Calculadora de Transferencia de Calor

La Calculadora de Transferencia de Calor encuentra la tasa a la que se mueve el calor a través de un sistema por conducción, convección o radiación. Ingrese las propiedades del material o de la superficie, el área y las temperaturas caliente y fría, y la herramienta devolverá la tasa de transferencia de calor en vatios, el flujo de calor, la resistencia térmica y la energía total movida a lo largo del tiempo, junto con un diagrama de flujo de calor animado y un desglose de la fórmula paso a paso. Está diseñada para estudiantes, ingenieros, constructores y cualquier persona curiosa sobre qué tan rápido viaja el calor.

Los tres modos de transferencia de calor

El calor siempre fluye desde una región más caliente hacia una más fría, pero llega allí de tres maneras distintas. Esta calculadora maneja cada una con su propia ley física.

Fórmulas de transferencia de calor

Donde:

• \(Q\) — tasa de transferencia de calor, en vatios (W)
• \(k\) — conductividad térmica del material, en W/m·K
• \(h\) — coeficiente de transferencia de calor por convección, en W/m²·K
• \(\varepsilon\) — emisividad de la superficie (0 a 1, adimensional)
• \(\sigma\) — constante de Stefan–Boltzmann, \(5.67\times10^{-8}\) W/m²·K⁴
• \(A\) — área de la superficie, en m²
• \(\Delta T\) — diferencia de temperatura entre los dos lados
• \(d\) — espesor del material, en metros
• \(T_h, T_c\) — temperaturas absolutas caliente y fría, en kelvin

Valores típicos de conductividad térmica (k)

Coeficientes típicos de convección (h) y emisividad (ε)

La emisividad varía desde aproximadamente 0.05 para metales pulidos hasta 0.90–0.98 para pintura, ladrillo, agua, piel y otras superficies mates, con un cuerpo negro ideal exactamente en 1.0.

¿Qué es el flujo de calor, la resistencia térmica y el valor R?

El flujo de calor es la tasa de transferencia de calor por unidad de área (\(Q/A\)), medida en W/m². Le indica qué tan concentrado está el flujo de calor, independientemente de qué tan grande sea la superficie. La resistencia térmica es la oposición al flujo de calor (en K/W); una mayor resistencia significa que se mueve menos calor para la misma diferencia de temperatura. Para los materiales de construcción, esto se expresa como un valor R; cuanto mayor sea el valor R, mejor será el aislamiento. La calculadora informa tanto el valor R del SI (RSI, en m²·K/W) como el valor R de EE. UU. utilizado en los empaques de aislamiento.

Por qué la radiación utiliza la temperatura absoluta

La conducción y la convección dependen únicamente de la diferencia de temperatura, y una diferencia de 10° es la misma ya sea que se mida en Celsius o en kelvin. La radiación es diferente: depende de la temperatura absoluta elevada a la cuarta potencia, por lo que debe calcularse en kelvin, que comienza en el cero absoluto (−273.15 °C). Esta relación de la cuarta potencia es la razón por la cual una superficie que está dos veces más caliente en términos absolutos irradia dieciséis veces más calor, y por qué la radiación domina a altas temperaturas como en llamas y hornos.

Cómo usar esta calculadora

1. Elija el modo de transferencia de calor: Seleccione Conducción, Convección o Radiación usando las pestañas en la parte superior del formulario.
2. Ingrese el material y la geometría: Elija un material, condición o superficie de la biblioteca integrada (o elija "Valor personalizado" para escribir el suyo), luego ingrese el área de la superficie, y el espesor para la conducción.
3. Ingrese las temperaturas: Escriba las temperaturas del lado caliente y del lado frío y seleccione °C, °F o K. Agregue una duración opcional en horas para ver la energía total transferida.
4. Haga clic en Calcular: Revise la tasa de transferencia de calor en vatios, el flujo de calor, la resistencia térmica, la energía a lo largo del tiempo, el diagrama de flujo de calor animado y el procedimiento completo paso a paso.

Preguntas frecuentes

¿Cuáles son los tres modos de transferencia de calor?

El calor se mueve de tres maneras. La conducción es el calor que fluye a través de un material sólido por contacto directo, como el calor que pasa a través de una pared. La convección es el calor transportado por un fluido en movimiento como el aire o el agua, por ejemplo un ventilador que enfría una superficie caliente. La radiación es el calor emitido como ondas electromagnéticas infrarrojas, como el calor que se siente de un fuego o del sol, y no necesita ningún medio.

¿Cómo se calcula la transferencia de calor por conducción?

La conducción utiliza la ley de Fourier: Q = k × A × ΔT / d, donde k es la conductividad térmica del material en vatios por metro-kelvin, A es el área en metros cuadrados, ΔT es la diferencia de temperatura y d es el espesor en metros. El resultado Q es la tasa de transferencia de calor en vatios.

¿Cómo se calcula la transferencia de calor por convección?

La convección utiliza la ley de enfriamiento de Newton: Q = h × A × ΔT, donde h es el coeficiente de transferencia de calor por convección en vatios por metro cuadrado-kelvin, A es el área de la superficie y ΔT es la diferencia entre la temperatura de la superficie y la temperatura del fluido. Valores más grandes de h significan fluidos que se mueven más rápido y que transportan el calor más rápidamente.

¿Cómo se calcula la transferencia de calor por radiación?

La radiación utiliza la ley de Stefan–Boltzmann: Q = ε × σ × A × (Th⁴ − Tc⁴), donde ε es la emisividad entre 0 y 1, σ es 5.67 × 10⁻⁸ vatios por metro cuadrado-kelvin a la cuarta potencia, A es el área, y Th y Tc are las temperaturas absolutas en kelvin. Debido a que la temperatura se eleva a la cuarta potencia, la radiación crece muy rápidamente a medida que los objetos se calientan.

¿Qué unidades utiliza la tasa de transferencia de calor?

La tasa de transferencia de calor Q es una potencia, medida en vatios (julios por segundo). Un vatio significa que un julio de calor se mueve cada segundo. La calculadora también muestra el flujo de calor en vatios por metro cuadrado y la energía total transferida durante un tiempo elegido en kilovatios-hora y julios.

¿Por qué se deben convertir las temperaturas a Kelvin para la radiación?

La ley de Stefan–Boltzmann depende de la temperatura absoluta elevada a la cuarta potencia, por lo que solo funciona con kelvin, que comienza en el cero absoluto. Para la conducción y la convección, solo importa la diferencia de temperatura, y una diferencia en grados Celsius es igual a la misma diferencia en kelvin, por lo que esos modos no se ven afectados por la elección entre Celsius y Kelvin.

Recursos adicionales

• Transferencia de calor - Wikipedia
• Conducción térmica - Wikipedia
• Ley de Stefan–Boltzmann - Wikipedia