Convección, conducción y radiación: los diferentes mecanismos de transferencia de calor

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La transferencia de calor es un concepto que afecta nuestra vida cotidiana, diversos procesos industriales y todo el universo tal como lo conocemos. Desde la explosión de estrellas hasta la generación de energía y hasta cómo preparar el desayuno todas las mañanas, la transferencia de calor es una ley fundamental de la naturaleza que es tan crucial para nosotros como el aire que respiramos. También es fácil ver cómo la transferencia de calor juega un papel en nuestro pasatiempo favorito de impresión 3D.

Hay tres mecanismos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación. Probablemente nos encontremos con cada uno de estos en nuestra vida diaria. Cada uno de estos mecanismos incluso se exhibe en nuestras pequeñas impresoras 3D de escritorio. ¿Cómo funcionan y cuál es su relevancia para nuestro hobby?

¿Qué es la transferencia de calor?

Para comprender la transferencia de calor, primero debemos reconocer que el calor es simplemente otra forma de energía. La energía puede tomar muchas formas y puede convertirse de una forma a otra: las turbinas convierten la energía mecánica en energía eléctrica, que luego convertimos en energía térmica en nuestros hogares cuando preparamos nuestros alimentos.

Otra característica fundamental de la energía es que tiende a igualarse. Esto significa que la energía se transfiere naturalmente de un área de alta energía a una zona de baja energía, de la misma manera que una pelota rueda espontáneamente cuesta abajo. En términos de calor, una energía calorífica elevada se percibe más fácilmente utilizando un estándar que nos resulta familiar: la temperatura.

Todos sabemos instintivamente que un objeto caliente calentará un objeto frío. Esto es simplemente una manifestación de la transferencia de energía térmica del calor al frío. No funciona al revés. Este simple flujo de energía de un objeto más caliente a un objeto más frío es la definición más simple de transferencia de calor.

Ahora bien, ¿cómo se transfiere esta energía de un objeto a otro? Esto no es una función de cuál es el objeto fuente, sino que está definido por los mecanismos de transferencia de calor.

¿Qué es la transferencia de calor por conducción?

La transferencia de calor por conducción se puede definir simplemente como transferencia de calor por contacto directo. Probablemente hayas experimentado lo rápido que es este mecanismo de transferencia de calor si tocaste una olla caliente por error o si alguna vez colocaste tu mano encima de una vela encendida cuando eras niño. Otros ejemplos comunes incluyen una cuchara que se calienta mientras se sumerge en un plato de sopa caliente, o metales que se sienten fríos al tacto cuando alejan el calor de la mano.

A nivel atómico, la transferencia de calor por conducción representa la transferencia de energía de átomo a átomo. Esta misma definición a nivel atómico es la que distingue entre materiales conductores y aislantes. Los conductores, como los metales, tienen partículas subatómicas libres (llamadas electrones) que vibran libremente cuando reciben energía. Cuando estas partículas vibrantes entran en contacto con las partículas de otro objeto, las colisiones resultantes entre partículas transfieren efectivamente la energía de un objeto a otro.

En una impresora 3D, el ejemplo más evidente de transferencia de calor por conducción es la boquilla del extremo caliente. Un cable que pasa por una sección del extremo caliente calienta la boquilla convirtiendo la energía eléctrica en energía térmica. Luego, la temperatura de la boquilla se mantiene mediante la retroalimentación de un cable termopar que también está en contacto directo con la boquilla.

Luego, la extrusora empuja el filamento hacia la boquilla calentada. El contacto directo entre la boquilla y el filamento, un ejemplo de calentamiento por conducción, provoca la fusión del filamento. Luego, esta porción fundida es empujada a través de la punta estrecha de la boquilla mediante la extrusión que empuja más filamento. A través de este equilibrio entre calentamiento y extrusión, puede lograr la velocidad de impresión y la calidad de impresión que desea.

¿Qué es la transferencia de calor por convección?

En la convección, la transferencia de calor se produce mediante el movimiento de un gas o líquido. Técnicamente, todavía existe contacto directo entre dos cuerpos en convección. La principal diferencia es el hecho de que un medio, como el viento, está en constante estado de movimiento. El resultado es una distribución más uniforme de la transferencia de calor. Imagínese calentar una pieza de figura de acción impresa en 3D usando una pistola de calor que sopla aire caliente en una amplia distribución, en lugar de calentarla tocándola con una pieza de metal caliente. Con una pistola de calor, es posible que puedas calentar una capa muy fina de material plástico, lo que dará como resultado un acabado uniforme. Esto es imposible con un trozo de metal calentado; probablemente terminarás quemando el plástico, pero solo en las áreas donde el metal entró en contacto.

También existe un fenómeno llamado convección natural que los calefactores han aprovechado mucho. Cuando el aire se calienta, sus partículas individuales se mueven más rápido y se expanden. Esto hace que el aire caliente se vuelva menos denso y, por tanto, más ligero. Si alguna vez ha oído hablar del dicho «el aire caliente sube y el aire frío desciende», entonces esa es la explicación más simple de la convección natural.

Los calentadores portátiles utilizan el concepto de convección natural calentando únicamente el aire que los rodea cerca del piso. Cuando esta porción de aire se calienta, se eleva y desplaza el aire frío de arriba. El aire frío luego desciende hasta donde el calentador puede aumentar su temperatura. Este proceso se repite indefinidamente, lo que da como resultado una temperatura general más uniforme en toda la habitación.

En las impresoras 3D, el concepto de convección se aprovecha mediante el uso de ventiladores de refrigeración. Se utilizan ventiladores para enfriar la impresión rápidamente una vez que se ha colocado sobre la plataforma de construcción. Estos son particularmente útiles para mejorar la adhesión de las capas, especialmente cuando se imprime con filamentos que requieren altas temperaturas de impresión. Al igual que soplar la sopa caliente para enfriarla, un ventilador introduce continuamente aire frío en el entorno de la impresión caliente. Este suministro constante de aire enfría la impresión de forma rápida y uniforme.

¿Qué es la transferencia de calor por radiación?

El último mecanismo, y probablemente el que la mayoría de la gente conoce menos, es la radiación. La radiación es muy diferente de la conducción y la convección en que no necesita ningún contacto ni siquiera un medio, como el viento o el agua, para transferir calor. El ejemplo más sencillo de esto es cómo el sol logra calentar nuestro planeta incluso a través de años luz de vacío.

La radiación es energía térmica transportada a través del espacio mediante ondas electromagnéticas. Estas ondas electromagnéticas están en una frecuencia que no es visible a simple vista de la misma manera que lo son colores como el blanco y el rojo. Si alguna vez acercó las manos a un fuego abierto, la mayor parte del calor que sintió probablemente se deba a la radiación. El calor transferido por el sol a través de la radiación también permite que los paneles solares, a través de sus células fotovoltaicas, conviertan el calor en electricidad.

Un aspecto interesante de la transferencia de calor por radiación es que todos los objetos generan cantidades variables de radiación. La cantidad de radiación que emite un cuerpo está determinada por su temperatura, la temperatura de su entorno, la forma y el tamaño del cuerpo y varias propiedades intrínsecas que están relacionadas con los materiales de los que está hecho el cuerpo. Esto significa que incluso un objeto frío emite radiación, aunque sea en cantidades muy pequeñas.

El concepto de que todos los objetos emiten radiación es la premisa detrás del uso de cámaras térmicas. Estas cámaras están más en sintonía con las ondas electromagnéticas que emiten los objetos debido a la radiación. Estas ondas, en el rango infrarrojo, son capturadas por cámaras térmicas y interpretadas en un espectro de colores visibles, típicamente del rojo al índigo. El calor natural de los cuerpos humanos hace que se iluminen en cámaras térmicas, que se han vuelto muy útiles para aplicaciones de vigilancia y seguridad.

Debido al hecho de que todos los objetos emiten calor a través de la radiación, es difícil identificar alguna parte del proceso de impresión 3D que exhiba exclusivamente transferencia de calor a través de la radiación. Se puede argumentar que todas las piezas y componentes de una impresora 3D tienen rastros de radiación en diversos grados.

Otra cosa que hay que recordar acerca de la radiación es que la cantidad de calor que transfiere es muy pequeña en comparación con el calor que potencialmente puede transferirse mediante conducción y convección. Por supuesto, hay ciertas excepciones, como que el sol emite enormes cantidades de radiación debido a su tamaño y temperatura. De hecho, una gran parte del calor por radiación que recibe la Tierra proviene de fuentes cósmicas, como estrellas, asteroides y el sol.

Para ir finalizando

Esta fue una discusión muy básica y general sobre los diferentes mecanismos de transferencia de calor. Se hicieron muchas generalizaciones (como que la radiación solo emite una pequeña cantidad de calor) que pueden no ser aplicables en todas las situaciones. Sin embargo, este nivel de conocimiento puede ayudarle a ser consciente de los diferentes procesos de transferencia de calor que ocurren a su alrededor. Al ser más conscientes de los procesos de transferencia de calor que ocurren en nuestro entorno, podemos tener una mejor idea de cuán esencial es el concepto en nuestra vida cotidiana.

Si le gusta la impresión 3D, un conocimiento avanzado de cómo se transfiere el calor puede ayudarle a solucionar ciertos problemas, como boquillas atascadas o mala adherencia de la cama. Después de todo, el calor es el núcleo del concepto de impresión FDM.

Advertencia; Las impresoras 3D nunca deben dejarse desatendidas. Pueden representar un peligro para la seguridad contra incendios.