domingo, 30 de octubre de 2011

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

No hay comentarios:

Publicar un comentario