Transferencias de Calor (cualidades térmicas de los materiales)
Unidad de Apoyo para el Aprendizaje
IniciarTransferencias de Calor (cualidades térmicas de los materiales)
Unidad de Apoyo para el Aprendizaje
IniciarEl sistema termodinámico intercambia materia y energía entre su ambiente interior y el ambiente exterior a éste, considerando que la energía cambia de lugar y manifestación (primera ley de la termodinámica), siguiendo una trayectoria entre el punto de más energía hacia el punto de menor contenido energético (segunda ley) y que este proceso seguirá hasta que se logre el equilibrio térmico (ley cero).
Los conceptos anteriores fueron vistos de manera macroscópica. Ahora, imagina que es posible ver la manera en que se transfiere la energía dentro de las moléculas y átomos de las sustancias, esto es, un enfoque microscópico. En esta manera de verlo, se podrán identificar las formas en que, dentro de la sustancia, fluye la energía. La forma en que fluye la energía dependerá de las propiedades de la sustancia en cuestión.
En este tema se aprenderá sobre los procesos de transferencia de calor y de transmisión de energía radiante, así como las propiedades ópticas y termofísicas de las sustancias con el fin de poder aprovecharlas de manera óptima en los diseños de objetos y espacios.
Ley de reflexión
Cuando incide la luz del sol sobre la envolvente de un espacio la respuesta del ambiente interior del espacio es diferente cuando el acabado de su superficie es de un color claro a cuando es de un color oscuro. De igual manera, según el número y tipo de ventanas se obtendrá diferente iluminación en el espacio. Si existe un ruido que sea perturbador hacia los ocupantes del espacio, se podrán aminorar sus efectos sobre el espacio interior.
Con lo anterior en mente, es posible concebir que las propiedades de los materiales de la envolvente podrán modificar los mecanismos de transmisión de energía hacia el espacio, con lo que las condiciones al interior de éste variarán según las propiedades físicas (térmicas y ópticas) de la envolvente.
La energía está en constante movimiento, desplazándose a diferentes zonas de un sistema habitable o para la habitabilidad o, bien, entre diferentes sistemas. La propagación de la energía dentro de los espacios habitables no podría llevarse a cabo sin interactuar con la materia que forma parte del mismo sistema. Diferentes formas de interacción entre la materia y la energía dan diferentes mecanismos de transferencia de energía. La forma en que la energía interactúa con la materia depende tanto de la naturaleza o tipo de energía como de las propiedades físicas de la materia con la que interactúa.
Existen diversos mecanismos de transferencia de radiación electromagnética: ultravioleta, visible (luz), infrarroja.
La luz (y en general la radiación electromagnética) se puede transferir redireccionándola por medio del proceso de reflexión. La reflexión es el cambio de dirección de una onda cuando ésta incide con una superficie. En el caso de la luz, cuando se habla de onda, se habla de la onda electromagnética de la radiación visible. La ley de la reflexión dice que el ángulo con el que se refleja la onda es igual al ángulo con el que incidió con respecto a la normal de la superficie.
El proceso de reflexión se muestra resaltado en rojo
Fotografía de luz reflejándose sobre material pulido
Diagrama explicativo de la ley de la reflexión
La reflexión puede ser especular, difusa o una combinación de ambas. La reflexión es especular cuando los rayos reflejados tienen la misma dirección que los rayos incidentes aunque “espejeados”, creándose una imagen o brillos; este tipo de reflexión se da en superficies muy pulidas, como las de un espejo. La reflexión es difusa cuando los rayos se reflejan en distintas direcciones y diferentes a los incidentes; no se crean imágenes ni brillos. La reflexión difusa se da en superficies con alguna rugosidad o textura. La reflexión parte especular y parte rugosa, se da en superficies semirrugosas o semilisas y algunos rayos se reflejan de forma especular y otros de manera difusa.
Representación de reflexión especular, difusa y ambas
La radiación electromagnética se puede “captar” primero absorbiéndola, para después ser transferida por los procesos de emisión o conducción. En un material opaco, de la radiación electromagnética que incide sobre la superficie de un material, un porcentaje o fracción se refleja, y lo que no se refleja, se absorbe. Por tanto, la suma del porcentaje o fracción de radiación electromagnética reflejada (r), más la absorbida (a), deberá de ser igual al total (100 % o 1 entero) de la radiación electromagnética incidente (I), descrita por la siguiente ecuación:
I = r + a
El proceso de absorción se muestra resaltado en rojo
La radiación electromagnética se puede transferir propagando las ondas electromagnéticas a través de un material con una cierta transparencia. Entre mayor sea la transparencia del material, mayor cantidad de ondas electromagnéticas transmitidas. De la radiación electromagnética que incide sobre la superficie de un material, un porcentaje o fracción se refleja, y lo que no se refleja, un porcentaje o fracción se absorbe, y lo que no se refleja ni absorbe, se transmite. Por tanto, la suma del porcentaje o fracción de la radiación electromagnética reflejada (r), más la absorbida (a), más la transmitida (t) deberá de ser igual al total (100 % o 1 entero) de la radiación electromagnética incidente (I), descrita por la siguiente ecuación:
I = r + a + t
El proceso de transmisión se muestra resaltado en rojo
Luz siendo transmitida a través de un material transparente
Al igual que la reflexión, la transmisión puede ser especular, difusa o una combinación de ambas. La transmisión es especular cuando los rayos reflejados tienen la misma dirección que los rayos incidentes, creándose una imagen o brillos; este tipo de reflexión se da en superficies muy pulidas, como la del vidrio de una ventana. La transmisión es difusa cuando los rayos se transmiten en distintas direcciones y diferentes a los incidentes; no se crean imágenes ni brillos y la apariencia del material es traslúcido. La transmisión difusa se da en superficies con alguna rugosidad o textura. La transmisión parte especular y parte rugosa se da en superficies semirrugosas o semilisas y algunos rayos se transmiten de forma especular y otros de manera difusa.
Representación de transmisión especular, difusa y ambas
La radiación electromagnética se puede transferir redireccionándola por medio del proceso de refracción. La refracción es el cambio de dirección de las ondas electromagnéticas cuando pasan de un medio de una cierta densidad a otro medio con otra densidad. Este proceso óptico es aprovechado como parte de la tecnología de los lentes, que pueden refractar la radiación hacia un punto (concentrar los rayos) o refractarlo en diferentes direcciones.
El proceso de refracción se muestra resaltado en rojo
Luz refractándose, al pasar de un medio (aire) a un medio de mayor densidad (agua)
Después de que la radiación electromagnética sea absorbida por un material, parte de ésta es radiada (emanada) de este material, pero en forma de radiación electromagnética de menor energía a la absorbida, en la mayoría de los casos, infrarroja.
La radiación visible, infrarroja y ultravioleta del sol es absorbida por los materiales y emitida como radiación infrarroja, la cual se siente como calor
El sonido puede transferirse redireccionándolo a una zona determinada por medio del proceso de la reflexión que, al igual que con las ondas electromagnéticas, es el cambio de dirección de una onda cuando ésta incide con una superficie. En el caso del sonido, cuando se habla de onda, se habla del comportamiento ondulatorio de las compresiones y descompresiones de la materia que dan los sonidos. La ley de la reflexión también aplica para el sonido.
Ondas sonoras reflejadas por una superficie que refleja el sonido
Representación de la ley de la reflexión aplicada a las ondas sonoras
El sonido se puede eliminar o atenuar mediante su absorción por parte de algún material, como en el caso de las ondas electromagnéticas.
I = r + a
Ondas sonoras absorbidas por una superficie que absorbe el sonido
El sonido se puede transferir a través de un cuerpo material propagando las compresiones y descompresiones a lo largo de las partículas (moléculas y átomos) de uno o varios cuerpos materiales.
Ondas sonoras conducidas a través de una superficie que es buen conductor del sonido
El calor (energía térmica) puede propagarse o transferirse de molécula a molécula y de átomo a átomo. Puede propagarse a través de materiales transparentes (y semitransparentes) y opacos. La cantidad de calor propagada depende de las propiedades térmicas de los materiales, del volumen y del área de la superficie de los materiales.
La radiación electromagnética que transporta calor (principalmente la infrarroja) puede ser transferida a través de materiales transparentes (y semitransparentes) o aperturas; los materiales opacos bloquean su transferencia. La cantidad de calor transferida está influida por las propiedades ópticas de los materiales transparentes y de la geometría y área de estos materiales o aperturas.
El calor puede ser propagado al ser acarreado por cuerpos de fluidos (gases y líquidos) en movimiento. Los fluidos pueden entrar en movimiento por diferencias de presión o diferencias de temperatura. Los fluidos pueden ser intercambiados entre sistemas a través de las aperturas de sus fronteras. La cantidad de calor transferido por el fluido depende de la densidad del fluido y del área de las aperturas.
El calor puede ser transferido de un cuerpo a otro en forma de calor latente, cuando un cuerpo material cambia de fase y libera calor latente y se lo transfiere a otro cuerpo material.
Mecanismos de transferencia de calor ejemplificado en una olla con agua y siendo calentada
La materia posee diversas propiedades físicas. A continuación se mencionan algunas de éstas.
Reflectividad es la propiedad física de un material de reflejar una fracción de la radiación electromagnética incidida en éste; la fracción reflejada de la radiación electromagnética que incidió sobre la superficie del material es la reflectancia del material. La reflectancia es una propiedad tanto de materiales opacos como de transparente (y semitransparentes).
Mecanismos de transferencia de calor ejemplificado en una olla con agua y cuando se está calentando
Transmisividad es la propiedad física de un material de transmitir una fracción de la radiación electromagnética incidida en éste; la fracción transmitida de la radiación electromagnética que incidió sobre la superficie del material es la transmitancia del material.
Absortividad es la propiedad física de un material de absorber una fracción de la radiación electromagnética incidida en éste; la fracción absorbida de la radiación electromagnética que incidió sobre la superficie del material es la absortancia del material.
Mecanismos de transferencia de calor ejemplificado en una olla con agua y siendo calentada
Emisividad térmica es la propiedad de un material de emitir como radiación infrarroja de onda larga, a la radiación solar (ultravioleta, visible e infrarroja) previamente absorbida. Un cuerpo con una cierta temperatura emite radiación infrarroja (IR); por esto, los cuerpos calientes emiten calor en forma de radiación electromagnética IR. La razón de la radiación infrarroja emitida por un material entre la radiación que emitiría un cuerpo negro es la emitancia térmica. Algunos materiales pueden ser del mismo color a la vista ya que reflejan el mismo espectro de radiación visible, pero pueden emitir distintas cantidades de radiación infrarroja
Diferentes tipos de materiales con diferentes coeficientes de emitancia térmica
Esta propiedad física material define la magnitud del flujo de calor (J/S = W) entre la superficie de un cuerpo material con un espesor de 1 metro cuando hay una diferencia de un grado entre las dos caras del material (W/m-K)
Representación gráfica del concepto de conductividad térmica
No existe en la naturaleza material que conduzca nada de calor; sin embargo, a los materiales que conducen poco calor, se les llama aislantes. Un material que conduce muy poco calor (buen aislante) es el aire sin movimiento. Por tanto, los materiales aislantes, contienen cavidades de aire en su interior, como el poliestireno, fibra de vidrio, lana mineral, etcétera.
La conductividad de un material es una propiedad independiente de su volumen o forma. Cuando a la conductividad de un material (W/m-K) se le adjudica el área de una superficie (W/m2-K), entonces se habla de conductancia térmica. La resistencia térmica de un material es lo opuesto a la conductancia térmica y se abrevia como K o U.
Esta propiedad relaciona la cantidad de calor en la materia y su temperatura. El calor específico es la cantidad de energía térmica (joule, caloría, etc.) que una unidad de masa (kg, libra, etc.) necesita para elevar un grado (Fahrenheit, Celsius, Kelvin) su temperatura. Esta propiedad térmica está estrechamente relacionada con la capacidad que tienen los materiales de almacenar calor.
Representación gráfica del concepto de calor específico
Esta propiedad material no es propiamente una propiedad térmica, pero sí una propiedad física que influye grandemente a la magnitud de flujo de calor conducido en un material. Se refiere a la cantidad de masa, medida en kilómetros (kg) por un volumen dado en metros cúbicos (m3).
Representación gráfica del concepto de calor específico
La energía, como se discutió en el tema anterior, se manifiesta de diversas formas (calor, trabajo, luz, sonido, etc.), y los materiales tienen diferentes maneras de favorecer su transmisión o, bien, de frenar su transferencia.
Casos como los indicados se presentan en las envolventes de los espacios y en los objetos, por ejemplo, cuando se desea retener el calor de un edificio con calefacción o cuando se congela un helado, se utilizan materiales aislantes; cuando se desea aprovechar la luz natural para iluminar un espacio o cuando se utiliza una lupa, se deben emplear elementos transparentes a la radiación visible, entre otros casos.
Entender los procesos de transmisión de calor para el acondicionamiento de los espacios aprovechando las propiedades termofísicas de los materiales es clave para la comprensión de los intercambios de energía y las leyes de la termodinámica.
La transferencia de calor y energía es utilizada para mejorar y acondicionar objetos y espacios que cubren necesidades actuales de la humanidad, y a la vez, aprovechar responsablemente los recursos del planeta.
Fuentes de información
Di Laura, D., Houser, K., Mistrick, R. y Steffy, G. (2011). The Lighting Handbook. Nueva York: Illuminating Engineering Society.
Kern, D. (2013). Procesos de transferencia de calor. México: Grupo Editorial Patria.
Puppo, E. y Puppo, G. (1972). Acondicionamiento natural y arquitectura. Ecología en arquitectura. Barcelona: Marcombo Boixareu Editores.
Rolle, K. C. (2006). Termodinámica. México: Pearson Education.
Cómo citar
Lira, A. (2018). Transferencias de calor (cualidades térmicas de los materiales). Unidades de Apoyo para el Aprendizaje. CUAED-UNAM/Facultad de Arquitectura. Consultado el (fecha) de (vínculo))
