Propagación del calor

Dos sistemas aislados a diferentes temperaturas intercambiarán de calor hasta que sus temperaturas sean las mismas (equilibrio térmico). Estos intercambios de calor pueden ocurrir en tres formas diferentes:
Conducción, convección y irradiación (radiación).

La velocidad de transferencia de calor \(\Phi\) (flujo de calor) entre sistemas, es la razón entre la cantidad de calor \(Q\) propagado a través de un area \(S\) en un intervalo \((\Delta t)\) matemáticamente $$\Phi = \frac{Q}{\Delta t}.$$

Conducción

En la conducción de calor, la energía térmica se transmite de partícula a partícula (átomos, moléculas o electrones) por la colisión directa de la misma. En el vacío el calor no pueden propagarse por conducción.

La transferencia de calor entre sólidos generalmente se realiza por conducción.

En el caso de la conducción, la siguiente ley es importante:

Ley de Fourier

La energía térmica \(Q\) transmitida a través de un objeto rectangular en un cierto intervalo de tiempo \(\Delta t\) es: $$\frac{\Delta Q}{\Delta t} = -\frac{k A (T_2 – T_1)}{\Delta x},$$ donde \(\Delta x\) es la longitud objeto en la dirección del flujo de calor, \(A\) es el área de la sección transversal a través de la cual fluye el calor, \(T_1\) y \(T_2\) son las temperaturas de las superficies calientes y fríos, respectivamente, y \(K\) es la constante de conductividad térmica.

Ejemplo 1

Ejemplo 2

Ejemplo 3

Ejemplo 4

La tabla muestra la conductividad térmica de algunos materiales.

Conductividades térmicas
Materiales	Conductividad (W / m. K)
Acero inoxidable	14
Cobre	401
Aire (seco)	0.026
Espuma de poliuretano	0.024
Lana mineral	0.043
Fibra de vidrio	0.048
Pino blanco	0.11
Vidrio común	1.0

Convección

"Durante la convección la energía se transmite por el propio flujo de un gas o un líquido."

En la transferencia de calor por convección las moléculas más calientes se mueven de un lugar a otro. Donde la energía térmica es transportada por ellos. Para tener convección es necesario que las moléculas tengan movilidad, es decir, que el medio es un fluido (líquido o gas).

El proceso de transferencia de calor por convección es muy complejo, por lo tanto, no hay ninguna ecuación simple y general para describirlo.

Todos los vientos en la atmósfera son corrientes convectivas de grandes dimensiones. <! - la difusión de vídeo con aserrín y miel (idea aoc) ->

Radiación

"Incluso en vacío el calor se propaga"

La radiación de calor es el proceso de transmisión de energía a través de ondas electromagnéticas, como la luz, ondas de radio, TV, "X-Ray" etc. Este tipo de transferencia de energía también puede ocurrir en el vacío.

Todos los objetos que están encima del cero absoluto irradian de energía.

Un cuerpo, estando en equilibrio térmico con su entorno, irradia y absorbe energía a la misma velocidad, y por eso su temperatura permanece constante.

Definiciones y leyes importantes:

Cuerpo negro

Es un cuerpo que absorbe toda la radiación que cae sobre él y tiene emisividad igual a 1.

La ley de Stefan-Boltzmann

La potencia de la radiación \(P_r = \frac{\Delta Q}{\Delta t}\), de un área de superficie \(A\), a una temperatura \(T\) y emisividad \(\varepsilon\) puede ser expresado por la relación: $$P_r = A \varepsilon \sigma T^4,$$ donde \(\sigma\) se llama la constante de Stefan-Boltzmann \((\sigma=5.67 \times 10^{-8} W/m^2 k^4)\) y \(\varepsilon\) es la emisividad de la superficie. Generalmente la emisividad de una superficie clara es más grande que la de una oscura, sus valores se obtienen en el laboratorio y esta tabuladas.

La ley de enfriamiento de Newton

La velocidad de enfriamiento (o calentamiento) de un cuerpo es proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y su entorno. Es decir, dado que la temperatura \(T(t)\) del cuerpo y la temperatura del medio \(M(t)\) en el tiempo \(t\), tenemos: $$ \frac{\Delta T}{\Delta t} = k [M(t) - T(t)], $$ donde \(k\) es una constante de proporcionalidad.

Observaciones

• Los hornos de microondas calientan y/o cocinan los alimentos por irradiación.
• La energía necesaria para la fotosíntesis de los vegetales es obtenida mediante la irradiación.