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lunes, diciembre 19, 2005

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.

9 comentarios:

  1. Me ha gustado mucho este post, es muy instructivo.

    Con respecto al último párrafo, hay algo que nunca he entendido y nunca he encontrado a nadie que me lo explique. ¿Por qué tenemos calor cuando hace 36º? Dices que se suda a esa temperatura, pero yo creo que a menos también, aunque uno esté quieto y no nos dé el sol. ¿Por qué?. La gracia está en que el agua a 36º no la notamos ni fría ni caliente. ¿Por qué el aire a esa temperatura lo notamos caliente y el agua no?.

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  2. Se suda cuando el cuerpo genera más calor del que transfiere a su entorno. Eso puede ocurrir perfectamente por debajo de 36 ºC, ya que aunque sigamos perdiendo calor (estamos más calientes que el aire), no lo hacemos al suficiente ritmo (cuanto menor es la diferencia de temperatura, menor es la transferencia), y necesitamos esa refrigeración extra del sudor.

    Lo del agua, hombre, para mi gusto, a 36 ºC ya está bastante caliente :-) (lo sé porque tengo un termostato en el grifo).

    De todas formas, por un lado el agua tiene más conductividad térmica que el aire. Así que a una temperatura algo mayor, seguimos notándola fría (perdemos más calor que con el aire a la misma temperatura). Además, si no estamos sumergidos, sino mojados (no nos bañamos, sino que nos duchamos), perdemos calor por evaporación (igual que con el sudor).

    No lo he comprobado, pero seguro que con el agua a 38 ºC (por ejemplo), podemos ducharnos y sentirla caliente (más o menos soportable). Pero si nos sumergieramos totalmente, la notaríamos insoportable (nos está cediendo calor y no tenemos el mecanismo de evaporación para refrigerarnos).

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  3. No lo veo claro. Según dicen los expertos, el agua del baño de los bebés debe estar a 36º-37º para que el bebé no sienta ni frío ni calor. Es difícil saber con seguridad lo que siente un bebé, pero me creo que en esas condiciones no siente ni frío ni calor. ¿Por qué si al mismo bebé le pones en una habitación a 36º-37º siente calor?. Eso es lo que nunca he entendido.

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  4. Los bebés son un caso especial, ya que no son capaces de regular la temperatura tan bien como un adulto. Los pobres generan menos calor y pasan frío en condiciones en las que un adulto no. Otra cosa que suelen decir los médicos es que deben tener una "capa" más de ropa que un adulto. Es más, también dicen que en un bebé, la temperatura normal debería ser de 37 ºC, y que no se considera que tienen fiebre hasta que no llegan a los 38 ºC (un grado más que en el caso de los adultos).

    Yo tengo dos niños, y cuando tenían pocos meses en seguida se ponían un poco morados al sacarlos del agua, a pesar de la calefacción y de envolverlos en toallas.

    Así que supongo que debe ser por eso. Además hay que tener en cuenta lo dicho antes. El agua nos roba más calor que el aire, tanto por su mayor conductividad térmica, como por evaporación.

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  5. Lo siento, Alf, debo estar muy espeso pero sigo sin verlo. Si yo estoy a 36º y el aire o el agua que me rodea está a 36º, ¿por qué iba a haber transferencia de calor?. No veo que la conductividad térmica influya en este escenario.

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  6. Si estás a 36º y el aire o agua que te rodea está a 36º, ciertamente no hay transferencia de calor al entorno por conductividad. En teoría deberías sentir calor, ya que tu cuerpo genera calor y no lo pierdes.

    La cosa cambia un poco por debajo (por ejemplo, a 35º C). Ahí sí hay transferencia de calor por conductividad, y en el agua es mayor que en el aire.

    Uno no debería sentir el agua caliente a 36 ºC, ya que está a la temperatura de su cuerpo, pero sí debería sentir calor si está sumergido en ella. El caso de una ducha es diferente, ya que el agua de la piel se va evaporando y robando calor.

    Un bebé se baña, pero no se le sumerge totalmente. Yo al menos, nunca lleno la bañera de forma que el agua le cubra la tripa. Supongo que la parte emergida es suficiente para que disipe el calor que genera (la sumergida no podría, ya que el agua está a su misma temperatura).

    Pero claro, en el caso de los bebés, solo especulo. Habría que saber realmente qué siente (fresquito o calorcito). Y como la única forma de comunicarse que tienen es llorar si no están a gusto, pues... es bastante difícil :-)

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  7. Un pequeño apunte para aclarar el tema:

    Nosotros no somos capaces de notar la temperatura de un cuerpo, lo que notamos es la transfernecia de energía (el calor) si sentimos frio es porqué nuestro cuerpo está cediendo energía a su alrededor, no por la temperatura que tenga lo que hay alrededor (lo que ocurre es que la transferencia de calor es directamente proporcional a la diferncia de temperaturas tanto para la convección como para la conducción y por eso es fácil pensar que si que notamos la temperatura)

    Lo que qería decir con esto es que dado que el calor fluye de manera diferente en el aire o en el agua, aún estando a la misma temperatura no tenemos que tener la misma sensación pq el calor que fluye no tiene porqué ser el mismo ¿se entiende esto que estoy diciendo?

    Ejemplo claro:

    Aire a 15 grados = algo de fresco
    Agua a 15 grados= frío, mucho frío

    temperatura igual, sensaciones diferentes porque el aire ofrece una mayor resistencia a la transferencia de calor

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  8. Hola a todos, voy a permitirme meter un poco baza en el asunto:
    No todo el cuerpo humano está a 36-37ºC, existe lo que se llama gradiente interno, de forma que las zonas más internas del cuerpo sí están a esa temperatura, pero los tejidos más externos no. Por eso, para medir la temperatura interna del cuerpo (para saber si tenemos fiebre) no podemos poner el termómetro en cualquier lugar del cuerpo, o cogerlo simplemente con los dedos. Tenemos que ponerlo debajo de la axila porque a menos de un centímetro de esa zona pasa un vaso sanguíneo grande (la arteria axilar, un nombre fácil de recordar xD ). La gran cantidad de sangre que lleva viene directamente del corazón, y calienta esa zona. También podemos tomar la temperatura en la boca o en el recto, porque el aporte sanquíneo de las mucosas es mucho más rico y no se dedica a regular la temperatura, como ocurre con el aporte sanguíneo de la piel.
    Efectivamente, la piel está a unos 20-25 grados. Cuando hace más calor, el cuerpo lleva más sangre hacia la piel, ésta aumenta de temperatura, y pierde más calor. Éste es el método que tenemos para evitar que nuestro cuerpo se caliente demasiado, debido a que apenas podemos reducir la producción de calor. Cuando hace frío, minimizamos el aporte a la piel, de forma que ésta baja la temperatura, y reducimos el gradiente térmico con el exterior. Así perdemos menos calor. Cuando perdemos más calor todavía, empezamos a tiritar, que no es más que una forma involuntaria de hacer trabajar a los músculos. El movimiento de los músculos se hace, como siempre, "quemando" moléculas. Un 30% aproximadamente de la energía química se transforma en movimiento, el resto en calor.
    Volviendo al tema de la sensación de frío y calor, hay que tener en cuenta que nuestros receptores de frío y calor evalúan la pérdida o ganancia de calor, y eso depende de la temperatura del objeto que estamos tocando y de la temperatura de la piel. Y ya sabemos que la temperatura de la piel no es constante.
    Por ejemplo, entramos a casa helados de frío, tocamos el radiador y tenemos la sensación de que nos quema. La piel todavía la tenemos muy fría por el poco aporte de sangre, y la transmisión de calor es grande. Cuando llevamos un buen rato en casa, nuestro cuerpo no necesita ahorrar tanto calor, la piel sube de temperatura, y al tocar de nuevo el radiador, ya no está tan caliente, porque la transmisión térmica es menor.
    Cosas interesantes al respecto: ducharnos con agua caliente es más fácil de sobrellevar que bañarnos. Aunque la necesaria pérdida de calor se inhiba con el chorro de agua de la ducha si este agua es caliente, las zonas de piel que no están recibiendo el agua en ese momento están perdiendo calor, con lo que compensa. De hecho, como esa zona de piel está húmeda, pierda calor más rápidamente, porque cede calor a unas moléculas que se evaporan y salen del "sistema térmico". Sin embargo, si tomamos un baño, la gran mayoría de la piel está cubierta por el agua, y apenas hay escape de calor posible. El baño caliente relaja mucho debido a que el cuerpo, en un intento de mantener constante su temperatura, disminuye el metabolismo general, baja las pulsaciones, y la tensión arterial, disminuye la producción de adrenalina, ordena relajarse a los músculos, y nos entra cierta somnolencia.
    El sistema simpático es la parte del sistema nervioso que se dedica al estrés, al deporte, a los nervios, a estar despierto, y a producir calor. El sistema parasimpático hace justo lo contrario. Con un baño caliente obligamos a que prevalezca el parasimpático sobre el simpático, para que aquél ponga los mecanismos para que perdamos calor. Y entre otras cosas, nos relaja, inhibe el estrés, etc.

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  9. Muy buena la precisión que habéis hecho sobre los "receptores" que tenemos en la piel. Sólo somos capaces de sentir la transferencia de calor, no la temperatura. Tendría que haber empezado por ahí.

    Sobre los 0 kelvin. Pues no sé. El Tercer Principio de la Temodinámica nos dice que es imposible alcanzar el cero absoluto, por lo que nunca se violaría el principio de incertidumbre aunque las moléculas se paren teóricamente al alcanzarlo.

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