Transmisión del calor

El calor puede viajar de un lado a otro. Hay 3 mecanismos que usa el calor para trasladarse: conducción, convección y radiación.

Intercambio de calor por conducción, variables involucradas
Si ponés la punta de una cuchara al fuego, al rato el mango también se calienta.

Supongamos que tengo una barra con una punta que está al fuego y la otra no. A través de esta barra se va a transmitir el calor. ¿Como hace el calor para transmitirse desde la punta caliente hasta la punta fría?

Ley de Fourier

Supongamos que tengo una barra que tiene una longitud delta x y área A. Una punta de está caliente y la otra no. A través de la barra se va a ir transfiriendo un flujo de calor Q/t. Por ejemplo, si Q/t es 20 Kcal/s, eso quiere decir que cada segundo que pasa están pasando por la barra 20 Kilocalorías.

Este flujo de calor puede entenderse como si fuera el flujo de agua que está circulando por un caño.

La fórmula que se usa para calcular la cantidad de calor por conducción es la ley de Fourier. Lo que dice la ley de Fourier es lo siguiente:

En esta fórmula Q/t es la cantidad de calor transmitida por unidad de tiempo. 

(Flujo de calor ). Va en Kcal/seg o en Joule/seg.

Acordate que 1 Kcal son 4186 Joule. Y Joule/seg es Watt, así que el flujo de calor en realidad es la potencia transmitida. 

A es el área de la barra. A veces en vez de una barra uno puede tener una pared o una ventana. En ese caso, A pasa a ser el área de la pared o de la ventana. El área va en la fórmula en m2.

T1 y T2 son las temperaturas en los extremos de la barra. Van en °C. Hay que ponerlas de manera que T1 –T2 dé +.

∆X es la longitud de la barra o el espesor de la pared. Va en metros.

K es lo que se llama Conductibilidad del material. Es un coeficiente que da una idea de con qué rapidez se transmite el calor en ese material. 

K es distinto para cada substancia. Si K es grande, el objeto será buen conductor del calor. (Los metales, por ejemplo). Las unidades del coeficiente de conductibilidad térmica son:

Problema:

Calcular la cantidad de calor que se transmite por unidad de tiempo a través de una ventana de 2 m2 de superficie y espesor 0,5 cm. Temperatura interior: 20 ºC. Temperatura exterior: 5 ºC. Conductibilidad del vidrio: K= 2,5 x 10-4 Kcal/m.s.ºC

Convección

Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección.

Cuando un recipiente con agua se calienta, la capa de agua que está en el fondo recibe mayor calor (por el calor que se ha trasmitido por conducción a través del recipiente); esto provoca que el volumen aumente y, por lo tanto, disminuya su densidad, provocando que esta capa de agua caliente se desplace hacia la parte superior del recipiente y parte del agua más fría baje hacia el fondo.

El proceso prosigue, con una circulación continua de masas de agua más caliente hacia arriba, y de masas de agua más fría hacia abajo, movimientos que se denominan corrientes de convección.  Así, el calor que se trasmite por conducción a las capas inferiores, se va distribuyendo por convección a toda la masa del líquido.

La transferencia de calor en los gases y líquidos puede efectuarse por conducción. El proceso de convección es el responsable de la mayor parte del calor que se trasmite a través de los fluidos.

El calentamiento de una habitación mediante una estufa no depende tanto de la radiación como de las corrientes naturales de convección, que hacen que el aire caliente suba hacia el techo y el aire frío del resto de la habitación se dirija hacia la estufa. Debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, las estufas deben colocarse cerca del suelo (y los aparatos de aire acondicionado cerca del techo) para que la eficiencia sea máxima.

De la misma forma, la convección natural es responsable de la ascensión del agua caliente y el vapor en las calderas de convección natural, y del tiro de las chimeneas.

La convección también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde el interior del Sol hasta su superficie.

Radiación

Hay un fenómeno raro que ocurre que es que el calor del Sol llega a laTierra. Digo raro porque entre la Tierra y el Sol no hay nada. (Hay espacio vacío). Entonces…

¿Cómo hace el calor para viajar por el espacio vacío?

Bueno, se descubrió que lo hace por medio de ondas. 

Estas ondas son Radiación (transferencia de energía por ondas electromagnéticas) y no necesitan que haya substancia para propagarse. La radiación puede viajar en el vacío o en el aire. Le da lo mismo. 

Suponete una de esas estufas eléctricas que tienen resistencias que se ponen al rojo.

El calor que te llega en este tipo de estufas es por radiación. La historia es así. Cualquier cuerpo que esté caliente emite radiación. Más caliente está, más emite. La fórmula que da el calor emitido por radiación es:

Aclaremos un poco los términos de esta fórmula:

Q/A.t  vendría a ser la cantidad de calor emitida por unida de tiempo y por unidad de área. Se mide en calorías /m2.s.

Si lo pensás un poco, te vas a dar cuenta de que este término te está dando la potencia emitida por m2 de superficie. Fijate que: 

Epsilon (ε) es el coeficiente de emisividad. Es un número que está entre cero y 1. Da una idea de que tan buen emisor es el cuerpo. Más grande es epsilon, mejor emite. O sea:

Este epsilon depende del color del cuerpo. Si el cuerpo es obscuro ε es grande y el objeto es un buen emisor. Resumiendo, las superficies de color negro son buenas emisoras. Las superficies de color claro son malas emisoras.

La constante sigma (σ) vale:

  o

T4 es la temperatura en Kelvin elevada a la cuarta

Intercambio de energía térmica

Energía térmica

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Calor y temperatura
Calor:
El calor es una cantidad de energía y es una expresión del movimiento de las moléculas que componen un cuerpo.
Cuando el calor entra en un cuerpo se produce calentamiento y cuando sale, enfriamiento. Incluso los objetos más fríos poseen algo de calor porque sus átomos se están moviendo.
Temperatura:
La temperatura es la medida del calor de un cuerpo (y no la cantidad de calor que este contiene o puede rendir).

           Al aplicar calor, sube la temperatura

Diferencias entre calor y temperatura

Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo, esto no es así. El calor y la temperatura están relacionadas entre sí, pero son conceptos diferentes.

El calor es la energía total del movimiento molecular en un cuerpo, mientras que la temperatura es la medida de dicha energía. El calor depende de la velocidad de las partículas, de su número, de su tamaño y de su tipo. La temperatura no depende del tamaño, ni del número ni del tipo.

Por ejemplo, si hacemos hervir agua en dos recipientes de diferente tamaño, la temperatura alcanzada es la misma para los dos, 100° C, pero el que tiene más agua posee mayor cantidad de calor.

Misma temperatura, distinta cantidad de calor

El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si añadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye.

La temperatura no es energía sino una medida de ella; sin embargo, el calor sí es energía.

Calor específico

Una experiencia muy común ocurre cuando ponemos al fuego una olla que contiene agua: después de cierto tiempo, el agua se calienta. Esto quiere decir que su temperatura aumenta. Se puede verificar fácilmente esta afirmación poniendo dentro del agua un termómetro. Nos daremos cuenta de que, efectivamente, la temperatura aumenta. También sabemos, de nuestra experiencia, que mientras más tiempo dejemos el agua sobre la llama, más aumentará su temperatura.

¿Cómo se puede describir este experimento que nos es tan familiar? En este caso hay una transferencia de calor de la llama al agua. Esto significa que la llama transfiere energía al agua. Claramente, mientras más tiempo dejemos el agua sobre la llama, más energía se transferirá, es decir, habrá mayor transferencia de calor. En estas circunstancias, el agua absorbe esta energía y como consecuencia, responde aumentando su temperatura.

Supóngase ahora que hacemos lo siguiente. Tomemos la misma cantidad, por ejemplo, un kilogramo, de dos sustancias distintas, digamos agua y aluminio (figura 1); las colocamos sobre una llama el mismo intervalo de tiempo, digamos quince minutos y ponemos cada una de las sustancias en contacto con un termómetro. Al principio ambas sustancias tienen la misma temperatura, por ejemplo, la ambiente (figura 1(a)). Al finalizar el intervalo de tiempo leemos los termómetros (figura (b)) y observamos dos cosas:

Figura 1. Distintas sustancias tienen distintas capacidades de absorber calor

1) Las dos sustancias aumentaron sus temperaturas.

2) Los aumentos que experimentaron cada una de las sustancias no fueron los mismos.

Así, por ejemplo, el agua habría aumentado su temperatura en 12ºC, mientras que el aluminio en 55ºC.

Lo anterior nos indica que el agua y el aluminio absorbieron el calor que les transfirió la correspondiente llama. La cantidad de calor absorbida por cada una de las sustancias fue la misma, ya que estuvieron colocadas de la misma forma sobre llamas idénticas y durante los mismos intervalos de tiempo.

La segunda conclusión nos indica que cada una de las sustancias respondió de manera diferente a la misma cantidad de calor transferida. Una de ellas, el aluminio, experimentó un cambio de temperatura mayor que la otra sustancia, el agua.

La experiencia anterior nos hace ver que las sustancias tienen, entonces, una propiedad que es la de cambiar su temperatura a causa de una absorción de calor. Esta propiedad se mide por medio de la capacidad calorífica. Por tanto, la capacidad calorífica del agua es distinta a la del aluminio.

Por otro lado, nos damos cuenta que si colocamos en estufas idénticas, durante el mismo intervalo de tiempo, dos cantidades distintas de la misma sustancia, por ejemplo agua, cada una de las muestras aumentará su temperatura en cantidades distintas. Así por ejemplo, si colocamos en la misma estufa de antes 1 kg de agua y en la otra, 20 kg de agua, después de quince minutos la primera muestra habrá aumentado su temperatura en 12ºC, mientras que la Otra habrá aumentado solamente 0.6ºC. Esto es claro, pues las mismas cantidades de calor fueron transferidas a cantidades distintas de agua. A pesar de haber encontrado dos aumentos de temperatura distintos, no podríamos decir en este caso que las dos muestras de agua tienen distintas capacidades de absorber calor, pues ambas están formadas de la misma sustancia. Para poder hablar, sin riesgo de confusión, sobre la propiedad de absorber calor que tiene una sustancia se define el calor específico como la cantidad de calor que es necesario que absorba un gramo de una sustancia para aumentar su temperatura en 1ºC.

De lo anterior se puede afirmar que cada sustancia tiene un calor específico bien determinado. Los valores numéricos del calor específico de distintas sustancias son distintos. Así, por ejemplo, el calor específico del agua es

Calor específico del agua = 1 caloría  / gramo (°C)

Esto quiere decir que para que un gramo de agua aumente su temperatura un grado centígrado es necesario transferirle una caloría de energía térmica. El calor específico del aluminio es 0.219 caloría/gramo (*C), o sea, que para que un gramo de aluminio aumente su temperatura en 1ºC se tienen que transferir 0.219 calorías. De manera análoga, cada sustancia tiene un valor particular del calor específico.

Hasta este punto hemos hablado solamente del caso en que se transfiere calor de una fuente, como por ejemplo una llama, a una sustancia. En este caso la sustancia absorbe calor. También puede ocurrir que una sustancia transfiera calor a otra, por ejemplo, si se tiene un vaso con agua caliente y lo dejamos a la intemperie, sabemos que el agua se enfría. Es decir, el agua disminuye su temperatura. En este caso, el agua transfiere calor a la atmósfera. Se dice que el agua emitió calor. Al igual que en el caso de la absorción, se puede llegar al concepto de calor específico para la emisión, que sería el calor necesario que debe emitir un gramo de una sustancia para disminuir su temperatura en 1ºC. Pues resulta que los calores específicos tanto de absorción como de emisión de una sustancia son iguales. En consecuencia solamente se habla de calor específico sin especificar si es de absorción o de emisión.