¿Alguna vez se ha preguntado por qué, en un frío día de invierno, siente una clara sensación de frío al acercarse a una gran ventana, incluso si la habitación está bien caldeada?
La llamada sensación de frío radiante suele interpretarse como un retorno del frío desde una superficie. Esta percepción es una ilusión sensorial, porque el frío no se propaga. En realidad, el fenómeno se basa en un intercambio energético medible que implica la radiación térmica. Cuando el cuerpo humano se encuentra frente a una superficie más fría, pierde energía en forma de radiación infrarroja.
N.B.:
En física, el frío no se propaga. No existe un flujo de frío. Solo el calor, es decir, la energía térmica, se transfiere de un cuerpo a mayor temperatura a uno a menor temperatura, por conducción, convección o radiación. La sensación de frío corresponde a una pérdida de energía del cuerpo, no a la llegada de un agente frío.
Todo cuerpo cuya temperatura esté por encima del cero absoluto emite radiación electromagnética. Para la piel humana, esta radiación se encuentra principalmente en el infrarrojo lejano. Si la temperatura del entorno es inferior a la del cuerpo, el flujo radiactivo neto se dirige hacia el exterior, lo que provoca una pérdida continua de energía.
La potencia radiada por un cuerpo viene dada por la ley de Stefan-Boltzmann: \( P = \varepsilon \sigma S T^4 \). El parámetro T es la temperatura absoluta de la piel (en kelvins). Al estar elevado a la cuarta potencia, incluso pequeñas diferencias de temperatura entre el cuerpo y una superficie fría provocan una pérdida de energía mucho mayor de lo que se podría pensar. Los otros parámetros son:
- P: potencia radiada (en vatios, W)
- \(\varepsilon\): emisividad de la piel (~0,97)
- \(\sigma\): constante de Stefan-Boltzmann, \(5,67 \times 10^{-8} \, \text{W·m}^{-2}\text{·K}^{-4}\)
- S: superficie de piel expuesta (en m²)
El flujo radiactivo neto depende de la diferencia entre la temperatura de la piel y la del entorno. Por ejemplo, frente a una pared muy fría, el cuerpo puede perder varios cientos de vatios al instante en las zonas expuestas, lo que explica la intensa sensación de frío, aunque la temperatura corporal global descienda muy lentamente gracias al metabolismo.
La sensación de frío es más fuerte cuando el cuerpo está expuesto a superficies con diferentes temperaturas. Una pared o una ventana pueden ser materialmente homogéneas, pero suelen estar más frías que el aire ambiente. Esto se explica por su contacto con el exterior y su capacidad para almacenar o liberar calor más lentamente que el aire.
Estas superficies frías absorben parte de la radiación infrarroja emitida por el cuerpo. Modifican la forma en que el calor del cuerpo se escapa alrededor de la persona. En lugar de que la energía se distribuya de manera equilibrada en todas las direcciones, una gran parte del calor es capturada por estas paredes frías. El cuerpo percibe entonces este desequilibrio como un frío más intenso que proviene de estas superficies.
Imagine su cuerpo como una lámpara de calor colocada en el centro de una habitación. El calor que emite se propaga en todas las direcciones, pero las paredes frías absorben más esta energía. El flujo de calor "seguirá" naturalmente estas superficies, porque los gradientes térmicos son más fuertes donde hace más frío. Es un poco como si el calor del cuerpo fuera agua en un terreno en pendiente. Las superficies frías son como agujeros más profundos. A la inversa, en las direcciones hacia superficies más cálidas o cercanas a su temperatura, el cuerpo pierde menos calor (el flujo térmico es "más lento").
Incluso sin corriente de aire, este desequilibrio en el flujo térmico da la sensación de que el frío proviene principalmente de las superficies frías frente a usted, como la pared o la ventana.
La conducción térmica fue formalizada a principios del siglo XIX por Joseph Fourier (1768-1830). Sentó las bases matemáticas de la transferencia de calor por contacto directo entre materiales.
La radiación del cuerpo negro fue descrita por Max Planck (1858-1947) en 1900, abriendo el camino a una comprensión cuantitativa de los intercambios radiactivos. Los trabajos de Albert Einstein (1879-1955) reforzaron la interpretación estadística de las transferencias de energía entre la materia y la radiación.
N.B.:
La temperatura del aire no es el único factor que influye en la sensación de confort térmico. Incluso si dos entornos tienen la misma temperatura, se puede sentir un frío o un confort muy diferentes según cómo se distribuya el calor alrededor del cuerpo. Esto se denomina campo radiactivo: el conjunto de superficies y objetos que absorben o devuelven calor hacia usted. Un desequilibrio en este campo, por ejemplo paredes o ventanas frías, puede amplificar la sensación de frío, incluso sin corriente de aire.
| Mecanismo | Descripción física | Efecto en el cuerpo | Referencia |
|---|---|---|---|
| Radiación | Emisión infrarroja proporcional a \(T^4\), cuantificada por la física de los cuerpos negros | Pérdida de energía global | Max Planck, 1900 y Albert Einstein (1905) |
| Conducción | Transferencia térmica por contacto | Enfriamiento localizado | Joseph Fourier, 1822 |
| Convección | Transporte térmico por fluido | Efecto secundario sin corriente de aire | Isaac Newton, 1701 |
Fuentes: NIST, Propiedades termofísicas, ISO 7730, Ergonomía de los ambientes térmicos.
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