la  diferencia de temperatura  y la  conductividad térmica  (o la resistencia a la transferencia de calor). La conductividad térmica depende de la naturaleza y las dimensiones del medio de transferencia de calor. Todos los problemas de transferencia de calor implican la  diferencia de temperatura , la  geometría, y las  propiedades físicas del objeto en estudio. En los problemas de transferencia de calor por conducción, el objeto que se estudia suele ser un sólido.

Microscópicamente, este modo de transferencia de energía se atribuye al  flujo de electrones libres  desde los niveles de energía más altos a los más bajos, la  vibración reticular  y  la colisión molecular . Considere un  bloque de piedra  a alta temperatura, que consiste en átomos que oscilan intensamente alrededor de sus posiciones promedio. A bajas temperaturas , los átomos continúan oscilando, pero con  menos intensidad . Si un bloque de piedra más caliente se pone en contacto con un bloque más frío, los átomos que oscilan intensamente en el borde del bloque más caliente emiten su energía cinética a los átomos menos oscilantes en el borde del bloque frío. En este caso hay  transferencia de energía  entre estos dos bloques y El calor  fluye  del bloque más caliente al más frío por estas vibraciones aleatorias. La visión moderna es atribuir la transferencia de energía a las ondas reticulares inducidas por el movimiento atómico. En un aislante eléctrico, la transferencia de energía se realiza exclusivamente a través de estas ondas reticulares. En un conductor, también se debe al movimiento de traslación de los electrones libres.

Ley de Fourier de conducción térmica

Los  procesos de transferencia de calor se pueden cuantificar en términos de ecuaciones de velocidad apropiadas. La ecuación de velocidad en este modo de transferencia de calor se basa en  la ley de conducción térmica de Fourier . Esta ley establece que la tasa de tiempo  de transferencia de calor a  través de un material es  proporcional al gradiente  negativo  en la temperatura  y al área, en ángulo recto con ese gradiente, a través del cual fluye el calor. Su forma diferencial es:

Ley de Fourier de conducción térmica

¿Qué es la convección?

En general, la convección es la transferencia de masa o la transferencia de calor debido al movimiento masivo de moléculas dentro de fluidos como gases y líquidos. Aunque los líquidos y gases generalmente no son muy buenos conductores de calor, pueden transferir calor rápidamente por convección .

La convección tiene lugar a través de la advección , difusión o ambas. La convección no puede tener lugar en la mayoría de los sólidos porque no puede tener lugar una difusión significativa de materia ni flujos de corriente a granel. La difusión del calor tiene lugar en sólidos rígidos, pero eso se llama conducción térmica .

El proceso de transferencia de calor entre una superficie y un fluido que fluye en contacto con ella se denomina transferencia de calor por convección . En ingeniería, la transferencia de calor por convección es uno de los principales mecanismos de transferencia de calor . Cuando se transfiere calor de un fluido a otro a través de una barrera, la convección está involucrada en ambos lados de la barrera. En la mayoría de los casos, la resistencia principal al flujo de calor es por convección. La transferencia de calor por convección tiene lugar tanto por difusión térmica (el movimiento aleatorio de las moléculas de fluido) como por advección, en la cual la materia o el calor es transportado por el movimiento a gran escala de las corrientes en el fluido.

La transferencia de calor por  convección  es más difícil de analizar que la transferencia de calor por  conducción  porque no se puede definir una propiedad única del medio de transferencia de calor, como  la conductividad térmica , para describir el mecanismo. La transferencia de calor por convección  es complicada por el hecho de que involucra  movimiento de fluidos y conducción de calor . La transferencia de calor por convección varía de una situación a otra (según las condiciones del flujo de fluido), y con frecuencia se combina con el  modo de flujo de fluido . En la convección forzada, la velocidad de transferencia de calor a través de un fluido es mucho mayor por convección que por conducción.

Ley de enfriamiento de Newton

A pesar de la complejidad de la convección , se observa que la velocidad de transferencia de calor por convección es proporcional a la diferencia de temperatura y se expresa convenientemente por la ley de enfriamiento de Newton , que establece que:

La tasa de pérdida de calor de un cuerpo es directamente proporcional a la diferencia de temperaturas entre el cuerpo y sus alrededores, siempre que la diferencia de temperatura sea pequeña y la naturaleza de la superficie radiante permanezca igual.

Ley de enfriamiento de Newton - ecuación de convección

Tenga en cuenta que, ΔT viene dado por la temperatura de la superficie o la pared , la pared T y la temperatura total ,  , que es la temperatura del fluido suficientemente lejos de la superficie.

Ejemplo: convección vs conducción

Convección - Transferencia de calor por convección

 

 

 

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.