Convección.

Ley de Newton.

Definición.

Para que exista transmisión de calor por convección se considera que el calor fluirá a través de un medio cuyas moléculas o partículas presentan movimiento relativo, es decir un medio líquido, gaseoso, o más  genéricamente un medio fluído. 

Ejemplos de medios fluídos: aire, agua, oxigeno, aceites, etc., todos ellos claro está que a presión y temperatura en que tengan estado gaseoso, líquido o con una viscosidad suficiente para permitir el movimiento relativo de sus partículas.

La convección puede ser natural o forzada.

Convección natural.

Es debida al gradiente térmico, y se justifica:

1. Por la diferencia de densidad o de peso específico que aparece debido a las diferentes temperaturas. Esto produce que el fluído más frío circule hacia abajo y el más caliente hacia arriba, produciendo una corriente ascendente. En esta consideración participa la fuerza de gravedad, pero en el caso que ésta no entre en juego por estar el sistema en el espacio exterior, la convección natural tambien tiene lugar, por el siguiente punto.

2. Las partículas líquidas o gaseosas tienen movimientos relativos contínuos, que aumentan al aumentar sus estados térmicos. Este movimiento transporta la energía calórica en forma de energía cinética mientras se desplaza la partícula y va colisionando con las millones que encuentra en su camino, y a su vez éstas hacen lo mismo, verificándose una convección a nivel molecular de flujo muy turbulento. El movimiento de las partículas es conocido como movimiento browniano.

Convección forzada.

Es cuando se aplican medios mecánicos para hacer circular el fluído.

Ejemplos: ventilador, bomba, agitador, etc.

Ley de Newton.

Newton estudió el mecanismo de convección en forma comparativaobservando la circulación de fluídos en un sistema de tubos cilíndricos concéntricos donde el fluído circula a contracorriente.

El estudio se realiza por comparación: la transmisión de calor se realiza en regimenes de circulación tanto laminar como turbulento. En estas condiciones, Newton midió cantidad de calor transferido ΔQ, el gradiente de temperaturas t y como consecuencia obtuvo experimentalmente una resistencia al flujo de calor proporcional al gradiente t e inversamente proporcional al calor ΔQ.

R ~ Δt / ΔQ

La constante  de convección "h".

Para las aplicaciones prácticas se utiliza la constante "h", llamada también coeficiente de película.

Es de muy difícil determinación, ya que depende de las siguientes variables:

• velocidad de circulación

• densidad de fluído

• calor específico de las sustancias

• diámetro de los tubos

• viscosidad del fluído

• conductividad

Con todos estos parámetros se plantea la solución mediante el análisis adimensional de Backingham (disponible en próximas publicaciones).

Ecuación general de convección.

Para cada sistema de convección existirá una constante "h", de tal forma que la ecuación de Newton se plantea similar a la de Fourier:

dQ/dτ ]_A = h A (t-θ)

Esta ecuación representa el flujo de calor que se manifiesta en un sistema a regimen permanente, en donde t es la temperatura de un fluído estanco o un cuerpo en cualquier estado de agregación, y θ es la temperatura del fluído convectivo.

Para entender mejor esta ecuación se sugiere analizar los casos de aplicación.

Caso de aplicación de la ecuación de Newton para la convección: enfriamiento de un cuerpo caliente en un fluido a menor temperatura.

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