sábado, 4 de diciembre de 2010

TRANSFERENCIA DE CALOR

El calor, una forma de la energía


Cuando un cuerpo, por ejemplo, un objeto sólido o un fluido, está a una temperatura diferente de la de su entorno u otro cuerpo, la transferencia de energía térmica, también conocida como transferencia de calor o intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno alcancen equilibrio térmico
Esta es una observación común. El hombre ha tratado desde hace mucho encontrar una interpretación a fondo de tales fenómenos.  Hasta principios del siglo XIX, se explicaban estos fenómenos admitiendo que en todos los cuerpos existía una sustancia material, llamada calórico. A la larga se llegó a entender que el calor es una forma de la energía y no de una sustancia.

Así, tenemos que:
Calor es la energía en tránsito desde un sistema con alta temperatura a otro sistema con más baja temperatura.

En este fenómeno, que se conoce con el nombre de conductividad térmica, vemos que no todo el calor absorbido por la cara expuesta llega hasta la opuesta. Esto lo podemos comprobar aplicando una mano sobre ambas caras, con lo cual sentiremos que la parte opuesta está más fría que la expuesta.
Esto significa que el cuerpo opuso cierta resistencia al paso del calor por su interior; este fenómeno se conoce como resistencia térmica del material.
La propiedad de retener parte del calor absorbido e impedir su paso total de una cara a la otra del cuerpo, es la capacidad aislante al calor que posee el material.
En este tipo de fenómenos, denominados térmicos debido a la importancia que tiene la temperatura en ellos, es necesario definir una magnitud física llamada energía interna, para describir en forma coherente lo que ocurre. Para ello debemos estudiar los fenómenos de transferencia de energía en forma de calor, que comúnmente denominamos transferencia de calor.
En física, la transferencia de calor es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. 

El calor se transmite de un lugar a otro de tres maneras diferentes:
  • Por conducción entre cuerpo sólidos en contacto
  • Por convección en fluidos (líquidos o gases)
  • Por radiación a través del medio en que la radiación pueda propagarse

La energía se transmite de la forma que resulta más eficiente.

Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.



  • Conducción
Esta forma de transmisión de calor se manifiesta principalmente en los cuerpos sólidos y se caracteriza por el pasaje del calor desde los puntos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura sin desplazamiento apreciable de materia. La transmisión de calor puede producirse de una parte a otra del mismo cuerpo o de un cuerpo a otro en contacto con él.


    Si tomas un clavo de hierro largo por un extremo y la acercas al fuego, sentirás que al cabo de un pequeño lapso de tiempo se pondrá caliente en el extremo que estás sosteniendo.

    El flujo de calor pasa a través de medios sólidos por la vibración interna de las moléculas y de los electrones libres y por choques entre ellas. Las moléculas y los electrones libres de la fracción de un sistema con temperatura alta vibran con más intensidad que las moléculas de otras regiones del mismo sistema o de otros sistemas en contacto con temperaturas más bajas.
    Las moléculas con una velocidad más alta chocan con las moléculas menos excitadas y transfieren parte de su energía a las moléculas con  menos energía en las regiones más frías del sistema. Las moléculas que absorben el excedente de energía también adquirirán una mayor velocidad vibratoria y generarán más calor.
    Energía potencial -absorbe calor
    Energía cinética -emite calor

    Los metales son los mejores conductores térmicos; mientras que los materiales no metálicos son conductores térmicos imperfectos.

    • Convección
    Es el flujo de calor mediante corrientes dentro de un fluido líquido o gaseoso.   
    La convección es el desplazamiento de masas de algún líquido o gas. Cuando una masa de un fluido se calienta al estar en contacto con una superficie caliente, sus moléculas se separan y se dispersan, causando que la masa del fluido llegue a ser menos densa. 

    Cuando calentamos agua en una olla, el fondo de la olla es calentado por una fuente de energía térmica, transmitiendo esta energía al agua que está en contacto con él. Esta agua sube hacia la parte superior, mientras el agua fría que está en la parte superior baja hasta al fondo para ser calentada, este proceso continua hasta que toda el agua alcanza una temperatura igual y comienza a hervir.



    Un fenómeno similar ocurre con el aire de la atmósfera, el cual es calentado por la superficie de la Tierra cuando la energía proveniente del Sol incide sobre ella, originando así las llamadas corrientes térmicas o termales de la atmósfera en las que se apoyan algunas aves para ascender en el aire sin tener que agitar las alas.
    El complejo sistema de vientos que existe en la atmósfera ocurre de manera similar.
    A este tipo de movimiento se llama convección natural o simplemente movimiento convectivo. Ocurre en los fluidos (gases y líquidos), mientras se mantenga una diferencia de temperatura entre partes de él.



    • Radiación
      Es la transferencia de calor por medio de ondas electromagnéticas. No se requiere de un medio para su propagación. La energía irradiada se mueve a la velocidad de la luz. 

      La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas.



      La radiación es otra manera de aumentar la energía interna de un cuerpo o de disminuirla. Esta energía proviene de las cargas eléctricas que contienen los átomos en vibración, produciéndose una onda electromagnética que se propaga en el espacio y que transporta la energía. 


      Es ésta la forma como nos llega energía del Sol o de las lámparas incandescentes, produciendo un incremento de la energía interna de los cuerpos que la reciben. Sin embargo no es exclusiva de estos cuerpos, pues todo cuerpo caliente emite energía en forma de radiación electromagnética, como ocurre con nosotros los humanos o los animales, la cual puede ser detectada por instrumentos especiales, como las gafas de visión nocturna para uso militar. La energía emitida por un cuerpo en forma de radiación depende de cuarta potencia de su temperatura absoluta y de la superficie del mismo.



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