Calor
2.1 CONCEPTOS PREVIOS
A. ENERGÍA INTERNA: Es toda la
energía de un sistema que está asociada con sus
componentes microscópicos, átomos y
moléculas, cuando se ve desde un marco de referencia
en reposo respecto al centro de masa del sistema.B. CALOR: El calor se define como la
transferencia de energía a través de la
frontera de un sistema debido a la diferencia de temperatura
entre el sistema y su entorno. Cuando calentamos una
sustancia, a ella transferimos energía al ponerla en
contacto con el entorno de una temperatura más alta.
Éste es el caso, por ejemplo cuando se pone una
sartén con agua fría en el quemador de una
estufa; el quemador está a una temperatura más
alta que el agua, de modo que el agua gana energía.
También usaremos el término calor para
representar la cantidad de energía transferida por
este método.
UNIDADES DEL CALOR
En el S.I. tenemos la caloría (cal), que
se define como la cantidad de transferencia de energía
necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14,5
°C a 15,5 °C.
(1)
La unidad de energía en el sistema convencional
en E.E.U.U. es la unidad térmica británica
(Btu), que se define como la cantidad de transferencia de
energía necesaria para elevar la temperatura de 1 lb de
agua de 63 °F a 64 °F.
2.2 CAPACIDAD CALORÍFICA (C)
La capacidad calorífica C de una muestra
particular de una sustancia se define como la cantidad de
energía necesaria para elevar en 1 °C la temperatura
de la muestra. De esta definición vemos que si la
energía Q se produce un cambio ?T en la
temperatura de una muestra, entonces
(2)
2.3 CALOR ESPECÍFICO (c)
El calor específico c de una sustancia
es la capacidad calorífica por unidad de masa. Por lo
tanto, si la energía Q se transfiere a una
muestra de una sustancia con masa m y la temperatura de
la muestra cambia en ?T, entonces el calor
específico de la sustancia es
(3)
El calor específico es en esencia una medida de
lo térmicamente insensible que es una sustancia a la suma
de energía. Cuanto mayor es el calor especifico de un
material, más energía debe agregarse a una masa del
material para causar un cambio particular de temperatura. La
tabla 1 indica calores específicos
representativos.
De esta definición, podemos relacionar la
energía Q transferida entre una muestra de masa
m de un material y su entorno a un cambio de la
temperatura ?T como
(4)
Tabla 1
2.4 CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA:
CALORIMETRÍA
Una técnica para medir calor específico
comprende en calentar una muestra a una temperatura conocida
Tx poniéndola en un vaso que contenga agua de
masa conocida y temperatura Tw < Tx y midiendo la
temperatura del agua después de alcanzar el equilibrio.
Esta técnica se denomina calorimetría, y los
dispositivos en los que se presenta esta transferencia de
energía se llaman calorímetros. Si el
sistema de la muestra y el agua está aislado, la ley de
conservación de la energía exige que la cantidad de
energía que sale de la muestra (de calor específico
desconocido) sea igual a la cantidad de energía que entre
al agua.
La conservación de la energía nos permite
escribir la representación matemática de este
enunciado de energía como
(5)
El signo negativo de la ecuación es necesario
para mantener consistencia con nuestra convención de
signos para calor.
Cambio de fase y
calor latente
Es frecuente que una sustancia experimente un cambio de
temperatura cuando se transfieres energía entre ella y su
entorno. Hay situaciones, sin embargo, en las que la
transferencia de energía no resulta en un cambio de
temperatura. Éste es el caso siempre que las
características físicas de la sustancia cambien de
una forma a la otra; a este cambio se conoce comúnmente
como cambio de fase. Dos cambios de fase comunes son de
solido a líquido (fusión) y de líquido a gas
(ebullición). Todos estos cambios de fase corresponden a
un cambio en energía interna, pero ningún cambio en
temperatura.
La cantidad de energía transferida durante un
cambio de fase depende de la cantidad de sustancia de que se
trate. Si la cantidad Q de transferencia de
energía se necesita para cambiar de fase de una masa
m de una sustancia, la razón
L=Q/m caracteriza una importante propiedad
térmica de esa sustancia. Debido a que esta energía
agregada o eliminada no resulta en un cambio de temperatura, la
cantidad L se denomina calor latente ("calor
oculto") de la sustancia. El valor de L para una
sustancia depende se la naturaleza del cambio de fase, así
como de las propiedades de la sustancia.
De la definición de calor latente, y de nuevo
seleccionando el calor como nuestro mecanismo de transferencia de
energía, encontramos que la energía necesaria para
cambiar la fase de una masa m dada se una sustancia pura
es
Transferencia de
calor
El calor se transfiere, o se transmite, de cosas
más calientes a cosas más frías. Si
están en contacto varios objetos con temperaturas
distintas, los que están más calientes se
enfrían y los que están más fríos se
calientan. Tienden a alcanzar una temperatura común. Esta
igualación de temperaturas se lleva a cabo de tres
maneras: por conducción, convección y
radiación.
Figura 1. Esquema de los mecanismos de
transferencia de calor
A. CONDUCCIÓN
La conducción 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 mal conductor del calor.
Los objetos malos conductores como el aire o plásticos se
llaman aislantes.
Donde k (en Watt/m. K) se llama conductividad
térmica del material, magnitud que representa la
capacidad con la cual la sustancia conduce calor y produce la
consiguiente variación de temperatura; y dT/dx es el
gradiente de temperatura. El signo menos indica que la
conducción de calor es en la dirección decreciente
de la temperatura.
Figura 2.
B. CONVECCIÓN
La convección es el mecanismo de transferencia de
calor por movimiento de masa o circulación dentro de la
sustancia. Puede ser natural producida solo por las diferencias
de densidades de la materia; o forzada, cuando la materia es
obligada a moverse de un lugar a otro, por ejemplo el aire con un
ventilador o el agua con una bomba. Sólo se produce en
líquidos y gases donde los átomos y
moléculas son libres de moverse en el medio.
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.
Un modelo de transferencia de calor H por
convección, llamado ley de enfriamiento de Newton, es el
siguiente:
(7)
Donde h se llama coeficiente de convección, en
Watt/ (m2. K), A es la superficie que entrega calor con una
temperatura TA al fluido adyacente, que se encuentra a una
temperatura T, como se muestra en el esquema de la figura
3.
Figura 3.
El flujo de calor por convección es positivo
(H > 0) si el calor se transfiere desde la superficie
de área A al fluido (TA > T) y negativo si el
calor se transfiere desde el fluido hacia la superficie (TA
< T).
C. RADIACIÓN
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. Esta energía es producida por los cambios en
las configuraciones electrónicas de los átomos o
moléculas constitutivos y transportada por ondas
electromagnéticas o fotones, por lo recibe el nombre de
radiación electromagnética. La masa en
reposo de un fotón (que significa luz) es
idénticamente nula. Por lo tanto, atendiendo a relatividad
especial, un fotón viaja a la velocidad de la luz y no se
puede mantener en reposo. (La trayectoria descrita por un
fotón se llama rayo). La radiación
electromagnética es una combinación de campos
eléctricos y magnéticos oscilantes y
perpendiculares entre sí, que se propagan a través
del espacio transportando energía de un lugar a
otro.
A diferencia de la conducción y la
convección, o de otros tipos de onda, como el sonido, que
necesitan un medio material para propagarse, la radiación
electromagnética 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. La longitud de onda (?) y la frecuencia
(?) de las ondas electromagnéticas, relacionadas
mediante la expresión 
son importantes para determinar su energía, su
visibilidad, su poder de penetración y otras
características. Independientemente de su frecuencia y
longitud de onda, todas las ondas electromagnéticas se
desplazan en el vacío con una rapidez constante c =
299792 km/s, llamada velocidad de la luz.
Los fotones son emitidos o absorbidos por la materia. La
longitud de onda de la radiación está relacionada
con la energía de los fotones, por una ecuación
desarrollada por Planck:
(8)
Donde h se llama constante de Planck, su valor es h =
6,63 x 10-34 Joule. Seg.
Fuente
Física para ciencias e ingeniería
Vol. I Sexta edición -John W. Jewett
Jr.
Capítulo 20: El calor y la primera ley de
termodinámica
Física Conceptual Novena Edición –
Paul G. Hewitt
Transferencia De Calor Pág. 305 -320
http://www2.udec.cl/~jinzunza/fisica/cap14.pdf
Capítulo 14. Mecanismos de transferencia de
calor.
Autor:
Cristian Gonzalo Silva Pérez