Transferencia de calor
El calor se desplaza de tres formas distintas, y esta simulación dedica a cada una un banco de pruebas completo. Observa cómo la energía se conduce por una barra metálica hacia su estado estacionario, cómo una capa de fluido calentada se rompe en rollos de convección en cuanto el número de Rayleigh supera 1708, y cómo la radiación cruza un hueco vacío hasta que cada placa se asienta a la temperatura en la que lo que emite iguala a lo que absorbe.
Cómo usar esta simulación
- Alterna entre conducción, convección y radiación
- Elige el material de la barra, del cobre al roble, fija la temperatura de ambos extremos y retira el aislamiento para dejar que el calor escape al aire
- Elige el fluido, su profundidad y la diferencia de temperatura que lo atraviesa, o apaga la gravedad y observa cómo se detiene la convección
- Ajusta la temperatura de la fuente, desplaza cada placa por su raíl y dale una superficie distinta
- Arrastra la sonda a lo largo de la barra para leer la temperatura en cualquier punto
Qué observar
- El cobre y el roble alcanzan el mismo perfil estacionario, pero el reloj dice que el cobre tarda minutos y el roble días
- Por debajo de Ra ≈ 1708 el fluido se niega a moverse y Nu se queda en 1,00; por encima, la capa se pliega en rollos y Nu sube
- Sin gravedad el fluido queda quieto, y por eso las naves espaciales necesitan ventiladores para enfriar cualquier cosa
- Duplicar la distancia de una placa reduce a la cuarta parte la radiación que le llega, así que su ascenso sobre la temperatura ambiente cae en consecuencia
- Una placa negra y una gris brillante terminan a la misma temperatura: solo cambia el tiempo que tardan
La física detrás
Aquí la conducción es la ecuación del calor resuelta a lo largo de una barra real: el perfil se curva hacia la recta del estado estacionario a un ritmo fijado por la difusividad térmica del material, y el flujo de calor final obedece la ley de Fourier, Q = kAΔT/L. La convección es un flujo de Boussinesq bidimensional: la flotabilidad lucha contra la viscosidad y la difusión térmica, el número de Rayleigh decide cuál gana y el número de Nusselt indica cuántas veces más calor transporta el fluido en movimiento que la conducción por sí sola. La radiación sigue a Stefan–Boltzmann en ambos sentidos a la vez, con la irradiancia cayendo como 1/d² y la absortividad de cada recubrimiento promediada por bandas sobre el espectro de la fuente; por eso dos superficies grises se asientan a la misma temperatura por muy brillantes que sean, mientras que la pintura blanca se mantiene fría y el metal pulido se calienta.