inercia térmica

La inercia térmica es un término comúnmente utilizado para describir los retrasos observados en la respuesta de la temperatura de un cuerpo durante las transferencias de calor . Este fenómeno se debe a la capacidad de un cuerpo para almacenar y transportar calor en relación con su entorno. Dado que la configuración de los componentes del sistema y los modos de transporte (p. ej., conducción, convección, radiación, cambio de fase) y el almacenamiento de energía (p. ej., energía interna, entalpía, calor latente) varían sustancialmente entre los distintos casos, no existe una expresión matemática de forma cerrada de aplicación general para la inercia térmica. ^{[ 1 ]}

Los cuerpos con masa y capacidad calorífica relativamente grandes suelen presentar respuestas de temperatura más lentas. Sin embargo, la capacidad calorífica por sí sola no permite cuantificar con precisión la inercia térmica. Su medición depende, además, de cómo se distribuyen los flujos de calor dentro y fuera del cuerpo, de acuerdo con las condiciones de contorno del sistema .

La naturaleza intensiva o extensiva de la inercia térmica depende del contexto. Algunos autores la han identificado como una propiedad intensiva del material, por ejemplo, en relación con la efusividad térmica . También se ha evaluado como una magnitud extensiva a partir del comportamiento espacio-temporal, medido o simulado, de un sistema durante transferencias de calor transitorias . En ocasiones, se utiliza una constante de tiempo como una parametrización sencilla de la inercia térmica de un componente o subsistema específico.

Un sistema termodinámico que contiene uno o más componentes con gran capacidad calorífica indica que deben considerarse los efectos dinámicos o transitorios al medir o modelar el comportamiento del sistema. Los cálculos en estado estacionario , muchos de los cuales producen estimaciones válidas de los flujos de calor y las temperaturas al alcanzar el equilibrio , no proporcionan información sobre la trayectoria de transición hacia dichas condiciones estables o metaestables . Actualmente, el comportamiento espacio-temporal de sistemas complejos puede evaluarse con precisión mediante simulaciones numéricas detalladas . En algunos casos, un análisis de sistema concentrado puede estimar una constante de tiempo térmica . ^{[ 2 ] [ 3 ] : 627}

Una mayor capacidad calorífica${\displaystyle C}$Para un componente, generalmente significa un tiempo más largo para alcanzar el equilibrio. La tasa de transición también ocurre junto con la propiedad interna del componente.${\displaystyle U_{i}}$y medio ambiente${\displaystyle U_{e}}$coeficientes de transferencia de calor , referenciados sobre un área de interfaz${\displaystyle A}$La constante de tiempo${\displaystyle \tau }$para una transición exponencial estimada de la temperatura del componente se ajustará como${\displaystyle C/(A\cdot U_{e})}$en condiciones que obedecen la ley de enfriamiento de Newton ; y cuando se caracteriza por una relación${\displaystyle U_{e}/U_{i},}$o número de Biot , mucho menor que uno. ^{[ 4 ] : 19–26}

Las analogías de la inercia térmica con los comportamientos temporales observados en otras disciplinas de la ingeniería y la física a veces deben usarse con precaución. ^{[ 5 ]} En la simulación del rendimiento de edificios , la inercia térmica también se conoce como el efecto de volante térmico , y la capacidad calorífica de la masa de una estructura (a veces llamada masa térmica ) puede producir un retraso entre el flujo de calor diurno y la temperatura que es similar al retraso entre la corriente y el voltaje en un circuito RC accionado por CA. La inercia térmica es menos directamente comparable al término masa-velocidad utilizado en mecánica , donde la inercia restringe la aceleración de un objeto. De manera similar, la inercia térmica puede ser una medida de la capacidad calorífica de una masa y de la velocidad del pulso térmico que controla la temperatura superficial de un cuerpo. ^{[ 1 ]}

Para un cuerpo rígido semiinfinito donde la transferencia de calor está dominada únicamente por el proceso difusivo de conducción, la respuesta de inercia térmica en una superficie se puede aproximar a partir de la efusividad térmica del material , también llamada respuesta térmica.${\displaystyle r}$. Se define como la raíz cuadrada del producto de la conductividad térmica volumétrica del material y la capacidad calorífica volumétrica , donde esta última es el producto de la densidad y la capacidad calorífica específica : ^{[ 6 ] [ 7 ]}

${\displaystyle r={\sqrt {k\rho c}}}$

• ${\displaystyle k}$es la conductividad térmica, con unidad W⋅m ⁻¹ ⋅K ⁻¹
• ${\displaystyle \rho }$es la densidad, con unidad kg⋅m ⁻³
• ${\displaystyle c}$es la capacidad calorífica específica, con unidades de J⋅kg ⁻¹ ⋅K ⁻¹

La efusividad térmica tiene unidades de coeficiente de transferencia de calor multiplicado por la raíz cuadrada del tiempo:

• Unidades del SI de W⋅m ⁻² ⋅K ⁻¹ ⋅s ^1/2 o J⋅m ⁻² ⋅K ⁻¹ ⋅s ^−1/2 .
• Las unidades no pertenecientes al SI de kiefers: Cal⋅cm ⁻² ⋅K ⁻¹ ⋅s ^−1/2 , también se utilizan informalmente en referencias más antiguas. ^{[ i ]}

Cuando se impone un flujo constante de calor de forma abrupta sobre una superficie,${\displaystyle r}$desempeña prácticamente el mismo papel a la hora de limitar la respuesta inicial de "inercia térmica" dinámica de la superficie:

${\displaystyle U_{dyn}(t)\approx {\frac {r}{\sqrt {t}}};t>0}$

como coeficiente de transferencia de calor estático del cuerpo rígido${\displaystyle U}$juega en la determinación de la temperatura de estado estacionario de la superficie. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

• Lista de propiedades termodinámicas
• Análisis térmico
• Retraso estacional