TEMA 7: Transferencia de calor
Transferencia de calor
¿Qué dirías si te aseguran que tu chaqueta o abrigo no calienta en absoluto? Pensarías seguramente que están bromeando. Pero, ¿y si empezaran a demostrarte que, efectivamente, es así?
Hagamos, por ejemplo, la siguiente prueba: Tomemos un termómetro, fijémonos en los grados que marca y envolvámoslo en un abrigo. Si después de varias horas, lo sacamos, veremos que no se ha calentado ni en un cuarto de grado. Lo mismo que marcaba antes, marca ahora. He aquí una prueba de que el abrigo no calienta. Podría sospecharse incluso, que el abrigo enfría. Tomemos si no dos envases con hielo. Envolvamos uno de ellos en el abrigo, mientras que el otro lo dejamos, sin tapar, en la habitación. Cuando se haya derretido el hielo de este, saquemos el que está en el abrigo. Veremos que éste casi ni ha empezado a fundirse. Es decir, el abrigo, no sólo no ha calentado el hielo, sino que, al parecer, lo ha enfriado, retardando su licuación.
¿Qué podemos decir? ¿Cómo refutar estas conclusiones?
De ninguna manera. El abrigo realmente no calienta, si es que por «calentar» entendemos transmitir calor. La lámpara calienta, la estufa calienta, el cuerpo humano calienta, porque todos estos cuerpos son fuentes de calor. Pero el abrigo, en este sentido de la palabra, no calienta. El abrigo no da calor, sino que se limita, simplemente, a impedir que el calor de nuestro cuerpo se aleje de él. Esto es el motivo por el cual, todos los animales de sangre caliente, cuyo cuerpo es fuente de calor, se sentirán más calientes con el abrigo que sin él. Pero el termómetro no engendra calor propio y, por eso, su temperatura no varía, aunque lo envolvamos en el abrigo. El hielo envuelto en el abrigo conserva más su baja temperatura, porque éste es muy mal conductor del calor e impide que llegue hasta el hielo el calor exterior, es decir, el calor del aire que hay en la habitación.
De esta forma, cuando nos pregunten si calienta nuestro abrigo, lo más exacto sería decir, que nosotros calentamos al abrigo, y no él a nosotros.
Calor y temperatura son conceptos que en el lenguaje cotidiano se confunden, pero son diferentes.
La temperatura es una magnitud física que se refiere a la sensación de frío o caliente al tocar alguna sustancia. La temperatura se mide con termómetros en escala Centígrada o Kelvin entre otras. En cambio, el calor, es una transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, producida por una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a otra de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la zona más fría y reduce la de la zona más cálida, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La unidad de calor es la caloría.
La transferencia de calor se realiza por tres medios: conducción, convección y radiación.
La conducción es el mecanismo de transferencia de calor entre dos cuerpos que están en contacto, donde las partículas más energéticas le entregan energía a las menos energéticas, produciéndose un flujo de calor desde las temperaturas más altas a las más bajas. Los mejores conductores de calor son los metales. El aire es un mal conductor del calor. Los objetos malos conductores como el aire o plásticos se llaman aislantes.
La convección es el mecanismo de transferencia de calor por movimiento de masa o circulación dentro de la sustancia. Sólo se produce en líquidos y gases donde los átomos y moléculas son libres de moverse en el medio. Al calentar agua, la sustancia que se calienta se mueve a la superficie y la sustancia más fría se mueve hacia el fondo. En la naturaleza, la mayor parte del calor ganado por la atmósfera por conducción y radiación cerca de la superficie, es transportado a otras capas o niveles de la atmósfera por convección.
La radiación térmica es energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura dada, se produce directamente desde la fuente hacia afuera en todas las direcciones.
A diferencia de la conducción y la convección, la radiación es independiente de la materia para su propagación, de hecho, la transferencia de energía por radiación es más efectiva en el vacío. Sin embargo, la velocidad, intensidad y dirección de su flujo de energía se ven influidos por la presencia de materia. Así, estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas.
MÁQUINAS TÉRMICAS Y LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA
La revolución industrial se dio gracias a la construcción de la máquina de vapor.
Una caldera con agua se pone en contacto con una fuente de calor. El calor es absorbido por el líquido hasta alcanzar su estado de vapor. Este vapor viaja por una tubería hasta un cilindro dentro del cual hay un émbolo o pistón, que se desplaza impulsado por la presión que recibe. Al moverse, empuja una biela que a su vez hace girar un cigüeñal que sirve como eje a un volante. Ha nacido un motor. El calor, como forma de energía, se ha transformado en movimiento, otra forma de energía.
Termodinámica es la parte de la física que estudia los fenómenos relacionados con el calor, su transferencia de un cuerpo a otro y su conversión en energía mecánica. Esta disciplina debe su desarrollo a la necesidad de optimizar la eficiencia propia de las máquinas de vapor y hoy se encarga del funcionamiento y rendimiento de los motores de combustión entre otros sistemas físicos. El punto de partida para adentrarse en la disciplina es el conocimiento de sus leyes.
La primera Ley de la termodinámica sostiene que la energía no puede crearse ni destruirse, solo puede transformarse; así, el calor es una forma de energía que puede convertirse en trabajo mecánico.
La segunda ley de la termodinámica señala que solo es
posible la realización de un trabajo a partir del paso del calor de un cuerpo
con mayor temperatura a uno de menor temperatura; esta ley además da una
explicación del por qué existe una parte de la energía que no puede convertirse
en trabajo. En todas las máquinas térmicas el sistema absorbe calor de un foco
caliente; parte de él lo transforma en trabajo y el resto lo cede al medio
exterior que se encuentra a menor temperatura.
Entre las variables de un sistema termodinámico están: presión, volumen y
temperatura. Relacionando estas variables se pueden describir:
- Sistemas isobáricos en los que la presión permanece constante y varían el volumen y la temperatura.
- Sistemas isocóricos en los que permanece constante el volumen mientras varían la presión y la temperatura
- Sistemas isotérmicos en los que varían presión y volumen permaneciendo la temperatura constante.