Universidad de Magallanes.Departamento de Ingeniería Mecánica.Facultad de Ingeniería.

Nombre: Vania Navarro Cárdenas.Profesor: Humberto Oyarzo Pérez.Asignatura: Ingeniería Termodinámica.Fecha: 24 Junio, 2014.

Sensación Térmica

1. Introducción.

A menudo se suele confundir la temperatura que marca un termómetro con la temperatura que realmente percibimos, y es común sentir más frío o más calor del que podemos apreciar en un termómetro común. Esto se debe a numerosos parámetros dependientes de nosotros como del ambiente que nos rodea. La temperatura que realmente percibimos se conoce como sensación térmica y es posible medirla debido a diferentes índices que toman en cuenta parámetros como la velocidad del viento o la humedad relativa.

A continuación se hablará en detalle de los parámetros influyentes en la sensación térmica, las maneras de transferencia de calor entre nuestro cuerpo y el ambiente, así como también las manera en que se calcula por medio de índices.

2. Objetivos.

General:

• Entender el concepto de sensación térmica con sus parámetros y métodos de cálculo.

Específicos:

• Explicar los parámetros que tienen relación con la sensación térmica.• Entender los diferentes medios de transferencia de calor entre nuestro cuerpo y el

ambiente.• Entender las diferentes maneras de calcular la sensación térmica.

3. Definición.

• Se llama sensación térmica a la reacción del cuerpo humano ante el conjunto de condiciones del ambiente que determinan el clima desde el punto de vista térmico. Es la percepción que las personas tienen sobre su confort térmico.

• Es costumbre decir que hace calor o frío, en función de lo que dice un termómetro corriente, pero esto depende de una serie de parámetros que pueden mejorar o empeorar la sensación.

• Se han hecho estudios para reflejar esas sensaciones en forma de índices que tienen en cuenta dos o más de los parámetros que inciden en la sensación.

Figura 3.1: Sensación térmica. “Sensación térmica” [en línea] <https://www.google.cl/search?

q=termometro+calor+y+frio&tbm=isch&ei=4fqlU-nXJ-LNsQTK-4KACw#q=sensacion+termica&tbm=isch> [consulta: 21 Junio,

2014].

4. Parámetros.

La sensación térmica depende de muchos parámetros, tanto ambientales como de la propia persona, depende de nuestra altura, la velocidad con la que caminamos, nuestro estado de salud y de la transferencia de calor de la piel, que es diferente para cada persona. En resumen, la sensación térmica no depende sólo de la temperatura.  

FACTORES AMBIENTALES

• Temperatura seca.• Temperatura radiante media.• Humedad relativa del aire.• Velocidad del aire.

FACTORES PERSONALES

• Índice metabólico.• Índice de indumento.

4.1. Factores ambientales.

O también llamada temperatura de bulbo seco, mide la temperatura del aire sin considerar factores ambientales como la radiación, la humedad o el movimiento del aire, los cuales afectan significativamente la sensación térmica.

Uno de los instrumentos más empleados para medirla es el termómetro de mercurio, el cual se expone directamente al aire. También existen otros tipos de termómetros para medir la temperatura de bulbo seco como termómetro de gas y el termómetro digital.

4.1.1. Temperatura seca.

Figura 4.1: Temperatura seca del aire. “Medio Ambiente” [en línea] <http://www.blogdemedioambiente.com/sostenibilidad/restringir-la-

temperatura-para-ahorrar-energia/> [consulta: 21 Junio, 2014].

4.1.2. Temperatura radiante media.

También llamada temperatura de bulbo negro. Tiene en cuenta el calor emitido por radiación de los elementos del entorno. Se toma con un termómetro de bulbo, que tiene el depósito de mercurio encerrado en una esfera o bulbo metálico de color negro, para asemejarlo lo más posible a un cuerpo negro y así absorber la máxima radiación.

Figura 4.2: Temperatura radiante. “Instrumentos básicos de medición” [en línea]

<http://www.monografias.com/trabajos60/instrumentos-basicos-medicion/instrumentos-basicos-medicion3.shtml> [consulta: 21

Junio, 2014].

4.1.3. Humedad relativa del aire.

La humedad relativa de una masa de aire es la cantidad de vapor de agua contenida en ella, se define como la relación entre la cantidad de vapor de agua que contiene y la que tendría si estuviera completamente saturada; así cuanto más se aproxima el valor de la humedad relativa al 100% más húmedo está. Se puede medir por un termómetro de bulbo húmedo.

𝐻𝑅=𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛𝑝𝑎𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒𝐻 2𝑂𝑒𝑛𝑙𝑎𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑑𝑒𝑎𝑖𝑟𝑒 [𝑃𝑎 ]   

𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛𝑑𝑒𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖 ó𝑛𝑑𝑒𝐻2𝑂𝑎 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎𝑑𝑒𝑎𝑖𝑟𝑒 [𝑃𝑎]∙100

Figura 4.3: Humedad relativa del aire. “Humedecido” [en línea] <http://procesosbio.wikispaces.com/Humedecido> [consulta:

21 Junio, 2014].

4.1.4. Velocidad del aire.

Toda nuestra piel está rodeada por una capa de aire inmóvil que mantiene una temperatura cercana a la de la piel y una humedad relativa alta ("micro-atmósfera“) de unos 8 mm de espesor.

El movimiento del aire desplaza ese aire y permite un intercambio de calor más efectivo con el ambiente y un mejor rendimiento de la evaporación del sudor, lo que modifica las condiciones térmicas del cuerpo.

Figura 4.4: Efecto de la velocidad del aire en la sensación térmica. “Sudoración” [en línea]

<http://eaudefisiologia.blogspot.com/2012/01/sudoracion.html> [consulta: 21 Junio, 2014].

4.2. Factores personales.

4.2.1. Índice metabólico. • Es el calor producido por el cuerpo.

• El cuerpo humano consume energía obtenida de la digestión de los alimentos.  

• Se produce más calor, cuanto mayor sea la actividad física, pero también varía dependiendo de la edad (mayor cuanto más joven), el tamaño, el peso o el sexo del sujeto. 

• La unidad de medida es el met (cantidad de calor disipado por metro cuadrado de piel).

Algunos ejemplos: Durmiendo: 0,8 met.Una persona sentada relajada: 1

met.Caminando: 3,4 met.Corriendo: 9,5 met.

Figura 4.4: Intercambio de calor al ambiente. “Intercambio de calor entre el cuerpo y el ambiente” [en

línea] <http://www.estrucplan.com.ar/Producciones/imprimir.as

p?IdEntrega=319> [consulta: 21 Junio, 2014].

Es el mayor o menor aislamiento que produce la indumentaria que se lleva puesta (conjunto de ropa). Su unidad de medida es el clo y se determina entre cero (0) clo que es la falta total de aislamiento, es decir, la desnudez y un (1) clo que corresponde a una indumentaria más abrigada. 

4.2.2. Índice de indumento.

Figura 4.5: índice de indumento. “Invierno” [en línea]

<http://radiohuanguelen.com.ar/2012/07/06/huanguelen-bajo-cero/invierno-gente-abrigada/>

[consulta: 21 Junio, 2014].

Figura 4.6: “Diagrama Psicrométrico”. “Psicrometría” [en línea] < http://cursosdeautocadgratis.blogspot.com/2012/11/acondicionamiento-termico-en-la_1656.html> [consulta: 22 Junio, 2014].

Temperatura

Ambiente

• Factores Ambientales.

• Factores Personales.

Sensación Térmica

Figura 4.7: “Esquema de sensación térmica”. “Condiciones de confort” [en línea] < http://localesecoeficientes.blogspot.com/2014/04/carrier-condiciones-de-confort-en-

el.html> [consulta: 22 Junio, 2014].

Resumiendo lo visto anteriormente:

Sensación de comodidad: CALOR DISIPADO = CALOR PRODUCIDO

En invierno la sensación térmica depende de la combinación de temperatura y viento, ya que son estos factores los que aumentan la sensación de frío: La diferencia entre la temperatura de la piel 32ºC y la del aire, y el efecto del viento, que acelera la pérdida de calor del cuerpo. La sensación térmica se calcula para valores de temperatura inferiores a 10°C.

En verano una humedad relativa alta aumenta la sensación de calor, ya que la evaporación del sudor, que es el principal medio para disminuir el calor corporal, se ve dificultada por el exceso de humedad presente en el aire. La sensación térmica se calcula para valores de temperatura a partir de 20ºC. 

5. Intercambio de calor Cuerpo-Ambiente.

Cuando la piel desnuda, o con ropa de poco abrigo, entra en contacto con un objeto a distinta temperatura que la piel, intercambia calor con el objeto por conducción; es el medio de intercambio menos significativo, porque se suele ir vestido y calzado.

El aire en contacto con la piel se calienta y aumenta de volumen, por lo tanto pierde densidad, asciende y es sustituido por aire más fresco. Si el aire está más caliente que la piel, el proceso será el inverso. Se produce en las partes de la piel, desnudas o cubiertas con ropa muy holgada.

Todo cuerpo intercambia calor por radiación con otro que esté a distinta temperatura, sin entrar en contacto con él. Evidentemente en el cuerpo humano este intercambio se hace por las partes desnudas o poco abrigadas.

La evaporación del agua que hay en la piel, requiere una cantidad de calor de 2450 kJ por kilogramo de agua evaporada, calor que obtiene del cuerpo. La magnitud de este intercambio depende de la humedad relativa y de la velocidad del aire.

Conducción

Convección

Radiación

Evapotranspiración

6. Cálculo de la sensación térmica.

Para definir la sensación térmica, teniendo en cuenta los parámetros anteriores, se utiliza una serie de índices, los cuales toman el nombre de temperaturas, para asimilarlas a un parámetro que todos conocen. 

Cuando estos índices tienen un valor entre 18 °C y 27 ºC, se puede hablar de comodidad térmica para una persona en reposo y con un índice de indumento normal (0,7...1 clo).

• Temperatura equivalente (o temperatura operativa).

• Temperatura resultante.• Temperatura efectiva.

• Temperatura de bochorno.• Temperatura de sensación.

Espacios Cerrados.

Espacios Abiertos.

6.1. Temperatura equivalente (o temperatura operativa).

Índice de sensación térmica que se define como la temperatura seca de un recinto (cerrado) imaginario, con movimiento de aire en reposo (0 m/s), en el cual una persona, experimentaría el mismo intercambio térmico por radiación y convección, que en el recinto real (en el que se encuentra).

𝑇 𝑒𝑞=𝑇 𝑠𝑒𝑐𝑎+𝑇 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎

2

Temperatura seca de un recinto, con aire en reposo y paramentos a la misma temperatura del aire, que produjera la misma sensación térmica que el recinto con iguales presión de vapor, actividad e indumento.

6.2. Temperatura resultante.

6.3. Temperatura efectiva.

Temperatura que toma en cuenta la temperatura seca del aire y la humedad relativa, pero con un viento en calma:

𝑇 𝑒𝑓=𝑇 𝑎𝑖𝑟𝑒−0,4 ∙(𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒−10) ∙(1− 𝐻𝑅100  )

Más tarde se incluyó la velocidad del viento y la temperatura radiante, a esto se le llamó temperatura efectiva corregida (TEC), que puede calcularse por medio del gráfico mostrado a continuación:

Figura 6.1: “Gráfico para el cálculo de la temperatura efectiva”. “Clima y confortabilidad humana” [en línea] < http://dspace.uah.es/dspace/bitstream/handle/10017/1030/Clima%20y%20Confortabilidad%20Humana.

%20Aspectos%20Metodol%C3%B3gicos.pdf?sequence=1> [consulta: 22 Junio, 2014].

6.4. Temperatura de bochorno.

Llamado Índice humidex en Canadá o índice de calor (heat index) en Estados Unidos. Tiene en cuenta la interacción de temperaturas secas elevadas y la humedad relativa. Es un índice incompleto, puesto que no contempla la velocidad del aire.

El índice Humidex IH es la diferencia entre la temperatura de bochorno y la temperatura del aire.

𝑇 h𝑏𝑜𝑐 𝑜𝑟𝑛𝑜=𝑇 𝑎𝑖𝑟𝑒+𝐼𝐻

𝐼𝐻 (°𝐶 )=59∙(𝑃 −10)

P: Presión de vapor de agua (hPa).IH: Índice de calor.

A temperaturas altas, el nivel de humedad relativa necesario para que la temperatura sentida sea superior a la temperatura real, es más bajo que a temperaturas más bajas. A 20°C la humedad no eleva la temperatura de bochorno. La temperatura y la humedad relativa son magnitudes inversas. En ningún lugar de la Tierra a una temperatura de 50°C hay simultáneamente una humedad relativa del 90% así la temperatura de bochorno más alta sería de aproximadamente 70°C.

Tabla 6.1: “Sensación térmica por efecto de la humedad relativa”. “índice de bochorno o Humidex” [en línea] <http://meteolamatanza.es/enciclopedia-meteo/sensacion-termica-y-de-bochorno-humidex#humidex>

[consulta: 22 Junio, 2014].

Tabla 6.2: “Sensación térmica por efecto del viento”. “La sensación térmica” [en línea] <http://ocw.upm.es/ingenieria-agroforestal/climatologia-aplicada-a-la-ingenieria-y-medioambiente/contenidos/tema-13/Tabla-para-calcular-sensacion-

termica-por-efecto-del-calor-y-la-humedad.pdf> [consulta: 22 Junio, 2014].

6.5. Temperatura de sensación.

Temperatura sentida o, más apropiadamente, índice de temperatura percibida (en inglés Windchill). Tiene en cuenta la interacción de temperaturas bajas o muy bajas con la velocidad del viento

Donde: T es la temperatura en °C.V es la velocidad del viento en

m/s.

Se estableció un orden de severidad ambiental para efectos de congelamiento sobre el ser humano, que es el siguiente:

Paul Sipple en 1948 obtuvo un índice de enfriamiento (Wind Cooling Index). Consideró para ello un litro de agua contenida en un recipiente cilíndrico a 33ºC. El valor obtenido por el índice establece la relación de calor perdido por el cilindro de agua en función de la temperatura ambiente y la velocidad del viento. Este índice expresado en Kcal/m2 h está dado por:

𝑊𝐶𝐼=(10,45+10√𝑉 −𝑉 ) ∙(0,33−𝑇 )

Nuevas consideraciones:

1.- Velocidad del viento corregida a 1.50 m de altura (altura promedio de la cara del ser humano).2.- Tiene en cuenta el rostro humano (en reemplazo de la experiencia de Sipple).3.- Transferencia de calor entre la piel y el medio ambiente.4.- Considera una persona en movimiento con una velocidad promedio de alrededor de 5 km/h.5.- Toma en cuenta la resistencia del tejido de la piel del ser humano.6.- Asume un escenario más desfavorable en cuanto a la radiación solar.

La fórmula para calcularlo es:

Donde: T: Temperatura del aire en °C.V: velocidad del viento a 10 m. (Valor de la altura oficial del anemómetro) en km/hr.

Según este índice, la tabla siguiente permite medir el viento a la altura del rostro (aprox 1,5 m) solo se multiplica por este valor.

Índice Windchill: Este nuevo índice, más realista y aplicable a diversas regiones climáticas, fue confeccionado por investigadores de EEUU y Canadá. 

Tabla 6.3: “Sensación térmica por efecto del frío y el viento”. “La sensación térmica” [en línea] <http://www.tutiempo.net/silvia_larocca/Temas/Met21.htm> [consulta: 22 Junio, 2014].

7. Conclusión.

A través de lo visto anteriormente, se puede observar que la temperatura que vemos en un termómetro común nos muestra la temperatura ambiente, pero no mide lo que el cuerpo realmente percibe, esto debido a que nuestra sensación térmica depende de numerosos factores que hacen muy difícil de medir a un termómetro común y corriente, por lo que se crearon índices y tablas que incorporan los distintos parámetros que afectan a nuestra sensación de frío o de calor para poder acercarse cuantitativamente a un valor que describa nuestra sensación térmica.

7. Referencias.

1. "Sensación térmica" [en línea] <http://es.wikipedia.org/wiki/Sensaci%C3%B3n_t%C3%A9rmica> [consulta: 20 Junio, 2014].2. "La sensación térmica" [en línea] <http://www.tutiempo.net/silvia_larocca/Temas/Met21.htm> [consulta: 20 Junio, 2014].3. "Sensación térmica" [en línea] <http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/AYC/document/atmosfera_y_clima/temperatura/sensacTermica0.htm> [consulta: 20 Junio, 2014].4. "La sensación térmica" [en línea] <http://meteolamatanza.es/enciclopedia-meteo/sensacion-termica-y-de-bochorno-humidex#humidex> [consulta: 21 Junio, 2014].5. “La sensación térmica” [en línea] <http://www.tutiempo.net/silvia_larocca/Temas/Met21.htm> [consulta: 21 Junio, 2014].6. “Nuevo Windchill” [en línea] <http://www.tutiempo.net/silvia_larocca/Temas/nuevo_windchill.htm> [consulta: 21 Junio, 2014].7. “Índice de Confort, Sensación Térmica e Impacto de Olas de Calor en las Personas” [en línea] <http://www.hidromet.com.pa/sensacion_termica.php> [consulta: 21 Junio, 2014].