Conduction, convection and radiation

Conduction, convection, and radiation are the three forms of heat transfer. Heat is the energy that passes from one body or system to another.

Heat transfer only occurs when there is a difference in temperature between two things.

In conduction, heat transfer occurs when one body or object is in contact with another.

Convection, on the other hand, is produced by the movement of gases or liquids at different temperatures.

For its part, radiation is a transfer of heat without the bodies being in contact. Therefore, this occurs through the emanation of energy through electromagnetic waves.

An example that illustrates this would be that of a pot of boiling water: the fire heats the pot (radiation), the metal in the pot heats the water (conduction) and the hot water rises due to the effect of heat (convection).

What is heat conduction?

Conduction is a form of heat transfer that occurs when two bodies are in contact or when heat passes from one side of the same body to the other. For example, if we heat one end of an iron rod, the other end will heat up after a while, despite not being in direct contact with the heat source.

The mechanism of heat transfer by conduction is based on the movement of atoms. As the temperature rises, the atoms move faster and also push neighboring atoms, transferring heat to them.

La capacidad de los materiales para conducir el calor que se conoce como conductividad térmica. Por ejemplo, el aire tiene una baja conductividad así como la madera.

Por otro lado, los metales, como el aluminio y el hierro, tienen una alta conductividad térmica. Estos materiales son muy eficaces en la conducción de calor, ya que poseen electrones libres que transfieren energía más rápido desde las zonas calientes a las zonas frías del cuerpo.

Ejemplos de conducción del calor

• Sartén de hierro fundido sobre una hornilla encendida: el calor de la hornilla calienta la sartén que conduce el calor al resto de la sartén y los contenidos dentro de la misma.
• Hielo derretido en la mano: si colocamos un hielo en la mano, este se derrite debido a la conducción del calor corporal.
• Los pies calientes en la arena: en un día caluroso en la playa, si caminamos por la arena caliente con los pies descalzos, al rato sentiremos que nos quemamos por la conducción del calor de la arena a nuestros pies.
• La taza de café caliente: al verter café caliente (u otra bebida caliente) en una taza, con el tiempo sentiremos el calor en nuestras manos. Por eso las tazas tienen un asa para que podamos agarrarla sin quemarnos.
• El planchado de la ropa: la plancha que se usa para quitar las arrugas de la ropa se calienta y al entrar en contacto con la ropa, conduce el calor.
• El termómetro: este instrumento sirve para medir la temperatura porque recibe o transfiere el calor por conducción del objeto o sustancia con el que está en contacto.
• La cuchara de metal contra la cuchara de madera: una cuchara de madera conduce mal el calor mientras la cuchara de metal se calienta rápido. Por eso podemos mezclar la comida con la cuchara de madera, pero cuando comemos la sopa usamos una cuchara de metal.

¿Qué es la convección del calor?

La convección es la forma de transferencia del calor que se produce por el movimiento de líquidos y gases de zonas calientes a zonas frías. Cuando se calienta un fluido, este se hace menos denso, lo que provoca que suba.

Es gracias al proceso de convección que se forman las nubes: el vapor de agua y el aire caliente en la superficie de la Tierra se eleva para luego condensarse como nubes en las alturas. Este tipo de convección es natural o libre, sin la intervención de fuerzas externas.

Por otro lado, la convección forzada se produce cuando se aplica una fuerza para mover el fluido. Esto es lo que sucede cuando usamos los ventiladores para mover el aire caliente de una habitación, o cuando movemos el contenido de una olla sobre la hornilla.

Ejemplos de convección del calor

• Sistemas de calefacción domésticos: el aire en contacto con un sistema de calefacción se calienta, para luego subir y desplazar el aire frío, provocando corrientes de aire.
• El calor interno de la Tierra: el núcleo de la Tierra es caliente y fluido, por lo que se producen corrientes de convección que causan los sismos y las erupciones volcánicas.
• El fluido en los termos acumuladores: en las tuberías de un calentador solar, el fluido se calienta y se vuelve menos denso, moviendo el calor a los fluidos más fríos.
• Horno de convección: el aire caliente dentro del horno circula gracias a un ventilador, lo que hace que la comida se hornee de forma más uniforme.
• El agua hirviendo en una olla: cuando colocamos agua en una olla sobre una hornilla encendida, el agua caliente del fondo sube forzando el movimiento del agua fría de la superficie.
• Secador de pelo: el aire frio entra en el secador, se calienta al pasar por una resistencia y sopla aire caliente por la boquilla.
• Corrientes oceánicas: las aguas de los océanos se mantienen en constante movimiento por convección, el agua caliente de los trópicos se mueve hacia los polos.
• Globos aerostáticos o globos de aire caliente: al calentar el aire, este se hace menos denso, queda atrapado dentro de la tela del globo, haciendo que flote. Por eso, para bajar, se abre una ventanilla que deja escapar el aire caliente.

¿Qué es la radiación de calor?

La radiación es la transferencia de calor sin que exista contacto entre los objetos. Esto ocurre a través de las ondas electromagnéticas, como la luz visible, el ultravioleta y el infrarrojo, que se propagan por el espacio. Para que se produzca la radiación del calor no se requiere la presencia de material.

Los cuerpos emiten calor por radiación, pero también absorben el calor, dependiendo de la diferencia de temperatura. De hecho, los cuerpos que mejor absorben también son buenos emisores. Por ejemplo, una superficie negra absorbe mejor las radiaciones, pero también emiten más que una superficie blanca.

Así, la emisión depende de la temperatura del cuerpo, a mayor temperatura, mayor emisión de calor.

El funcionamiento de un termo se basa en concentrar la radiación del calor en su interior. Un termo se construye con una doble pared de vidrio sin aire entre ellas, para evitar la pérdida de calor por conducción o convección. La pared interna plateada refleja la radiación sin absorberla, por lo que la bebida permanece caliente por más tiempo.

Ejemplos de radiación térmica

• El calor del Sol: la Tierra recibe el calor del Sol por radiación.
• La arena caliente en una playa: en un día de verano la radiación solar calienta la arena.
• Brasas de una hoguera: cuando nos acercamos a una hoguera o chimenea, los carbones encendidos emanan calor por radiación.
• Horno solar: los rayos de sol inciden en una superficie calentando el aire.
• Termómetro infrarrojo: mide la radiación de un cuerpo en el rango de los infrarrojos y lo representa como temperatura.
• Cámaras térmicas: las cámaras termográficas registran el calor de los cuerpos emitido por radiación.
• Tanning beds: tanning beds are based on the emission of ultraviolet rays that promote tanning of the skin. Its use is limited by the predisposition to skin damage.