La ciencia de la transferencia de calor: ¿Qué es la conducción?
El calor es una interesante forma de energía. No sólo sustenta la vida, nos hace sentir cómodos y nos ayuda a preparar nuestra comida, sino que entender sus propiedades es clave para muchos campos de la investigación científica. Por ejemplo, saber cómo se transfiere el calor y el grado en que los distintos materiales pueden intercambiar energía térmica lo rige todo, desde la construcción de calentadores y la comprensión del cambio estacional hasta el envío de naves al espacio.
El calor sólo puede transferirse por tres medios: conducción, convección y radiación. De ellos, la conducción es quizás el más común, y se produce regularmente en la naturaleza. En resumen, es la transferencia de calor a través del contacto físico. Se produce cuando se presiona la mano sobre el cristal de una ventana, cuando se coloca una olla con agua sobre un elemento activo y cuando se pone una plancha en el fuego.
Esta transferencia se produce a nivel molecular -de un cuerpo a otro- cuando la energía calorífica es absorbida por una superficie y hace que las moléculas de esa superficie se muevan más rápidamente. En el proceso, chocan con sus vecinas y les transfieren la energía, un proceso que continúa mientras se siga añadiendo calor.
El proceso de conducción del calor depende de cuatro factores básicos: el gradiente de temperatura, la sección transversal de los materiales implicados, la longitud de su recorrido y las propiedades de dichos materiales.
Un gradiente de temperatura es una magnitud física que describe en qué dirección y a qué velocidad cambia la temperatura en un lugar concreto. La temperatura siempre fluye desde la fuente más caliente a la más fría, debido a que el frío no es más que la ausencia de energía calorífica. Esta transferencia entre cuerpos continúa hasta que la diferencia de temperatura decae y se produce un estado conocido como equilibrio térmico.
La sección transversal y la longitud de la trayectoria son también factores importantes. Cuanto mayor sea el tamaño del material implicado en la transferencia, más calor se necesitará para calentarlo. Además, cuanta más superficie esté expuesta al aire libre, mayor será la probabilidad de pérdida de calor. Por lo tanto, los objetos más cortos con una sección transversal más pequeña son el mejor medio para minimizar la pérdida de energía térmica.
Por último, pero ciertamente no menos importante, son las propiedades físicas de los materiales involucrados. Básicamente, cuando se trata de conducir el calor, no todas las sustancias son iguales. Los metales y la piedra se consideran buenos conductores, ya que pueden transferir rápidamente el calor, mientras que materiales como la madera, el papel, el aire y la tela son malos conductores del calor.
Estas propiedades conductoras se clasifican en función de un «coeficiente» que se mide en relación con la plata. En este sentido, la plata tiene un coeficiente de conducción del calor de 100, mientras que otros materiales tienen una clasificación inferior. Entre ellos están el cobre (92), el hierro (11), el agua (0,12) y la madera (0,03). En el extremo opuesto del espectro se encuentra el vacío perfecto, que es incapaz de conducir el calor y, por lo tanto, se clasifica en cero.
Los materiales que son malos conductores del calor se denominan aislantes. El aire, que tiene un coeficiente de conducción de 0,006, es un aislante excepcional porque es capaz de ser contenido en un espacio cerrado. Por eso los aislantes artificiales utilizan compartimentos de aire, como las ventanas de doble cristal que se utilizan para reducir la factura de la calefacción. Básicamente, actúan como amortiguadores de la pérdida de calor.
La pluma, el pelo y las fibras naturales son ejemplos de aislantes naturales. Son materiales que permiten a las aves, los mamíferos y los seres humanos mantenerse calientes. Las nutrias marinas, por ejemplo, viven en aguas oceánicas que suelen ser muy frías y su lujoso y grueso pelaje las mantiene calientes. Otros mamíferos marinos, como los leones marinos, las ballenas y los pingüinos, dependen de gruesas capas de grasa (también conocida como grasa) -un conductor muy pobre- para evitar la pérdida de calor a través de su piel.
Esta misma lógica se aplica al aislamiento de casas, edificios e incluso naves espaciales. En estos casos, los métodos implican bolsas de aire atrapadas entre las paredes, fibra de vidrio (que atrapa el aire en su interior) o espuma de alta densidad. Las naves espaciales son un caso especial, y utilizan aislamiento en forma de espuma, material compuesto de carbono reforzado y baldosas de fibra de sílice. Todos ellos son malos conductores del calor y, por lo tanto, evitan que el calor se pierda en el espacio y también impiden que las temperaturas extremas causadas por la reentrada atmosférica entren en la cabina de la tripulación.
Vea este vídeo de demostración de las baldosas térmicas del transbordador espacial:
Las leyes que rigen la conducción del calor son muy similares a la Ley de Ohm, que rige la conducción eléctrica. En este caso, un buen conductor es un material que permite que la corriente eléctrica (es decir, los electrones) pase a través de él sin muchos problemas. Un aislante eléctrico, por el contrario, es cualquier material cuyas cargas eléctricas internas no fluyen libremente y, por lo tanto, hacen muy difícil conducir una corriente eléctrica bajo la influencia de un campo eléctrico.
En la mayoría de los casos, los materiales que son malos conductores del calor son también malos conductores de la electricidad. Por ejemplo, el cobre es un buen conductor tanto del calor como de la electricidad, de ahí que los cables de cobre se utilicen tanto en la fabricación de productos electrónicos. El oro y la plata son aún mejores, y cuando el precio no es un problema, estos materiales se utilizan también en la construcción de circuitos eléctricos.
Y cuando uno busca «conectar a tierra» una carga (es decir, neutralizarla), la envían a través de una conexión física a la Tierra, donde la carga se pierde. Esto es común en los circuitos eléctricos en los que el metal expuesto es un factor, asegurando que las personas que accidentalmente entran en contacto no se electrocutan.
Los materiales aislantes, como el caucho en las suelas de los zapatos, se usan para asegurar que las personas que trabajan con materiales sensibles o alrededor de fuentes eléctricas estén protegidas de las cargas eléctricas. Otros materiales aislantes, como el vidrio, los polímeros o la porcelana, se utilizan habitualmente en las líneas eléctricas y en los transmisores de alta tensión para mantener el flujo de energía en los circuitos (¡y nada más!)
En resumen, la conducción se reduce a la transferencia de calor o a la transferencia de una carga eléctrica. Ambas ocurren como resultado de la capacidad de una sustancia para permitir que las moléculas transfieran energía a través de ellas.
Hemos escrito muchos artículos sobre la conducción para Universe Today. Echa un vistazo a este artículo sobre la primera ley de la termodinámica, o a este otro sobre la electricidad estática.
Si quieres más información sobre la conducción, echa un vistazo al artículo de la BBC sobre la Transferencia de Calor, y aquí tienes un enlace a The Physics Hypertextbook.
También hemos grabado un episodio entero de Astronomy Cast sobre el Magnetismo – Episodio 42: Magnetismo en todas partes.