Calculadora de transferencia de calor por conducción, convección y radiación

¿Cómo se transfiere el calor?

El calor pasa de lo caliente a lo frío de tres formas: conducción, convección y radiación. Los problemas reales suelen combinar las tres, pero cada una tiene su propia relación.

Conducción y ley de Fourier

Si las dos caras de una pared sólida tienen temperaturas distintas, el calor la atraviesa por conducción: Q = k × A × (T₁ − T₂) / L, donde k es la conductividad térmica del material, A el área y L el espesor.

Ejemplo: una pared de 3 m × 5 m y 30 cm de espesor, con conductividad de 0,9 W/(m·K) y caras a 16 °C y 2 °C, transmite Q = 0,9 × 15 × 14 / 0,3 = 630 W.

Cuando hay varias capas, cada una actúa como una resistencia térmica (R = L / (k × A)) y las resistencias se suman como resistencias eléctricas en serie. La convección en las superficies se incorpora a la misma cadena como 1 / (h × A). La herramienta admite hasta tres capas y calcula las temperaturas de las interfaces.

En paredes cilíndricas, como las tuberías, el área aumenta con el radio, por lo que la relación es logarítmica: Q = 2πkL × (T₁ − T₂) / ln(D₂ / D₁).

Convección y ley de enfriamiento de Newton

La transferencia de calor entre una superficie y el aire o el agua en contacto con ella es Q = h × A × (T_s − T_∞). El coeficiente h depende del flujo, no del material: es pequeño en aire quieto y muy grande en agua que circula a gran velocidad.

Radiación y ley de Stefan Boltzmann

Toda superficie emite radiación en proporción a la cuarta potencia de su temperatura. El intercambio neto con su entorno es Q = ε × σ × A × (T_s⁴ − T_surr⁴). Las temperaturas están en kelvin, σ = 5,670374 × 10⁻⁸ W/(m²·K⁴) es la constante de Stefan Boltzmann y ε es la emisividad de la superficie.

Ejemplo: una persona con un área superficial de 1,4 m², emisividad de 0,95 y temperatura superficial de 30 °C pierde 152 W por radiación en una habitación cuyas paredes están a 10 °C. Si las paredes están a 25 °C, la pérdida baja a unos 41 W. Por eso sentimos más frío en invierno con la misma temperatura del aire.

Límites

Las relaciones corresponden a régimen estacionario y flujo de calor unidimensional. La herramienta no contempla calentamiento y enfriamiento transitorios, superficies con aletas, factores de forma entre dos superficies ni cálculo de coeficientes de convección.