fenomenos termicos en la construccion

Los fenmenos trmicos en la construccin

Notas de clase 2

Ao 2013

FIS

IC

A

Universidad Nacional de Rosario

Facultad de Arquitectura, Planeamiento y Diseo

rea Ciencias Bsicas Produccin y Gestin

Asignatura Fsica

Notas de Clase 2


Autor

Pasch, Vivian

Dibujo de la tapa: Arq. Cintia Ramirez

Ao 2013

Los fenmenos trmicos en la construccin 3

ndice

1 Introduccin ............................................................................................. 4

2 La Fsica de los fenmenos trmicos ......................................................... 6

2.1. Temperatura y calor.............................................................................................. 6

2.2. Termmetros ....................................................................................................... 7

2.3. Escalas termomtricas .......................................................................................... 8

2.4. Calor especfico .................................................................................................. 10

2.5. Cambios de estado ............................................................................................. 12

2.6. Calor de combustin ........................................................................................... 16

2.7. Dilatacin trmica............................................................................................... 16

2.7.1. Dilatacin de slidos ................................................................................. 16

Dilatacin volumtrica ........................................................................................... 16

Dilatacin superficial .............................................................................................. 17

Dilatacin lineal .................................................................................................... 18

2.7.2. Dilatacin de slidos ................................................................................. 18

Dilatacin anmala del agua ................................................................................... 19

2.7.3. Dilatacin de gases ................................................................................... 19

2.8. Esfuerzos de origen trmico ................................................................................. 19

2.9. Propagacin del calor .......................................................................................... 20

2.9.1. Conduccin .............................................................................................. 22

2.9.2. Conveccin .............................................................................................. 24

2.9.3. Radiacin ................................................................................................ 26

3. Fenmenos trmicos en la Arquitectura.................................................. 29

3.1. Transferencia global del calor ............................................................................... 29

3.2. Efecto invernadero.............................................................................................. 34

3.3. Humedad .......................................................................................................... 35

3.3.1. Humedad absoluta y relativa ...................................................................... 36

3.3.2. Medida de la humedad .............................................................................. 38

3.4. Sensacin trmica .............................................................................................. 39

3.5. Confort trmico .................................................................................................. 40

3.6. Arquitectura, clima y sustentabilidad ..................................................................... 42

4. Preguntas y problemas ........................................................................... 46

ANEXO I............................................................................................................ 50

ANEXO II .......................................................................................................... 55

ANEXO III ........................................................................................................ 57

Bibliografa ........................................................................................................... 58

4 Notas de Clase 2 - FISICA


1 Introduccin Desde tiempos antiguos en la arquitectura se integran y sintetizan mltiples conocimientos que devienen de diferentes dominios, pero que se resumen en la definicin de las relaciones entre

arquitectura, naturaleza y sociedad.

La naturaleza est permanentemente presente ya que no se puede pensar el edificio a proyectar

sin vincularlo al terreno; la naturaleza est presente an en los ambientes urbanos ya que la vida de los que habitan un edificio est influida por condiciones climticas y estacionales.

La sociedad establece la necesidad de los edificios; influye en sus condiciones de uso; ofrece

tcnicas y materiales; vincula la obra a la economa y condiciona los aspectos urbanos del paisaje cultural.

La obra de arquitectura es la que debe dar respuesta a los requerimientos bsicos del hombre para mejorar su calidad de vida y contribuir a la construccin de un ambiente antropizado en equilibrio

con el ambiente natural.

En las ltimas dcadas del siglo XX la relacin entre naturaleza y sociedad entr en una fuerte

crisis como consecuencia de varios factores que incluyen desde los problemas energticos, la explosin demogrfica y el desarrollo tecnolgico, hasta la desigual distribucin de la riqueza, por

slo mencionar algunos. Como consecuencia de esta crisis aparecen en el contexto internacional conceptos como el de sostenibilidad y el de sustentabilidad que han evolucionado en el tiempo, y que en el escenario actual incluyen -al menos- una vertiente ecolgica (preservacin del ambiente

natural) y una econmica (manejo eficiente de los recursos).

Figura 1. a) La utilizacin de gruesos muros macizos proporciona gran

aislamiento trmico; las galeras actan como elementos para el control

de la radicacin solar directa y facilitan la ventilacin.

b) Edificio sede de las Naciones Unidas. New York, 1950. Wallace K.

Harrison fue el arquitecto principal; intervenieron tambin Niemeyer y Le

Corbusier entre otros. La orientacin del edificio se elegi teniendo en

cuenta la sombra que generara sobre el resto del complejo. Las fachadas

este y oeste son vidriadas; se utiliz vidrio verde que permite el control de la radiacin solar. Est en remodelacin con el objeto de mejorar su

eficiencia energtica.

En Amrica Latina en particular, el abordaje de la cuestin urbana contempornea exige atender adems articulaciones entre sectores formales e informales muy expandidos y arraigados en los

que se interrelacionan diferentes actores sociales, se superponen mltiples jurisdicciones y entra en conflicto el inters pblico con el privado.

Existen diversos enfoques que buscan una relacin armoniosa con el entorno como base del

proceso de diseo, desde las que se basan en la aplicacin de tecnologas innovadoras a las que buscan utilizar materiales naturales, biodegradables y con el mnimo procesamiento. Como

ejemplos de estos enfoques en la Figura 2 a) se muestra el aprovechamiento de la radiacin solar, un recurso natural abundante en la rida Puna argentina; all se est buscando el uso de la energa

del sol, fuente limpia e inagotable, para el reemplazo de la lea que es escasa en la zona.


Figura 2. a) Aprovechamiento de la radiacin solar como

fuente energtica

b) Campus San Joaqun de la Universidad Catlica de Chile,

Santiago, Chile. Arq. Aravena, Murray, Montero, Torrejn.

2003. Se utilizaron varias pieles para materializar la fachada y

controlar la radiacin solar.

La figura 2. b) corresponde a un edificio educativo en el que por razones de costo no se utiliz un nico material como muro cortina para resolver las cuestiones de aislamiento trmico, reduccin del efecto invernadero y control de la radiacin solar, sino que se proyectaron diversas pieles cada

una con un fin especfico: exterior de vidrio comn de bajo mantenimiento; ms adentro, un edificio de fibrocemento, inadecuado para resistir los efectos de la intemperie, pero eficiente desde

el punto de vista trmico; entre ambos, aire. El espacio entre los dos edificios se comporta como una chimenea perimetral que por medio de corrientes de conveccin deja salir el aire caliente por

arriba. La piel de vidrio no llega al suelo, dejando entrar aire a menor temperatura en la base.

A pesar de las diferencias existentes en estas maneras de acercamiento a la relacin entre hecho construido y entorno natural, hay un aspecto que es comn a todas y es la necesidad del

conocimiento de las caractersticas del ambiente natural, de las propiedades de los materiales tradicionales y nuevos, de los fundamentos de las tcnicas constructivas, etc. Este conocimiento

posibilita la toma de decisiones proyectuales en concordancia con la postura adoptada o el desarrollo de nuevos enfoques. En este conocimiento aparecen fenmenos y parmetros que

corresponden al campo de estudio de la Fsica aplicada a la Arquitectura que permiten interpretar y tratar cuantitativamente y cualitativamente la relacin ya sea entre el edificio y el ambiente natural

como entre el edificio y el hombre.

La primer parte de esta unidad didctica corresponde al estudio elemental de las magnitudes y conceptos bsicos de los fenmenos trmicos. Luego se sintetizan las cuestiones bsicas

relacionadas con la propagacin del calor en los edificios y finalmente se presentan nociones bsicas relacionadas con el confort trmico y la relacin entre arquitectura, clima y sostenibilidad,

con el objetivo de aportar precisiones en la definicin y anlisis de la problemtica.

Figura 3. Casa bioclimtica experimental en

Tenerife, Espaa. Forma parte de un conjunto de

25 unidades; fueron diseada por distintos

arquitectos pero con el objetivo comn de reducir

el consumo de energa y agua y de aprovechar el

uso de las energas renovables. Poseen sensores

para medicin de temperatura, humedad y

circulacin de aire. Se pretenden evaluar las

condiciones de confort de cada una.


2 La Fsica de los fenmenos trmicos

2.1. Temperatura y calor

Las nociones de calor y temperatura se apoyan en la idea intuitiva que nos transmite nuestro propio cuerpo. As, la sensacin fisiolgica revelada por el tacto, que permite clasificar los cuerpos

en fros y calientes, da lugar a la idea de temperatura y por extensin a la de calor. La fsica avanza sobre estas nociones intuitivas y busca representaciones que puedan ser expresadas en forma numrica, esto es, como magnitudes o atributos medibles.

La teora cintica molecular de la materia admite que las diferentes partculas, tomos y molculas que constituyen las sustancias estn en continuo movimiento. En los cuerpos slidos este

movimiento es de vibracin en torno a puntos fijos o de equilibrio. En los gases el movimiento es desordenado y zigzagueante y se producen choques de las molculas del gas con el recipiente que

las contiene. En los lquidos, como estado intermedio, pueden darse ambos tipos de movimientos moleculares.

Fsicamente la temperatura es una magnitud escalar relacionada con la parte de la energa interna de un sistema termodinmico asociada a los movimientos de las partculas del sistema, sea en un

sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida que es mayor la energa cintica interna de un sistema, se observa que su temperatura es mayor.

De lo anterior, se puede definir la temperatura como una medida de la energa cintica interna promedio de agitacin de sus partculas elementales.

a) b) c)

Figura 4. a) Gas a temperatura baja, con energa cintica media reducida.

b) Gas a temperatura alta, con energa cintica media elevada. c) Si se mezclan, alcanzarn la misma temperatura, es decir,

tendrn la misma energa cintica media, cuando lleguen al equilibrio trmico.

Cuando dos sistemas a distinta temperatura se ponen en contacto, despus de un tiempo se observa que alcanzan una temperatura comn intermedia entre sus valores iniciales; en ese caso se dice que llegaron al equilibrio trmico. Figura 4. Segn la teora cintica molecular, lo que ocurre

es que el sistema a mayor temperatura cede parte de su energa cintica interna al sistema a menor temperatura; este incremento de energa interna, asociada al movimiento de sus partculas,

se corresponde con un aumento de su temperatura. Una vez alcanzado el equilibrio trmico se interrumpe la transferencia de energa.

Se denomina calor a la energa en trnsito entre dos sistemas que estn a distinta temperatura, transferencia que es siempre desde el sistema a mayor temperatura hacia el de temperatura

menor.

Figura 5. El calor, que es energa en trnsito, fluye siempre naturalmente

de los cuerpos a mayor temperatura a los de menor temperatura.

Propagacin de energa Q


El calor es entonces una forma de energa, por lo tanto en el Sistema Internacional, su unidad es el Joule (J). Comnmente se representa con la letra Q. Figura 5.

2.2. Termmetros

Cualquier instrumento utilizado para medir la temperatura se denomina termmetro. Bsicamente,

un termmetro es un sistema con una propiedad fsica que vara con la temperatura y que es fcilmente medible. Hay muchas clases de termmetros en uso, los que se basan en propiedades

termomtricas diferentes tales como la dilatacin de un lquido, la expansin desigual de dos metales o la variacin del voltaje elctrico en la unin de metales diferentes.

Figura 6. a) Termmetro de dilatacin. El lquido termomtrico dentro del tubo es mercurio,

alcohol coloreado o otra sustancia de elevado coeficiente de dilatacin. b) termmetro clnico

Uno de los ms comunes es el termmetro de lquido, ya sea mercurio o alcohol, encerrado en un

tubo de vidrio de pequea seccin. Una escala grabada en el tubo, o una escala separada montada detrs del mismo, permite determinar la posicin del lmite superior de la columna lquida. Cuando

la temperatura del termmetro aumenta, aumenta tambin la longitud de la columna lquida dentro del tubo. En la base inferior suelen poseer un recipiente metlico, ya que los metales son buenos conductores del calor. Figura 6. a)

El tradicional termmetro clnico es de este tipo, pero posee una diferencia importante. En un extremo del recipiente metlico el vidrio posee un estrechamiento que hace que el mercurio se

mueva con dificultad en esa zona, dejando registrada la mayor temperatura medida. Figura 6.b).

Figura 7. a) Par bimetico. El material de la varilla superior tiene un coeficiente de dilatacin mayor; ante un aumento de la

temperatura, se dilata ms que la varilla de abajo y por lo tanto, el conjunto se curva hacia abajo. Esta deformacin puede

producir la apertura de un circuito elctrico. b) Termostato basado en este dispositivo que regula la temperatura ambiente.

En lugar de dos varillas soldadas, posee una espiral bimetlica

Vidrio

Vaco

Alcohol o mercurio

Base metlica

Escala graduada

Estrechamiento

a)

b)

Ranuras para entrada de aire

Conexin al circuito de calefaccin

Espiral con

lminas bimetlicas

Regulador de temperatura

Sujecin a la

pared

a) b)


Merece destacarse que la medicin de la temperatura no se hace en forma directa, sino que se mide la variacin en alguna otra propiedad del sistema ante un cambio en la temperatura. Por

ejemplo, en los termmetros de dilatacin como los mostrados en la Figura 6, se mide la longitud de una columna de mercurio; la graduacin de la escala convierte esta longitud en una medicin de

temperatura.

Otro tipo de termmetro de dilatacin es el bimetlico. Consiste en dos varillas de materiales con

muy diferente coeficiente de dilatacin (ver Punto 2.7.1.) soldadas a lo largo. Al aumentar la temperatura, la varilla con mayor coeficiente de dilatacin se estira ms que la otra y el conjunto

se curva en un sentido y, al reducir la temperatura, en el otro. Figura 7.a). Este tipo de dispositivo puede adaptarse para controlar automticamente la temperatura. Se trata de los termostatos. Al

alcanzar cierta temperatura actan como un interruptor elctrico conectando o desconectando un circuito elctrico. Figura 7.b).

Figura 8. Termocupla. La corriente generada se traduce en una lectura digital de la temperatura.

Se denominan termocuplas o termopares a los termmetros que se basan en que, cuando la unin

de dos metales se encuentra a diferente temperatura que la del ambiente, a travs de ellos circula una corriente. Son actualmente muy utilizados en muchas situaciones prcticas por ser de fcil

manejo, por el amplio rango de temperaturas que pueden medir y por su precisin. Figura 8.

2.3. Escalas termomtricas

Para graduar los termmetros se usan comnmente tres escalas de temperatura o escalas termomtricas. Para definir cada escala, se eligen dos temperaturas de referencia, llamadas puntos fijos y se asignan valores arbitrarios a dichas temperaturas, fijando as la posicin del cero y el

valor de la unidad de temperatura. Dichas escalas son:

Celsius Antiguamente llamada centgrada [t] = C

Kelvin Escala absoluta o escala del SI [T] = K

Fahrenheit Escala de pases anglosajones [t] = F

En la escala Celsius, una de las temperaturas de referencia es el punto de fusin del hielo; esta es la temperatura de una mezcla de agua saturada de hielo a la presin de una atmsfera. La otra

temperatura de referencia es el punto de ebullicin del agua a la presin de una atmsfera. En esta escala al punto de fusin del hielo se le asigna arbitrariamente el valor 0 de la escala y al punto de

ebullicin del agua, la divisin 100, tal como se muestra en la Figura 9. En la escala Fahrenheit estas temperaturas corresponden a 32 y 212.

Figura 9. Puntos fijos de la escala termomtrica Celsius; 0 C, punto de fusin del hielo; 100 C, punto de ebullicin del agua.

Hielo fundindose Agua en ebullicin


Naturalmente, no hay razn para que la numeracin de cualquier escala no pueda prolongarse indefinidamente por encima y por debajo del cero. Sin embargo, tanto la teora como la

experiencia, demuestran que hay un lmite para temperatura ms baja que puede ser alcanzada, aunque no hay lmite terico para la temperatura ms alta posible. La ms baja temperatura que

puede obtenerse corresponde a 273,15 C que coincide con el cero de la escala Kelvin.

Las escalas Celsius, Kelvin y Fahrenheit estn relacionadas entre s como lo indica la Figura 10. En

la misma no se consideraron los decimales en la escala Kelvin.

Figura 10. Relacin entre las escalas termomtricas Celsius, Kelvin y Fahrenheit.

Analizando la Figura 10 puede notarse que una diferencia de 100 C equivale a 100 K, por lo que

1 C = 1 K; la relacin entre ambas escalas es un corrimiento del cero. Entonces, conocida una temperatura en la escala Kelvin, el valor correspondiente en la escala Celsius se obtiene como

15,273)( TCt

La relacin entre la escala Celsius y la Fahrenheit es ms compleja, ya que no slo hay un corrimiento del cero, sino que 180 F equivalen a 100 C, es decir, 1 F = 5/9 C. Por lo tanto,

329

5)( FtCt

Las ecuaciones anteriores permiten convertir una temperatura de la escala Kelvin y Fahrenheit en

temperaturas de la escala Celsius o viceversa.

Figura 11. La escala Fahrenheit es la ms utilizada en Estados Unidos.

Cul es la temperatura que marca expresada en C?

Agua en ebullicin

Hielo fundiendo


2.4. Calor especfico

El calor, como todas las formas de energa, es una cosa intangible y una unidad de calor no es algo

que pueda conservarse como una unidad de longitud (metro patrn) o de masa. La cantidad de calor que interviene en un proceso se mide por algn cambio que acompaa este proceso.

As, la unidad de calor denominada calora (cal), utilizada con mucha frecuencia adems del Joule, se define de la manera siguiente:

Una calora es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius

La relacin entre la calora y el Joule, que puede determinarse experimentalmente, es:

Jcal 2,41

La calora a que se refieren los dietistas para expresar los contenidos energticos de los alimentos

es la kcal = 1.000 cal = 4200 J.

Las distintas sustancias materiales responden de un modo diferente cuando se les suministra o

cuando ceden calor. Por ejemplo 1 g de agua aumenta su temperatura 1C cuando se le suministra 1 cal de calor, mientras que 1 g de aluminio aumenta su temperatura en 4,5 C al suministrrsele

la misma cantidad de calor, vale decir 1 calora. En la Figura 12 se indican las cantidades de calor que es necesario suministrar a 1 gramo de agua, madera y acero para aumentar se temperatura en 1 C; la madera requiere un cuarto de la cantidad de calor que necesita el agua y el acero la

octava parte.

Figura 12. Cantidades de calor que es necesario entregar (o quitar) a un gramo de agua, madera y acero para aumentar(disminuir) la temperatura en 1 C.

El calor especifico c de una sustancia es la cantidad de calor necesaria a agregar (o quitar), para

que su temperatura aumente (o disminuya) en 1 C por cada kilogramo de sustancia.

tm

Qc

donde: Q es la cantidad de calor en J t es la diferencia de temperatura en C

m es la masa en kg

Operando con la ecuacin anterior, se obtiene:

tcmQ ..

Esta es la expresin fundamental de la calorimetra; relaciona la cantidad de calor intercambiado por una sustancia, con la variacin de la temperatura producida.

En la Tabla 1 se muestran los valores de calor especfico y densidad de algunas sustancias de uso

frecuente en la construccin de edificios. Notar que en esa tabla, la unidad de calor especfico es Wh; se trata de una unidad de potencia (W) multiplicada por una unidad de tiempo (h), siendo por

lo tanto el Wh una unidad de energa.

Agua Madera Acero

Q = 1 cal Q = 1/4 cal Q = 1/8 cal


Tabla 1. Densidad y calor especfico de materiales usuales en la construccin

Material Densidad [Kg/m3]

Calor especfico

c [Wh/Kg C] c [cal/g C]

Arena seca 1600 0,21 0,18

Hormign comn 2300 0,21 0,18

Muro de ladrillos 1800 0,19 0,16

Madera 500-800 0,29 0,24

Lana mineral 450 0,16 0,14

Fieltro bituminoso 1100 0,34 0,29

Aluminio 2700 0,25 0,21

Hierro 7800 0,13 0,11

Vidrio 2500 0,23 0,20

Bronce 8000 0,10 0,08

Cobre 8500 0,11 0,094

Plomo 11350 0,036 0,031

Se denomina capacidad calorfica de un cuerpo de masa m a la cantidad

cmC .

Por lo tanto, la capacidad calorfica de una pared puede estimarse a partir del calor especfico de

los materiales empleados y de su masa. Para calentar un ambiente se debe calentar el aire y el contorno slido; la cantidad de calor a entregar depender entonces de los relativos calores

especficos y de la capacidad de aislamiento. Si el contorno slido est compuesto de materiales de calor especfico c alto, la cantidad de calor a suministrar ser grande y en consecuencia se

requerir un tiempo mayor para alcanzar el estado de equilibrio trmico, comparndolo al caso que dicho entorno est compuesto por elementos de bajo calor especfico.

Figura 13. Casas de adobe en Africa

La capacidad de acumulacin de calor y el aislamiento definen la inercia trmica de un elemento constructivo. Esta inercia trmica es la dificultad que ofrece un elemento a variar su temperatura

ante un intercambio de calor. Por ejemplo, si las paredes de una vivienda tienen baja inercia trmica, reaccionan rpidamente ante la radiacin solar, aumentando su temperatura, pero tambin disminuirn su temperatura en forma rpida durante la noche.

En cambio, en viviendas con gran inercia trmica, la radiacin solar no provocar una subida rpida

de la temperatura de la casa porque el calor se ir almacenando en ellas; posteriormente se

liberar lentamente durante la noche, por lo que no se producir una disminucin brusca de


temperatura; adems, las variaciones de temperatura se amortiguan, no alcanzando valores tan extremos como los que se pueden producir en el exterior.

Entonces, la inercia trmica en una vivienda lleva aparejado dos fenmenos: el de retardo (de la variacin de la temperatura interior respecto a la temperatura exterior) y el de amortiguamiento

(la variacin interior de temperatura no es tan grande como la variacin exterior).

Figura 14. Evolucin de la temperatura del aire a lo largo del da en el exterior y en el interior para los casos en que las paredes sean de adobe o metlicas.

En la Figura 14 se muestra la evolucin de la temperatura del aire en el exterior y en el interior de una vivienda. Si las paredes son de adobe, se aprecia un mayor retardo en la variacin de la

temperatura interior y adems, una menor amplitud trmica a lo largo del da. En cambio para el caso de una pared metlica, las variaciones trmicas en el exterior se manifiestan casi

inmediatamente en el interior y el amortiguamiento es casi nulo.

El concepto de inercia trmica cobra fundamental importancia al analizar situaciones en las que las

temperaturas evolucionan significativamente con el tiempo, ya sea en el exterior por cambios en la radiacin solar o en el interior por el funcionamiento intermitente de equipos de acondicionamiento.

Adems de la capacidad calorfica, influyen en la inercia trmica de una pared otros parmetros como el espesor y el coeficiente de conductibilidad del material del que est construido, parmetro que se detalla en el Punto 2.9.1.

2.5. Cambios de estado

Una sustancia puede existir en cualquiera de los tres estados, slido, lquido o gaseoso, estando en

condiciones adecuadas de presin y temperatura. Los cambios de estado van acompaados de desprendimiento o absorcin de calor y ordinariamente, de cambios de volumen.

Figura 15. Estados de agregacin de la materia

0

5

10

15

20

8 12 16 20 24 4 8

Hora

Te

mp

era

tu

ra

de

l a

ire

ex

te

rio

r

Hora

0

5

10

15

20

8 12 16 20 24 4 8

Hora

Te

mp

era

tu

ra

de

l a

ire

inte

rio

r

Hora

Metal

Adobe

Gas Slido Lquido

Baja densidad

Se comprime o expande

fcilmente

Completa el recipiente

Alta densidad

No se comprime o

expande fcilmente

Adopta la forma del

recipiente

Alta densidad

No se comprime o

expande fcilmente Forma propia


Actualmente se considera la existencia de un cuarto estado de agregacin denominado plasma. En el mismo los electrones de los tomos se separan del ncleo formando iones positivos y negativos.

Cuando se suministra continuamente calor a una sustancia slida pura, su temperatura va aumentando gradualmente hasta alcanzar un valor, llamado temperatura de fusin, en el cual el

slido comienza a fundirse. Mientras dura el proceso de fusin, el material, que ahora es una mezcla de slido y lquido, mantiene su temperatura constante. Todo el calor que absorbe la

sustancia durante el proceso produce el cambio de estado de slido a lquido.

Desde la teora cintica molecular puede decirse que al comenzar a entregar calor a la sustancia en

estado slido, se aumenta la amplitud de la vibracin de las molculas, lo que se traduce en un aumento de su temperatura y de su volumen por estar ahora ms separadas. Cuando el aumento

en la distancia intermolecular es demasiado grande, se vence la fuerza de cohesin que las mantena en posiciones determinadas (aunque siempre vibrando alrededor de esas posiciones) y se funde, es decir, se convierte en un lquido. Durante el cambio de estado, la energa que se suministre en forma de calor ser utilizada para vencer las fuerzas de cohesin y no para aumentar la energa cintica interna, cuya medida es la temperatura. En la Figura 15 se resumen algunas

caractersticas de los diferentes estados.

Una vez fundida toda la sustancia, puede revertirse el proceso disminuyendo la temperatura del

lquido, el cul devolver al medio la misma cantidad de calor que consumi para fundirse. Es decir, si el lquido cede calor, la sustancia comienza a solidificarse. Tambin mientras dura este

proceso la temperatura no vara.

Se denomina calor de fusin o de solidificacin a la cantidad de calor por unidad de masa que debe

suministrarse a una sustancia que est a la temperatura de fusin (o solidificacin), para que se funda (o solidifique) totalmente.

mLQmQL ff ./

donde: Lf es el calor latente de fusin (o de solidificacin) Q es la cantidad de calor a entregar (o quitar) a la sustancia para fundirla (solidificarla)

m es la masa a fundir (o solidificar)

Merece destacarse que, cuando la sustancia alcanza su punto de fusin, un aporte de calor no se traduce en un aumento de la temperatura, sino que esa energa entregada se utiliza para el cambio

de estado, permaneciendo la temperatura constante durante el proceso.

Figura 16. a) La temperatura de fusin del agua a la presin de 1 atm es de 0 C. Durante el el cambio de estado la

temperatura de fusin se mantiene constante. b) La temperatura de vaporizacin del agua es de 100 C a la presin de 1 atm;

en la imagen se observa una temperatura mayor. Durante la vaporizacin la temperatura se mantiene constante

Una vez que todo el slido se ha fundido, si se contina suministrando calor al lquido resultante, su temperatura aumentar hasta que alcance la temperatura de ebullicin, en la que el lquido

comienza a evaporarse. Ahora la sustancia permanece de nuevo a temperatura constante hasta que todo el lquido se convierta en vapor. A este proceso se lo denomina vaporizacin y al proceso

inverso, condensacin.

Se denomina calor de vaporizacin o de condensacin a la cantidad de calor por unidad de masa

que debe suministrarse o quitarse a una sustancia que est a la temperatura de ebullicin para que se vaporice o condense totalmente.

a)


mLQmQL vv ./

donde: Lv es el calor latente de vaporizacin (o de condensacin) Q es la cantidad de calor a entregar (o quitar) a la sustancia para vaporizarla (condensarla)

m es la masa a vaporizar (o condensar)

Por convencin se considera al calor recibido por una sustancia como positivo (+) y al calor cedido como negativo (-). En la Tabla 2 se indican algunos valores de temperaturas de fusin y de

vaporizacin y los calores latentes correspondientes para algunas sustancias. Tener en cuenta que si el proceso es el inverso, vale decir, si la sustancia pierde calor entonces el signo del calor latente

ser negativo.

Tabla 2. Densidad y calor especfico de materiales usuales en la construccin

Sustancia Tf [C]

Lf [cal/g]

Tv [C]

LV [cal/g]

Agua 0 80 100 540

Azufre 119 13,2 444 70

Mercurio -39 2,82 357 65

Oxgeno -219 3,3 -183 51

Aluminio 658 94 2467 2570

Ejemplo:

Calcular la cantidad de calor que hay que suministrar a un cubo de hielo, de 10 g de masa y que est a 10 C para transformarlo totalmente en vapor de agua a 100 C

Para llegar a vaporizar totalmente la masa del cubo de hielo ser necesario realizar los siguientes procesos: elevar la temperatura hasta la de fusin, llevar a

agua en estado lquido fundiendo totalmente, elevar la temperatura hasta la de vaporizacin y por ltimo, llevar a estado de vapor. Para realizar cada uno de estos procesos se requiere entregar al sistema una cantidad de calor

determinada. Por ejemplo, para aumentar la temperatura del hielo de -10C a 0C, la cantidad de calor a entregar es:

Durante la fusin el calor entregado no produce un cambio en la temperatura, sino que separa a las molculas para convertir al cubo de hielo (ahora a 0C) en

agua en estado lquido.

Para completar todo el proceso es necesario elevar la temperatura del agua hasta la de vaporizacin y finalmente producir el cambio de estado.

La cantidad total de calor a entregar a un cubo de hielo, de 10 g de masa y que

est a 10 C para transformarlo totalmente en vapor de agua a 100C, es la suma de los valores parciales calculados, es decir

calQ 250.7

En la Figura 17 se grafica la evolucin de la temperatura en funcin de la cantidad

de calor entregado.

calCCgcalgtcmQ hielo 5010./5,0.10. 11

calCCgcalgtcmQ agua 1000100./1.10. 33

calgcalgLmQ f 800/80.10.2

calgcalgLmQ v 5400/540.10.4


T (C)

Q (kcal)

0

hielo

hielo + agua

100

agua

agua + vapor

80 kcal/kg

540 kcal/kg

1 kcal/kgC

0.5 cal/gC

1 cal/gC

Figura 17. Variacin de la temperatura en funcin de las cantidades de calor entregadas para el ejemplo. El grfico no est a escala

Observando la figura puede notarse que:

A las temperaturas de fusin o ebullicin coexisten los dos estados, ya sea slido y lquido o lquido y vapor. Por ejemplo, a 0C hay hielo+agua.

Cuando el hielo se ha transformado totalmente en agua, al seguir suministrando calor en forma uniforme, aumentar la temperatura en forma constante hasta 100C aunque con mayor pendiente que para el

caso del hielo ya que el calor especfico del agua es mayor que el del hielo.

Algunas sustancias se descomponen antes de alcanzar el punto de fusin o de ebullicin. El vidrio por ejemplo, no cambia de estado a una temperatura definida, en realidad es un lquido sobre-

fundido de muy elevada viscosidad.

En la Figura 18 se indican las denominaciones de los cambios de estado de una sustancia pura.

Figura 18. Cambios de estado de una sustancia pura

El sistema de calefaccin por vapor utiliza el proceso de condensacin para transmitir calor desde los radiadores. Cada kilogramo de agua que se convierte en vapor en la caldera absorbe 540 Kcal y

devuelve la misma cantidad de calor cuando se condensa en los radiadores.

vapor


2.6. Calor de combustin

Se denomina calor de combustin de un combustible a la cantidad de calor que liberan por unidad

de masa para los combustibles slidos o lquidos, o por unidad de volumen para los combustibles gaseosos, cuando se queman totalmente. En la Tabla 3 se indican los calores de combustin de

algunos combustibles.

Tabla 3. Calor de combustin

Material Calor de Combustin Cc

Gas de hulla 5.600 Kcal/m3

Gas natural 9.300-23.000 Kcal/m3

Carbn 6.000-7.700 Kcal/Kg

Alcohol etlico 7.700 Kcal/Kg

Fuel oil 11.000 Kcal/Kg

Los calores de combustin de los combustibles slidos y lquidos se miden con una bomba

calorimtrica. Se introduce una masa conocida del combustible en un resistente recipiente de acero que se llena de oxgeno a presin para asegurar la combustin completa. Se introduce la bomba en

un termo con agua y se enciente el combustible enviando una corriente elctrica instantnea a travs de un fino alambre que sirve para iniciar la combustin. Midiendo la elevacin de

temperatura del agua del termo y conociendo el calor que absorbe la bomba, puede calcularse el calor de combustin.

El calor de combustin de los combustibles gaseosos se mide corrientemente calentando agua con un flujo continuo del combustible.

2.7. Dilatacin trmica

Se ha mencionado ya que cuando a una sustancia se le entrega calor, aumenta su temperatura si

no se registra un cambio de estado.

Tambin se ha detallado que cuando la temperatura de una sustancia aumenta, aumenta su

energa interna y sus molculas vibran con mayor amplitud. Este aumento de la amplitud trae aparejado un aumento de volumen de la sustancia en la mayora de los casos

De la misma manera, una disminucin de la temperatura cuando la sustancia cede calor, implica, generalmente, una disminucin del volumen. Se analiza a continuacin la dilatacin de slidos, lquidos y gases por separado

2.7.1. Dilatacin de slidos

Dilatacin volumtrica Se comprueba experimentalmente que al variar la temperatura de un slido el cambio de volumen V = V-V0 que se produce depende de:

el valor inicial de su volumen V0 el cambio de temperatura t = t - t0 producido

el tipo de material del que est conformado el slido.

Este cambio de volumen sigue aproximadamente la siguiente ley:

tVV ..0

donde: V0 es el volumen inicial es un factor que depende del tipo de material; se denomina coeficiente de dilatacin

volumtrica y tiene por unidad 1/C. t = t - t0 es la variacin entre la temperatura final e inicial


Figura 19. Dilatacin volumtrica de un slido debida a un aumento de la temperautra

Dilatacin superficial Cuando se modifica la temperatura de un slido varan todas sus dimensiones en forma proporcional a su valor inicial. Por lo tanto, cuando dos de las dimensiones son mucho mayores que la tercera, interesa slo el cambio superficial. Esta variacin de la superficie de un determinado

cuerpo puede calcularse como

tSS ..0

donde: S0 es la superficie inicial es el coeficiente de dilatacin superficial del material t = t -t0 es la variacin entre la temperatura final e inicial

Figura 20. Dilatacin superficial de un slido debida a un aumento de la temperautra

Esta dilatacin tiene mucha importancia en el clculo de estructuras tipo cscara o plegadas y en el

clculo de veredas y pavimentos en los que se debe prever una junta de dilatacin.

Figura 21. Junta de dilatacin en un pavimento que debe soportar grandes cargas

Si una lmina o una chapa tienen un orificio, el rea de dicho orificio se dilata en la misma

proporcin que el material que lo rodea. As el rea del orificio encerrado por la llanta de acero de un auto se dilata en la misma proporcin que se dilatara un disco del mismo tamao si se

construyese del mismo acero que la llanta. Tambin es cierto que el volumen limitado por un slido, tal como el volumen de un depsito o un frasco, se dilata en la misma proporcin que lo hara un volumen macizo de la misma sustancia que forma las paredes del hueco.

V0

t0

V

t

Q

t

S0

t0

S Q

t


Dilatacin lineal

Cuando un slido tiene una de sus dimensiones mucho mayor que las otras dos, en general slo resulta de inters analizar el cambio en la misma. Como se mencion, la variacin de longitud es proporcional a la longitud inicial y al cambio de temperatura.

tll ..0

donde: l0 es la longitud inicial es el coeficiente de dilatacin lineal del material

t = t -t0 es la variacin entre la temperatura final e inicial

Figura 20. Dilatacin lineal de un slido debida a un aumento de la temperautra

Los coeficientes de dilatacin lineal, superficial y cbica estn relacionados de la siguiente forma:

32

En la Tabla 4 se indican los coeficientes de dilatacin lineal de algunos materiales usados en la

construccin.

Tabla 4. Coeficientes de dilatacin lineal

Sustancia (C 1)

Acero 12 x 10 -06

Aluminio 24 x 10 -06

Cinc 26 x 10 -06

Cobre 14 x 10 -06

Cuarzo 4 x 10 07

Bronce 20 x 10 -06

Vidrio 4 - 9 x 10 -06

2.7.2. Dilatacin de slidos Como regla general, un lquido se dilata cuando su temperatura aumenta, de la misma manera que

lo hace un slido. No tiene sentido hablar de dilatacin superficial o lineal de un lquido, ya que siempre adopta la forma del recipiente que lo contiene. En la Tabla 5 se indican los coeficientes de

dilatacin cbica de algunos lquidos comunes.

Tabla 5. Coeficientes de dilatacin volumtrica de lquidos

Sustancia (C 1)

Bisulfuro de carbono 1,145 x 10 03

Alcohol etlico 0,745 x 10 03

Glicerina 0,485 x 10 03

Mercurio 0,186 x 10 03

Petrleo 0,899 x 10 03

l0 t0

l t

Q t


Dilatacin anmala del agua

El agua no se dilata de la misma forma que los dems lquidos ya que entre 0C y 4C se contrae cuando la temperatura aumenta. Por encima de los 4C el agua se dilata con el aumento de la temperatura.

Puesto que el volumen de una masa determinada de agua es ms pequeo a 4 C que a cualquier otra temperatura, la densidad del agua es mxima a esa temperatura. Esta propiedad del agua

origina que los lagos y estanques se hielen primero en su superficie libre, permitiendo la vida de animales y plantas en el interior.

2.7.3. Dilatacin de gases En las variaciones de volumen debidas a aumentos de temperatura para slidos y lquidos

suponamos tcitamente que la presin se mantena constante, dado que los lquidos y los slidos son prcticamente incompresibles.

En cambio, la presin, el volumen y la temperatura de una masa gaseosa estn relacionados por la siguiente expresin:

2

22

1

11 ..

T

Vp

T

Vp

De la misma se deduce que, ante un aumento en la temperatura, la presin y/o el volumen

tambin deben aumentar.

2.8. Esfuerzos de origen trmico

Si los extremos de una viga o una losa estn rgidamente fijos a una estructura de manera que sta impida su libre dilatacin cuando se modifica su temperatura, aparecern tensiones de

traccin o de compresin que pueden deteriorar seriamente la construccin.

Figura 21. Cuando la temperatura aumenta (o disminuye) el empotramiento impide a la viga dilatarse (o contraerse)

libremente. Aparecen entonces fuerzas de origen trmico F, de compresin en el caso a) y de traccin en el caso b).

Las fuerzas F son fuerzas de origen trmico y dependen de los cambios de temperatura, de las dimensiones longitudinales de la pieza, del coeficiente de dilatacin lineal y de las propiedades elsticas del material.

Figura 22. Fisura de origen trmico en una pared de ladrillos. Se trata de la ampliacin de un edificio, ejecutada en una etapa

posterior; la estructura original ubicada fuera de la imagen a la izquierda se dilat en forma diferente provocando la fisura en

el pao de ladrillo de gran superficie y sin juntas de dilatacin.

L 0

L

F F

L 0

L

F F

a) b)

Fisura de origen trmico


Estos esfuerzos pueden llegar a ser muy grandes y provocar deformaciones inadmisibles y llegar a hasta la rotura del elemento, tal como se muestra en la Figura 22. En consecuencia, al proyectar

cualquier estructura se deben tomar precauciones respecto a las posibles dilataciones o contracciones.

Por ejemplo en los pavimentos de hormign se colocan juntas de dilatacin que generalmente se llenan con asfalto diluido y en un puente, si se sujeta uno de sus extremos en forma rgida, al otro

puede colocrselo sobre rodillos para que se desplace libremente.

2.9. Propagacin del calor

Cuado entre dos regiones del espacio existe una diferencia de temperatura se establece un flujo de calor siempre desde la zona en que la temperatura es mayor hacia la de menor temperatura. Esta

propagacin de calor se produce por tres mecanismos bsicos: conduccin, conveccin y radiacin.

En la conduccin la energa en forma de calor se transfiere de una parte a otra de un objeto, en

general slido, o entre dos objetos cuando estn en contacto. Por ejemplo, al acercar un objeto metlico a una fuente de calor, luego de un tiempo, aumenta la temperatura en el otro extremo.

Figura 23.

Figura 23. Mecanismos de transferencia de calor

Esto ocurre ya que en la superficie de contacto las molculas del objeto que tiene mayor

temperatura, que se mueven ms rpidamente, colisionan con las del objeto que est a menor temperatura, que se mueven ms despacio. A medida que colisionan, las molculas rpidas ceden

parte de su energa a las ms lentas. Estas a su vez colisionan con otras molculas contiguas. Este proceso contina hasta que la energa se extiende a todas las molculas del objeto que estaba inicialmente a menor temperatura. Finalmente alcanzan todas la misma energa cintica y en

consecuencia la misma temperatura.

Los metales, que son buenos conductores de la electricidad, son tambin buenos conductores del

calor porque tienen electrones libres. Los aislantes elctricos no son en general buenos conductores del calor. Los lquidos y los gases son malos conductores del calor, pues sus molculas al estar ms

separadas que en el estado slido, no transmiten fcilmente el movimiento de agitacin molecular.

La conveccin es el flujo de calor mediante corrientes dentro de un fluido, por lo que involucra el

desplazamiento de masas de algn lquido o gas. Cuando una parte de un fluido aumenta su temperatura al estar en contacto con una superficie caliente, sus molculas se separan causando

que la masa del fluido llegue a ser menos densa. La disminucin en la densidad genera un movimiento ascendente hacia zonas a menor temperatura y en consecuencia, el desplazamiento en

sentido opuesto de la masa a menor temperatura y ms densa. Por ejemplo, en la Figura 23, las llamas aumentan la temperatura del aire que se encuentra inmediatamente encima; este aire asciende por ser ahora menos denso y transfiere calor a las manos que estn a menor

temperatura.

En la atmsfera terrestre, las enormes cantidades de calor puestas en juego en los cambios

atmosfricos se producen casi exclusivamente debido al movimiento de masas de aire denominadas corrientes convectivas.

La calefaccin de los edificios se efecta en gran parte por conveccin. El aire calentado por contacto con una estufa, se dilata, se vuelve menos denso y entonces se ve obligado a subir y


desplazar al aire fro que lo rodea. De esta manera el aire fro se va poniendo en contacto con la estufa y se origina una circulacin, la cual distribuye el aire caliente por todo el local. Figura 24.

Figura 24. Coveccin natural. El aire se mueve por diferencia de densidades

y trasnfiere calor dentro de la habitacin

Si el fluido caliente es obligado a moverse por un medio mecnico como un ventilador o una bomba, el proceso se denomina conveccin forzada; si la sustancia se mueve a causa de

diferencias de densidad, se denomina conveccin natural o libre.

Tambin ocurren corrientes de conveccin muy importantes en zonas de tierra adyacentes a

grandes masas de agua como lagos u ocanos. Durante el da, la tierra se calienta ms que el agua prxima a ella, debido a que absorbe el calor ms rpidamente y a que su calor especfico es ms

pequeo que el del agua. El aire ms caliente, situado sobre la tierra, se dilata, asciende y es reemplazado por el aire a menor temperatura situado sobre el agua del mar. Durante la noche, la

tierra disminuye su temperatura ms rpidamente que el agua y se invierte el sentido de circulacin del aire, dando origen a la brisa de tierra. En zonas en las que no existen superficies de

agua cercanas, la temperatura desciende mucho durante la noche.

Figura 25. Corrientes de coveccin en cercanas de grandes masas de agua. a) Da. b) Noche.

Debido a que la conveccin constituye un mtodo de propagacin del calor sumamente eficaz en

las construcciones, es preciso tenerla en cuenta al proyectar un aislamiento trmico. Si dentro de una pared o en un techo se dejan grandes espacios de aire, se originan importantes corrientes de conveccin y por este motivo las prdidas de calor sern grandes.

Si los espacios de aire se subdividen en pequeas regiones aisladas, las corrientes de conveccin se hacen despreciables y las fugas de calor por conveccin quedan reducidas a un mnimo. Esta es

la razn por la cual los materiales aislantes empleados en la construccin (corcho, lana de vidrio, poliestireno expandido, etc.) son porosos. No solamente son de por s malos conductores del calor,

sino que tambin contienen pequeos espacios de aire muy malos conductores y de tamao insuficiente para que puedan establecer corrientes de conveccin de alguna importancia.

Puesto que en el vaco no existe materia alguna, no puede haber conduccin ni conveccin. No obstante, la experiencia nos indica que incluso en el vaco absoluto pasa calor del cuerpo de mayor

temperatura al de menor temperatura. Tal es el caso de la energa calorfica del Sol que nos llega a travs del vaco.

En este caso la propagacin del calor se debe al fenmeno de radiacin. En el mismo, la energa interna asociada a la temperatura, se transforma en energa electromagntica. La superficie de todos los cuerpos emiten ondas o radiaciones calorficas electromagnticas tanto ms intensas,

cuanto ms elevada es la temperatura del cuerpo.

Aire caliente

Aire fro

Aire a mayor temperatura

Aire a menor

temperatura

Aire a mayor temperatura Aire a menor

temperatura

a) b)


La energa irradiada por los distintos cuerpos se propaga hasta que encuentra en su camino algn otro cuerpo que absorbe parte de esta energa y la transforma en calor. Estas ondas calorficas se

comportan de la misma manera que la luz, a excepcin de que no producen la sensacin de visin.

Las radiaciones trmicas o calorficas se diferencian de la luz nicamente en que las longitudes de

onda de las primeras son ms grandes que las correspondientes a las segundas. Atraviesan el espacio vaco sin hallar obstculo alguno y en forma ms o menos debilitada, tambin atraviesan

los gases y ciertos lquidos y slidos.

La radiacin solar, que es emitida por el sol aproximadamente a 6000C, es diferente a la radiacin

que emiten los cuerpos a la temperatura ordinaria de 30C tal como indica la Figura 26. La radiacin solar es de corta longitud de onda, mientras que la radiacin de los cuerpos que estn a

la temperatura ambiente es de larga longitud de onda.

Figura 26. Grfica cualitativa de la intensidad de radiacin en funcin de la longitud de onda

Analizados los tres tipos de propagacin del calor en forma cualitativa, en los apartados siguientes se presentan con ms detalle.

2.9.1. Conduccin

Es el mecanismo de propagacin del calor por el interior de una sustancia tal como ocurre al acercar un objeto metlico a una fuente de calor; no implica traslado de masa como ocurre con la

conveccin,

En la Figura 27 se esquematiza una pared de superficie A, de espesor e y cuyas caras laterales

estn a temperaturas constantes tpey tpi

Figura 27. a) Flujo de calor por conduccin a travs de una pared simple.

b) Variacin de la temperatura dentro del muro

En lo que sigue se considerar como hiptesis que las temperaturas permanecen constantes, es

decir, que el rgimen es estacionario. Por lo tanto, la temperatura de los puntos interiores del muro disminuye con el espesor en la direccin en la que se propaga el calor de la manera que se indica

en la Figura 27 b).

Inte

nsid

ad d

e r

adia

ci

n

Ultravioleta Infrarrojo

Visible

Longitud de onda entre 0,8 y 2,0 m

Longitud de onda entre 5 y 20 m

Radiacin solar

sobre la superficie terrestre

Radiacin de un objeto

a temperatura ordinaria

e

tpi

A tpe H

tpi

tpe

a) b)


Se denomina flujo de calor H a la cantidad de calor que atraviesa la pared por unidad de tiempo. Experimentalmente se demuestra que en esas condiciones el flujo de calor que atraviesa una pared

por conduccin se puede expresar como:

donde: H es el flujo de calor que atraviesa la pared por conduccin en [W] (o en kcal/h)

tpe es la temperatura de la cara exterior del muro tpi es la temperatura de la cara interior del muro

A es el rea de la pared k es el coeficiente de conductibilidad trmica del material con que est hecha la pared

R es la resistencia trmica del muro; se define como el cociente entre el espesor y el

coeficiente de conductibilidad: R = e / k

El valor de k es funcin de la densidad de la sustancia. A mayor densidad, el valor de k es mayor,

es decir, conducir mejor el calor. Los slidos tienen mayor conductividad que los lquidos y gases. No existe ningn material que sea un aislante trmico perfecto o con k=0

El coeficiente k aumenta con la humedad del material. El agua es ms conductora que el aire, por eso cuando ocupa los poros del material, la conductividad aumenta. As por ejemplo el k de la

arena seca es de 0,31 W/m K, mientras que el k de la arena con un 7% de humedad es de 1,16 W/ m K.

Como referencia, la Tabla 6 contiene algunos valores de coeficientes de conductividad de algunos materiales usuales. La norma IRAM 11601 incluye un listado extendido para materiales de

construccin existentes en nuestro medio.

Tabla 6. Coeficientes de conductividad trmica

Sustancia k (W / m K )

Acero de construccin 58

Aluminio 204

Cobre 384

Corcho, amianto y fieltro 0,045

Hormign de grnulos pesados 1,74

Hormign macizo con arena 0,9 a 1,5

Hormign de grnulos livianos 0,97

Ladrillo aislante 0,16

Ladrillo refractario 1,13

Ladrillo rojo 0,68

Madera 0,09

Vidrio 1

Aire 0,025

Piedras calcreas blandas 1,13

Piedras calcreas duras 2,4

Mrmol 2,1 a 3,5

Si la pared est compuesta por varias capas de distinto espesor y distinto coeficiente de

conductibilidad trmica como se muestra en la Figura 28, el flujo que atraviesa cada capa en rgimen estacionario debe ser el mismo ya que en caso contrario las temperaturas de las caras no

se mantendran constantes. Se demuestra que el flujo de calor en este caso es

R

ttA

e

ttAkH

pipepipe


es decir, la resistencia de la pared es la suma de las resistencias de cada una de las capas. Analizando las expresiones para calcular el flujo de calor por conduccin a travs de una pared

simple o compuesta se deduce que a mayor resistencia de la pared, menor ser la cantidad de calor que atravesar la misma.

Figura 28. a) Flujo de calor por conduccin a travs de una pared compuesta.

b) Variacin de la temperatura dentro del muro

La resistencia trmica en los materiales aislantes es elevada, por lo que la variacin de la

temperatura entre sus caras es ms grande que en materiales no aislantes, como puede verse en la Figura 28 b).

Cabe destacar la importancia del aislamiento trmico en las construcciones. Por una parte, al disminuir el intercambio trmico por conduccin con el exterior se reducir el consumo energtico de los equipos de acondicionamiento. Adems, se aumenta el confort, al reducir la variacin de

temperatura entre las superficies interiores de los cerramientos y la del aire en el ambiente interior. Esto evita asimismo la posibilidad de condensaciones superficiales de la humedad que

existe en el ambiente, como se ver en el punto 3.3.1.

2.9.2. Conveccin

En prrafos anteriores se ha mencionado que el calor se transmite por conveccin en el caso de los

fluidos, gases o lquidos, cuando absorben calor en una porcin y luego esta porcin se desplaza mezclndose con otra a menor temperatura, cedindole calor. Este movimiento se denomina

corriente de conveccin.

Figura 29. Flujo de calor debido a una corriente de conveccin

i

n

i

pipe

n

i i

i

pipe

R

ttA

k

e

ttAH

11

tpe

tpi

A

H

e1 e2 e3 e4

tpi

tpe

e1 e2 e3 e4 a) b)

e

tpi

A

H

tai


Cuando un fluido est en contacto con una pared slida a mayor (o menor) temperatura, aunque el fluido se encuentra en movimiento turbulento, se forma junto a la pared una pelcula de fluido.

Cuanto ms turbulento sea el movimiento, ms delgada es la pelcula tambin llamada capa lmite.

El fenmeno de transmisin de calor de la pared al fluido (o viceversa) es complejo porque la

cantidad de calor transmitida depender de varios factores concurrentes como ser la naturaleza del fluido (densidad, viscosidad, calor especfico y conductividad trmica); de la velocidad del fluido;

de que el intercambio de calor provoque evaporacin, condensacin o formacin de la pelcula; de la forma del slido (pared plana o curva, vertical u horizontal); de la naturaleza de la superficie

(rugosa o lisa) y de que el slido sea buen o mal conductor.

En la Figura 29 se muestra una pared cuya cara interna est a la temperatura tpi, en contacto con

el aire del interior de un local el que se encuentra a la temperatura tai que supondremos inferior a tpi. El flujo de calor H cedido por la pared al aire, que es la cantidad de calor por unidad de tiempo, se calcula con la siguiente expresin:

donde: H es el flujo de calor intercambiado entre el aire y la cara interior de la pared por

conveccin en [W] (o en kcal/h) tai es la temperatura del aire en contacto con la cara interior de la pared

tpi es la temperatura de la cara interior del muro A es el rea de la pared h es el coeficiente de conveccin, se mide en W/ m2hC

El coeficiente de conveccin depende de varios factores, tal como ya fue mencionado. Entre ellos se destacan los siguientes:

a) La velocidad del aire en el espacio prximo de las superficies consideradas.

El aire que est en contacto con la superficie indicada en la Figura 29 se calienta. Su

temperatura se aproxima a la de la superficie y el flujo tiende a disminuir. Pero el aire calentado es reemplazado por aire a menor temperatura. Cuanto ms rpido es este cambio,

es decir, mayor velocidad del aire, ms grande ser el flujo. Suele considerarse como aire en calma cuando la velocidad es inferior a 20 cm/s, como generalmente ocurre en un local

cerrado. La variacin de h con la velocidad del aire est dada por el siguiente grfico de la Figura 30.

Figura 30. Flujo de calor debido a una corriente de conveccin

b) La orientacin de la superficie y el sentido del flujo

Si la superficie es horizontal y el elemento caliente est por encima del elemento fro, la conveccin es pequea.

Si la superficie es horizontal y el elemento caliente est por debajo del elemento fro, la conveccin ser muy fuerte. Si la superficie es vertical, el flujo es el mismo en ambos sentidos.

En la Tabla 7 se resumen algunos valores orientativos del coeficiente de conveccin para aire en calma.

aipi tthAH

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6 7

v [m/s]

H [W/m2 K]


Tabla 7. Coeficientes de conveccin

Posicin del cerramiento y

sentido del flujo de calor Esquema

Coeficiente de

conveccin para aire en calma (v 20

cm/s)

[W/m2 K]

Cerramiento vertical o con pendiente sobre la horizontal

60 y flujo horizontal

5,1

Cerramiento horizontal o con pendiente sobre la horizontal

60 y flujo ascendente

7,7

Invierno; conveccin fuerte

Cerramiento horizontal y flujo descendente

1,3

Verano; conveccin dbil

En la Figura 29 se ha esquematizado la transferencia de calor desde la cara interna de la pared hacia el aire en contacto con ella. De manera anloga habr una transferencia de calor por

conveccin desde el aire exterior y hacia la cara externa de la pared.

Resumiendo, en un da de verano la temperatura del aire en el exterior ser tpicamente mayor a la

que tendr el aire en el interior. Asimismo, la temperatura de la cara exterior de la pared ser superior a la cara interna, pero ambas sern diferentes a la del aire en contacto con cada una de

ellas. Por lo tanto habr transferencia de calor por conveccin entre el aire exterior y la cara exterior de la pared; habr transferencia de calor por conduccin entre la cara externa y la interna

de la pared y finalmente, conveccin entre la cara interior de la pared y el aire de la habitacin. En un da de invierno se invertir el sentido del flujo de calor.

2.9.3. Radiacin

La expresin radiacin se refiere a la emisin continua de energa desde la superficie de todos los cuerpos. Esta energa se denomina energa radiante y se transmite por medio de ondas electromagnticas a la velocidad de la luz. Las ondas electromagnticas no necesitan de un medio

material, como las ondas sonoras, para propagarse y cuando interactan con la materia ceden energa que a travs de distintos procesos se transforma en calor.

Es por radiacin como se transmite a la Tierra el calor proveniente del Sol con longitudes de onda cortas que van de 0,8.10-6 m a 2,0. 10-6 m. Todos los cuerpos en el aire o en el vaco emiten o

absorben energa radiante continuamente y en todas direcciones. Se ha comprobado que la energa radiante depende de la naturaleza de la superficie emisora y de la temperatura de la misma y que

al crecer sta, la radiacin aumenta muy rpidamente, ya que depende de la cuarta potencia de la temperatura como se ver ms adelante. Para objetos a temperatura ambiente la radiacin es de

larga longitud de onda que va de 5.10-6 m a 20. 10-6 m. Figura 26.

De manera anloga a lo que se mencion en la Nota de Clase 1 al analizar las ondas sonoras,

cuando sobre una superficie cualquiera incide energa radiante, una parte de la misma es reflejada, otra transmitida y el resto absorbida por la superficie. Figura 31.

Figura 31. Aportes de la energa radinte que incide sobre una superficie


Llamando con E a la potencia radiante incidente (energa por unidad de tiempo) y por unidad de superficie que llega a la superficie considerada, Er es la parte reflejada, Ea es la parte absorbida,

que es la que va a calentar el cuerpo y Et es la parte transmitida. Se debe cumplir, por conservacin de la energa

tar EEEE

Para caracterizar el porcentaje de la energa incidente que es reflejada, absorbida y transmitida, se definen los correspondientes coeficientes de reflectividad, absortividad y transmisitividad, como:

Reflectividad

i

r

E

E; Absortividad

i

a

E

E; Transmisividad

i

t

E

E

Debe cumplirse que 1

Para materiales opacos, la transmisividad es nula, siendo la energa incidente slo absorbida y reflejada. As, por ejemplo, para el ladrillo rojo = 65 a 80% y = 20 a 35 %. Cuando la

transmisividad es distinta de cero se dice que el material es transparente. Como ejemplo, para el vidrio comn = 81%, = 12% y = 7 %. Merece destacarse que un material puede ser

transparente para radiaciones de determinada longitud de onda y opaco para otras. En particular el

vidrio es transparente para la radiacin solar que es de corta longitud de onda, pero opaco para la radiacin de los objetos a temperatura ambiente que es de larga longitud de onda, creando el

denominado efecto invernadero. Ver punto 3.2.

Figura 32. Efecto invernadero. La radiacin solar incidente atraviesa el vidriado, pero la radiacin emitida por los elementos

interiores queda confinada, con lo que paulatinamente va aumentando la temperatura.

En el Anexo II se incluyen algunas consideraciones complementarias relativas al comportamiento

trmico de los materiales frente a la radiacin y en el Anexo III se informan los valores de absortividad, reflectividad y transmisividad para algunas superficies de uso comn en las construcciones, frente a la radiacin solar.

Para determinar la energa que irradia un cuerpo a cualquier temperatura se recurre al concepto de cuerpo negro. Un cuerpo negro o superficie negra es aquella que absorbe toda la radiacin incidente, o sea que =1. El trmino negro no debe ser confundido con el color del mismo nombre,

pues una superficie de color blanco puede tener una absortividad igual a la de una superficie de color negro. No hay cuerpo negro perfecto para la radiacin; una buena aproximacin es un espacio hueco con una pequea abertura por donde incide la radiacin. La absortividad de todos los

cuerpos es siempre menor que 1.

Se denomina emisividad de una superficie al cociente

nE

E

donde: E es la energa radiada por la superficie por unidad de tiempo y unidad de superficie E es la energa radiada por unidad de tiempo y unidad de superficie por un cuerpo negro a la misma temperatura

La emisividad es un coeficiente adimensional y depende de la naturaleza de la superficie emisora. Sus valores quedan comprendidos entre 0 y 1, correspondiendo este ltimo valor al cuerpo negro.


Se denomina potencia emisiva E a la energa emitida por un cuerpo por unidad de rea y por unidad de tiempo. Como ya fue mencionado, depende fuertemente de la temperatura del cuerpo y

puede calcularse como se indica en la expresin siguiente, conocida como Ley de Stefan-Boltzmann:

4.. TE

donde: E es la potencia emisiva en W/m2

es la emisividad

es la es la constante de Stefan-Boltzmann y vale a 5,67 .10 08 W/m-2 K4

T es la temperatura absoluta, es decir, en grados K

Por otra parte, la ley de Kirchhoff establece que a temperaturas ordinarias de entre 10 C y 40 C, la emisividad de una superficie es igual a la absortividad de la misma.

La ley de Kirchoff es vlida en los problemas ordinarios de radiacin trmica, donde la radiacin reflejada y la radiacin incidente tienen longitudes de onda similares. La ley no es vlida cuando

una superficie irradia longitudes de onda larga estando irradiadas con longitudes de onda relativamente cortas. Esto significa que la ley de Kirchhoff que supone = , no es vlida cuando

una superficie est iluminada por el sol.

Una consecuencia de la ley anterior es que los cuerpos que son buenos receptores de la energa radiante son buenos emisores de la radiacin y los que son malos receptores son malos emisores.

As una superficie pulimentada, que es mala receptora es tambin mala emisora, y un cuerpo negro que es un buen receptor es tambin un buen emisor.

Tabla 8. Coeficientes de absortividad para radiacin a baja temperatura y para radiacin solar

Superficie - 10-40C

Radiacin Solar

Un pequeo agujero en una gran caja, esfera horno o recinto 0,97 0,99 0,97 0,99

Superficies negras no metlicas, tales como asfalto, carbn,

pintura, papel. 0,90 0,98 0,85 0,89

Ladrillo y tejas rojas, cemento y piedra, hierro, pinturas oscuras (roja, verde, marrn, etc.)

0,85 0,95 0,65 0,80

Ladrillos y piedras amarillos y ocres, ladrillos refractarios 0,85 0,95 0,50 0,70

Ladrillos blancos o crema, claros tejas, pintura o papel,

enlucido, encalado 0,85 0,95 0,30 0,50

Vidrio de Ventana 0,90 0,95

Pintura brillante de aluminio, pintura dorada o de bronce 0,40 0,60 0,30 0,50

Bronce mate, cobre, o aluminio, acero galvanizado, hierro

pulido. 0,20 0,30 0,40 0,65

Bronce o cobre pulido 0,02 0,05 0,30 0,50

Aluminio muy pulido, placas de estao, nquel, cromo 0,02 0,04 0,10 0,40

La Tabla 8 indica las absortividades para varias superficies tanto para radiacin a baja temperatura como para radiacin solar. Mientras que el color de la superficie no es importante en radiaciones a baja temperatura, es muy importante con radiacin solar. En la tabla puede verse que para bajas

temperaturas, una superficie blanca y una superficie negra tienen prcticamente la misma absortividad. En cambio, para radiacin solar una superficie blanca pulida puede tener una

absortividad cercana a 0,30 mientras que una superficie negra mate puede tener una absotividad tan alta como 0,98. Tambin puede notarse que un mal absorbente refleja la mayor parte de la

energa radiante.

Los objetos estn continuamente emitiendo energa radiante, pero a la vez, reciben energa del

ambiente que los rodea. Si un objeto est a la temperatura T y el ambiente que lo rodea esta a la temperatura Ta, la potencia emisiva neta es


Si un objeto cualquiera tiene una temperatura superior a la del medio ambiente, la energa emitida

por unidad de tiempo exceder a la absorbida; habr por lo tanto una prdida de energa y el cuerpo se enfriar, a menos que se le entregue calor por otro medio. Si un cuerpo est a

temperatura inferior a la de los cuerpos que lo rodean, la cantidad de energa absorbida por unidad de tiempo ser mayor que la emitida en igual tiempo y su temperatura se elevar. Cuando el cuerpo est a la misma temperatura que el medio ambiente, las cantidades de energa que pierde

y gana por unidad de tiempo se igualan, no hay ganancia ni prdida de energa y por consiguiente, no vara su temperatura.

3. Fenmenos trmicos en la Arquitectura

3.1. Transferencia global del calor

La mayora de los problemas de transferencia del calor involucran dos o ms procesos de propagacin al mismo tiempo, es por esto que tales problemas deben analizarse desde un punto de vista general o global. Como ejemplo se estudia un da de verano en el que el flujo ser hacia adentro, es decir, habr una ganancia de calor por parte del aire del interior de la vivienda.

Con el objeto de simplificar el problema se supone que el flujo de calor es estacionario y que la

altura y ancho de la pared son grandes comparados con es espesor de la misma. De esta forma la transferencia del calor es unidimensional.

La expresin presentada en el punto 2.9.1., que permite calcular el flujo de calor por conduccin puede expresarse como:

donde: H/A es la cantidad de calor que atraviesa la pared por conduccin por unidad de rea y por

unidad de tiempo tp es la diferencia entre las temperaturas de la cara externa y la cara interna de la pared

(tpe-tpi) Rp es la resistencia del muro;

La expresin anterior se refiere exclusivamente a la propagacin del calor a travs de la pared por conduccin.

Se considera ahora el fenmeno de conveccin afuera y adentro del local. La cantidad de calor que llega por conveccin a la cara externa de la pared, por unidad de tiempo y por unidad de rea, es:

donde: H/A es la cantidad de calor que llega por conveccin a la cara externa de la pared, por

unidad de tiempo y por unidad de rea te es la diferencia entre la temperatura del aire en el exterior y la de la cara externa de la

pared (tae-tpe) Re es la resistencia trmica superficial exterior;

De manera similar puede calcularse la cantidad de calor intercambiada por conveccin entre la cara

interna de la pared por unidad de tiempo y por unidad de rea:

donde: H/A es la cantidad de calor que llega por conveccin al aire interior desde a cara interna de la pared por unidad de tiempo y por unidad de rea

)(.. 44

TTE aNeta

p

p

pared R

t

A

H

n

i i

i

pk

eR

1

e

eh

R1

e

e

e

eee

extAire R

t

h

tth

A

H

1.

i

i

i

iii

Aire R

t

h

tth

A

H

1int.


ti es la diferencia entre la temperatura de la cara interna de la pared y la del aire en el

interior (tpi-tai) Ri es la resistencia trmica superficial interior;

Considerando la propagacin del calor por conduccin y conveccin, y siendo el rgimen estacionario, deber cumplirse:

Es decir que, la cantidad de calor que llega a la pared por conveccin es igual a la que la atraviesa por conduccin y la que se va de ella por conveccin. Figura 33.

Figura 33. Transferencia global del calor entre dos espacios separados por una pared. Se supone que la temperatura en el

exterior es mayor que en el interior y que adems son constantes (rgimen estacionario)

Se puede escribir entonces:

Sumando miembro a miembro las tres ecuaciones anteriores:

Si se define como resistencia total a la suma de las resistencias por conduccin y conveccin, es decir,

i

ih

R1

tpe

te ti

tpi

ParedA

H

int.AireA

H

extAireA

H

.

int.. AireParedextAire A

H

A

H

A

H

eepee RA

Httt

pppipe RA

Httt

iiipi RA

Httt

RiRRA

Htt Paredeie

RiRRR Paredet


resulta entonces

De esta manera queda expresado el flujo trmico por unidad de superficie debido a conduccin y conveccin, en funcin de la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior. Estas

temperaturas son fcilmente medibles.

Las resistencias debidas a la conveccin dependen de muchos factores tales como propiedades de

la superficie, la velocidad del aire, temperaturas, etc. por lo cual son variables. En Argentina, la Norma IRAM 11601/1996 fija valores a adoptar en funcin de la direccin del flujo, los cuales se

muestran en la Tabla 9.

Tabla 9. Resistencia debida a la conveccin

Interior, Rsi [m2 K/W] Exterior, Rse [m

2 K/W]

Direccin del flujo de calor Direccin del flujo de calor

Horizontal Ascendente Descendente Horizontal Ascendente Descendente

0.13 0.10 0.17 0.04 0.04 0.04

Otro parmetro normalmente utilizado para el estudio de la trasmisin de calor a travs de un cerramiento es la transmitancia trmica. Se define como la cantidad de calor que fluye a travs de

un cerramiento, por unidad de tiempo y de rea, cuando existe un gradiente trmico de 1 C (1 K) entre los ambientes que separa; es decir, es la inversa de la resistencia trmica. En el Sistema

Internacional se mide en W/m2 C o en W/m2 K. Su valor incluye las resistencias trmicas superficiales (Re y Ri) de ambas caras y la resistencia trmica del propio cerramiento segn los

materiales y espesores que lo componen y las cmaras de aire, si las hubiera.

Algunas normativas y reglamentaciones fijan lmites para los valores admisibles de transmitancia trmica con el fin de asegurar un aislamiento adecuado a las condiciones climticas del lugar de

emplazamiento de la obra. Por ejemplo, la Ordenanza N 8757/11 de la ciudad de Rosario establece que las transmitancias trmicas debern ser inferiores a las que se indican en la

siguiente Tabla 10.

Tabla 10. Transmitancias mximas segn la Ordenanza N 8757 de la ciudad de Rosario

Tipo de cerramiento Transmitancia

mxima1 [W/m2K]

Techos 0.38

Paredes exteriores 0.74

Cerramientos transparentes 2.80

1 En el caso que las superficies transparentes verticales superen el 60 % de la fachada, el valor mximo admisible de transmitancia trmica ser 1.80 W/m2K. En el caso que se

incluyan superficies transparentes en techos el valor mximo admisible de transmitancia trmica ser 1.80 W/m2K cualquiera sea la superficie relativa.

Hasta aqu se ha considerado en forma conjunta la transferencia de calor a travs de un cerramiento por los mecanismos de conduccin y conveccin; en los prrafos siguientes se incluir

el efecto de la radiacin solar que puede incidir sobre ese cerramiento.

Si sobre la pared hay una energa radiante incidente de intensidad E, una parte se transmite, otra se refleja y el resto se absorbe. La parte reflejada no interesa al estudiar la cantidad que calor que ingresa ya que vuelve al exterior; la parte transmitida ( E) se suma directamente al flujo trmico

que pasa al interior; finalmente, la parte absorbida ( E), en algn momento es emitida por la

pared pero en todas direcciones de manera que no llega en su totalidad el interior. Figura 34.

tt

ie

tieR

t

R

tt

A

HR

A

Htt


Figura 34. Energa radiante sobre una pared en el proceso de transferencia global del calor entre dos espacios separados por

una pared. De la energa inicialmente absorbida, la parte E vuelve al exterior y solamente ingresa la parte E.

Suponiendo que toda la absorcin se produce en la superficie exterior, hecho aproximadamente

vlido para paredes y no tanto para vidriados, lo que se emite hacia afuera tendr que vencer una resistencia Re y lo que se emite hacia adentro una resistencia Rp + Ri. Con esta condicin,

Con estas consideraciones, el flujo trmico por unidad de superficie de pared, tomando todas las

formas de transmisin del calor, puede expresarse as:

En la expresin anterior, el primer trmino corresponde a la transferencia por conduccin y conveccin y los dos ltimos a la radiacin. El trmino E tiene incidencia prcticamente

instantnea y es solamente importante en vidriados y superficies traslcidas o trasparentes. Para cualquier pared opaca puede considerarse =0

El proceso de absorcin y de emisin requiere un cierto tiempo por lo cual el tercer trmino del segundo miembro de la expresin anterior aparece en realidad con un retardo que depende

bsicamente del espesor de la pared. Para paredes de hormign por ejemplo, puede tomarse aproximadamente una hora de retardo por cada cuatro centmetros de espesor.

La intensidad de radiacin E sobre superficies verticales depende fundamentalmente de su orientacin. Los valores en horas pico no cambian mucho de verano a invierno. Para dar una idea

de los rdenes de magnitud, en las primeras horas de la tarde de un da claro de verano, los valores de la intensidad de la radiacin sobre distintas superficies de una vivienda aislada, pueden ser aproximadamente los mostrados en la Figura 35.

Figura 35. Valores indicativos de la energa radiante sobre superficies verticales

en las primeras horas de la tarde de un da claro de verano

ER

RE

Total

e'

ER

RE

R

t

A

H

Total

e

Total

.

N

O E

S

830 W/m2 130 W/m2

130 W/m2

390 W/m2

te ti

E E

E

E

E E


Si bien para llegar a la expresin que permite calcular la transferencia global de calor se tom como ejemplo un da de verano en que las temperaturas exteriores son mayores que en el interior,

en el caso de invierno las expresiones son las mismas. En esta situacin, la diferencia entre las temperaturas del aire en el exterior y en el interior ser negativa, con lo cual la cantidad de calor

que intercambia el aire del local por conduccin y conveccin, es decir, el primer trmino de la expresin global, no representar una ganancia sino una prdida de energa. Debe notarse que los

trminos referidos a la radiacin son siempre de signo positivo ya que corresponden a la energa que llega desde el Sol, es decir, desde el exterior al interior.

La expresin que resume las tres formas bsica de propagacin del calor en el contexto de un edificio, no incluye el aporte de fuentes tales como los sistemas de iluminacin o cocinas, ni las

prdidas ocurridas por filtraciones o sistemas de ventilacin, por lo cual constituye una primer aproximacin al planteo del balance trmico de un local o vivienda.

De los fenmenos descriptos se desprenden algunas estrategias bioclimticas bsicas. As, por

ejemplo, ser necesario al momento de definir la forma y orientacin de una obra de arquitectura, tener en cuenta el asoleamiento de las distintas caras y la direccin de los vientos dominantes en

cada estacin. A fin de controlar la radiacin solar sobre una superficie vidriada se utilizan diversos tipos de elementos protectores como aleros o los paneles mostrados en la Figura 36 a).

La colocacin de arbolado de hojas caducas puede utilizarse para dar sombra en verano, reduciendo as la radiacin solar recibida. En la Figura 36 b) se muestra un edificio en el que se

crearon superficies verdes en las terrazas de los diferentes niveles. Con esto se consigue por un lado reducir la radiacin que llegar al interior del edificio, pero tambin se disminuye la reflexin

hacia el ambiente, efecto que contribuye a no aumentar la temperatura de la zona.

En lo que hace a las superficies vidriadas, se ha visto que permiten el ingreso de importantes

cantidades de energa radiante. En determinadas situaciones esto puede actuar como un mtodo para calefaccin natural, pero cuando esa ganancia es excesiva disminuye el confort y aumenta la necesidad de refrigeracin. En la actualidad existen algunos tipos de vidrios que permiten un buen

grado de control de la radiacin solar, pero debe tenerse en cuenta que con los mismos tambin se disminuye la cantidad de luz visible que pasa al interior de un edificio.

Figura 36. Control de la radiacin solar.

El factor de exposicin solar (Fes) es un parmetro que indica la capacidad de un cerramiento transparente de filtrar la incidencia de la radiacin solar. Su valor indica la relacin entre el tipo de

proteccin solar ofrecida por un cerramiento cualquiera con el valor correspondiente a un vidrio comn incoloro de 3 mm de espesor sin protecciones ni obstrucciones.

La Ordenanza N 8757/11 de la ciudad de Rosario establece que el factor de exposicin solar deber ser inferior a los valores que se indican en la Tabla 11, en funcin de la orientacin del

cerramiento transparente. A fin de cumplir con los lmites fijados ser necesaria la instalacin de elementos que controlen la radiacin solar que incide sobre la cara en cuestin.

a)

b)


Tabla 11. Valores mximos del Factor de Exposicin Solar

segn la Ordenanza N 8757 de la ciudad de Rosario

Orientaciones Fes mximo

Cuadrante Norte (NNE- NNO) 341 a 20 0.45

Cuadrantes Este y Oeste. 21 a 160 y 201 a 340

0.30

Cuadrante Sur (SSE SSO) 161 a 200 0.90

Lucernarios y planos inclinados con ngulo

inferior a 60

0.25

3.2. Efecto invernadero

Los invernaderos, son construcciones que se han utilizado desde hace mucho tiempo,

principalmente en agricultura y floricultura, para mejorar el rendimiento del desarrollo de las plantas o incluso para permitir su crecimiento en lugares inhspitos.

Despus hicieron su aparicin en la Arquitectura donde ocuparon ciertos espacios exteriores que prolongan la vivienda tales como balcones, terrazas, galeras, etc., y que trataban de atemperar

ciertas condiciones externas desfavorables.

Hoy se recurre a los espacios vidriados para hacer de ellos espacios-tapones que proporcionan

caloras provenientes de la radiacin solar al resto de la vivienda.

Sin embargo como se ver a continuacin, el invernadero es un sistema que hay que emplear con

mucha prudencia porque acta de forma opuesta durante el da y durante la noche, y en invierno y en verano.

Las cubiertas de vidrio de los invernaderos y los ventanales de los edificios vidriados son trasparentes a la radiacin visible y a las infrarrojas de corta longitud de onda recibidas del Sol. Figura 32.

Despus de atravesar los vidrios, estas radiaciones son transformadas en calor al ser absorbidas por objetos situados en el interior, los cuales a su vez aumentan su temperatura y emiten energa.

Los cuerpos situados en el interior del espacio vidriado emiten radiacin infrarroja de mayor longitud de onda que la que ingresa, debido a la baja temperatura de los cuerpos emisores.

El resultado es que el vidrio no transmite estas radiaciones y, por consiguiente, acta como una trampa de energa. De esta manera la temperatura del interior va aumentando mientras haya

radiacin solar externa. A este fenmeno se lo denomina efecto invernadero, que puede tener en la

construccin ventajas o desventajas segn la funcin que cumpla el espacio vidriado.

En verano se produce, por efecto invernadero, un calentamiento excesivo del interior de las viviendas durante el da y un enfriamiento nocturno insuficiente dado la menor duracin del

oscurecimiento.

Debido a su conductividad trmica grande y a su reducido espesor, las superficies vidriadas se

enfran por conduccin ms rpido que el aire ambiente y que las otras superficies. Por esa razn en invierno, en que las horas de asoleamiento es mucho menor, la temperatura interior disminuye

muy rpidamente.


Por lo tanto, un invernadero asociado a la arquitectura sin ningn control puede conducir a agravar las condiciones del ambiente interior, a producir grandes prdidas en invierno y sobrecalentamiento

en verano, sobre todo en aquellos climas en que las radiaciones solar y terrestre son intensas.

Figura 37. Las fachadas vidriadas que no controlen la radiacin solar, ya sea utilizando materiales

especiales o protecciones adicionales, pueden derivar en ganancias excesivas de calor las cuales se traducen

en grandes consumos energticos de los equipos de refrigeracin.

Pero en cambio, si se utilizan medios accesorios que permitan reducir los inconvenientes que

acabamos de mencionar conservando las ventajas, el invernadero puede resultar muy til en la funcin de espacio tapn y de colector selectivo. Estos sistemas comprenden esencialmente los

sistemas de ocultamiento de la radiacin solar y de protecciones trmicas mviles contra las prdidas nocturnas. Las pantallas de lminas orientables, las contraventanas mviles y las pelculas

reflectoras enrollables pueden proporcionar una solucin aceptable.

3.3. Humedad

El aire atmosfrico es una mezcla de gases, compuesta aproximadamente por 80% de nitrgeno,

18%

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