Calor y Formas de Transmisión
del calor
Tan interesantes
como los efectos de la transferencia de calor en un sistema son los métodos por
los cuales se produce. Siempre que hay una diferencia de temperatura, se
produce una transferencia de calor. Puede ocurrir rápidamente, como a través de
una sartén, o lentamente, como a través de las paredes de un enfriador para ir
de pícnic. Hay tantos procesos que implican transferencia de calor que es
difícil imaginar una situación en la que no se produzca. Sin embargo, todas las
transferencias de calor ocurren por tres métodos solamente:
Conducción, que es
transferencia de calor a través de materia inmóvil por contacto físico (la
materia es estacionaria a escala macroscópica: sabemos que el movimiento
térmico de los átomos y las moléculas se produce a cualquier temperatura por
encima del cero absoluto). El calor que se transfiere desde el quemador de una
estufa a través del fondo de una sartén a los alimentos que están en esta se
transfiere por conducción.
Convección, que es
la transferencia de calor por el movimiento macroscópico de un fluido. Este
tipo de transferencia se produce, por ejemplo, en una caldera de aire forzado y
en sistemas de climatización.
La transferencia de
calor por radiación se produce cuando se emiten o absorben
microondas, radiación infrarroja, luz visible u otra forma de radiación
electromagnética. Un ejemplo obvio es el calentamiento de la Tierra por el Sol.
Un ejemplo menos evidente es la radiación térmica del cuerpo humano.
En la ilustración
del principio de este capítulo se muestra cómo el fuego calienta la cara de las
personas que usan raquetas de nieve en gran medida por radiación. La convección
transporta algo de calor hacia ellos, pero la mayor parte del flujo de aire del
fuego es hacia arriba (lo que crea la conocida forma de las llamas), y lleva el
calor a los alimentos que se cocinan y hacia el cielo. Los que usan raquetas de
nieve llevan ropa diseñada con baja conductividad para evitar que el calor
salga del cuerpo.
En esta sección examinamos estos métodos con cierto detalle. Cada método tiene características únicas e interesantes, pero los tres tienen dos cosas en común: Transmiten calor únicamente por una diferencia de temperatura, y cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, más rápida será la transferencia de calor
Conducción
Cuando camina
descalzo por la alfombra del salón en una casa fría y luego pisa el suelo de
baldosas de la cocina, sus pies se sienten más fríos sobre la baldosa. Este
resultado es intrigante, ya que tanto la alfombra como el suelo de baldosas
están a la misma temperatura. La sensación diferente se explica por las
distintas tasas de transferencia de calor: la pérdida de calor es más rápida
para la piel en contacto con las baldosas que con la alfombra, por lo que la
sensación de frío es más intensa.
Algunos materiales
conducen la energía térmica más rápidamente que otros.
Una imagen molecular de la conducción del calor ayudará a justificar la ecuación que la describe. La figura siguiente muestra las moléculas de dos cuerpos a diferentes temperaturas,
Una tercera cantidad
que afecta la velocidad de conducción es el espesor del material a través del
cual se transfiere el calor. En la Figura siguiente se muestra
una losa de material con una temperatura más alta a la izquierda que a la
derecha. El calor se transfiere de la izquierda a la derecha mediante una serie
de colisiones moleculares. Cuanto mayor sea la distancia entre el calor y el
frío, más tiempo tardará el material en transferir la misma cantidad de calor.
La
propiedad de conducir mejor o peor el calor, típica de cada sustancia, se
indica mediante el coeficiente de conductividad térmica (k). Este coeficiente está
registrado en tablas especialmente diseñadas. La conductividad térmica indica
la cantidad de calor que se transmite
por una unidad de tiempo por cada unidad de superficie, cuando la variación de
temperatura es de un grado por cada unidad de longitud.
|
Sustancia
|
 |
|
Acero |
46 |
|
Agua |
0,60 |
|
Aluminio |
205 |
|
Aire |
0,025 |
|
Cobre |
384 |
|
Hielo |
2,2 |
|
Ladrillo |
1,2 |
|
Telgopor |
0,03 |
|
Vidrio |
1,04 |
Para obtener la cantidad
de calor que fluye a través de una pared (Q) utilizaremos la Ley de Fourier:
Se expresa de la siguiente manera:
Donde Q (J) es la medida de energía
transferida, llamada cantidad de calor;
, es el coeficiente de
coeficiente de conductividad; A (m²); es
el área considerada; ∆T (∆T= t ͥ - t ͤ ) es la diferencia de temperatura(ºC); t ͥ (Temp. Int.); t ͤ (Temp. Ext.); e (m)
es el espesor del material y t (seg)
es el tiempo durante el cual fluye esa cantidad de calor.
Ejemplo: Una pared de
ladrillos de 10 m² de superficie y 20 cm
de espesor separa una habitación (que se encuentra a 20 ºC) del exterior (que se encuentra a 5 ºC). Calcular: la
cantidad de calor que pasa por un segundo desde la habitación hacia el
exterior.
Viendo el video
responder:
https://www.youtube.com/watch?v=gI8gVcn_boo
1)La energía obtenida
por la formula de fourier es similar a algún tipo de energía vistos
anteriormente como por ejemplo la energía cinética?
2) ¿Esta fórmula me
sirve para obtener la energía que se transfiere por Radiación? Si no es por radiación
para que me sirve la formula propuesta por fourier
3) viendo lo
explicado en el video resolver:
a) Una pared de ladrillos
de 15 m² de superficie y 15 cm de espesor separa una habitación (que se
encuentra a 25 ºC) del exterior (que se encuentra a 3 ºC). Calcular: la
cantidad de calor que pasa por un segundo desde la habitación hacia el
exterior.
b) Un vidrio de 2 m²
de superficie y 2 cm de espesor separa una habitación (que se encuentra a 20 ºC)
del exterior (que se encuentra a 10 ºC). Calcular: la cantidad de calor que
pasa por un segundo desde la habitación hacia el exterior.
