Física cotidiana: Las ventanas en invierno

Cuando te acercas a una ventana para asomarte  te habrás dado cuenta de que notas el frío del vidrio un poco antes de tocarlo con las manos o con la mejilla. En un breve espacio notamos como la temperatura cae bruscamente, y si tocamos el vidrio notaremos cómo se va el calor de nuestras manos.

Ahí está el aire haciéndonos un gran favor. La razón es que el aire no es muy buen conductor térmico y por tanto aisla del frío aunque sea un poco. Es el fenómeno conocido como capa límite térmica. Y gracias a él, tenemos un aislamiento adicional ante el frío. Pero claro, aunque aislamiento no es muy bueno, nos permite también abrigarnos en invierno con nuestras ropas.

Cuando vamos en invierno que parecemos una cebolla, con camiseta, camisa, jersey… Estas prendas no van totalmente ceñidas al cuerpo, por lo que queda un poco de aire enmedio. La ropa de abrigo está hecha de tejidos que son muy malos conductores del calor, para que nos abrigue. Y el aire que queda entre ellos, también colabora.

¿Por qué sucede esto? Bien, veámoslo en el siguiente esquema, volviendo al caso de la ventana:

En este esquema cualitativo he pretendido representar la temperatura (en la vertical) y la distancia (en la horizontal). La línea roja viene a representar cómo cambia la temperatura desde el exterior hasta el interior de la casa. La conductividad térmica es la capacidad de difundir el calor a través de una sustancia. Se mide en potencia perdida por metro y por grado de temperatura. Cuanto mayor sea la conductividad térmica a un mismo grosor, mayor será la caída de temperatura. Hablando de ejemplos concretos, la del aire es de  la del vidrio está entre , la del agua es de y la del hierro es de . Como vemos, la del aire es la menor de todas.

Entre la interfase del vidrio y el aire de la habitación, como vemos, existe un punto en el que la temperatura cae bruscamente. ¿Cómo medir este grosor? Este y otros problemas de conducción del calor se resuelven gracias a la ley de Fourier (véase aquí) que nos dice que la cantidad de calor transferido por conducción en una dirección dada es proporcional al área que ve el flujo de calor y a cómo cae la temperatura en dicha dirección. Es decir, que la cantidad de calor que se va a perder depende de la superficie del material en contacto con ese flujo  y de lo mucho o poco que caiga la temperatura en dicha dirección. La constante de proporcionalidad es la conductividad térmica.

En una de esas bonitas analogías que tiene la física el problema que tenemos entre manos, es decir una serie de materiales puestos en contacto entre sí y con diferente conductividad térmica, se puede hacer de igual manera a la que se resolvería un circuito eléctrico con resistencias en serie. Solo que aquí en lugar de resistencia al paso de la corriente tenemos resistencia al paso del calor (ver aquí, por ejemplo). Curioso ¿verdad? Al final, resulta que el grosor de la capa límite de aire es muy pequeño, de unos milímetros a unas decenas de milímetros dependiendo de la diferencia de temperatura, etcétera.

Para mejorar el aislamiento, existe la ventana que dentro de un mismo marco tiene dos vidrios separados por una cámara de aire (o de algún gas  con una conductividad térmica muy mala). Lo podemos ver en la imagen que acompaña a este texto. Es muy importante que no haya rastro de humedad en el interior, porque como ya sabemos, la conductividad térmica del agua es mayor que la del aire (por eso, dicho sea de paso, el aire húmedo y frío cala más los huesos). La lámina que vemos en la parte inferior separa ambos cristales y está rellena de un material aislante y un deshidratante. Y todo el conjunto, está de nuevo sellado con silicona. De esta manera se minimizan las pérdidas de energía.

Claro que si el marco no está bien diseñado y la cámara no está bien sellada, el doble acristalamiento no sirve de mucho.

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