1.1. Escala de temperatura
1.2. Cambios provocados por el calor
1.3. Formas de Transmisión de calor
1.4. Cantidad de Calor
1.5. Leyes de los Gases
Escala de Temperatura.
El calor y la temperatura son conceptos diferentes que están estrechamente relacionados. Mientras el primero tiene que ver con la energía interna de los cuerpos, el segundo es una apreciación cualitativa de el sentido del tacto que depende del material y sus capacidades de transferencias de calor. Por ejemplo, si coloca en el refrigerador dos vasos con agua, uno de cristal y otro de plastico y, despues de un tiempo, lo sacas, sentirás mas frío el de cristal.
------¿Porqué crees que ocurre este fenómeno?-------
En realidad, ambos estan a la misma temperatura. Sin embargo, la propiedad de transferencia de energía de cada uno es diferente: El cristal es mejor conductor de calor que el plastico y, por tanto, sede mas rapidamente calor al medio de igual manera, si se toca un pedaso de madera y uno de metal, este ultimo se sentira mas frio que el de madera, aun cuando los dos se encuentran a la mista temperatura, debido a que el metal es mejor conductor del calor.
La temperatura de un cuerpo es una medida de su estado relativo de calor o frío, asi como de su capacidad de transmitir calor. Se define como la magnitud física que indica que tan caliente o fría es una sustancia respecto de un cuerpo que se toma como base o patrón. Es importante saber que nuestro organismo no detecta la temperatura si no perdidas o ganancias de calor.
¿Sabías que cuando sentimos que un cuerpo está muy frío es porque nuestro organismo le está transfiriendo calor?
En efecto, si tocamos un cuerpo, nuestro sentido de tacto nos permite hacer una estimación cualitativa de su temperatura. Sin embargo para medirla tenemos que hacer uso de algunas propiedades físicas medible que varíe con ella. Los instrumentos utilizados para medir la temperatura se denominan termómetros. Algunas de las propiedades físicas que varían con la temperatura son: La longitud de una barra, el volumen de un líquido, la resistencia eléctrica de un alambre o el color del filamento de una lampara. Estas propiedades se utilizan en la construccion de distintos tipos de termómetros, como los de mercurio y alohol, el pirometro óptico y el termopar.
La cualidad elegida en los termometros de mercurio es la dilatación. Se utiliza el mercurio para construirlos porque es un material liquido entre -20°C y 100°C y por que se dilata mucho. Se encima el metal dentro de un tubo fino denominado capilar, para que, al expandirse, avanse por el tubo; cuanto mas fino sea el tubo mas cemtimetros avanza. Se puede establecer una relacion entre la dilatación y el nivel de Temperatura de una sustancia o un cuerpo midiendo longitudes de la columna. En la figura siguiente podrás observar las partes que constituyen un termómetro de mercurio:
Las escalas térmicas o escalas de temperatura mas utilizadas son la Farenheit (°F), la Celcius (°C) y la Kelvin o absoluta (K); esta ultima es la unidad utilizada en el Sistema internacional de Medidas (SI). Cada escala considera dos puntos de referencia -el superior y el inferior- y un número de divisiones entre ambos puntos. El punto inferior es el de fusión del hielo que consiste en una mezcla de agua saturada de aire y hielo la presencia de una admósfera, y el punto superior es el de ebullición del agua, también a la presión de una atmósfera.
En la figura siguiente se presentan las equivalencias entre las escalas termométricas mencionadas:
CONVERSIONES DE UNIDADES TERMOMÉTRICAS
C= °F-32 °F= 32+1.8 (°C) K= °C +273
1.8
°F---> °K °K---> °F
°C= °K-273 °F-->°C--> °K °K-->°C--> °F
1.2. CAMBIOS PROVOCADOS POR EL CALOR
El calor es una forma de energía que se transfiere entre un sistema y su entorno o entre un sistema y otro debido a una diferencia de temperatura entre ambos, donde la energía fluye del sistema de mayor temperatura hacia el de menor temperatura. El calor y las propiedades térmicas de la materia se explican en la actualidad por la teoría cinética. Acorde con esta teoría, la materia esta constituida por partículas moleculares que se encuentran en constante movimiento. Puesto que el calor se asocia con un cambio de Temperatura y ésta a su vez se relaciona con la energía molecular interna de una sustancia, se puede concluir que el calor es una forma de energía: Energía térmica que fluye de un sistema de mayor temperatura a otro de menor.
Así que la temperatura no es una medida del calor de un cuerpo, es energía interna que se incrementa cuando aumenta la temperatura. La variación en la energía interna de un cuerpo no solo se da por el suministro de calor, también se puede dar por la acción de otra forma de energía.
Cuando se suministra calor a una sustancia, se puede elevar su Temperatura y producir alteraciones de sus propiedades físicas, como el tamaño de los cuerpos ya que la mayoría de ellos se dilatan al calentarse y se contraen al enfriarse.
DILATACIÓN
Los cambios de Temperatura afectan el tamaño de los cuerpos, pues la mayoría de ellas se dilatan al calentarse y se contraen al enfriarse. Los gases se dilatan al calentarse mucho mas que los líquidos y estos mucho mas que los sólidos.
Los gases y los líquidos, son partículas que chocan unas contra otras en forma continua, pero si se calientan, chocan violentamente revotando a mayores distancias y provocando la dilatación.
Por el contrario, al bajar la temperatura, las partículas vibran menos y el sólido se contrae.
La dilatación tiene una multitud de aplicaciones, además de los que hemos visto en los Termómetros, por ejemplo:
Se utilizan en termómetros, refrigeradores, refrigeraciones, etc.
Existen 3 tipos de dilatación:
- Lineal
- Superficial
- Cúbica o Volumétrica
DILATACIÓN LINEAL
La dilatación lineal ocurre en los materiales que presentan una forma alargada, como lo es una barra sólida de cualquier material, al calentarse sufre un aumento en su dimensiónes. al elevarse la temperatura en un cuerpo sólido como alambres, barillas, o barras , estos experimentan un aumento de longitud, es decir, sufren una dilatación lineal.
Coeficiente de dilatación lineal.
Se le llama coeficiente de dilatación lineal de una sustancia sólida al incremento que experimenta la unidad de longitud al aumentar su temperatura en 1°C.
El coeficiente se presenta por la letra griega ALFA (α) y para el calculo se utiliza la siguiente ecuación:
α= Lf- Li
Li (Tf-Ti)
Donde:
α= coeficiente de dilatación lineal
Li= Longitud Inicial ( m, cm, mm)
Lf= Longitud Final (m, cm, mm)
Tf= Temperatura Final (°C)
Ti= Temperatura Inicial (°C)
La formula para calcular la dilatación lineal es la siguiente:
Longitud Final:
Lf= Li [ 1+ α (Tf-Ti)]
Dilatación Final:
∆F= Lf-Li
COEFICIENTES DE DILATACIÓN LINEAL
sustancia α (alfa)
Aluminio------------------24x10^(-6)
Laton----------------------18x10^(-6)
Cobre---------------------16.6x10^(-6)
Bronze--------------------18x10^(-6)
Fierro --------------------11.7x10^(-6)
Plata----------------------18.3x10^(-6)
Plomo--------------------27.3x10^(-6)
Vidrio---------------------7.3x10^(-6)
Acero--------------------11.5x10^(-6)
DILATACIÓN SUPERFICIAL
Este tipo de dilatación se lleva a cabo como su nombre lo dice en las superficies o áreas de laminas muy delgadas de los cuerpos, por un aumento en la temperatura suscede el fenómeno contrario ( contraerse) por una disminución en la temperatura. La dilatación supericial es la expanción de un cuerpo en dos dimenciones y para calcular se utiliza el coeficiente de dilatación superficial llamado GAMMA (Y) que simboliza al coeficiente y equivale a dos veces alfa ( Y= 2 veces α).
La formula para calcular la superficie Final (Sf) y dilatación (∆) es la siguiente:
Sf = Si [ 1+ Y (Tf- Ti ) ]
DONDE:
Sf= Superficie Final ( m^2 , cm ^2 , mm^2)
Si = Superficie Inicial ( m^2 , cm ^2 , mm^2)
Tf= Temperatura Final (°C)
Ti= Temperatura Inicial (°C)
Y= Gamma
Dilatación Superficial:
∆S= Sf-Si
donde:
Vi= Volumen Inicial
El calor es una forma de energía en tránsito que se transmite de un cuerpo a otro o entre dos partes de un mismo cuerpo que se encuentran en diferente temperatura. De manera natural, esta transferencia de calor ocurre del cuerpo de mayor al de menor temperatura por medio de alguno de los tres procesos siguientes:
Conducción: Es el proceso mediante el cual se transmite calor debido al movimiento de las moléculas a lo largo de un medio material. El medio no se mueve.
Convección: Es el proceso mediante el cual se transmite calor debido al movimiento real de la masa de un fluido.
Radiación: Es el proceso mediante el cual se transfiere calor a través de ondas electromagnéticas.
En el Sistema Internacional de Medidas, el calor que se transfiere entre los cuerpos se expresa en joules (J). También se mide en algunas otras unidades que, aun cuando no corresponden al SI, son muy utilizadas, como la caloría, la kilocaloría y la unidad termina británica ( Btu: British thermal unit)
Conducción
La energía térmica se transmite por conducción en un material debido al movimiento y la colisiones de sus moléculas. Es importante saber también que los electrones, al ser estimulados térmicamente, se disocian de su atomo de origen y adquieren la posibilidad de moverse de uno a otro átomo, contribuyendo así a la transferencia de calor. Según el número de electrones libres y el movimiento molecular, hay materiales que son mejores conductores del calor que otros. Así, por ejemplo, la plata es mejor conductor que el cobre, el cobre es mejor que el aluminio, el aluminio es mejor que el vidrio y el vidrio es mejor conductor que la madera.
La cantidad de calor que se transfiere (Q) a través de un material por unidad de tiempo (t) se denomina rapidez de conducción (H) y guarda relación con tres factores: Diferencia de Temperatura , área y longitud o espesor.
Donde:
H= Rapidez con la que se transfiere el calor
A= Área o sección transversal
L= Longitud o espesor
K= Constante de proporcionalidad denominada conductividad térmica.
Esta ecuación se aplica no solo en paredes, si no tambien en muros, varillas, etc., siempre y cuando la transmisión de calor se lleve a cabo por conducción.
La conductividad térmica k depende de cada material y este valor guarda relación con su capacidad para transferir calor. Los valores altos de k los poseen las sustancias mejor conductoras de calor, a su vez, los valores bajos son propios de malos conductores de calor o aislantes.
Como vimos antes, entre muchos materiales, los metales son buenos conductores del calor, y otros son tan malos conductores que se utilizan como aislantes, como son aire, tela, fibra de vidrio y corcho. El poder aislante de estos materiales radica, en que por ser materiales porosos, tienen aire atrapado en los espacios libres, sin embargo si entran en contacto con agua o humedad, pierden esa propiedad.
La expresión matematica para calcular la rapidez de transferencia de calor por cunducción incluye un termino representado por k , denominado conductividad térmica. Las unidades de la medida de la conductividad térmica en el SI son: J / s m °C, también puede expresarse en W / m K debido a que J /s = watt ( W ) y los intervalos de temperatura de °C y K son iguales. Adicionalmente, siguen utilizandose algunas otras unidades como : Btu in / ft² h °F, o bien, kcal / s m °C.
CONVECCIÓN
La convección es un proceso de transmisión del calor mediante un movimiento de la masa de fluído de una región de alta temperatura a otra de menor temperatura. Por ello, esta forma de transferencia de calor es propia de los liquidos y gases. Gracias a la convección, es posible hervir el agua; esto sucede porque las capas inferiores, al calentarse, se vuelven menos densas que las capas superiores y se desplazan hacia arriba, provocando que el agua fría con mayor densidad que el agua caliente y que esta en la parte superior, se mueva hacia abajo.
Cuando la convección se produce por la diferencia de densidades de un fluido, el proceso consiste en una convección natural; si el fluido es obligado a moverse por algún medio mecánico, la convección es forzada. Esto ultimo ocurre cuando el fluido se mueve, por ejemplo, por un efecto de un ventilador, una bomba o un calefactor.
La transmisión de calor por convección se ve afectada por varios factores, entre ellos se pueden mencionar la diferencia de temperaturas, la densidad del fluido, la diferencia de presión, la geometría y espereza de la superficie en contacto con el fluido y el tipo de flujo. El calculo de la rapidez de transmisión de calor por convección no es una tarea sencilla y las estimaciones que se hacen son poco confiables.
RADIACIÓN
La radiación es una forma de transferencia de energía térmica que consiste en la emisión continua de energía electromagnética a través del vacío o un medio material. Todos los objetos emiten energía radiante en forma de ondas electromagnéticas y esta se incrementa al aumentar la temperatura de los cuerpos.
Los objetos siempre están irradiando energía, pero también la están absorbiendo de otros objetos que se encuentran en su entorno. Si no absorbieran energía y solo la emitieran, su temperatura bajaría hasta el 0 absoluto, situación que no ocurre; sin embargo, si un objeto irradia mas energía que la que absorbe, se enfría.
Por ello se dice que un objeto está en equilibrio con su entorno cuando irradia y absorbe energía en la misma proporción y, por tanto, su temperatura permanece constante.
Un objeto que emite eficientemente radiación térmica también suele absorberla de la misma manera. Un material absorbente ideal absorbe toda la radiación que incide sobre el ( cuerpo negro ) y, por consiguiente, también es un radiador ideal. Los objetos ideales no existen; sin embargo, se ah demostrado que las superficies negras absorben y emiten mejor la energía radiante que las blancas.
La capacidad que tiene un cuerpo para absorber o emitir radiación térmica se denomina emisividad (e). Dependiendo de la naturaleza de los materiales, la emisividad varía entre 0 y 1; por ejemplo, la plata perfectamente pulida tiene un valor de emisividad muy cercano a 0 y la de un cuerpo negro es de 1.
La siguiente tabla muestra la emisividad de algunos materiales:
La radiación emitida por los cuerpos puede ser medida mediante una técnica denominada termografía, la cual se vasa en que la cantidad de energía irradiada depende de la temperatura de los cuerpos y de su emisividad. La termografía tiene numerosas aplicaciones; por ejemplo, en la industria, para detectar fallas o problemas potenciales en instalaciones eléctricas mecánicas y estructuras de material refractario. Las instalaciones industriales en igualdad de circunstancias de desempeño deberían tener la misma temperatura y cualquier diferencia indicaría una posible falla en el sistema que sería detectada por una cámara térmica.
La cantidad de energía radiante emitida por unidad de tiempo esta dada por la ley de Stefan-Boltzmann. Según esta ley, el calor irradiado por unidad de tiempo es proporcional a la temperatura absoluta elevada a la cuarta potencia y se expresa asi:
radiador ideal, también llamado cuerpo negro)
Ahora veremos otros conceptos importantes relacionados con el calor, como son: Capacidad calorífica, calor especifico, calor latente y cambios de fase.
UNIDADES DE MEDICIÓN
El Joule es la unidad de energía que, detallada en su unidades fundamentales, corresponde a 1 N m ( Newton X metro ) y esto a su vez a 1 ( kg m ) m, es decir, 1 ( kg m^2).
s^2 s^2
Mucho tiempo antes de que el calor fuera concebido como una forma de energía, se había establecido una unidad de medida denominada caloría. Por ello, además del Joule, el calor se puede expresar también en kilocaloría (kcal), caloría (cal) y en unidad térmica británica (Btu).
a) La caloría (cal) es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius ( de 14.5°C a 15.5 °C ).
b) La kilocaloría (kcal) es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un kilogramo de agua en un grado Celsius ( de 14.5°C a 15.5 °C ).
c) La unidad Térmica británica (Btu) es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra (lb) de agua en un grado Fahrenheit ( de 63 °F a 64°F).
CAPACIDAD CALORÍFICA
El calor o energía térmica, al ser suministrado a un cuerpo, le produce alteraciones en sus propiedades físicas: se eleva su temperatura, se dilata o varía su presión. La elevacion de temperatura depende del tipo y cantidad de material al que se le suministre energía térmica. Por ejemplo, si se calientan 200 ml de agua y 200 ml de aceite mediante una fuente de calor similar durante el mismo tiempo, se podrá observar que no alcanza la misma temperatura. Lo mismo sucede con otros materiales, pues cada cuerpo tiene capacidad diferente para absorber o liberar energía térmica. Esta propiedad, por la cual un cuerpo al suministrarle calor registra determinada variación de temperatura, se conoce como capacidad calorífica.
Se define como la relación del calor suministrado respecto al correspondiente incremento de temperatura del cuerpo y se representa matemáticamente por la ecuación :
DONDE:
c: Capacidad calorifica
Q: Cantidad de calor absorbida
∆ T: Incremento de la temperatura
Cuanto mayor es la capacidad calorífica de un material, mayor es la cantidad de calor que se le debe suministrar para producir un determinado incremento de temperatura. De igual manera, los materiales con mayor capacidad calorífica, cuando sufren un decremento de temperatura, ceden mayor cantidad de calor.
El siguiente cuadro muestra las capacidades caloríficas de algunos materiales.
Dos cuerpos, echos del mismo material pero con masa diferente, tendrán también capacidades caloríficas distintas. No es lo mismo elevar la temperatura de 10gr. que de 100gr. de la mima sustancia. Por ello, existe otro concepto denominado calor específico que revisaremos a continuación.
CALOR ESPECIFICO
El calor especifico es la relación que existe entre la capacidad calorífica ( c) y la masa ( m) de un material. Por ejemplo, si calentamos 200 mL de agua en un recipiente y en otro 500mL de la misma, suministrándoles la misma cantidad de calor durante el mismo tiempo, los 200mL de agua alcanzaran una temperatura mayor que los 500mL. Ambas cantidad de agua tienen diferentes capacidades caloríficas aun cuando se trata de la misma sustancia. Ahora bien, si dividimos la capacidad calorífica entre la masa del agua, obtendremos una relación en la que, para cada gramo de agua el valor es el mismo. Lo mismo sucedería con cualquier otra sustancia. Este valor se llama calor especifico y varia de un material a otro.
El calor especifico se puede definir como la cantidad de calor necesaria para elevar en 1°C la temperatura de 1gr de una sustancia
Calor específico = c como c = Q
m ∆ T
Entonces Calor específico = Q por consiguiente
∆ T
m
Calor específico = Q
m ∆ T
DONDE=
Q = Energía calorífica
m = masa (gr, kg, lb)
∆ T = Variación de temperatura (°C, °F, K )
Para mayor claridad se presenta el siguiente cuadro con las diferencias entre ambos conceptos:
El calor específico de una sustancia suele variar con la presión o el volumen, por ello habrá de especificarse si se trata e un valor de calor específico a presión constante (cp), o bien, de uno a volumen constante (cv). La expresión matemática de calor específico a presión constante esta dada por:
DONDE:
Sf= Superficie Final ( m^2 , cm ^2 , mm^2)
Si = Superficie Inicial ( m^2 , cm ^2 , mm^2)
Tf= Temperatura Final (°C)
Ti= Temperatura Inicial (°C)
Y= Gamma
Dilatación Superficial:
∆S= Sf-Si
donde:
Sf= Superficie final.
Si= Superficie Inicial.
Si= Superficie Inicial.
DILATACIÓN VOLUMÉTRICA
Este tipo de dilatación se lleva a cabo en aquellos cuerpo que presentan un determinado volumen, por un aumento de Temperatura, en el cual el cuerpo se dilata en sus tres dimensiones, es decir; largo, ancho y alto de la figura.
Para calcular Dilatación Volumétrica es necesario utilizar el coeficiente respectivo llamado BETA ( β), el cual equivale a 3 veces α (ALFA)
Vf= Vi [ 1+ β ( Tf - T i)
Donde:
Vf= Volumen Final
Vi= Volumen Inicial
β= BETA (3 veces α)
Tf= Temperatura Final
Ti= Temperatura Inicial
Ti= Temperatura Inicial
∆V = Vf-Vi
Donde:
Vf= Volumen Final
Vi= Volumen Inicial
1.3 FORMAS DE TRANSMISIÓN DEL
CALOR
El calor es una forma de energía en tránsito que se transmite de un cuerpo a otro o entre dos partes de un mismo cuerpo que se encuentran en diferente temperatura. De manera natural, esta transferencia de calor ocurre del cuerpo de mayor al de menor temperatura por medio de alguno de los tres procesos siguientes:
Conducción: Es el proceso mediante el cual se transmite calor debido al movimiento de las moléculas a lo largo de un medio material. El medio no se mueve.
Convección: Es el proceso mediante el cual se transmite calor debido al movimiento real de la masa de un fluido.
Radiación: Es el proceso mediante el cual se transfiere calor a través de ondas electromagnéticas.
En el Sistema Internacional de Medidas, el calor que se transfiere entre los cuerpos se expresa en joules (J). También se mide en algunas otras unidades que, aun cuando no corresponden al SI, son muy utilizadas, como la caloría, la kilocaloría y la unidad termina británica ( Btu: British thermal unit)
Conducción
La energía térmica se transmite por conducción en un material debido al movimiento y la colisiones de sus moléculas. Es importante saber también que los electrones, al ser estimulados térmicamente, se disocian de su atomo de origen y adquieren la posibilidad de moverse de uno a otro átomo, contribuyendo así a la transferencia de calor. Según el número de electrones libres y el movimiento molecular, hay materiales que son mejores conductores del calor que otros. Así, por ejemplo, la plata es mejor conductor que el cobre, el cobre es mejor que el aluminio, el aluminio es mejor que el vidrio y el vidrio es mejor conductor que la madera.
La cantidad de calor que se transfiere (Q) a través de un material por unidad de tiempo (t) se denomina rapidez de conducción (H) y guarda relación con tres factores: Diferencia de Temperatura , área y longitud o espesor.
H= Q / t
La rapidez de conducción del calor atraves de un material puede ser calculada mediante la expresión:
H= Q / t = kA c T
L
H= Rapidez con la que se transfiere el calor
A= Área o sección transversal
L= Longitud o espesor
K= Constante de proporcionalidad denominada conductividad térmica.
Esta ecuación se aplica no solo en paredes, si no tambien en muros, varillas, etc., siempre y cuando la transmisión de calor se lleve a cabo por conducción.
La conductividad térmica k depende de cada material y este valor guarda relación con su capacidad para transferir calor. Los valores altos de k los poseen las sustancias mejor conductoras de calor, a su vez, los valores bajos son propios de malos conductores de calor o aislantes.
Como vimos antes, entre muchos materiales, los metales son buenos conductores del calor, y otros son tan malos conductores que se utilizan como aislantes, como son aire, tela, fibra de vidrio y corcho. El poder aislante de estos materiales radica, en que por ser materiales porosos, tienen aire atrapado en los espacios libres, sin embargo si entran en contacto con agua o humedad, pierden esa propiedad.
La expresión matematica para calcular la rapidez de transferencia de calor por cunducción incluye un termino representado por k , denominado conductividad térmica. Las unidades de la medida de la conductividad térmica en el SI son: J / s m °C, también puede expresarse en W / m K debido a que J /s = watt ( W ) y los intervalos de temperatura de °C y K son iguales. Adicionalmente, siguen utilizandose algunas otras unidades como : Btu in / ft² h °F, o bien, kcal / s m °C.
La tabla muestra los valores de la conductividad térmica de algunas sustancias:
En el cálculo de transferencia de calor en viviendas y ciertos edificios, sobre todo en lugares donde hace mucho frío o calor, se debe considerar todos los materiales, así como los aislantes que componen las paredes y techos. Se tiene así otro concepto llamado resistencia Térmica (R), que equivale a :
R= Σi (Li /ki)
DONDE:
R= Resistencia Térmica
Li= Espesor de los componentes
ki= Conductividad Térmica de los materiales.
La convección es un proceso de transmisión del calor mediante un movimiento de la masa de fluído de una región de alta temperatura a otra de menor temperatura. Por ello, esta forma de transferencia de calor es propia de los liquidos y gases. Gracias a la convección, es posible hervir el agua; esto sucede porque las capas inferiores, al calentarse, se vuelven menos densas que las capas superiores y se desplazan hacia arriba, provocando que el agua fría con mayor densidad que el agua caliente y que esta en la parte superior, se mueva hacia abajo.
Cuando la convección se produce por la diferencia de densidades de un fluido, el proceso consiste en una convección natural; si el fluido es obligado a moverse por algún medio mecánico, la convección es forzada. Esto ultimo ocurre cuando el fluido se mueve, por ejemplo, por un efecto de un ventilador, una bomba o un calefactor.
La transmisión de calor por convección se ve afectada por varios factores, entre ellos se pueden mencionar la diferencia de temperaturas, la densidad del fluido, la diferencia de presión, la geometría y espereza de la superficie en contacto con el fluido y el tipo de flujo. El calculo de la rapidez de transmisión de calor por convección no es una tarea sencilla y las estimaciones que se hacen son poco confiables.
RADIACIÓN
La radiación es una forma de transferencia de energía térmica que consiste en la emisión continua de energía electromagnética a través del vacío o un medio material. Todos los objetos emiten energía radiante en forma de ondas electromagnéticas y esta se incrementa al aumentar la temperatura de los cuerpos.
Los objetos siempre están irradiando energía, pero también la están absorbiendo de otros objetos que se encuentran en su entorno. Si no absorbieran energía y solo la emitieran, su temperatura bajaría hasta el 0 absoluto, situación que no ocurre; sin embargo, si un objeto irradia mas energía que la que absorbe, se enfría.
Por ello se dice que un objeto está en equilibrio con su entorno cuando irradia y absorbe energía en la misma proporción y, por tanto, su temperatura permanece constante.
Un objeto que emite eficientemente radiación térmica también suele absorberla de la misma manera. Un material absorbente ideal absorbe toda la radiación que incide sobre el ( cuerpo negro ) y, por consiguiente, también es un radiador ideal. Los objetos ideales no existen; sin embargo, se ah demostrado que las superficies negras absorben y emiten mejor la energía radiante que las blancas.
La capacidad que tiene un cuerpo para absorber o emitir radiación térmica se denomina emisividad (e). Dependiendo de la naturaleza de los materiales, la emisividad varía entre 0 y 1; por ejemplo, la plata perfectamente pulida tiene un valor de emisividad muy cercano a 0 y la de un cuerpo negro es de 1.
La siguiente tabla muestra la emisividad de algunos materiales:
La radiación emitida por los cuerpos puede ser medida mediante una técnica denominada termografía, la cual se vasa en que la cantidad de energía irradiada depende de la temperatura de los cuerpos y de su emisividad. La termografía tiene numerosas aplicaciones; por ejemplo, en la industria, para detectar fallas o problemas potenciales en instalaciones eléctricas mecánicas y estructuras de material refractario. Las instalaciones industriales en igualdad de circunstancias de desempeño deberían tener la misma temperatura y cualquier diferencia indicaría una posible falla en el sistema que sería detectada por una cámara térmica.
La cantidad de energía radiante emitida por unidad de tiempo esta dada por la ley de Stefan-Boltzmann. Según esta ley, el calor irradiado por unidad de tiempo es proporcional a la temperatura absoluta elevada a la cuarta potencia y se expresa asi:
P= σ Ae T^4
DONDE:
P= Potencia radiante expresada en watts ( 1 watt = 1 J /s)
e = Emisividad, coeficiente que depende de la naturaleza del cuerpo radiante ( α= 1 para un P= Potencia radiante expresada en watts ( 1 watt = 1 J /s)
radiador ideal, también llamado cuerpo negro)
σ= constante de Stefan- Boltzmann y equivale a 5.67 x10 ^-8 W/m^2 K^4)
A= área de la superficie radiante en m^2
T^4= Temperatura del objeto emisor de radiación térmica en Kelvin.
1.4 CANTIDAD DE CALOR
Ahora veremos otros conceptos importantes relacionados con el calor, como son: Capacidad calorífica, calor especifico, calor latente y cambios de fase.
UNIDADES DE MEDICIÓN
El Joule es la unidad de energía que, detallada en su unidades fundamentales, corresponde a 1 N m ( Newton X metro ) y esto a su vez a 1 ( kg m ) m, es decir, 1 ( kg m^2).
s^2 s^2
Mucho tiempo antes de que el calor fuera concebido como una forma de energía, se había establecido una unidad de medida denominada caloría. Por ello, además del Joule, el calor se puede expresar también en kilocaloría (kcal), caloría (cal) y en unidad térmica británica (Btu).
a) La caloría (cal) es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius ( de 14.5°C a 15.5 °C ).
b) La kilocaloría (kcal) es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un kilogramo de agua en un grado Celsius ( de 14.5°C a 15.5 °C ).
c) La unidad Térmica británica (Btu) es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra (lb) de agua en un grado Fahrenheit ( de 63 °F a 64°F).
CAPACIDAD CALORÍFICA
El calor o energía térmica, al ser suministrado a un cuerpo, le produce alteraciones en sus propiedades físicas: se eleva su temperatura, se dilata o varía su presión. La elevacion de temperatura depende del tipo y cantidad de material al que se le suministre energía térmica. Por ejemplo, si se calientan 200 ml de agua y 200 ml de aceite mediante una fuente de calor similar durante el mismo tiempo, se podrá observar que no alcanza la misma temperatura. Lo mismo sucede con otros materiales, pues cada cuerpo tiene capacidad diferente para absorber o liberar energía térmica. Esta propiedad, por la cual un cuerpo al suministrarle calor registra determinada variación de temperatura, se conoce como capacidad calorífica.
Se define como la relación del calor suministrado respecto al correspondiente incremento de temperatura del cuerpo y se representa matemáticamente por la ecuación :
c= Q/ ∆ T
DONDE:
c: Capacidad calorifica
Q: Cantidad de calor absorbida
∆ T: Incremento de la temperatura
Cuanto mayor es la capacidad calorífica de un material, mayor es la cantidad de calor que se le debe suministrar para producir un determinado incremento de temperatura. De igual manera, los materiales con mayor capacidad calorífica, cuando sufren un decremento de temperatura, ceden mayor cantidad de calor.
El siguiente cuadro muestra las capacidades caloríficas de algunos materiales.
MATERIAL
|
CAPACIDAD CALÓRICA
|
Kcal/m³ °C
|
|
Agua
|
1000
|
Acero
|
950
|
Tierra seca
|
660
|
Granito
|
529
|
Madera de roble
|
430
|
Ladrillo
|
400
|
Madera de pino
|
384
|
Piedra arenisca
|
374
|
Piedra caliza
|
484
|
Aire
|
0.29
|
Dos cuerpos, echos del mismo material pero con masa diferente, tendrán también capacidades caloríficas distintas. No es lo mismo elevar la temperatura de 10gr. que de 100gr. de la mima sustancia. Por ello, existe otro concepto denominado calor específico que revisaremos a continuación.
CALOR ESPECIFICO
El calor especifico es la relación que existe entre la capacidad calorífica ( c) y la masa ( m) de un material. Por ejemplo, si calentamos 200 mL de agua en un recipiente y en otro 500mL de la misma, suministrándoles la misma cantidad de calor durante el mismo tiempo, los 200mL de agua alcanzaran una temperatura mayor que los 500mL. Ambas cantidad de agua tienen diferentes capacidades caloríficas aun cuando se trata de la misma sustancia. Ahora bien, si dividimos la capacidad calorífica entre la masa del agua, obtendremos una relación en la que, para cada gramo de agua el valor es el mismo. Lo mismo sucedería con cualquier otra sustancia. Este valor se llama calor especifico y varia de un material a otro.
El calor especifico se puede definir como la cantidad de calor necesaria para elevar en 1°C la temperatura de 1gr de una sustancia
Calor específico = c como c = Q
m ∆ T
Entonces Calor específico = Q por consiguiente
∆ T
m
Calor específico = Q
m ∆ T
DONDE=
Q = Energía calorífica
m = masa (gr, kg, lb)
∆ T = Variación de temperatura (°C, °F, K )
Para mayor claridad se presenta el siguiente cuadro con las diferencias entre ambos conceptos:
Propiedad
|
Definición
|
Fórmula
|
Unidades
|
Características
|
Capacidad calorífica
|
Relación del calor suministrad a una sustancia respecto del
correspondiente incremento de temperatura
|
C= Q/ ΔT
|
Cal/°C
J/°C
Kcal/°C
|
Su valor cambia de un material a otro y también entre cantidades
diferentes del mismo material. Su valor depende del volumen o masa de un
objeto
|
Calor específico (capacidad calorífica específica)
|
Relación que existe entre la capacidad calorífica y la masa de un
material.
Cantidad de calor necesaria para elevar un grado Celsius la
temperatura de un gramo de una sustancia
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Calor específico= Q/m ΔT
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J/Kg°C
Cal/g°C
Btu/lb°F
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Su valor cambia de un material a otro y se mantiene igual entre
cantidades diferentes del mismo material.
Su valor depende del material y no del objeto (hierro, cobre, agua,
aceite)
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El calor específico de una sustancia suele variar con la presión o el volumen, por ello habrá de especificarse si se trata e un valor de calor específico a presión constante (cp), o bien, de uno a volumen constante (cv). La expresión matemática de calor específico a presión constante esta dada por:
Cp= Q/ m ∆T Por tanto.... Q= m Cp ∆T
El siguiente cuadro, el cual contiene algunos valores de calor específico a presión constante.
Sustancia
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Calor Específico (Cp) CAL/G°C
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Agua
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1.00
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Hielo
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0.50
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Vapor
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0.48
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Alcohol etílico
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0.60
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Hierro
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0.113
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Cobre
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0.093
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Aluminio
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0.217
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Plata
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0.056
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Vidrio
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0.199
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Mercurio
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0.033
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Plomo
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0.031
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Oro
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0.03
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