La transferencia de calor está
relacionada con los cuerpos calientes y fríos llamados; fuente y receptor,
llevándose a cabo en procesos como condensación, vaporización, cristalización,
reacciones químicas, etc. en donde la transferencia de calor, tiene sus propios
mecanismos y cada uno de ellos cuenta con sus peculiaridades. La transferencia
de calor es importante en los procesos, porque es un tipo de energía que se
encuentra en transito, debido a una diferencia de temperaturas (gradiente), y
por tanto existe la posibilidad de presentarse el enfriamiento, sin embargo
esta energía en lugar de perderse sin ningún uso es susceptible de
transformarse en energía mecánica por ejemplo; para producir trabajo, generar
vapor, calentar una corriente fría, etc. En virtud de lo anterior es importante
hacer una introducción al conocimiento de los procesos de transferencia de
calor a través de la determinación experimental de la ecuación empírica que
relaciona la temperatura de enfriamiento de una cantidad de sustancia con
respecto al medio.
Experimentalmente se puede
demostrar y bajo ciertas condiciones obtener una buena aproximación a la
temperatura de una sustancia usando la Ley de Enfriamiento de Newton. Esta puede
enunciarse de la siguiente manera: “La
temperatura de un cuerpo cambia a una velocidad que es proporcional a la
diferencia de las temperaturas entre el medio externo y el cuerpo.” Suponiendo
que la constante de proporcionalidad es la misma ya sea que la temperatura
aumente o disminuya, entonces la ecuación diferencial de la ley de enfriamiento
es:
dT/dt = - k(T - Tm)
T = temperatura de un cuerpo
t = tiempo
Tm = temperatura del medio ambiente
Procediendo a la solución de la ecuación y separando las
variables:
dT/T - Tm = - kdt
Integrando cada miembro de la ecuación:
∫dT/T - Tm = - k∫dt
Obtenemos:
ln(T - Tm) = - kt + c
Y por
tanto la ecuación inversa es:
T - Tm = e^(- kt + c)
T - Tm = e^(- kt) * e^(c)
En la actualidad el enfriamiento newtoniano es utilizado
especialmente en modelos climáticos como una forma rápida y menos cara
computacionalmente de calcular la evolución de temperatura de la atmósfera.
Estos cálculos son muy útiles para determinar las temperaturas así como para
predecir los acontecimientos de los fenómenos naturales.
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