Transferencia de Calor: Conceptos Fundamentales
Variación de Temperatura
La variación de temperatura de un cuerpo depende de varios factores:
- Masa: A mayor masa, mayor energía se necesita para elevar su temperatura.
- Calor específico: Es la cantidad de calor necesaria para elevar 1 gramo de una sustancia 1 grado Celsius. Cada sustancia tiene un calor específico propio, que determina su capacidad para almacenar energía térmica.
- Calor transferido: La cantidad de calor transferido se calcula mediante la fórmula Q = m·c·(T2-T1), donde Q es el calor transferido, m es la masa, c es el calor específico y T2 y T1 son las temperaturas final e inicial, respectivamente.
Inercia Térmica del Agua
El agua tiene una alta inercia térmica debido a su alto calor específico y su gran masa. Esto significa que el agua absorbe mucho calor sin aumentar significativamente su temperatura y se enfría lentamente. Esta propiedad explica las diferencias térmicas entre climas continentales y costeros.
Análisis del Fenómeno Térmico
Para analizar un fenómeno térmico, se deben considerar los siguientes aspectos:
- Identificación de los sistemas que interactúan: Se debe identificar qué sistemas están intercambiando calor.
- Caracterización de los estados de ambos sistemas: Se debe determinar la temperatura inicial y final de cada sistema.
- Comparación de temperaturas: Se debe comparar la temperatura inicial y final de cada sistema para determinar la dirección del flujo de calor.
- Balance energético: Se debe calcular la cantidad de calor transferido entre los sistemas.
- Equilibrio térmico: Se debe determinar si los sistemas alcanzan el equilibrio térmico, es decir, si sus temperaturas se igualan.
Calor y Cambio de Estado
El calor puede provocar un aumento de temperatura o un cambio de estado de la materia. Si la temperatura no corresponde a la temperatura de cambio de estado, se produce un aumento de la energía cinética de las partículas y, por lo tanto, un aumento de la temperatura. Si la temperatura corresponde a la temperatura de cambio de estado, la temperatura permanece constante mientras dura el cambio de estado, siempre y cuando la sustancia sea pura. La energía transferida debilita las fuerzas que mantienen unidas las partículas, modificando la organización interna de la sustancia.
La energía necesaria para que una sustancia cambie de estado depende de su masa y de su naturaleza. Se calcula mediante la fórmula Q = ± m·Ql, donde Q es la energía necesaria, m es la masa y Ql es el calor latente, que es la energía necesaria para producir el cambio de estado de 1 gramo de la sustancia a la temperatura de cambio de estado.
Cambios de Estado
Vaporización
La vaporización es el proceso por el cual un líquido se transforma en gas. Puede ocurrir de dos maneras:
- Evaporación: Es un proceso lento que ocurre a cualquier temperatura y presión en la superficie del líquido.
- Ebullición: Es un proceso rápido que ocurre a una temperatura específica, llamada punto de ebullición.
Rapidez de Evaporación
La rapidez de evaporación depende de varios factores:
- Área de superficie libre: A mayor área de superficie libre, mayor número de moléculas pueden escapar del líquido.
- Temperatura: A mayor temperatura, mayor energía cinética de las moléculas y mayor probabilidad de que escapen del líquido.
- Humedad: En un ambiente húmedo, hay más moléculas de vapor de agua en el aire, lo que dificulta la evaporación.
- Viento: El viento arrastra las moléculas de vapor de agua que se forman cerca de la superficie del líquido, lo que aumenta la rapidez de evaporación.
Ebullición
Cada sustancia tiene un punto de ebullición específico. Para que un líquido hierva, se debe suministrar energía para que el proceso se mantenga. Esta energía se denomina calor latente de vaporización. Durante la ebullición, la temperatura del líquido permanece constante y el vapor está a la misma temperatura que el líquido.
Expansión y Contracción Térmica
Los materiales se expanden al calentarse y se contraen al enfriarse. La expansión y contracción térmica es más pronunciada en los gases, seguida de los líquidos y los sólidos. Esta propiedad tiene importantes aplicaciones en la vida diaria:
- Construcción: Las aceras y carreteras se construyen en pequeños tramos para evitar las grietas que se formarían por el cambio de temperatura.
- Odontología: Los materiales de relleno dental se diseñan para que se expandan en la misma proporción que los dientes.
- Expansión del agua: El agua es una excepción a la regla general de expansión térmica. El hielo ocupa un volumen mayor que el agua líquida, por lo que es menos denso y flota. Esta propiedad es fundamental para la vida acuática.
Expansión del Agua entre 0°C y 4°C
El agua líquida se contrae al aumentar su temperatura desde el punto de fusión del hielo (0°C) hasta los 4°C. Esto se debe a la estructura molecular del agua. A causa de la alta capacidad calorífica del agua, el agua del fondo de los lagos tiene una temperatura constante de 4°C durante todo el año.
Transmisión de Calor
El calor se puede transmitir de tres maneras:
Conducción
La conducción es la transferencia de calor por contacto directo entre partículas. Un buen conductor es un material que permite que el calor se transmita fácilmente a través de él. Un mal conductor es un buen aislante. Los líquidos y los gases son buenos aislantes, ya que sus partículas están más separadas y no transmiten el calor tan fácilmente.
Convección
tiene que existir una variación de la densidad y la presencia de la fuerza de la gravedad. Cuando un fluido se calienta se expande, se hace menos denso y sube. Calefaccion (calor se distribuye, convección forzado o creadas por ventilador) Cuerpo humano (sangre) Vientos y brisas (la absorción desigual causa que el aire próximo a la superficie se caliente de manera no homogénea y crea corrientes de convección. Brisas: en el dia la costa se caleinta + fácil que el agua, el aire sobre el suelo se eleva y el proveniente del agua mas fresco ocupa su lugar (brisa marina) en la noche la costa se enfria + rápido que el agua y el aire caliente está sobre el mar. Si haces una hoguera en la playa el humo es arrastrado tierra adentro durante el dia y hacia el mar por la noche) Radiacion (energía que atraviesa la atmosfera y calienta la superficie terrestre) Emision energía radiante (todos los cuerpos irradian E de manera continua en forma de ondas electromagnéticas:filamento lámpara. Cuerpos con Tª baja ondas largas. Tª alta longitud onda menor. Al rojo blanco a 1200º donde se emiten longitudes de onda a la que el ojo es sensible. Sensacion de calor por ondas infrarrojas de onda corta que absorbe nuestra piel. Termografia: determina Tª a distancia sin necesidad de contacto físico con el objeto a estudiar) Absorcion E radiante (abosrcion y reflexión procesos opuestos. Buen absorbente se ve oscuro: las pupilas dejan entrar E radiante sin reflejarla y se ve negra, cuando sale el ojo rojo por flash es pq se refleja la luz directamente en la retina. Buen reflector: superficies claras reflejan mucho y absorben e irradian poco, superficies oscuras al revés. Un acabado mate absorbe mejor que uno pulido. Si la superficie absorbe + E de la que emite es un absorbente neto, si emite + de la que absrbe es un emisor neto) En un dia soleado superficie terrestre absorbente neto y por la noche es un emisor neto. En noche despejada el entorno de la superficie terrestre es el espacio y el enfriamiento es + rápido que en una noche nublada. Chimeneas de leña el calor se va por ella por convección, el calor que percibimos es por radiación.
Metodo cocinado: Hervido, escaldado y escalfado (convección en el agua, conducción en contacto con alimento) Al vapor, olla a presión y guisado (conducción y convección de los liquidos) Horneado (conducción desde el aire caliente, radiación desde paredes del horno) Parrilla o plancha (radiación, conducción si se utiliza plancha) Frito y sofrito (conducción y convección de liquidos) Rehogado (conducción) microondas (la radiación electromagnética genera calor en el alimento, después por conducción pasa de unas a otras zonas del mismo)