Transferencia de calor

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

CALOR Y TEMPERATURA

Calor y temperatura son conceptos que en el lenguaje cotidiano se confunden,
pero son diferentes. Por ejemplo la frase “uuuufff, que hace calor” es una expresión común para referirnos al concepto de temperatura, a pesar de que mencionamos la palabra calor.

La temperatura es una magnitud física que se refiere a la sensación de fríoo
caliente al tocar alguna sustancia. 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 energía no
fluye desde un objeto de temperatura baja a otro de temperatura alta si no se
realiza trabajo. La materia está formada por átomos o moléculas que están en
constante movimiento, por lo tanto tienen energía de posición o potencial y
energía de movimiento o cinética. Los continuos choques entre los átomos o
moléculastransforman parte de la energía cinética en calor, cambiando la
temperatura del cuerpo.

Calor

El calor se define como la energía cinética total de todos los átomos o moléculas de una sustancia.

Temperatura

La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de los átomos
y moléculas individuales de una sustancia.

Cuando se agrega calor a una sustancia, sus átomos o moléculas semueven más rápido y su temperatura se eleva, o viceversa. Cuando dos cuerpos que tienen distintas temperaturas se ponen en contacto entre sí, se produce una transferencia de calor desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. La transferencia de calor se puede realizar por tres mecanismos físicos: conducción, convección y radiación.



CONDUCCION DE CALOR

Laconducción es el mecanismo de transferencia de calor en escala atómica a
través de la materia por actividad molecular, por el choque de unas moléculas
con otras, 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 malconductor del calor. Los objetos malos conductores como el aire o
plásticos se llaman aislantes.

La conducción de calor sólo ocurre si hay diferencias de temperatura entre dos
partes del medio conductor. Para un volumen de espesor Δx, con área de sección transversal A y cuyas caras opuestas se encuentran a diferentes T1 y T2, con T2 > T1, como se muestra en al figura 14.2, se encuentra queel calor ΔQ transferido en un tiempo Δt fluye del extremo caliente al frío. Si se llama H (en Watts) al calor transferido por unidad de tiempo, la rapidez de transferencia de calor H = ΔQ/Δt, está dada por la ley de la conducción de calor de Fourier.

donde k (en W/mK) se llama conductividad térmica del material, magnitud que representa la capacidad con la cual la sustancia conduce calor yproduce la
consiguiente variación de temperatura; y dT/dx es el gradiente de temperatura.
El signo menos indica que la conducción de calor es en dirección decreciente de la temperatura.

En la siguiente tabla se listan valores de conductividades térmicas para algunos materiales, los altos valores de conductividad de los metales
indican que son los mejores conductores del calor.

Si un materialen forma de barra uniforme de largo L, protegida en todo su
largo por un material aislante, como se muestra en la siguiente figura, cuyos extremos de área A están en contacto térmico con fuentes de calor a temperaturas T1 y T2 > T1, cuando se alcanza el estado de equilibrio térmico, la temperatura a lo largo de la barra es constante. En ese caso el gradiente de temperatura es el mismo en...