Equilibrio Termico Pdf 6p6r53

EQUILIBRIO TERMICO INSTALACIONES DE MEDIANA DENSIDAD

Convección La convección es la transmisión de calor entre un fluido (líquido o gaseoso) y un cuerpo sólido. Este fenómeno se ve favorecido por el movimiento del fluido, el cual a su vez resulta de la diferencia de sus temperaturas internas. Cuando la temperatura del aire es inferior a la temperatura de la piel, esta tiende a transmitir calor hacia las moléculas de aire con las que está en o. Si el aire se encuentra en movimiento las moléculas que han absorbido calor son desplazadas fácilmente por moléculas más frías. Así, mientras más rápido sea el movimiento del aire, y mas baja su temperatura, más calor perderá el cuerpo humano. Cuando la temperatura del aire es muy elevada, sin embargo, este mismo proceso puede provocar ganancias en lugar de pérdidas de calor.

Radiación La radiación es un flujo de energía en forma de ondas electromagnéticas que no requiere de un medio conductor (se puede dar incluso en el vacío absoluto). Tanto el cuerpo humano como los elementos del entorno, incluyendo los componentes constructivos de un edificio, emiten energía radiante. Cuando la temperatura de la piel es superior a la temperatura radiante de los objetos circundantes entonces se dan pérdidas de calor. Cuando, al contrario, los objetos circundantes tienen una temperatura más elevada, el cuerpo tiende a ganar calor.

Conducción La conducción expresa la transmisión de calor al interior de un cuerpo sólido, o entre dos cuerpos sólidos cuando estos se encuentran en o. Como en el caso de la radiación, el cuerpo humano puede perder o ganar calor cuando esta en o con un objeto o componente de la edificación, dependiendo de la diferencia de temperaturas entre ambos.

Evaporación La evaporación es un fenómeno mediante el cual un líquido se convierte en gas. Dicha conversión requiere una determinada cantidad de energía calorífica, que es tomada del entorno inmediato. En el cuerpo humano este fenómeno se presenta en la piel, cuando el sudor se evapora, así como a través de la respiración. La cantidad de calor que se puede perder por este fenómeno varía de acuerdo a la tasa de evaporación, la cual a su vez es afectada por la humedad ambiental: mientras más seco es el aire más eficientes son los procesos evaporativos (debido a que es capaz de itir más vapor de agua). Por otro lado es importante considerar que el movimiento del aire favorece la evaporación, incluso cuando la humedad ambiental es relativamente alta, ya que ayuda a desplazar la delgada y húmeda capa de aire que tiende a generarse sobre la piel.

De lo expresado en los puntos anteriores se puede derivar una fórmula que representa de manera simplificada la condición de equilibrio térmico entre el cuerpo humano y su entorno, condición que resulta indispensable para mantener el confort sin esfuerzos evidentes: Calor metabólico +/- Convección +/- Radiación +/- Conducción - Evaporación = 0

Cuando la suma de estos factores es mayor o menor a cero el equilibrio se rompe y se desencadenan procesos que pueden llevar al disconfort, al malestar físico y, en casos extremos, a la muerte. Afortunadamente el cuerpo humano dispone de una serie de mecanismos que le permiten recuperar el equilibrio térmico, al menos hasta cierto punto.

El primero de estos mecanismos es el control automático e inconciente de la circulación sanguínea, lo que se conoce como regulaciones vasomotoras. Si el cuerpo está en un proceso de ganancias de calor se produce un aumento de la circulación sanguínea en la superficie de la piel, con lo que se incrementa el calor transportado hacia ella y por ende se aceleran los procesos de pérdida de calor. Por otro lado, si el cuerpo se encuentra perdiendo calor se reduce la circulación sanguínea en la piel, disminuyendo su temperatura y amortiguando los procesos de pérdida de calor. Aunque son muy útiles, las regulaciones vasomotoras suelen ser poco efectivas cuando el desequilibrio térmico es muy amplio. Se requiere entonces de mecanismos más agresivos.

Cuando las regulaciones vasomotoras no son suficientes para contrarrestar una situación de ganancias excesivas de calor, la piel comienza a intensificar la sudoración, respuesta que busca propiciar las pérdidas de calor por evaporación. La tasa de producción de sudor depende del nivel de desequilibrio térmico y en casos extremos puede alcanzar los 3 Kg/h. Este mecanismo es especialmente eficaz cuando la humedad ambiental es baja y el movimiento del aire es notorio, condiciones que favorecen la evaporación del sudor sobre la piel. En el caso contrario, es decir, si las pérdidas de calor continúan a pesar de las regulaciones vasomotoras, entonces se producen escalofríos. Estos son contracciones musculares repetitivas que pueden ser moderadas o violentas, dependiendo del nivel de desequilibrio térmico. En casos extremos los escalofríos llegan a incrementar hasta 10 veces la producción de calor metabólico muscular. Aunque son mecanismos muy efectivos, el sudor y los escalofríos no pueden mantenerse en forma intensa por periodos prolongados.

Aunque aún no se comprenden cabalmente los sistemas que regulan la temperatura del cuerpo humano, de por sí complejos, se sabe que existen dos "sensores" que juegan un papel crucial. Uno de ellos es elhipotálamo, que detecta el más ligero aumento de la temperatura del núcleo del cuerpo. Cuando esta sube más allá de los 37°C el hipotálamo dispara los mecanismos de enfriamiento explicados arriba. El otro es la piel, que detona los mecanismos de calentamiento cuando su temperatura cae por debajo de los 34°C. Cuando ambos sensores envían al cerebro señales de alarma al mismo tiempo, este tiene la capacidad de inhibir una o ambas respuestas. Finalmente es importante señalar que existen otros mecanismos de respuesta a las pérdidas o ganancias excesivas de calor, los cuales operan a largo plazo. Entre ellos se encuentran los cambios en las tasas de producción de calor metabólico basal, el aumento de la cantidad de sangre (que permite una vasodilatación más eficiente) y el incremento de la capacidad de las glándulas sudoríficas. En su conjunto estos mecanismos se conocen como aclimatación, un fenómeno que ha permitido al ser humano adaptarse a casi todas las zonas climáticas de la tierra, desde el ecuador hasta los polos y desde el nivel del mar hasta los 4,500 metros de altura.

Sol-Tierra

Sin duda la relación más importante entre el sol y la tierra se refiere al intercambio energético, o mejor dicho, al hecho de que una fracción de la enorme cantidad de energía irradiada por el sol llega de manera constante hasta nuestro planeta, haciendo posible prácticamente todas las formas de vida conocidas. Sin embargo existe otro conjunto de relaciones, a las cuales podemos englobar como geométricas, que afectan significativamente la forma en que la radiación solar afecta a nuestro planeta. Las relaciones geométricas entre el sol y la tierra marcan la pauta de nuestro devenir temporal, desde los cambios de estaciones a lo largo del año hasta la sucesión del día y la noche. En esta categoría encontrarás los siguientes artículos (también puedes acceder a ellos mediante el menú correspondiente a la derecha): • Movimientos terrestres y variaciones temporales

• Movimientos terrestres y variaciones temporales Movimiento de traslación La tierra se mueve alrededor del sol siguiendo una trayectoria de forma elíptica (1). El sol se ubica en uno de los focos de la elipse, lo cual ocasiona que la distancia desde la tierra al sol varíe a lo largo del año. Sin embargo dicha variación es muy pequeña, ya que los dos focos de la elipse se encuentran relativamente cercanos entre sí, mientras que la diferencia entre el radio mayor y el radio menor es mínima (2). De hecho, en términos prácticos, podemos considerar que la órbita terrestre es circular. El movimiento de traslación dura un año solar: 365 días, 5 horas, 48 minutos y 46 segundos. Dicho movimiento se da sobre la eclíptica, que representa el plano que contiene la órbita de la Tierra alrededor del sol. Las órbitas de la mayoría de los planetas del sistema solar están contenidas en la eclíptica o muy próximas a ella.

Movimiento de rotación Simultáneamente al movimiento de traslación, la tierra gira sobre sí misma en torno a un eje denominado norte-sur geométrico (el cual es ligeramente distinto al eje norte-sur magnético). Este eje de rotación se encuentra inclinado 23.47° respecto a la perpendicular de la eclíptica y en todo momento mantiene casi invariable (3) su dirección absoluta. El movimiento de rotación tiene una duración de un día solar (aproximadamente 24 horas). (3) En realidad el eje de rotación presenta un pequeño movimiento oscilatorio cónico, el cual es muy lento: su periodo dura unos 26,000 años. Este movimiento oscilatorio es de interés para la astronomía, pero no tiene repercusión alguna en la vida cotidiana del ser humano.

Variaciones temporales terrestres La sucesión del día y la noche se debe al movimiento de rotación de la tierra. Conforme gira, una parte de la superficie terrestre recibe directamente la luz solar, mientras que la cara opuesta se encuentra en sombra. Debido al sentido de giro de la tierra el sol parece salir desde el este, recorrer la esfera celeste, y ocultarse por el oeste. El fenómeno de las estaciones resulta un poco más complejo. Es un error común pensar que se debe a la variación de la distancia entre el sol y la tierra, suponiendo que el verano corresponde al periodo en que se encuentran más cercanos. Sin embargo hay que recordar que el movimiento de traslación puede considerarse prácticamente circular. Por otro lado, cuando en el hemisferio norte es verano en el hemisferio sur es invierno, y viceversa, lo cual no podría explicarse con este planteamiento. Lo cierto es que las estaciones se deben a la variación que presentan los ángulos de incidencia de los rayos solares sobre la superficie terrestre, variación que a su vez se deriva de la inclinación constante del eje de rotación terrestre durante todo el movimiento de traslación. Veamos con mayor detalle como sucede esto:

Durante cierto periodo del año, debido a la inclinación del eje de rotación, el hemisferio norte se inclina hacia el sol. Esta zona de la tierra recibe entonces más horas de soleamiento, a la vez que la radiación solar incide más perpendicularmente sobre la superficie terrestre. El hemisferio norte se encuentra en la estación de verano. Al mismo tiempo el hemisferio sur se inclina en sentido contrario al sol, lo cual provoca que tenga menos horas de soleamiento y que la radiación solar incida con ángulos más bajos. El hemisferio sur se encuentra entonces en la estación de invierno. Ya que el eje de rotación mantiene su inclinación constante, en el periodo contrario del año (con seis meses de diferencia) sucede exactamente lo contrario. Ahora el hemisferio sur es el que se inclina hacia el sol (se encuentra en verano), mientras que el hemisferio norte se inclina en sentido contrario al sol (se encuentra en invierno). Existen dos periodos del año en los que el eje de rotación de la tierra se inclina sobre un plano prácticamente perpendicular a los rayos solares, de tal manera que ambos hemisferios presentan las mismas horas de soleamiento y reciben la radiación solar con similares ángulos de incidencia. Se trata de los periodos correspondientes a las estaciones de primavera y otoño.

Conceptos geométricos básicos: Para comprender mejor las relaciones geométricas entre el sol y la tierra es necesario conocer algunos conceptos básicos, entre los que se encuentran la constante eclíptica, el ángulo de declinación, los equinoccios y los solsticios. Constante eclíptica Es el ángulo constante que forma el eje norte - sur geométrico de la tierra respecto a la perpendicular del plano de la eclíptica. Este ángulo tiene un valor aproximado de 23.47°. El plano del ecuador y el plano de la eclíptica forman un ángulo igual a la constante eclíptica. Declinación Es la dimensión angular, medida sobre un meridano que pasa por el centro del sol, entre el plano del ecuador y el plano de la eclíptica. La declinación (d) entonces depende de la posición de la tierra sobre la eclíptica. Por convención, la declinación se considera positiva cuando el ángulo se sitúa en el hemisferio sur y negativa cuando se sitúa en el hemisferio norte.

Equinoccios

Son los puntos de la eclíptica con declinación nula, fenómeno que sucede en dos fechas específicas: el 21 de marzo (equinoccio de primavera) y el 23 de septiembre (equinoccio de otoño). En los equinoccios tanto el plano del ecuador como el eje de intersección entre el plano del ecuador y el de la eclíptica pasan por el centro del sol. La duración del día es igual a la de la noche, mientras que las zonas ecuatoriales reciben la máxima insolación teórica (cuando los rayos solares son perpendiculares a la superficie). Solsticios El solsticio de verano, que tiene lugar el 22 de junio, representa el punto de la eclíptica con la máxima declinación positiva (d = +23.47°). La franja terrestre ubicada en el Trópico de Cáncer recibe la máxima insolación teórica. El solsticio de invierno, por otro lado, sucede el 22 de diciembre e indica el punto de la eclíptica con la máxima declinación negativa (d = 23.47º). La franja terrestre ubicada en el Trópico de Capricornio recibe la máxima insolación teórica. En los solsticios se produce la máxima diferencia entre la duración del día y de la noche. Para cualquier punto en el hemisferio norte, en el solsticio de verano se presenta el día más largo y la noche más corta. En el solsticio de invierno se da la situación contraria. En cambio en el ecuador el día y la noche tienen la misma duración a lo largo del año.

Geometría terrestre Además de la altitud (1), que expresa la distancia vertical entre un punto determinado de la superficie terrestre y el nivel del mar, la ubicación precisa de dicho punto implica el uso de dos coordenadas geográficas: los ángulos de latitud y longitud. Como se verá más adelante, aunque estos parámetros se derivan directamente de la propia geometría terrestre, también guardan una estrecha conexión con el sistema de relaciones geométricas entre el sol y la tierra. La latitud expresa la distancia angular, medida sobre un meridiano, entre el plano del Ecuador y cualquier radio que pase por un punto de la superficie terrestre. Cuando dicho punto se localiza sobre el hemisferio norte se dice que tiene latitud norte, la cual suele expresarse con un valor positivo (entre 0° y 90°). Cuando se encuentra en el hemisferio sur se dice que tiene latitud sur, la cual generalmente se expresa con un valor negativo (entre 0° y -90°). En algunos casos, sin embargo, la latitud se expresa siempre con valores positivos, añadiendo las letras N ó S, según sea una latitud norte o sur (por ejemplo 43° S).

Se denomina paralelo, por otro lado, a cualquier circunferencia resultante de la intersección de la esfera terrestre con un plano imaginario perpendicular al eje de rotación de la Tierra. Cada paralelo se identifica por su ángulo de latitud. Dicho en otros términos, la latitud representa el valor dimensional de los paralelos. Cinco de ellos, por su posición en la esfera terrestre, presentan características especialmente significativas. De ahí que se identifiquen con nombres particulares: El Ecuador se define por el plano perpendicular al eje de rotación de la tierra que pasa exactamente por el punto medio de dicho eje. De esta manera, el Ecuador es el paralelo de máxima circunferencia (aproximadamente 40,075 km), se ubica a la mitad de la distancia entre los dos polos y divide la esfera terrestre en los hemisferios norte y sur. Por convención el ecuador se establece como el paralelo 0° y sirve de referencia para medir los demás ángulos de latitud. En el Ecuador el sol culmina en el cenit tanto en el equinoccio de primavera como en el de otoño.Los trópicos son los paralelos con latitudes de 23.47°, tanto al norte como al sur del ecuador.

El Trópico de Cáncer se ubica en el hemisferio norte, mientras que el Trópico de Capricornio se localiza en el hemisferio sur. La característica más relevante de los trópicos es que señalan las latitudes máximas en las que el plano de la eclíptica puede cortar la esfera terrestre, como se aprecia en las figuras. Esto significa que el Trópico de Cáncer es el paralelo más al norte en el cual el sol puede alcanzar el cenit, lo cual sucede en el solsticio de verano, mientras que el Trópico de Capricornio es el paralelo más al sur en el cual se da el mismo fenómeno, solo que durante el solsticio de invierno. Los círculos polares corresponden a los paralelos cuyas latitudes son de 66.55°, tanto al norte como al sur del Ecuador. El Círculo polar ártico es el más cercano al Polo Norte, mientras que el Círculo polar antártico se ubica próximo al Polo Sur. En el solsticio de invierno (22 de diciembre) el Círculo polar ártico marca exactamente la máxima latitud que puede recibir rayos solares, mientras que durante el solsticio de verano (22 de junio) es el Círculo polar antártico el que presenta esta característica. En la posición exacta del Círculo polar ártico, en el solsticio de invierno, el sol permanece oculto las 24 horas. En el solsticio de verano el sol permanece sobre el horizonte las 24 horas. En el Círculo polar antártico se invierte el fenómeno.

Los cinco paralelos descritos dividen la esfera terrestre en cinco franjas, en las cuales se pueden establecer algunos patrones climáticos globales. Si bien estos patrones no son estrictos, nos dan una idea general sobre la relación entre la latitud de un lugar y las tendencias climáticas a las cuales estará sometido: • La zona intertropical, también conocida como zona tórrida, se ubica entre los trópicos. Esta zona coincide con la máxima y mínima declinación del sol, el cual alcanza grandes alturas y culmina en el cenit dos veces al año. La incidencia solar, casi perpendicular a la superficie terrestre, hace que los lugares ubicados en la zona intertropical tiendan a ser calurosos durante la mayor parte del año. Lógicamente esta tendencia será mayor mientras más cerca se esté del Ecuador. • Las zonas templadas se ubican entre los trópicos y los círculos polares, una en el hemisferio norte y otra en el hemisferio sur. Aquí el sol nunca culmina en el cenit y la radiación solar incide más oblicuamente sobre la superficie terrestre. Debido a ello las zonas templadas tienden a ser menos calurosas y más extremosas que la zona intertropical. Los lugares ubicados en las zonas templadas suelen tener estaciones bien marcadas. • Las zonas glaciares se encuentran comprendidas entre los Círculos polares y los polos norte y sur. En estas zonas la radiación solar incide en forma muy oblicua sobre la superficie terrestre, e incluso se pueden tener largos periodos prácticamente sin radiación solar. Esto hace que las zonas glaciares tiendan a ser extremadamente frías.

Por su parte se llama meridianos a los semicírculos que resultan de la intersección de la superficie terrestre con cualquier plano imaginario que contenga el eje norte - sur geográfico. Cada meridiano se identifica por su longitud y, precisamente debido a ese sistema de identificación, existen dos meridianos de especial relevancia:

Meridiano de Greenwich Se trata del meridiano que pasa por Greenwich, actualmente un suburbio de la ciudad de Londres, Inglaterra. Para ser más precisos, el meridiano de Greenwich pasa por el antiguo observatorio astronómico que se encuentra en dicho lugar. En 1884 el meridiano de Greenwich se estableció como referencia para medir las longitudes de todos los demás meridianos. Debido a ello también se le conoce como meridiano cero o primer meridiano.

Sol-Tierra: radiación solar El sol, como sabemos, es la estrella en torno a la cual giran la Tierra y el resto de los cuerpos que conforman nuestro sistema planetario. Aunque se considera una estrella mediana, desde el punto de vista humano el sol es un astro de enormes dimensiones: su volumen podría contener cerca de 1 millón de Tierras. Nació hace unos 4,500 millones de años, producto de los residuos de otras generaciones de estrellas, y se estima que seguirá existiendo durante otros 5,000 millones, es decir, se trata de una estrella de media edad. Sin embargo, más allá del tamaño o la edad del sol, lo que aquí nos interesa es la impresionante cantidad de energía que genera. Aunque sólo una minúscula parte llega a la Tierra, esa energía constituye la base indispensable de todas las formas de vida conocidas, incluyendo por supuesto la nuestra. Además la energía solar constituye el motor de los distintos fenómenos meteorológicos, como el viento y la lluvia.

• Estructura del sol • Espectro de la radiación solar • Radiación solar en la Tierra

Radiación solar en la Tierra No toda la radiación proveniente del sol y del espacio exterior llega hasta la superficie terrestre de manera inalterada. De hecho menos de una tercera parte lo hace. En ello la atmósfera terrestre juega un papel fundamental, al funcionar como un filtro que tamiza buena parte de esa radiación e incluso como un escudo protector contra las radiaciones que resultan más peligrosas para los seres vivos. Para entender la forma en que la atmósfera interactúa con la radiación exterior podemos establecer dos grandes aproximaciones. La primera y más simple considera las cantidades proporcionales de radiación que es reflejada, absorbida, y dispersada por la atmósfera, mientras que la segunda, más compleja, describe los cambios en la distribución espectral de la radiación solar provocados por los diferentes componentes de la atmósfera.

Sin embargo una comprensión más amplia de la incidencia de la radiación solar sobre la superficie terrestre implica considerar las variaciones en su intensidad debidas a la ubicación geográfica, la fecha y el momento del día. Incluso, desde un punto de vista arquitectónico, resulta importante comprender cómo la intensidad de la radiación solar sobre un plano (una cubierta, por ejemplo) dependerá en gran medida del ángulo entre dicho plano y la dirección de los rayos solares. En los siguientes párrafos trataremos de describir estos aspectos.

• Balance térmico y cantidades proporcionales de radiación solar En términos generales y en el largo plazo, el intercambio de energía entre el Sol y la Tierra presenta un estado de balance térmico, lo cual quiere decir que las cantidades globales de energía que ésta última recibe tienden a ser equivalentes a las que emite. Si ese balance térmico se rompiera, dando lugar a un desequilibrio prolongado, la Tierra se enfriaría o calentaría paulatinamente hasta volverse inhabitable (de hecho es lo que muchos científicos asumen que está sucediendo actualmente, aunque de manera relativamente moderada, dando lugar a fenómenos como el calentamiento global).

• Variación espectral de la radiación solar

Como se explica en el tópico Espectro de la radiación solar, la radiación electromagnética proveniente del sol se distribuye en un amplio rango de frecuencias. La radiación ultravioleta (UV) representa apenas un 8-9% del total de la energía contenida por la insolación. • Variaciones temporales (estacionales y diarias) de la radiación solar Si la atmósfera juega un papel fundamental en la intensidad y composición de la radiación que llega hasta nosotros, como se ha expresado, entonces debemos reconocer un simple hecho: mientras mayor sea la porción de atmósfera terrestre atravesada por los rayos solares antes de alcanzar la superficie terrestre, mayor será ese efecto. Los índices de nubosidad también juegan un papel importante en la cantidad de radiación solar que llega a la tierra. Un cielo nublado reduce significativamente la radiación solar directa y, si bien al mismo tiempo puede incrementar ligeramente la difusa, el balance final es una reducción de la radiación global que llega hasta nosotros. Este fenómeno puede afectar las variaciones estacionales explicadas arriba, ya sea enfatizándolas o matizándolas, dependiendo de las temporadas en que se presenten mayores índices de nubosidad.

• Intensidad de la radiación solar sobre una superficie Finalmente, existe otro fenómeno que afecta la intensidad de la radiación solar sobre un lugar determinado. También se relaciona con el ángulo de incidencia, pero en este caso no por la porción de atmósfera que los rayos solares deben atravesar, sino por la distribución de estos sobre las superficies en las que se proyectan.