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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo E1.2 - Convección de Calor
El modelo conceptual busca comprender los mecanismos que dan origen a un comportamiento, y describirlos de la forma más simple posible. Para eso, el comportamiento se segmenta en temas (grupos): cada uno identifica los objetos o variables que participan —tanto en su funcionamiento normal como en sus posibles anomalías o desviaciones— y describe, mediante verbos, la forma en que esos objetos interactúan entre sí. El resultado es lo que llamamos una red semántica: la estructura con la que representamos y comunicamos el modelo conceptual, antes de introducir ecuación alguna.
ID:4201
Estructura de los Grupos
Descripción
El primer paso consiste en analizar la descripción general del modelo e identificar los distintos aspectos que intervienen en el fenómeno y que deben ser representados. Cada uno de estos aspectos se organiza como un grupo, entendido como una unidad conceptual coherente que describe una parte específica del funcionamiento del modelo.
Cada grupo reúne los objetos o conceptos relevantes para ese aspecto y las relaciones o verbos que describen cómo interactúan, se modifican o dependen unos de otros. De esta manera, cada grupo constituye una parte de la red semántica del modelo, mientras que el conjunto de los grupos permite representar de forma estructurada su funcionamiento global.
La división en grupos facilita además separar mecanismos, condiciones, procesos y resultados que cumplen funciones diferentes dentro del modelo, manteniendo al mismo tiempo las relaciones que existen entre ellos. Los grupos no son, por tanto, componentes aislados: pueden compartir conceptos y establecer relaciones entre sí, formando conjuntamente una única representación semántica del fenómeno.
La imagen anterior ofrece una visión general de los distintos aspectos en que se ha estructurado el modelo. A continuación se presentan los grupos identificados, indicando para cada uno su título y una breve descripción del aspecto del modelo que representa.
Grupo 1: Grupo 1: Mecanismo convectivo y condición superficial
El fluido en movimiento intercambia calor con la superficie del alimento. La diferencia entre temperatura del fluido y de la superficie impulsa el flujo, cuantificado por la Ley de Newton mediante el coeficiente convectivo h.
Grupo 2: Grupo 2: Propiedades del fluido y Prandtl
Las propiedades térmicas y de transporte del fluido condicionan la convección. El número de Prandtl compara difusión de momento y térmica; el storyboard destaca que agua y aire presentan comportamientos y coeficientes convectivos muy distintos.
Grupo 3: Grupo 3: Convección forzada: Reynolds y Nusselt
En convección forzada una velocidad externa determina el régimen de flujo mediante Reynolds. Una correlación empírica Nu(Re,Pr) entrega Nusselt y de allí el coeficiente convectivo.
Grupo 4: Grupo 4: Convección natural: Grashof y Nusselt
En convección natural la diferencia térmica genera diferencias de densidad y flotabilidad. Grashof cuantifica ese impulso y una correlación Nu(Gr,Pr) determina la transferencia superficial.
Grupo 5: Grupo 5: Coeficiente convectivo y eficacia de calentamiento
Nusselt convierte el régimen de transporte en un coeficiente h para la geometría y el fluido. Mayor h incrementa el flujo hacia la superficie y acelera la respuesta térmica superficial.
Grupo 6: Grupo 6: Cocción, uniformidad y acoplamiento con conducción
El calentamiento superficial alimenta la conducción hacia el interior. Una convección más intensa acelera la cocción y favorece uniformidad, mientras el tiempo interior depende también del modelo de conducción acoplado.
ID:1515
Grupo 1: Grupo 1: Mecanismo convectivo y condición superficial
Descripción
El fluido en movimiento intercambia calor con la superficie del alimento. La diferencia entre temperatura del fluido y de la superficie impulsa el flujo, cuantificado por la Ley de Newton mediante el coeficiente convectivo h.
Pregunta clave: ¿Cómo actúa mecanismo convectivo y condición superficial?
El fluido en movimiento intercambia calor con la superficie del alimento. La diferencia entre temperatura del fluido y de la superficie impulsa el flujo, cuantificado por la Ley de Newton mediante el coeficiente convectivo h. Por eso este modelo, con esta convección de calor y este coeficiente convectivo con las que se abrió, calcula a ese mismo coeficiente convectivo, para la geometría y el fluido culinario de interés, a través de un conjunto de números adimensionales, el número de Nusselt, el número de Grashof, el número de Reynolds y este mismo número de Prandtl, que capturan de forma universal la física del movimiento de este fluido y de esta transferencia de calor mediante correlaciones empíricas que relacionan a este número de Nusselt con este número de Reynolds y con este número de Prandtl en convección forzada, o con este número de Grashof y con este número de Prandtl en convección natural: en esta convección natural, como la de una olla con agua caliente, es la diferencia de densidad que causa la diferencia de temperatura entre este fluido y esta superficie de este alimento la que impulsa a todo este flujo de este fluido, mientras que en esta convección forzada, como la de un horno ventilado o la de un soplete, es en cambio la velocidad de este mismo fluido, impuesta externamente, la que determina a este coeficiente convectivo. La Ley de Newton cuantifica el flujo de calor que esta convección de calor transfiere hacia la superficie de este alimento mediante un coeficiente convectivo, que depende fuertemente tanto de las propiedades de este fluido como del régimen de flujo con el que ese mismo fluido circula alrededor de este alimento: el agua, con una conductividad térmica alta y con un número de Prandtl característico de aproximadamente siete, logra valores de este coeficiente convectivo mucho mayores que los que logra el aire, y es esa misma diferencia entre ambos coeficientes convectivos la que explica por qué cocer este alimento en agua resulta significativamente más rápido que cocerlo en un horno de aire. Que este fluido que rodea a este alimento sea agua, en lugar de aire, hace que este coeficiente convectivo sea, en consecuencia, mucho mayor, y que esta convección de calor transfiera, en consecuencia, calor hacia la superficie de este alimento mucho más rápido.
ID:4931
Grupo 2: Grupo 2: Propiedades del fluido y Prandtl
Descripción
Las propiedades térmicas y de transporte del fluido condicionan la convección. El número de Prandtl compara difusión de momento y térmica; el storyboard destaca que agua y aire presentan comportamientos y coeficientes convectivos muy distintos.
Pregunta clave: ¿Cómo actúa propiedades del fluido y prandtl?
Las propiedades térmicas y de transporte del fluido condicionan la convección. El número de Prandtl compara difusión de momento y térmica; el storyboard destaca que agua y aire presentan comportamientos y coeficientes convectivos muy distintos. La Ley de Newton cuantifica el flujo de calor que esta convección de calor transfiere hacia la superficie de este alimento mediante un coeficiente convectivo, que depende fuertemente tanto de las propiedades de este fluido como del régimen de flujo con el que ese mismo fluido circula alrededor de este alimento: el agua, con una conductividad térmica alta y con un número de Prandtl característico de aproximadamente siete, logra valores de este coeficiente convectivo mucho mayores que los que logra el aire, y es esa misma diferencia entre ambos coeficientes convectivos la que explica por qué cocer este alimento en agua resulta significativamente más rápido que cocerlo en un horno de aire. Por eso este modelo, con esta convección de calor y este coeficiente convectivo con las que se abrió, calcula a ese mismo coeficiente convectivo, para la geometría y el fluido culinario de interés, a través de un conjunto de números adimensionales, el número de Nusselt, el número de Grashof, el número de Reynolds y este mismo número de Prandtl, que capturan de forma universal la física del movimiento de este fluido y de esta transferencia de calor mediante correlaciones empíricas que relacionan a este número de Nusselt con este número de Reynolds y con este número de Prandtl en convección forzada, o con este número de Grashof y con este número de Prandtl en convección natural: en esta convección natural, como la de una olla con agua caliente, es la diferencia de densidad que causa la diferencia de temperatura entre este fluido y esta superficie de este alimento la que impulsa a todo este flujo de este fluido, mientras que en esta convección forzada, como la de un horno ventilado o la de un soplete, es en cambio la velocidad de este mismo fluido, impuesta externamente, la que determina a este coeficiente convectivo. Que un fluido, ya sea agua o aire, circule alrededor de este alimento es lo que convierte a la convección de calor en el mecanismo predominante de transferencia de calor sobre la superficie de este mismo alimento: esta convección de calor se presenta, en la cocción de este alimento, como agua hirviendo que lo rodea, una convección natural inducida por los propios gradientes de densidad que genera el calentamiento de esa misma agua, o como el aire circulante de un horno de convección, una convección forzada impulsada en cambio por un ventilador externo a este fluido.
ID:4932
Grupo 3: Grupo 3: Convección forzada: Reynolds y Nusselt
Descripción
En convección forzada una velocidad externa determina el régimen de flujo mediante Reynolds. Una correlación empírica Nu(Re,Pr) entrega Nusselt y de allí el coeficiente convectivo.
Pregunta clave: ¿Cómo actúa convección forzada: reynolds y nusselt?
En convección forzada una velocidad externa determina el régimen de flujo mediante Reynolds. Una correlación empírica Nu(Re,Pr) entrega Nusselt y de allí el coeficiente convectivo. Por eso este modelo, con esta convección de calor y este coeficiente convectivo con las que se abrió, calcula a ese mismo coeficiente convectivo, para la geometría y el fluido culinario de interés, a través de un conjunto de números adimensionales, el número de Nusselt, el número de Grashof, el número de Reynolds y este mismo número de Prandtl, que capturan de forma universal la física del movimiento de este fluido y de esta transferencia de calor mediante correlaciones empíricas que relacionan a este número de Nusselt con este número de Reynolds y con este número de Prandtl en convección forzada, o con este número de Grashof y con este número de Prandtl en convección natural: en esta convección natural, como la de una olla con agua caliente, es la diferencia de densidad que causa la diferencia de temperatura entre este fluido y esta superficie de este alimento la que impulsa a todo este flujo de este fluido, mientras que en esta convección forzada, como la de un horno ventilado o la de un soplete, es en cambio la velocidad de este mismo fluido, impuesta externamente, la que determina a este coeficiente convectivo. Que un fluido, ya sea agua o aire, circule alrededor de este alimento es lo que convierte a la convección de calor en el mecanismo predominante de transferencia de calor sobre la superficie de este mismo alimento: esta convección de calor se presenta, en la cocción de este alimento, como agua hirviendo que lo rodea, una convección natural inducida por los propios gradientes de densidad que genera el calentamiento de esa misma agua, o como el aire circulante de un horno de convección, una convección forzada impulsada en cambio por un ventilador externo a este fluido. La Ley de Newton cuantifica el flujo de calor que esta convección de calor transfiere hacia la superficie de este alimento mediante un coeficiente convectivo, que depende fuertemente tanto de las propiedades de este fluido como del régimen de flujo con el que ese mismo fluido circula alrededor de este alimento: el agua, con una conductividad térmica alta y con un número de Prandtl característico de aproximadamente siete, logra valores de este coeficiente convectivo mucho mayores que los que logra el aire, y es esa misma diferencia entre ambos coeficientes convectivos la que explica por qué cocer este alimento en agua resulta significativamente más rápido que cocerlo en un horno de aire.
ID:4933
Grupo 4: Grupo 4: Convección natural: Grashof y Nusselt
Descripción
En convección natural la diferencia térmica genera diferencias de densidad y flotabilidad. Grashof cuantifica ese impulso y una correlación Nu(Gr,Pr) determina la transferencia superficial.
Pregunta clave: ¿Cómo actúa convección natural: grashof y nusselt?
En convección natural la diferencia térmica genera diferencias de densidad y flotabilidad. Grashof cuantifica ese impulso y una correlación Nu(Gr,Pr) determina la transferencia superficial. Por eso este modelo, con esta convección de calor y este coeficiente convectivo con las que se abrió, calcula a ese mismo coeficiente convectivo, para la geometría y el fluido culinario de interés, a través de un conjunto de números adimensionales, el número de Nusselt, el número de Grashof, el número de Reynolds y este mismo número de Prandtl, que capturan de forma universal la física del movimiento de este fluido y de esta transferencia de calor mediante correlaciones empíricas que relacionan a este número de Nusselt con este número de Reynolds y con este número de Prandtl en convección forzada, o con este número de Grashof y con este número de Prandtl en convección natural: en esta convección natural, como la de una olla con agua caliente, es la diferencia de densidad que causa la diferencia de temperatura entre este fluido y esta superficie de este alimento la que impulsa a todo este flujo de este fluido, mientras que en esta convección forzada, como la de un horno ventilado o la de un soplete, es en cambio la velocidad de este mismo fluido, impuesta externamente, la que determina a este coeficiente convectivo. Que un fluido, ya sea agua o aire, circule alrededor de este alimento es lo que convierte a la convección de calor en el mecanismo predominante de transferencia de calor sobre la superficie de este mismo alimento: esta convección de calor se presenta, en la cocción de este alimento, como agua hirviendo que lo rodea, una convección natural inducida por los propios gradientes de densidad que genera el calentamiento de esa misma agua, o como el aire circulante de un horno de convección, una convección forzada impulsada en cambio por un ventilador externo a este fluido. La Ley de Newton cuantifica el flujo de calor que esta convección de calor transfiere hacia la superficie de este alimento mediante un coeficiente convectivo, que depende fuertemente tanto de las propiedades de este fluido como del régimen de flujo con el que ese mismo fluido circula alrededor de este alimento: el agua, con una conductividad térmica alta y con un número de Prandtl característico de aproximadamente siete, logra valores de este coeficiente convectivo mucho mayores que los que logra el aire, y es esa misma diferencia entre ambos coeficientes convectivos la que explica por qué cocer este alimento en agua resulta significativamente más rápido que cocerlo en un horno de aire.
ID:4934
Grupo 5: Grupo 5: Coeficiente convectivo y eficacia de calentamiento
Descripción
Nusselt convierte el régimen de transporte en un coeficiente h para la geometría y el fluido. Mayor h incrementa el flujo hacia la superficie y acelera la respuesta térmica superficial.
Pregunta clave: ¿Cómo actúa coeficiente convectivo y eficacia de calentamiento?
Nusselt convierte el régimen de transporte en un coeficiente h para la geometría y el fluido. Mayor h incrementa el flujo hacia la superficie y acelera la respuesta térmica superficial. Por eso este modelo, con esta convección de calor y este coeficiente convectivo con las que se abrió, calcula a ese mismo coeficiente convectivo, para la geometría y el fluido culinario de interés, a través de un conjunto de números adimensionales, el número de Nusselt, el número de Grashof, el número de Reynolds y este mismo número de Prandtl, que capturan de forma universal la física del movimiento de este fluido y de esta transferencia de calor mediante correlaciones empíricas que relacionan a este número de Nusselt con este número de Reynolds y con este número de Prandtl en convección forzada, o con este número de Grashof y con este número de Prandtl en convección natural: en esta convección natural, como la de una olla con agua caliente, es la diferencia de densidad que causa la diferencia de temperatura entre este fluido y esta superficie de este alimento la que impulsa a todo este flujo de este fluido, mientras que en esta convección forzada, como la de un horno ventilado o la de un soplete, es en cambio la velocidad de este mismo fluido, impuesta externamente, la que determina a este coeficiente convectivo. La Ley de Newton cuantifica el flujo de calor que esta convección de calor transfiere hacia la superficie de este alimento mediante un coeficiente convectivo, que depende fuertemente tanto de las propiedades de este fluido como del régimen de flujo con el que ese mismo fluido circula alrededor de este alimento: el agua, con una conductividad térmica alta y con un número de Prandtl característico de aproximadamente siete, logra valores de este coeficiente convectivo mucho mayores que los que logra el aire, y es esa misma diferencia entre ambos coeficientes convectivos la que explica por qué cocer este alimento en agua resulta significativamente más rápido que cocerlo en un horno de aire. Que este fluido, natural o forzado, se agite con mayor intensidad alrededor de este alimento hace que este coeficiente convectivo sea, en consecuencia, mayor, y que la cocción de este alimento sea, en consecuencia, más rápida y más uniforme, antes de que el calor que esta misma convección de calor entrega a esta superficie de este alimento se propague hacia su interior según la conducción de calor que describe con más detalle otro modelo de este conjunto.
ID:4935
Grupo 6: Grupo 6: Cocción, uniformidad y acoplamiento con conducción
Descripción
El calentamiento superficial alimenta la conducción hacia el interior. Una convección más intensa acelera la cocción y favorece uniformidad, mientras el tiempo interior depende también del modelo de conducción acoplado.
Pregunta clave: ¿Cómo actúa cocción, uniformidad y acoplamiento con conducción?
El calentamiento superficial alimenta la conducción hacia el interior. Una convección más intensa acelera la cocción y favorece uniformidad, mientras el tiempo interior depende también del modelo de conducción acoplado. Que este fluido, natural o forzado, se agite con mayor intensidad alrededor de este alimento hace que este coeficiente convectivo sea, en consecuencia, mayor, y que la cocción de este alimento sea, en consecuencia, más rápida y más uniforme, antes de que el calor que esta misma convección de calor entrega a esta superficie de este alimento se propague hacia su interior según la conducción de calor que describe con más detalle otro modelo de este conjunto.
ID:4936