Flujo de calor - Heat flux

Flujo de calor
Flujo de calor a través de una superficie.${\ Displaystyle {\ overrightarrow {\ phi _ {\ text {q}}}}}$
Símbolos comunes	${\ Displaystyle {\ overrightarrow {\ phi _ {\ text {q}}}}}$
Unidad SI	W / m 2
Otras unidades	Btu / (h⋅ft 2 )
En unidades base SI	kg⋅s −3
Dimensión	${\ Displaystyle {\ mathsf {M}} {\ mathsf {T}} ^ {- 3}}$

El flujo de calor o flujo térmico , a veces también denominado densidad de flujo de calor , densidad de flujo de calor o intensidad de la tasa de flujo de calor, es un flujo de energía por unidad de área por unidad de tiempo. En el SI sus unidades son vatios por metro cuadrado (W / m ² ). Tiene una dirección y una magnitud, por lo que es una cantidad vectorial . Para definir el flujo de calor en un determinado punto del espacio, se toma el caso límite en el que el tamaño de la superficie se vuelve infinitesimalmente pequeño.

El flujo de calor a menudo se denota , el subíndice q especifica el flujo de calor , en oposición al flujo de masa o momento . La ley de Fourier es una aplicación importante de estos conceptos. ${\ Displaystyle {\ overrightarrow {\ phi _ {\ text {q}}}}}$

Ley de Fourier

Para la mayoría de los sólidos en condiciones habituales, el calor se transporta principalmente por conducción y el flujo de calor está adecuadamente descrito por la ley de Fourier.

Ley de Fourier en una dimensión

${\ Displaystyle \ phi _ {\ text {q}} = - k {\ frac {dT (x)} {dx}}}$

donde está la conductividad térmica . El signo negativo muestra que el flujo de calor se mueve de regiones de mayor temperatura a regiones de menor temperatura. ${\ Displaystyle k}$

Extensión multidimensional

Diagrama que representa el flujo de calor a través de un material de aislamiento térmico con conductividad térmica, k, y espesor, x. El flujo de calor se puede determinar usando dos mediciones de temperatura de la superficie a cada lado del material usando sensores de temperatura si también se conocen kyx del material.

Diagrama que representa el flujo de calor a través de un material de aislamiento térmico con conductividad térmica, k, y espesor, x. El flujo de calor se puede medir directamente usando un solo sensor de flujo de calor ubicado en cualquier superficie o incrustado dentro del material. Con este método, no es necesario conocer los valores de k y x del material.

El caso multidimensional es similar, el flujo de calor "desciende" y, por lo tanto, el gradiente de temperatura tiene el signo negativo:

${\ Displaystyle {\ overrightarrow {\ phi _ {\ mathrm {q}}}} = - k \ nabla T}$

donde es el operador de gradiente . ${\ displaystyle {\ nabla}}$

Medición del flujo de calor

La medición del flujo de calor se puede realizar de diferentes formas. Un método comúnmente conocido, pero a menudo poco práctico, se realiza midiendo una diferencia de temperatura sobre una pieza de material con conductividad térmica conocida . Este método es análogo a una forma estándar de medir una corriente eléctrica, donde se mide la caída de voltaje en una resistencia conocida . Por lo general, este método es difícil de realizar ya que a menudo no se conoce la resistencia térmica del material que se está probando. Se requerirían valores precisos para el espesor del material y la conductividad térmica para determinar la resistencia térmica. Usando la resistencia térmica, junto con las mediciones de temperatura en ambos lados del material, el flujo de calor se puede calcular indirectamente.

Un segundo método para medir el flujo de calor es mediante el uso de un sensor de flujo de calor , o un transductor de flujo de calor, para medir directamente la cantidad de calor que se transfiere a / desde la superficie en la que está montado el sensor de flujo de calor. El tipo más común de sensor de flujo de calor es una termopila de temperatura diferencial que opera esencialmente con el mismo principio que el primer método de medición que se mencionó, excepto que tiene la ventaja de que la resistencia / conductividad térmica no necesita ser un parámetro conocido. No es necesario conocer estos parámetros, ya que el sensor de flujo de calor permite una medición in situ del flujo de calor existente mediante el efecto Seebeck . Sin embargo, los sensores de flujo de calor de termopila diferencial deben calibrarse para relacionar sus señales de salida [μV] con los valores de flujo de calor [W / (m ² ⋅K)]. Una vez calibrado el sensor de flujo de calor, puede usarse para medir directamente el flujo de calor sin requerir el valor poco conocido de resistencia térmica o conductividad térmica.

Relevancia para la ciencia y la ingeniería

Una de las herramientas en la caja de herramientas de un científico o ingeniero es el balance energético . Dicho equilibrio se puede establecer para cualquier sistema físico, desde reactores químicos hasta organismos vivos, y generalmente toma la siguiente forma

${\ Displaystyle {\ big.} {\ frac {\ parcial E _ {\ mathrm {en}}} {\ parcial t}} - {\ frac {\ parcial E _ {\ mathrm {fuera}}} {\ parcial t} } - {\ frac {\ parcial E _ {\ mathrm {acumulado}}} {\ parcial t}} = 0}$

donde los tres términos representan la tasa de cambio en el tiempo de, respectivamente, la cantidad total de energía entrante, la cantidad total de energía saliente y la cantidad total de energía acumulada. ${\ Displaystyle {\ big.} {\ frac {\ parcial E} {\ parcial t}}}$

Ahora bien, si la única forma en que el sistema intercambia energía con su entorno es a través de la transferencia de calor, la tasa de calor se puede usar para calcular el balance de energía, ya que

${\ Displaystyle {\ frac {\ E _ {parcial} {\ mathrm {en}}} {\ t parcial}} - {\ frac {\ E _ {parcial} {\ mathrm {fuera}}} {\ t parcial}} = \ oint _ {S} {\ overrightarrow {\ phi _ {\ mathrm {q}}}} \ cdot \, {\ overrightarrow {dS}}}$

donde hemos integrado el flujo de calor sobre la superficie del sistema. ${\ Displaystyle {\ overrightarrow {\ phi _ {\ text {q}}}}}$${\ Displaystyle S}$

En aplicaciones del mundo real, no se puede conocer el flujo de calor exacto en cada punto de la superficie, pero se pueden usar esquemas de aproximación para calcular la integral, por ejemplo, la integración de Monte Carlo .

Ver también

• Flujo radiante
• Flujo de calor latente
• Tasa de flujo de calor
• Insolación
• Sensor de flujo de calor
• Conducción de calor relativista

Notas