Heat Transfer Concepts

Todo lleva a la transferencia de calor.
Un simple FAQ sobre la transferencia de calor

Traducción y adaptación al español realizada por Troodon

	La transferencia de calor es el movimiento de energía de algo caliente a algo frío. Este concepto básico es de sentido común, mientras que algo menos conocido es la diferencia entre calor y temperatura. Existen tres formas de transferencia de calor: Conducción, Convección y Radiación. Sólo estamos interesados en las dos primeras, ya que la radiación sólo es observable cuando algo está incandescente (como un filamento caliente de tungusteno en una bombilla). Saber qué es "calor" y qué es "temperatura" nos será útil cuando hablemos de conducción y convección. Calor El calor es la vibración de moléculas. Mucha vibración se siente caliente al tacto. Sin vibración, se siente frío extremo. Las moléculas son como adolescentes con presión mutua. Mezclarse y ser aceptado es lo que cuenta. Les gusta vibrar tanto como el siguiente chaval. No les gusta vibrar más que la molécula siguiente y tampoco menos. Si todas la otras moléculas se tiran desde un puente, esta molécula también lo hará. Si un grupo de moléculas vibran como locas (caliente), y van al colegio con unas moléculas que apenas vibran (frío), el colegio entero, después de un tiempo, acabrá vibrando tanto como la mitad de la diferencia de vibración entre las moléculas (templado). ¿Cuál es la diferencia entre las moléculas de metal y las de aire? Las moléculas de metal sólo conocen al vecino de al lado porque no se mueven por los alrededores. Cuando la puerta del segundo vecino vibra mucho, nuestra molécula no hace nada hasta que su vecino de al lado conoce al otro vecino; entonces "se lo pasa". El pasarlo de uno en uno se llama conducción y hay más sobre ello después. Las moléculas de aire tienen la especial cualidad de devenir libres y moverse hacia arriba según se calientan. Esto nos interesa mucho y vamos a aprovecharlo. Las moléculas de aire también vibran con el calor, pero no tienen vecinos permanentes. Van por los alrededores golpeando otras moléculas de aire, a izquierda y derecha. Pero si chocan contra un trozo de metal que vibra salvajemente (caliente), empezarán a vibrar también. Y cuando eso ocurre es el momento de elevarse. Sube hasta que golpea a otras moléculas de aire, transfiriendo una parte de su vibración a todas con las que se encuentra, hasta vibrar poco. Cuando esto ocurre vuelve a caer para repetir otra vez todo el proceso. Esta elevación y descenso del aire se denomina convección.
	Temperatura Toda esta discusión sobre calor y ningún grado de por medio. La temperatura es una medida objetiva (exacta) del calor o vibración. Palabras como caliente y frío son subjetivas (relativa una a la otra). Ahora que sabemos que calor es vibración, podemos imaginarnos que la más pequeña cantidad de vibración es la inmovilidad total. Inmovidad total es el cero absoluto (en la escala Kelvin). No hay manera de tener vibración "negativa". No puede haber menos. Por otro lado, no hay límite imaginable de cuánto puede vibrar algo. Ese límite debería estar en millones de grados, como el Sol. Bueno, por eso que se preocupen los científicos. Estamos haciendo algo de ingeniría pero seamos realistas y preocupémosnos del rango de temperaturas que encontramos aquí en la Tierra: desde los 0ºC/32ºF hasta los 40ºC/100ºF (¡50ºC/120ºF en el desierto!) Aquí está lo que necesitas saber respecto a la temperatura. El calor será transferido de un objeto, cuya temperatura es superior, a otro adyacente, cuya temperatura es inferior. No habrá transferencia de calor si los dos objetos tienen la misma temperatura. (Por eso es tan difícil enfriar un ordenador en una habitación caliente.) Conducción: A Través De y Entre Sólidos Un modelo muy práctico de conducción es el de un procesador y un disipador. El objetivo es mover rápidamente el calor generado (producido por la electricidad que pasa por el circuito) encima y fuera del chip. Aquí hay una foto de un accesorio que añade un ventilador en un disipador (http://www.pcpowercooling.com). Los procesadores modernos tienen encapsulados cerámicos con una tapa metálica en su parte superior. Un disipador de aluminio es colocado encima del procesador. El calor debería fluir através del procesador a su tapa, entonces pasar a la parte inferior del disipador y através de él hacia el final de las aletas del disiapdor. Y ahora unas palabras sobre la grasa, pasta o compuesto térmico: La transferencia de calor es muy eficiente cuando dos sólidos están en contacto cercano uno con el otro. Algunas de las agarraderas usadas para sujetar el disipador son muy fuertes y esto es propicio para una buena conducción. Pensando a nivel microscópico los metales tienen fisuras e imperfecciones. No habrá transferencia de calor si no hay contacto. Por suerte, un tipo especial de pasta ha sido fabricado para favorecer la máxima conducción. Funciona llenando los huecos y tiene un mayor factor de conducción del calor. Viene con algunos disipadores de calidad o puede ser comprada en tiendas de electrónica. Debe ser usada cuando existe la posibilidad de que la CPU se sobrecaliente porque el disipador no coge el suficiente calor. Cuidado; tocar un disipador y observar que está frío NO significa que haya una buena conducción. Es posible que la CPU esté muy caliente, pero que el calor no recorra su camino entre las dos partes. Lo mejor para comprobar esto es poner un termómetro preciso en un lado de la CPU, y después en el disipador. Si hay una diferencia de más de unos cuantos grados la pasta debería ser usada.
	Convección: Entre una Superficie Sólida y un Gas o un Fluido Siguiendo con el ejemplo anterior, la convecicón es el proceso de mover el calor del disipador al aire que está dentro de la caja. Convección es la superficie del disipador calentado el aire que está más cerca de dicha superficie, seguido por la sustitución del aire recién calentado con otro aire cercano a éste que todavía no ha sido calentado. Esto se repite hasta hasta que se enfría. Convección Natural contra Convección Forzada Cuando el aire calentado por una superficie se eleva por sí mismo, se denomina convección natural. Si el aire es soplado sobre una superficie por un ventilador, se denomina convección forzada. (La convección de una cocina en realidad usa convección forzada para cocinar). Los dispadores (como los de la una CPU o un radiador) suelen tener aletas o finas piezas de metal para ayudar a la convección natural. "Las aletas son convección natural, mientas que los ventiladores son convección forzada." Por fin hemos llegado al problema en cuestión: RCO y la convección forzada. Los ordenadores usan la convección forzada porque el ventilador de la fuente de alimentación mueve el aire a través de la caja. Por otra parte, muchas CPUs tienen ventiladores en sus disipadores, lo que también es convección forzada. Si queremos mejorar la refrigeración de un ordenador, necesitamos saber a cerca de la convección forzada. Nuestro objetivo es coger todo el calor del interior de la caja y moverlo continuamente fuera de la caja. La efectividad de la convección forzada depende de la velocidad local del aire, la masa del flujo de aire y la diferencia de temperatura entre los componentes y el aire. Hablemos sobre la velocidad. Si el aire es soplado rápidamente sobre un componente, entonces muchas moléculas tendrán posibilidad de recibir el calor de la superficie. Si no hay velocidad, entonces volvemos a la convección natural, la cual en realidad tiene una pequeña velocidad porque algunas moléculas se elevan. El flujo de aire a través de la caja es lo que saca el calor fuera de la caja, el paso final cuando imaginas al calor siendo creado dentro de los componentes electrónicos, conducido hacia la superficie, entonces transferido en el aire de la caja mediante la convección y finalmente expulsado a la habitación. Más aire moviendose a través de la caja hace que la temperautra de dicho aire suba menos, por lo que aumenta la eficiencia de la convección forzada. Para entender por qué la diferencia de temperatura es importante, vamos a imaginar los dos extremos: Si el aire del exterior se mantiene a la misma temperatura que el del interior, el calor no se moverá entre el aire y la superficie. Imagina un tazón al revés encima de una CPU. El aire y la pieza se calentarán más y más hasta que la CPU falle. Si el aire del exterior está realmente frío y es soplado en la parte caliente, ésta se enfriará rápidamente (como un factor de viento frío). Como en el segundo caso una gran diferencia de temperaturas es buena para la refrigeración. Ahora probablemente tendrás la suficiente base para hacer con comodidad modificaciones de diseño avanzadas. Información Adicional La transferencia de calor es generalmente usada por ingenieros mecánicos y diseñadores. En situaciones complicadas, los ingenieron mecánicos investigan la transferencia de calor de la convección mediante el uso de métodos de análisis teóricos, numéricos y empíricos. Un ejemplo de métodos numéricos es el Análisis de Elemento Finito. El AEF resulta en originales gráficos como este que hice sobre el flujo de aire encima de una placa caliente: Hay un ejemplo de datos de test de temperatura en la página de resultados de Rápido, Barato y Fácil. Para encontrar más información sobre la transferencia de calor, usa un buscador poniendo como palabras clave: `transferencia de calor convección conducción termal térmico temperatura`y en inglés: `heat transfer convection conduction thermal thermo temperature` Si encuentro alguna web que sea permanente (para que no tenga que estar arreglando links estropeados), la pondré aquí. Esta web http://www.algor.com/ tiene unos bonitos vídeos .avi AEF de 4 Mb sobre el flujo de aire de un ventilador de ordenador y esta sobre gradientes térmicos, los cuales merece la pena mirar.
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