Transferencia de calor:
en física en proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convención, radiación o conducción. 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 convención, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.
El calor puede transferirse de tres formas: por conducción, por convención y por radiación.
La conducción es la transferencia de calor a través de un objeto sólido: es lo que hace que el asa de un atizador se caliente aunque sólo la punta esté en el fuego.
La convención transfiere calor por el intercambio de moléculas frías y calientes: es la causa de que el agua de una tetera se caliente uniformemente aunque sólo su parte inferior esté en contacto con la llama.
La radiación es la transferencia de calor por radiación electromagnética (generalmente infrarroja): es el principal mecanismo por el que un fuego calienta la habitación.
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte,al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemático francés Joseph fourier dio una expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).
El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario conocer la velocidad de conducción del calor a través de un sólido en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Para averiguarlo se requieren técnicas matemáticas muy complejas, sobre todo si el proceso varía con el tiempo; en este caso, se habla de conducción térmica transitoria. Con la ayuda de ordenadores (computadoras) analógicos y digitales, estos problemas pueden resolverse en la actualidad incluso para cuerpos de geometría complicada.
CONVENCIÓN:
Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convención. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convención natural. La convención forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.
El calentamiento de una habitación mediante un radiador no depende tanto de la radiación como de las corrientes naturales de convención, que hacen que el aire caliente suba hacia el techo y el aire frío del resto de la habitación se dirija hacia el radiador. Debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, los radiadores deben colocarse cerca del suelo (y los aparatos de aire acondicionado cerca del techo) para que la eficiencia sea máxima. De la misma forma, la convención natural es responsable de la ascensión del agua caliente y el vapor en las calderas de convención natural, y del tiro de las chimeneas. La convención también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde el interior del Sol hasta su superficie.
La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convención 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. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. En 1905, Albert Einstein sugirió que la radiación presenta a veces un comportamiento acuatizado: en el efecto fotoeléctrico, la radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados fogones y no como ondas. La naturaleza cuántica de la energía radiante se había postulado antes de la aparición del artículo de Einstein, y en 1900 el físico alemán Max Planck empleó la teoría cuántica y el formalismo matemático de la mecánica estadística para derivar una ley fundamental de la radiación. La expresión matemática de esta ley, llamada distribución de Planck, relaciona la intensidad de la energía radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda determinada con la temperatura del cuerpo. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe un máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo ideal (cuerpo negro) emite radiación ajustándose exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten con una intensidad algo menor.
La Capacidad Calorífica:
sustancia es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como un efecto de Inercia Térmica.
Está dada por la ecuación:
C = Q/T [J/K]
Donde C es la capacidad calorífica, Q es el calor y T la variación de temperatura.
Se mide en joules por kelvin (unidades del SI).
La capacidad calorífica © va variando según la sustancia.
Su relación con el calor específico es:
C = c.m
En donde c es el calor específico, y m la masa de la sustancia considerada.
Igualando ambas ecuaciones, procedamos a analizar :
Q/T = c * m
De aquí es fácil inferir que aumentando la masa de una sustancia, aumentamos su capacidad calorífica, y con ello aumenta la dificultad de la sustancia para variar su temperatura. Un ejemplo de esto se puede apreciar en las ciudades costeras donde el mar actúa como un gran termostato regulando las variaciones de temperatura.
El agua es una substancia con una gran capacidad calorífica, ello queda demostrado puesto que en el experimento se puede ver como tiene gran capacidad de absorción de energía, es decir tarda mucho en calentarse y en enfriarse.
Medida de la capacidad calorífica
Para medir la capacidad calorífica bajo unas determinadas condiciones es necesario comparar el calor absorbido por una sustancia (o un sistema) con el incremento de temperatura resultante. La capacidad calorífica viene dada por:
C = \lim_{\Delta T \to 0} \frac{Q}{\Delta T}
C es la capacidad calorífica, que en general será función de las variables de estado.Q es el calor absorbido por el sistema.ΔT la variación de temperaturaSe mide en unidades del SI julios/K (o también en cal/°C).
La capacidad calorífica (C) de un sistema físico depende de la cantidad de sustancia o masa de dicho sistema. Para un sistema formado por una sola sustancia homogénea se define además el calor específico o capacidad calorífica específica c a partir de la relación:
C = \frac{Q}{\Delta T} = c\cdot m
C es la capacidad calorífica del cuerpo o sistemac es el calor específico o capacidad calorífica específicam la masa de sustancia consideradaDe las anteriores relaciones es fácil inferir que al aumentar la masa de una sustancia, se aumenta su capacidad calorífica ya que aumenta la inercia térmica, y con ello aumenta la dificultad de la sustancia para variar su temperatura. Un ejemplo de esto se puede apreciar en las ciudades costeras donde el mar actúa como un gran termostato regulando las variaciones de temperatura.
Planteamiento formal de capacidad calorífica
Sea un sistema termodinámico en el estado A. Se define la capacidad calorífica Cc asociada a un proceso cuasiestático elemental c que parte de A y finaliza en el estado B como el límite del cociente entre la cantidad de calor Q absorbido por el sistema y el incremento de temperatura ΔT que experimenta cuando el estado final B tiende a confundirse con el inicial A.
C_c = \lim_{A \to B} \left( {Q \over \Delta T} \right)_c = \sum_i q_i \left( {dc_i \over dT} \right) = \left( {\bar{d} Q \over dT} \right)_c
Donde \scriptstyle (c_1(T),\dots,c_n(T)), es una curva parametrizada mediante la temperatura, que representa el camino seguido en el espacio fásico durante el proceso c. La capacidad calorífica es, de este modo, una variable termodinámica y está perfectamente definida en cada estado de equlibrio del sistema (el signo \bar{d} indica que no una función Q cuya diferencial sea precisamente \bar{d}Q, es decir, se trata de 1-forma no
Calor específico y capacidad calorífica de algunos materiales
Material Calor específico
Densidad
Capacidad calorífica
kcal/kg °C
kg/m³
kcal/m³ °C
En la tabla se puede ver que de los materiales comunes poseen una gran capacidad calorífica el agua muros de agua, la tierra o suelo seco compactado (adobe, tapia), y piedras densas como el granito junto a los metales como el acero. Estos se encuentran entre los 500 y 1000 kcal/m³ °C.
Luego se encuentra otro grupo que va de 300 a 500 kcal/m³ °C entre los que se ubica la mayoría de los materiales usuales en la construcción actual, como el ladrillo, el hormigón, las maderas, los tableros de yeso roca y las piedras areniscas.
En un último grupo se encuentra (3 a 35 kcal/m³ °C), los aislantes térmicos de masa como la lana de vidrio, las lanas minerales, el poliestireno expandido y el poliuretano expandido que por su "baja densidad" debido a que contienen mucho aire poseen una capacidad calorífica muy baja pero sirven como aislantes térmicos.
Un caso especial es el aire (0,29 kcal/m³·K; 1,214 J/m³·K), que sirve como un medio para transportar el calor en los sistemas pasivos pero no para almacenar calor en su interior.
CALOR ESPECÍFICO
El calor específico o capacidad calorífica específica, c, de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para aumentar su temperatura en una unidad por unidad de masa, sin cambio de estado:
En donde c es el calor específico, Q es la cantidad de calor, m la masa y ΔT la diferencia entre las temperaturas inicial y final..Su unidad en el sistema SI es el julio por kilogramo y kelvin, cuya notación es J/(kg•K). También se usa bastante las unidad del sistema técnico, la kilocaloría por kilogramo y grado Celsius y su notación es: kcal/kgºC.
También existe la capacidad calorífica molar que se relaciona con el calor específico como:
De ahí se deduce una fórmula para el calor intercambiado dependiente del número de moles (n) en vez de la masa (m).
Su unidad en SI es el joule por mol y kelvin, cuya notación es J/(mol•K)
Ecuaciones básicas
El calor específico medio (\hat c) correspondiente a un cierto intervalo de temperaturas \Delta T\, se define en la forma:
\hat c = \frac{Q}{m \,\Delta
donde Q\, es la transferencia de energía en forma calorífica en el entre el sistema y su entorno u otro sistema, m\, es la masa del sistema (se usa una n cuando se trata del calor específico molar) y \Delta T\, es el incremento de temperatura que experimenta el sistema. El calor específico (c\,\!) correspondiente a una temperatura dada T\,\! se define como:
c = \lim_{\Delta T \to 0} \frac{Q}{m \,\Delta T} = \frac {1}{m} \frac{\mathrm d Q}{\mathrm d T}
El calor específico (c \,\!) es una función de la temperatura del sistema; esto es, c(T)\,\!. Esta función es creciente para la mayoría de las sustancias (excepto para los gases monoatómicos y diatómicos). Esto se debe a efectos cuánticos que hacen que los modos de vibración estén cuantizados y sólo estén accesibles a medida que aumenta la temperatura. Conocida la función c(T)\,\!, la cantidad de calor asociada con un cambio de temperatura del sistema desde la temperatura inicial Ti a la final Tf se calcula mediante la integral siguiente:
Q = m \int_{T_\text{i}}^{T_\text{f}} c \, \mathrm d T
En un intervalo donde la capacidad calorífica sea aproximadamente constante la fórmula anterior puede escribirse simplemente como:
Q \approx m c \Delta T
Cantidad de sustancia:
Cuando se mide el calor específico en ciencia e ingeniería, la cantidad de sustancia es a menudo de masa, ya sea en gramos o en kilogramos, ambos del SI. Especialmente en química, sin embargo, conviene que la unidad de la cantidad de sustancia sea el mol al medir el calor específico, el cual es un cierto número de moléculas o átomos de la sustancia.6 Cuando la unidad de la cantidad de sustancia es el mol, el término calor específico molar se puede usar para referirse de manera explícita a la medida; o bien usar el término calor específico másico, para indicar que se usa una unidad de masa.
Conceptos relacionados
Hay dos condiciones notablemente distintas bajo las que se mide el calor específico y éstas se denotan con sufijos en la letra c. El calor específico de los gases normalmente se mide bajo condiciones de presión constante (Símbolo: cp). Las mediciones a presión constante producen valores mayores que aquellas que se realizan a volumen constante (cv), debido a que en el primer caso se realiza un trabajo de expansión.
El cociente entre los calores específicos a presión constante y a volumen constante para una misma sustancia o sistema termodinámico se denomina coeficiente adiabático y se designa mediante la letra griega \gamma\, (gamma).7 Este parámetro aparece en fórmulas físicas, como por ejemplo la de la velocidad del sonido en un gas ideal.
El calor específico de las sustancias distintas de los gases monoatómicos no está dado por constantes fijas y puede variar un poco dependiendo de la temperatura.nota 2 Por lo tanto, debe especificarse con precisión la temperatura a la cual se hace la medición. Así, por ejemplo, el calor específico del agua exhibe un valor mínimo de 0,99795 cal/(g·K) para la temperatura de 34,5 °C, en tanto que vale 1,00738 cal/(g·K) a 0 °C. Por consiguiente, el calor específico del agua varía menos del 1% respecto de su valor de 1 cal/(g·K) a 15 °C, por lo que a menudo se le considera como constante.
La presión a la que se mide el calor específico es especialmente importante para gases y líquidos.
Unidades
Unidades de calor
La unidad de medida del calor en el Sistema Internacional es el joule (J). La caloría (cal) también se usa frecuentemente en las aplicaciones científicas y tecnológicas. La caloría se define como la cantidad de calor necesario para aumentar en 1 °C la temperatura de un gramo de agua destilada, en el intervalo de 14,5 °C a 15,5 °C.8 Es decir, tiene una definición basada en el calor específico.
Unidades de calor específico
En el Sistema Internacional de Unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramo y por kelvin (J·kg-1·K-1); otra unidad, no perteneciente al SI, es la caloría por gramo y por kelvin (cal·g-1·K-1). Así, el calor específico del agua es aproximadamente 1 cal/(g·K) en un amplio intervalo de temperaturas, a la presión atmosférica; y exactamente 1 cal·g-1·K-1 en el intervalo de 14,5 °C a 15,5 °C (por la definición de la unidad caloría).
En los Estados Unidos, y en otros pocos países donde se sigue utilizando el Sistema Anglosajón de Unidades, en aplicaciones no científicas, el calor específico se suele medir en BTU (unidad de calor) por libra (unidad de masa) y grado Fahrenheit (unidad de temperatura).
La BTU se define como la cantidad de calor que se requiere para elevar un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua en condiciones atmosféricas normales.
Equilibrio térmico:
Equilibrio térmico:
El equilibrio térmico es aquel estado en el cual se igualan las temperaturas de dos cuerpos, las cuales, en sus condiciones iniciales presentaban diferentes temperaturas. Una vez que las temperaturas se equiparan se suspende el flujo de calor, llegando ambos cuerpos al mencionado equilibrio término.
El de equilibrio térmico es un concepto que forma parte de la termodinámica, la rama de la física que se ocupa de describir los estados de equilibrio a un nivel macroscópico Cuando dos sistemas se encuentran en contacto mecánico directo, o en su defecto, separados mediante una superficie que facilita la transferencia de calor, superficie diatérmica, se dirá que ambos están en contacto térmico. Mientras tanto, al cabo de un tiempo, aunque los dos sistemas que se hallan en contacto térmico se encuentren dispuestos de tal manera que no puedan mezclarse o aunque estén colocados en el interior de un espacio en el cual es imposible que intercambien calor con el exterior, indefectiblemente, alcanzarán el estado de equilibrio térmico.
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