FÍSICA · TRANSFERENCIA DE CALOR
El aire que circula en una habitación, el ventilador de un horno y el agua impulsada por una bomba transportan energía. Aprende a reconocer la convección y a calcular potencia, sentido del intercambio y enfriamiento.
En un intercambio con una superficie, también interviene conducción en la capa de fluido cercana. No se trata solo de transportar energía cinética ni exige que la superficie esté siempre más caliente.
Los valores de h de los problemas son datos del enunciado. No se deducen únicamente de que haya aire o agua ni de la temperatura de una fotografía.
EJEMPLO 01
Un calefactor calienta aire en la parte baja de una habitación.
El aire calentado suele ser menos denso que el circundante y asciende por flotación.
Otro aire ocupa su lugar; puede establecerse una circulación.
Resultado: Convección natural en el aire
Condiciones: Intervienen gravedad, distribución de temperaturas y geometría. También hay radiación; el calor no sube siempre como regla universal.
EJEMPLO 02
Antes de hervir, el agua de una olla calentada por abajo puede circular.
El calentamiento produce diferencias de densidad que impulsan el movimiento.
La circulación redistribuye energía; junto al fondo también actúa conducción.
Resultado: La circulación transporta energía
Condiciones: Ejemplo en el intervalo habitual de cocina. No hace falta ebullición para tener convección; cerca de 0–4 °C el agua presenta comportamiento particular.
EJEMPLO 03
El ventilador de un horno mueve aire caliente alrededor de una bandeja.
El movimiento renueva el aire cercano a la superficie del alimento.
El aire puede cederle calor; paredes y resistencias también aportan radiación.
Resultado: Convección forzada sobre el alimento
Condiciones: El ventilador fuerza el movimiento, pero no garantiza temperatura perfectamente uniforme ni un coeficiente h fijo.
EJEMPLO 04
Un ventilador dirige aire más frío que un disipador electrónico.
La energía llega a las aletas por conducción dentro del metal.
El aire en movimiento la recibe en las superficies: es convección forzada.
Resultado: El aire extrae energía de las aletas calientes
Condiciones: Si el aire fuera más caliente que el disipador, podría calentarlo. Aumentar la velocidad no multiplica h en una proporción universal.
EJEMPLO 05
Una bomba mantiene agua circulando por un tubo cuya pared está más caliente.
El agua recibe energía a través de la pared.
El caudal transporta esa energía hacia otras partes del circuito.
Resultado: Convección forzada dentro de una tubería
Condiciones: Hay conducción en la pared y convección del lado del fluido. El coeficiente depende del flujo, dimensiones y propiedades.
EJEMPLO 06
El suelo calentado por el Sol puede calentar el aire próximo a su superficie.
Una porción de aire suficientemente menos densa que su entorno puede ascender.
Ese movimiento transporta energía y puede mezclarse con otras masas de aire.
Resultado: Convección natural en una situación de inestabilidad
Condiciones: No toda atmósfera permite ascensos sostenidos: la estratificación, humedad y entorno importan. No se afirma que la convección domine todo transporte atmosférico.
Todos estos casos calculan el intercambio de una cara del vidrio con el aire exterior en un estado dado. Son práctica numérica del mismo procedimiento: no representan la pérdida completa entre el interior y el exterior de un edificio.
EJEMPLO 07
La cara exterior de un vidrio está a 10 °C. A = 1,2 m²; aire a 0 °C; h = 4 W/(m²·K).
ΔT = 10 − (0) = 10 K.
P = hAΔT = 4 × 1,2 × 10 = 48 W.
La cara del vidrio cede 48 J cada segundo en ese estado.
Resultado: P = +48 W hacia el aire
Condiciones: Modelo de una cara: temperatura superficial y h medios uniformes; aire exterior representativo fuera de la capa cercana a la pared. Se calcula solo convección, sin radiación ni la resistencia del vidrio. Es un estado dado; no predice por sí solo cómo cambia la temperatura con el tiempo.
EJEMPLO 08
La cara exterior de un vidrio está a 20 °C. A = 1,5 m²; aire a 14 °C; h = 4,2 W/(m²·K).
ΔT = 20 − (14) = 6 K.
P = hAΔT = 4,2 × 1,5 × 6 = 37,8 W.
La cara del vidrio cede 37,8 J cada segundo en ese estado.
Resultado: P = +37,8 W hacia el aire
Condiciones: Modelo de una cara: temperatura superficial y h medios uniformes; aire exterior representativo fuera de la capa cercana a la pared. Se calcula solo convección, sin radiación ni la resistencia del vidrio. Es un estado dado; no predice por sí solo cómo cambia la temperatura con el tiempo.
EJEMPLO 09
La cara exterior de un vidrio está a 40 °C. A = 2,0 m²; aire a 10 °C; h = 5 W/(m²·K).
ΔT = 40 − (10) = 30 K.
P = hAΔT = 5 × 2,0 × 30 = 300 W.
La cara del vidrio cede 300 J cada segundo en ese estado.
Resultado: P = +300 W hacia el aire
Condiciones: Modelo de una cara: temperatura superficial y h medios uniformes; aire exterior representativo fuera de la capa cercana a la pared. Se calcula solo convección, sin radiación ni la resistencia del vidrio. Es un estado dado; no predice por sí solo cómo cambia la temperatura con el tiempo.
EJEMPLO 10
La cara exterior de un vidrio está a 60 °C. A = 1,9 m²; aire a 45 °C; h = 2 W/(m²·K).
ΔT = 60 − (45) = 15 K.
P = hAΔT = 2 × 1,9 × 15 = 57 W.
La cara del vidrio cede 57 J cada segundo en ese estado.
Resultado: P = +57 W hacia el aire
Condiciones: Modelo de una cara: temperatura superficial y h medios uniformes; aire exterior representativo fuera de la capa cercana a la pared. Se calcula solo convección, sin radiación ni la resistencia del vidrio. Es un estado dado; no predice por sí solo cómo cambia la temperatura con el tiempo.
EJEMPLO 11
La cara exterior de un vidrio está a 80 °C. A = 1,55 m²; aire a 40 °C; h = 3 W/(m²·K).
ΔT = 80 − (40) = 40 K.
P = hAΔT = 3 × 1,55 × 40 = 186 W.
La cara del vidrio cede 186 J cada segundo en ese estado.
Resultado: P = +186 W hacia el aire
Condiciones: Modelo de una cara: temperatura superficial y h medios uniformes; aire exterior representativo fuera de la capa cercana a la pared. Se calcula solo convección, sin radiación ni la resistencia del vidrio. Es un estado dado; no predice por sí solo cómo cambia la temperatura con el tiempo.
EJEMPLO 12
La cara exterior de un vidrio está a 35 °C. A = 1,8 m²; aire a 20 °C; h = 5,4 W/(m²·K).
ΔT = 35 − (20) = 15 K.
P = hAΔT = 5,4 × 1,8 × 15 = 145,8 W.
La cara del vidrio cede 145,8 J cada segundo en ese estado.
Resultado: P = +145,8 W hacia el aire
Condiciones: Modelo de una cara: temperatura superficial y h medios uniformes; aire exterior representativo fuera de la capa cercana a la pared. Se calcula solo convección, sin radiación ni la resistencia del vidrio. Es un estado dado; no predice por sí solo cómo cambia la temperatura con el tiempo.
EJEMPLO 13
La cara exterior de un vidrio está a 65 °C. A = 2,3 m²; aire a 15 °C; h = 4,8 W/(m²·K).
ΔT = 65 − (15) = 50 K.
P = hAΔT = 4,8 × 2,3 × 50 = 552 W.
La cara del vidrio cede 552 J cada segundo en ese estado.
Resultado: P = +552 W hacia el aire
Condiciones: Modelo de una cara: temperatura superficial y h medios uniformes; aire exterior representativo fuera de la capa cercana a la pared. Se calcula solo convección, sin radiación ni la resistencia del vidrio. Es un estado dado; no predice por sí solo cómo cambia la temperatura con el tiempo.
EJEMPLO 14
La cara exterior de un vidrio está a 75 °C. A = 0,80 m²; aire a 30 °C; h = 4,3 W/(m²·K).
ΔT = 75 − (30) = 45 K.
P = hAΔT = 4,3 × 0,80 × 45 = 154,8 W.
La cara del vidrio cede 154,8 J cada segundo en ese estado.
Resultado: P = +154,8 W hacia el aire
Condiciones: Modelo de una cara: temperatura superficial y h medios uniformes; aire exterior representativo fuera de la capa cercana a la pared. Se calcula solo convección, sin radiación ni la resistencia del vidrio. Es un estado dado; no predice por sí solo cómo cambia la temperatura con el tiempo.
EJEMPLO 15
La cara exterior de un vidrio está a 25 °C. A = 0,60 m²; aire a 0 °C; h = 3,9 W/(m²·K).
ΔT = 25 − (0) = 25 K.
P = hAΔT = 3,9 × 0,60 × 25 = 58,5 W.
La cara del vidrio cede 58,5 J cada segundo en ese estado.
Resultado: P = +58,5 W hacia el aire
Condiciones: Modelo de una cara: temperatura superficial y h medios uniformes; aire exterior representativo fuera de la capa cercana a la pared. Se calcula solo convección, sin radiación ni la resistencia del vidrio. Es un estado dado; no predice por sí solo cómo cambia la temperatura con el tiempo.
EJEMPLO 16
La cara exterior de un vidrio está a 10 °C. A = 1,3 m²; aire a −10 °C; h = 4,7 W/(m²·K).
ΔT = 10 − (−10) = 20 K.
P = hAΔT = 4,7 × 1,3 × 20 = 122,20 W.
La cara del vidrio cede 122,20 J cada segundo en ese estado.
Resultado: P = +122,20 W hacia el aire
Condiciones: Modelo de una cara: temperatura superficial y h medios uniformes; aire exterior representativo fuera de la capa cercana a la pared. Se calcula solo convección, sin radiación ni la resistencia del vidrio. Es un estado dado; no predice por sí solo cómo cambia la temperatura con el tiempo.
EJEMPLO 17
Una superficie a 10 °C intercambia calor con aire a 30 °C; h = 20 W/(m²·K), A = 0,50 m².
P = 20 × 0,50 × (10 − 30) = −200 W.
El signo negativo invierte el sentido: la energía pasa del aire a la superficie.
Resultado: P = −200 W; entran 200 W en la superficie
Condiciones: Modelo de una cara: temperatura superficial y h medios uniformes; aire exterior representativo fuera de la capa cercana a la pared. Se calcula solo convección, sin radiación ni la resistencia del vidrio. Aquí P se define positivo desde la superficie hacia el fluido.
EJEMPLO 18
La superficie y el aire están a 25 °C, con h = 10 W/(m²·K) y A = 2 m².
ΔT = 25 − 25 = 0 K.
P = 10 × 2 × 0 = 0 W.
Resultado: P = 0 W en el modelo
Condiciones: Modelo de una cara: temperatura superficial y h medios uniformes; aire exterior representativo fuera de la capa cercana a la pared. Se calcula solo convección, sin radiación ni la resistencia del vidrio. Puede seguir existiendo movimiento de aire, aunque este intercambio térmico neto sea cero.
EJEMPLO 19
La ventana del ejemplo 7 mantiene una potencia convectiva de 48 W durante 5 minutos.
t = 5 × 60 = 300 s.
Q = Pt = 48 × 300 = 14 400 J.
Resultado: Q = 14 400 J = 14,4 kJ hacia el aire
Condiciones: h y temperaturas se mantienen durante todo el intervalo. Si la superficie se enfría, no basta multiplicar su potencia inicial por el tiempo.
EJEMPLO 20
La potencia convectiva es 240 W, el área 0,30 m² y la superficie está 20 K por encima del aire.
h = P/(AΔT).
h = 240/(0,30 × 20) = 40 W/(m²·K).
Resultado: h = 40 W/(m²·K)
Condiciones: La potencia indicada corresponde únicamente a convección; no atribuyas a h las pérdidas radiativas medidas junto con ella.
EJEMPLO 21
Se desea transferir 150 W con h = 30 W/(m²·K) y ΔT = 20 K.
A = P/(hΔT).
A = 150/(30 × 20) = 0,25 m².
Resultado: A = 0,25 m²
Condiciones: h se supone conocido y constante. A es área expuesta al fluido; en aletas con temperatura variable se requiere un análisis adicional.
EJEMPLO 22
h = 15 W/(m²·K), ΔT = 40 K y A = 0,20 m².
q″ = hΔT = 15 × 40 = 600 W/m².
P = q″A = 600 × 0,20 = 120 W.
Resultado: q″ = 600 W/m²; P = 120 W
Condiciones: El flujo por área se mide en W/m²; la potencia total se mide en W.
EJEMPLO 23
Con A = 0,50 m² y ΔT = 40 K, compara h₁ = 10 y h₂ = 30 W/(m²·K).
P₁ = 10 × 0,50 × 40 = 200 W.
P₂ = 30 × 0,50 × 40 = 600 W.
Resultado: La potencia pasa de 200 a 600 W
Condiciones: Se mantienen las temperaturas y el área. Triplicar h triplica P en este modelo; triplicar la velocidad del aire no garantiza triplicar h.
EJEMPLO 24
Una pieza inicialmente a 80 °C se enfría en aire a 20 °C. m = 0,20 kg, c = 900 J/(kg·K), h = 30 W/(m²·K), A = 0,030 m².
Capacidad C = mc = 0,20 × 900 = 180 J/K.
Constante de tiempo τ = mc/(hA) = 180/(30 × 0,030) = 200 s.
T(t) = 20 + 60 exp(−t/200); T(200) = 20 + 60/e ≈ 42,07 °C.
Resultado: T(200 s) ≈ 42,07 °C
Condiciones: Modelo de temperatura interna casi uniforme: h, c y aire constantes, sin otras transferencias. Con k = 200 W/(m·K) y Lc = V/A = 0,0025 m, Bi = hLc/k = 0,000375 < 0,1; esta comprobación respalda la aproximación.
P: potencia convectiva en W. h: coeficiente medio en W/(m²·K). A: área expuesta en m². Ts: temperatura de la superficie; T∞: temperatura representativa del fluido fuera de la capa próxima.
La temperatura absoluta sí se convierte con T en K = t en °C + 273,15. Por ejemplo, 10 °C = 283,15 K y 0 °C = 273,15 K: su diferencia sigue siendo 10 K.
Potencia, flujo por área y energía: q″ = P/A se mide en W/m²; Q = Pt se mide en J cuando P permanece constante. La pérdida de la superficie tiene el signo opuesto al aporte al fluido.
La ecuación da un intercambio convectivo. Para una ventana completa hacen falta otras resistencias, las dos caras y, según el caso, radiación y fugas de aire.
Laminar y turbulento describen el régimen del flujo; no son sinónimos de natural y forzado. Una misma instalación puede combinar mecanismos. Ebullición y condensación requieren además considerar cambio de fase y el régimen correspondiente.
h no es una propiedad fija como una conductividad tabulada. Cambia con propiedades del fluido, velocidad, tamaño, orientación y estado de la superficie, régimen de flujo y diferencia de temperaturas. Puede variar de un punto a otro: aquí se usa un valor medio apropiado.
| Situación | Intervalo orientativo |
|---|---|
| Natural en gases | 2–25 |
| Natural en líquidos | 50–1 000 |
| Forzada en gases | 25–250 |
| Forzada en líquidos | 50–20 000 |
Referencia: Heat Transfer Engineering, tabla 1.2. Son órdenes de magnitud, no límites universales ni valores que puedan elegirse al azar. Los intervalos se solapan; no permiten clasificar por sí solos un flujo.
Para un cálculo real, h debe proceder de una medición o de una correlación adecuada a la geometría y al régimen. No uses estos intervalos de una sola fase para resolver automáticamente ebullición o condensación.
En el ejemplo 24 la temperatura del cuerpo cambia: la potencia ya no permanece constante. El modelo de temperatura interna casi uniforme usa T(t) = T∞ + (T₀ − T∞) exp(−t/τ), con τ = mc/(hA).
Su aplicación requiere h, c y temperatura del fluido aproximadamente constantes y una resistencia interna pequeña. Se comprueba con Bi = hLc/k, donde Lc = V/A; Bi < 0,1 es un criterio habitual. Se omiten radiación, generación interna y cambios de fase.
CONTRASTE 01
Un extremo de una barra se calienta y el otro aumenta de temperatura.
La energía se transmite dentro del material sin una corriente macroscópica de fluido.
El aire que rodea la barra sí puede intercambiar calor por convección.
Resultado: Conducción en el sólido
Condiciones: Identifica el tramo: conducción dentro de la barra y convección en su superficie no se excluyen.
CONTRASTE 02
La energía solar llega a la Tierra a través del espacio.
No se necesita una corriente de líquido o gas que conecte ambos cuerpos.
Una vez absorbida, esa energía puede originar movimientos convectivos en la atmósfera.
Resultado: Radiación, no convección entre el Sol y la Tierra
Condiciones: La propagación por el espacio y la circulación del aire son etapas diferentes.
P positivo de la superficie al fluido; h y temperaturas uniformes en los cálculos instantáneos. Se omiten otros mecanismos.
Selección y desarrollo: Editorial Ejemplode. Revisión: 7 de octubre de 2026.