Mecanismos de transmisión de calor

Transcripción

1 Mecanismos de transmisión de calor por Enrique Hernández La forma como recibes o utilizas el calor en tus actividades es por mecanismos diferentes; por ejemplo, en ocasiones es necesario poner en contacto al fuego, el recipiente que quieres calentar, o bien para recibir el calor del sol sólo basta estar expuesto a él. En la Física se establecen tres mecanismos de transmisión del calor que son: a) onducción b) onvección c) Radiación Aunque los tres mecanismos se pueden presentar de manera simultánea, siempre existe uno que predomina sobre los demás. A continuación verás en qué consisten cada uno de estos mecanismos. onducción Se lleva a cabo sin movimiento relativo de las partículas que componen a los cuerpos en cuestión, y es el caso de la transmisión de calor a través de un objeto sólido. Ejemplo Al poner en contacto la punta de una varilla de hierro al fuego. El calor se concentra en el extremo de la varilla, aunque poco a poco se va transmitiendo a lo largo de ésta. Figura 1. onvección Es cuando la transmisión se realiza con movimiento relativo de las partículas que componen los cuerpos y es el caso de los fluidos líquidos o gaseosos. Ejemplo El agua de un recipiente colocado sobre un quemador de gas, se calienta uniformemente aunque sólo su parte inferior esté en contacto con la llama. Figura 2. Radiación Es la transferencia de calor por radiación electromagnética generalmente infrarroja. En la radiación las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. Ejemplo Es el principal mecanismo por el que se calienta una casa o una habitación con los rayos del sol. Figura 3. abla 1. Mecanismos de transmisión de calor. 1

2 Unidades de medición del calor Dado que el calor es una forma de energía, la unidad de medida en el sistema internacional es el Joule. Sin embargo, en la práctica se utilizará: la caloría, la kilocaloría y la BU, la cuales se definen de la siguiente manera: La caloría (cal): es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14.5 a 15.5 en condiciones normales. La kilocaloría (Kcal o AL): es un múltiplo de la caloría utilizado con mayor frecuencia. Se representa con letras mayúsculas (AL) y 1 kilocaloría = 1000 calorías. La BU (unidad térmica británica): es la cantidad de calor necesario para elevar un grado una libra de agua. alor específico El calor específico de una sustancia se define como la cantidad de calor necesaria para elevar un grado la temperatura de la unidad de masa de la sustancia. Se puede calcular con la fórmula: Donde, m : Masa del cuerpo [g] : apacidad térmica [cal/ ] c : alor específico [cal/g ] c = m La siguiente tabla muestra los valores del calor específico de distintas sustancias. Sustancia c(cal/g ) Sustancia c(cal/g ) Acero obre Hielo 0.55 Hierro Agua 1.00 Mercurio Vapor de agua 0.50 Oro Alcohol 0.59 Plata Aluminio 0.22 Plomo abla 2. Valores del calor específico para diversas sustancias. Resuelve ahora un problema para el cálculo del calor específico. 2

3 Ejemplos: uál es el calor específico de un objeto de hierro que tiene una masa de 10 g., si su capacidad térmica es de 0.55 cal/? Solución Los datos del problema son: = 0.55cal / m = 10g c =? Aplica la expresión y sustituye valores c = m 0.55cal / c = 10g c = 0.055cal / g alor emitido o absorbido por un cuerpo onociendo el calor específico de un cuerpo, es posible calcular la cantidad de calor que un cuerpo puede absorber o emitir sin alterar su estado físico. Esta cantidad de calor se expresa con la siguiente fórmula: alor absorbido =masa x calor específico x variación de temperatura Q = mc ( final inicial uando el valor de q es negativo quiere decir que en lugar de ser calor absorbido es calor emitido. ) 3

4 Ejemplos: El calor específico del plomo es de cal / g, qué cantidad de calor emiten 150g al enfriarse de 70 a 20? Solución Los datos del problema son: c = m = 150g inicial final = 70 = 20 Sustituyendo en la expresión del calor emitido: Q = mc ( final inicial Q = (150g)(0.031cal / g )(20 70 ) Q = (150)(0.031)( 50) cal Q = 232.5cal Por lo tanto, el cuerpo emitió calorías. ) Leyes de la termodinámica Se le llama termodinámica al estudio del calor y su transformación en energía mecánica, por lo que es básica para explicar los principios de funcionamiento de las máquinas térmicas como turbinas de vapor, refrigeradores, calderas o rectores nucleares. omencemos enunciando estas leyes. Primera ley de la termodinámica uando el calor fluye hacia un sistema, el sistema gana o pierde una cantidad de energía igual a la cantidad de calor transferido. Un sistema es un grupo de átomos, moléculas u objetos y en este caso un sistema puede ser el vapor de una máquina, siendo importante definir qué hay dentro del sistema y qué hay fuera de él. De manera más específica se define esta ley con la siguiente expresión: alor agregado a un sistema = Aumento de energía interna + rabajo externo efectuado En forma de ecuación, se escribe como: 4

5 Donde Δ E es el aumento de la energía interna. Q = Δ E + Esta primera ley no se ocupa de la estructura interna del sistema, solamente relaciona la energía calorífica suministrada al sistema o máquina térmica y el trabajo generado por la misma. Ejemplos: Si se agregan 80 J de calor a una turbina de vapor que efectúa 20 J de trabajo externo, cuánto aumentará la energía interna de tal sistema? Solución Los datos del problema son: Q = 80 J = 20 J ΔE =? Aplicando la expresión Q = ΔE + Despejando ΔE= Q Sustituyendo valores ΔE=80 J 20 J ΔE=60 J Por lo tanto, el incremento de energía interna es de 60 J. Segunda ley de la termodinámica Si colocas juntos dos objetos iguales, uno con temperatura de 5 y el otro con temperatura de 100, no es difícil comprender que el cuerpo de menor temperatura comenzará a ganar calor y el de mayor temperatura comenzará a ceder su calor de tal manera que su temperatura disminuirá. La segunda ley de la termodinámica explica este fenómeno con el siguiente enunciado: El calor nunca fluye por sí mismo de un objeto frío a uno caliente, 5

6 Lo que quiere decir esta ley es que la dirección del flujo del calor es de lo caliente a lo frío. Si sobre un sistema se efectúa un trabajo o se agrega energía de otra fuente, es posible que el calor fluya en dirección contraria, éste es el principio de las bombas térmicas o del aire acondicionado, que hacen que el calor circule de los lugares más fríos a los más calientes. Máquinas térmicas Una máquina térmica es cualquier dispositivo que transforma la energía interna en trabajo mecánico. El principio básico de este tipo de máquinas es que el trabajo mecánico se obtiene sólo cuando el flujo de calor pasa de una temperatura alta a una temperatura baja. Ejemplos de máquinas térmicas son: la máquina de vapor, el motor de combustión interna (como el motor de los automóviles) o los motores de reacción. ualquier máquina térmica sigue los siguientes pasos: 1. Gana calor de un depósito de alta temperatura, aumentando su energía interna. 2. onvierte parte de esa energía en trabajo mecánico. 3. Expulsa la energía restante en forma de calor a un depósito de menor temperatura llamado radiador. Figura 4. Eficiencia térmica: Es la máxima fracción de energía térmica consumida que una máquina puede convertir en trabajo y depende de la diferencia de temperatura entre el depósito caliente y el frío. Se expresa con la ecuación: caliente fria Eficiencia erminal = Las temperaturas deben expresarse en grados Kelvin. caliente 6

7 Ejemplos: alcula la eficiencia térmica de una turbina de vapor donde el depósito caliente está a 350K y el valor de salida está a 200K. Solución Aplicando la expresión, Sustituyendo valores, Eficiencia erminal = caliente fria caliente Eficiencia erminal = = = 43% 350 Motor de combustión interna Este tipo de motor utilizado en los automóviles consta de cuatro ciclos: 1. Una mezcla de aire-combustible del carburador que llena el cilindro. 2. El pistón asciende y comprime la mezcla. 3. La bujía produce una chispa que enciende la mezcla y la eleva a alta temperatura. 4. La expansión empuja el pistón hacia abajo. Los gases quemados son expulsados por el tubo de escape como se muestra en la siguiente figura: Figura 5. Representación gráfica de los ciclos de la combustión interna. 7

8 Referencias Enciclopedia. (2000). Guía interactiva del estudiante. iencia y tecnología. omo 2. México: Rezza editores. Hewitt, P. (2007). Física onceptual. (Victoria Augusta Flores Flores, rad.). 10ª edición. México: Pearson Educación. ippens, P. (2007). Física conceptos y aplicaciones. (Ángel arlos González Ruiz, Universidad Nacional Autónoma de México, rad.). Séptima edición. México: Mc Graw Hill. 8