Transmisión de calor

El jueves pasado, al hablar de El Día de Mañana y la escena del piloto de helicóptero que se congela instantáneamente, expliqué que en la transferencia de calor entre un cuerpo sólido y el aire que le rodea, sólo es importante la transmisión por conducción, obviando la transmisión por convección. Sin embargo, tal y como me han hecho ver algunos comentarios al envío, eso no es del todo cierto. La transferencia por convección tiene también bastante importancia. Es más, consultando la web HyperPhysics, resulta que la transferencia por radiación es mayor que la producida por conducción, a una temperatura ambiente razonable (23 ºC). Así que voy a profundizar un poco más en los tipos de transferencia de calor.

Lo primero que quiero hacer es recordar qué es el calor. Desde un punto de vista físico, el calor es la transferencia de energía interna de un cuerpo. ¿Y qué es la energía interna? Básicamente es la energía cinética de las moléculas o átomos que componen un cuerpo. Las moléculas no están quietas (salvo a la temperatura del cero absoluto, que es inalcanzable), sino que se mueven y vibran. Esa vibración de las moléculas es la energía interna, y su transmisión es el calor. Sin embargo, es bastante habitual referirse a la energía interna simplemente como calor, y a la transmisión de aquella, como transmisión de calor (aunque estrictamente hablando no sea así).

Comencemos por la transferencia por conducción. Este tipo de transmisión se produce cuando la vibración de una molécula se propaga a sus vecinas. Pensemos por ejemplo en una sábana que empezamos a agitar por un extremo. Ese movimiento se transmitirá por toda la sábana, aunque será más fuerte justo en el sitio sonde la estemos agitando. La transferencia por conducción ocurre en todos los cuerpos, y entre cuerpos que están en contacto físico directo. En el caso que nos ocupa, el aire está en contacto con la piel, por lo que la vibración de las moléculas de nuestra piel será transmitida a las moléculas del aire. Nuestra piel descenderá su temperatura y el aire aumentará la suya. Las capas más internas de la piel estarán más calientes que las más externas, por lo que cederán su calor a éstas, por el mismo proceso.

Sigamos con la convección. Este tipo de transmisión sólo ocurre en fluidos. Tódos sabemos que un fluido (líquido o gas) aumenta su volumen con la temperatura (salvo excepciones como el agua cerca de 0º C). Al aumentar su volumen, pero manteniendo su masa, disminuye su densidad, por tanto, ascenderá. El calor se transmite, no por la propagación de la vibración de las moléculas, sino por el desplazamiento de las propias moléculas. Por eso sólo puede ocurrir en fluidos.

Bueno, pero el cuerpo humano es un sólido ¿no? ¿Qué tiene que ver la transmisión por convección? Bien, pensemos en una de las consecuencias de la transmisión de calor de un cuerpo a otro: el cuerpo que pierde calor baja su temperatura, y el cuerpo que adquiere calor aumenta su temperatura. Dado que nuestro cuerpo genera calor mediante la combustión celular, podemos soportar pérdidas de calor a través de nuestra piel hasta cierto punto. ¿Y el aire? Si no hubiera algún mecanismo que lo enfriara, la temperatura del aire a nuestro alrededor subiría y subiría, hasta alcanzar una temperatura agradable. Si esto fuese así, tras pasar un poco de frío, podríamos estar agradablemente desnudos en una noche de invierno, si no nos movemos de nuestro sitio. Obviamente, esto no ocurre así, como nuestra experiencia cotidiana nos demuestra. El aire caliente de nuestro alrededor, cede su calor al aire más frío que está más lejos de nosotros. Y esto ocurre no sólo por conducción en el aire (que es bastante pequeña), sino por convección. El aire que hemos calentado asciende, siendo remplazado por aire más frío, dispuesto a recibir nuestro calor (y enfriarnos a nosotros).

Aquí es necesario hablar de otro factor importante: la velocidad del aire. Todos sabemos que cuanto más viento hace, más frío sentimos, aunque la temperatura no varíe. Es la famosa sensación térmica, que no es más que una forma de medir el ritmo al que perdemos calor. ¿Por qué ocurre esto? Pues bien, por un lado, el aire que hemos calentado a nuestro alrededor es sustituido por aire más frío a mayor velocidad. Eso quiere decir que el aire que está en contacto ditecto con nuestra piel, tiene una temperatura media inferior a la que tendría si no hiciera viento, ya que en este último caso, a pesar de la convección, el aire de nuestro alrededor estaría algo más caliente que el resto. Esto es lo que se conoce como convección forzada.

Pero si la convección forzada fuese la única causa de que perdieramos más calor debido al movimiento del aire, existiría una velocidad de viento máxima a partir de la cual nuestra pérdida de calor no aumentaría con la misma. Seria aquella velocidad a la que el aire que estuviese en contacto directo con nuestra piel estuviera a la misma temperatura que el resto. Pero eso no ocurre, y se debe a otra causa: la conductividad térmica en un fluído aumenta con la presión. De hecho, si consultamos la Wikipedia, el dato que proporcioné en el envío anterior sobre la conductividad térmica del aire, sólo es aplicable a 100 kPa de presión (1 atm = 101,325 kPa). Esto es fácil de ver si pensamos otra vez en las moléculas. Cuanto más presión (como ocurre cuando una corriente de aire es interceptada por un cuerpo sólido), el gas tiene más densidad. Es decir, hay más moléculas en el mismo volumen. Esto quiere decir que hay más moléculas de aire en contacto con nuestra piel, lo que se traduce en más moléculas que nos "roban" calor. Es decir, mayor transmisión de calor. Por eso, cuando hace viento, no sólo notamos más frío, sino que notamos mucho más frío en el lado que recibe directamente el aire que el el otro lado.

Existe también la transmisión de calor por radiación. Por el mero hecho de tener una temperatura superior al cero absoluto, un cuerpo emite calor en forma de radiación electromagnética. Esto es debido a que la vibración de las moléculas no es eterna. Poco a poco van perdiendo energía cinética, emitiendo fotones. A temperaturas moderadas, esta radiación se encuentra sobre todo en la banda infrarroja. Pero eso se suele asociar el concepto de radiación infrarroja al de radiación térmica, y por eso con un receptor de radiación infrarroja podemos ver la temperatura de los objetos (lo que vulgarmente se conoce como "visión térmica" o "visión ifrarroja").

Finalmente, existe un cuarto mecanismo de transmisión de calor, que no mencioné en el anterior envío. La transmisión de calor por evaporación: un líquido puede evaporarse por debajo de su punto de ebullición (como podemos comprobar con cualquier charco, o tras fregar la cocina). Pero para que un líquido pase al estado gaseoso, es necesario aportar calor. Eso quiere decir que cuando un líquido se evapora, su entorno le cede calor. Esto es lo que ocurre cuando sudamos.

En efecto, el sudor no es más que un mecanismo de refrigeración "extra" del cuerpo humano. Si la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el aire no es suficiente para transferir todo el calor que generamos, o aún peor, si la temperatura del aire que nos rodea es superior a la nuestra (por encima de 36º C), producimos sudor para que al evaporarse perdamos el suficiente calor para seguir a una temperatura adecuada. También ocurre al realizar determinados esfuerzos físicos, debido a que quemamos más calorías que las habituales, para aportar la energía necesaria, y por tanto generamos más calor.