Calor

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, ThTh y Tc,Tc, para “caliente” y “frío”. La energía cinética promedio de una molécula en el cuerpo caliente es mayor que en el cuerpo más frío. Si dos moléculas chocan, la energía se transfiere de la molécula de alta energía a la de baja energía. En un metal, la imagen incluiría también electrones de valencia libres que colisionan entre sí y con átomos, lo cual igualmente transfiere energía. El efecto acumulativo de todas las colisiones es un flujo neto de calor desde el cuerpo más caliente hacia el más frío. Así, la tasa de transferencia de calor aumenta con el incremento de la diferencia de temperatura ΔT=Th−Tc.ΔT=Th−Tc. Si las temperaturas son las mismas, la tasa neta de transferencia de calor es cero. Dado que el número de colisiones aumenta con el incremento del área, la conducción de calor es proporcional al área de la sección transversal, un segundo factor en la ecuación.

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.

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