La diferencia de temperatura entre distintos puntos de un medio genera procesos de intercambio de calor. Estos procesos se llevan a cabo mediante diferentes mecanismos: conducción, convección y radiación.
Conducción del Calor
La capacidad de conducir calor es una propiedad que depende de la estructura interna de cada sustancia. Es posible determinar la conductividad térmica de una sustancia particular mediante la medición del tiempo de transferencia de una cantidad de calor conocida que pasa a través de una lámina constituida del material en cuestión.
Si una lámina de material se encuentra en contacto con dos focos térmicos a diferentes temperaturas, en estado estacionario la cantidad de calor por unidad de tiempo y superficie que atraviesa la placa será proporcional a la diferencia de temperaturas e inversamente proporcional a su espesor.
El flujo de calor irá desde la región de mayor temperatura hacia la de menor temperatura. La ecuación que describe este proceso es la llamada Ley de Fourier.
Ley de Fourier
La Ley de Fourier establece que el flujo de calor a través de un material es proporcional al gradiente de temperatura y a la conductividad térmica del material.
En términos matemáticos, se expresa como:
q = -k * (dT/dx)
Donde:
- q es el flujo de calor (energía por unidad de área y tiempo).
- k es la conductividad térmica del material.
- dT/dx es el gradiente de temperatura en la dirección del flujo de calor.
Factores que Influyen en la Conducción
Varios factores influyen en la eficiencia de la conducción de calor:
- Conductividad Térmica (k): Cada material tiene una capacidad inherente para conducir calor. Los materiales con alta conductividad térmica, como los metales, transfieren calor más eficientemente que los materiales con baja conductividad térmica, como el aislamiento.
- Diferencia de Temperatura (ΔT): La diferencia de temperatura entre dos puntos es el motor que impulsa la transferencia de calor por conducción. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, mayor será el flujo de calor.
- Espesor del Material (L): El espesor del material a través del cual se conduce el calor afecta la resistencia a la transferencia de calor. Cuanto más grueso sea el material, mayor será la resistencia y menor será el flujo de calor.
- Área de la Sección Transversal (A): El área a través de la cual se produce la conducción también influye en el flujo de calor. Cuanto mayor sea el área, mayor será el flujo de calor.
Modelado y Simulación de la Transferencia de Calor
Se plantea un modelo teórico unidimensional en estado estacionario, considerando conducción, radiación y convección. El problema se resuelve numéricamente utilizando el método iterativo de Gauss-Seidel.
La simulación se efectúa en forma horaria para dos días en condiciones extremas de temperatura ambiente. Se obtiene un valor promedio de la resistencia térmica de 0.18 °Cm2/W, con variaciones de 2.3% a 23%. Las aportaciones al flujo total de calor por cada mecanismo son de 25%, 19% y 56%, para conducción, convección y radiación respectivamente.
El muro presenta valores de resistencia térmica que tienden a disminuir con el aumento de los diferenciales de temperatura, aspecto que desfavorece su uso para climas cálidos, siendo la radiación el mecanismo que más favorece la transferencia de calor.
Materiales Constructivos y Resistencia Térmica
Los materiales constructivos juegan un papel determinante en el comportamiento térmico de los edificios. Entre los materiales duros, que se generalizaron a partir de la década de los setentas en México, con la construcción urbana de vivienda en serie, se encuentran, el tabique de barro recocido, el tabique de barro crudo y por último el bloque de concreto, cuyo uso se ha incrementado de manera importante en la construcción de vivienda de interés social en México y otros países de Latinoamérica.
El bloque de concreto con cavidad que es ampliamente utilizado en la construcción de este tipo de vivienda, no ha sido estudiado térmicamente con suficiente profundidad bajo condiciones regionales.
Este trabajo destaca la necesidad de investigar uno de los parámetros más importantes en la evaluación térmica de edificaciones, que es la resistencia térmica, bajo diferentes condiciones de operación.
Estudio de Caso: Bloques de Concreto Hueco
Se analiza la transferencia de calor y resistencia térmica, para un muro de 2.0 m de altura, y 1.0 m de ancho, elaborado con bloque de concreto hueco de 15 x 20 x 40 cm.
Se conocen las propiedades de los materiales (aire y concreto), así como las temperaturas T1 (exterior = temperatura sol-aire) y T4 (interior = 25 °C constante). T2 y T3 son las temperaturas de las paredes interiores de la cavidad del bloque, las cuales serán calculadas, así como q y R.
Las propiedades termofísicas del concreto que se utilizaron son: emisividad ε=0.9 y conductividad kc =1.1W/m °C (Cengel, 2004) las cuales se consideran constantes; las propiedades termodinámicas del aire se calculan con variaciones para cada hora.
Se toma en cuenta la transferencia de calor por conducción en las partes sólidas del bloque y radiación y convección acopladas en las cavidades.
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