El calor se transfiere de un cuerpo a una temperatura más alta a un cuerpo a una temperatura más baja. La transferencia de calor de un cuerpo a otro cuerpo puede tener lugar por cualquiera de los siguientes modos: Conducción, Convección y Radiación. Estos tres modos de transferencia de calor de un lugar a otro pueden entenderse con la ayuda de la siguiente actividad simple e interesante.
Supongamos que diez niños están sentados en fila. Un maestro le pide al primer niño de la fila que le entregue una manzana al último niño de la fila. Ahora, el primer niño puede entregar la manzana al último niño de la fila de tres maneras diferentes. Le entrega la manzana al segundo chico sin dejar su posición. El segundo niño se lo entrega al tercer niño de la misma manera.
- El proceso de entregar la manzana al siguiente niño continúa hasta que el último niño recibe la manzana. Este proceso de transferir la manzana de un niño a otro niño es equivalente a la conducción en la transferencia de calor .
- El primer niño después de recibir la manzana de su maestro se levanta y va hacia el último niño para entregarle la manzana y luego regresa a su posición. Este proceso de transferir la manzana del primer chico al último chico es equivalente a la convección en la transferencia de calor .
- El primer niño simplemente lanza la manzana hacia el último niño que recibe la manzana. Este proceso de transferencia de la manzana es equivalente a la radiación en la transferencia de calor . La radiación es el modo más rápido de transferir calor.
Conducción
El proceso por el cual el calor se transfiere de la parte caliente a la parte fría de un cuerpo a través de la transferencia de partículas de energía a otra partícula del cuerpo sin el movimiento real de las partículas desde sus posiciones de equilibrio en uno llamado conducción.
por ejemplo, la transferencia de calor de una parte a otra parte de un sólido se lleva a cabo a través de la conducción.
Buenos conductores: algunas sustancias permiten que el ritmo pase a través de ellas más fácilmente que otras. Las sustancias o sólidos que permiten que el calor los atraviese con mayor facilidad se denominan buenos conductores del calor. La plata (el mejor conductor), el cobre, el aluminio, el mercurio, etc. son ejemplos de buenos conductores del calor.
malos conductores-: por otro lado, las sustancias o sólidos que no permiten que el calor pase a través de ellos con mayor facilidad se denominan malos conductores de calor. Fieltro de vidrio, madera, mica, etc. son ejemplos de conductores de calor.
Mecanismo de Conducción Térmica
Según la teoría cinética de la materia, la energía cinética media de una molécula de un sistema es directamente proporcional a la temperatura. Por lo tanto, la colección de moléculas que tienen una energía cinética promedio grande están a temperaturas más altas que las moléculas que tienen una energía cinética promedio más baja.
Considere una varilla metálica de longitud L, cuyo extremo izquierdo está en contacto con un cuerpo caliente a temperatura T, y el extremo derecho está en contacto con el cuerpo frío a temperatura Aislante Varilla metálica T: (Figura 1). Las moléculas de la barra están muy juntas y no pueden moverse de una posición a otra de la barra. Sin embargo, pueden vibrar sobre su equilibrio o posiciones medias. Las moléculas en el extremo izquierdo absorben la energía térmica del cuerpo caliente.
Debido a la absorción de energía térmica, su energía cinética promedio aumenta. Por lo tanto, la energía cinética promedio de las moléculas en el extremo izquierdo del cuerpo caliente se vuelve muy alta en comparación con la energía cinética promedio de las moléculas en el extremo derecho. Las moléculas en el extremo izquierdo vibran alrededor de sus posiciones de equilibrio con gran amplitud y chocan con las moléculas vecinas.
Como resultado de esto, el calor se transfiere de una La molécula que gana calor vibra con gran amplitud y transfiere el calor de una molécula a la siguiente. molécula al chocar con ella. Este proceso continúa hasta que el calor se transfiere del extremo caliente al extremo frío del cuerpo. Por lo tanto, el calor se transfiere de una parte a otra parte del sólido sin el movimiento real de las partículas del sólido. El calor que se transfiere aumenta la temperatura en diferentes puntos a lo largo de la barra y finalmente se alcanza un estado estable cuando no hay más transferencia de calor del extremo caliente al extremo frío. En estado estacionario, la temperatura de diferentes puntos o secciones de la varilla es constante pero diferente.
A medida que nos alejamos del extremo caliente de la varilla, la temperatura en las diferentes secciones continúa disminuyendo. La disminución en sintonía con la distancia desde el extremo caliente de la barra se conoce como gradiente de temperatura.
Se denota por -dθ/dx
La unidad SI del gradiente de temperatura es K/m o Km -1 .
Conductividad térmica
Considere una pequeña pieza de material en forma de cubo, mantenga el doble 1 del cubo a una temperatura θ+△θ y la cara II a una temperatura θ. El área de la cara I es A y la distancia entre las dos caras es △x (digamos). es y que el calor (Q) fluye de la cara I a la II es
(i) directamente proporcional al área (A) de la cara I
(ii) directamente proporcional a la diferencia de temperatura (△θ) entre los dos
(iii) directamente proporcional al tiempo (t) transcurrido
(iv) inversamente proporcional a la distancia (At) entre las caras.
Q∝ A△θt/△x o Q=-KA( △θ/△ x)t
donde K es la constante de proporcionalidad y se denomina conductividad térmica del material. Depende de la naturaleza del material.
K=-(Q/t)/A(△θ/△x)
Definición: La conductividad térmica de un material se define como la cantidad de energía térmica que fluye a través de las caras opuestas del cubo de un metro en un segundo, cuando las caras opuestas del cubo se mantienen a una diferencia de temperatura de 1°C o 1K.
Unidad de Conductividad Térmica
En el sistema CGS, la unidad de K es cal s -1 cm -1 °C -1
En la unidad SI de K es J s -1 m -1 K -1
Fórmula dimensional de K = [MLT -3 K -1 ]
Aplicaciones de la Conducción Térmica
1) Se coloca una malla de alambre sobre la llama del mechero Bunsen mientras se calienta el matraz o un vaso de precipitados.
Cuando se coloca una tela metálica sobre la llama de un mechero Bunsen, la llama no va más allá de la tela y, por lo tanto, no hay contacto directo entre la llama y el matraz. La tela metálica al ser buena conductora del calor, absorbe el calor de la llama. Por lo tanto, la temperatura de los gases por encima de la gasa no es lo suficientemente alta para quemar los gases. La lámpara de seguridad de Davy ha sido diseñada sobre este principio. La temperatura fuera de la gasa colocada alrededor de la llama de la lámpara no es alta, por lo que los gases fuera de la gasa no se incendian.
2) En invierno, las sillas de hierro parecen estar más frías que las sillas de madera.
El hierro es un buen conductor del calor. Cuando se toca, absorbe el calor de nuestro cuerpo y por lo tanto comienza la transferencia de calor de nuestro cuerpo a la silla de hierro. Dado que nuestro cuerpo pierde calor, por lo que sentimos frío. Por otro lado, la madera es un mal conductor del calor. Por lo que la transferencia de calor de nuestro cuerpo a la silla de madera es muy inferior. De ahí que las sillas de madera parezcan menos frías que las de hierro.
3) Los utensilios de cocina están hechos de aluminio y latón mientras que sus mangos son de madera.
El aluminio y el latón son buenos conductores del calor. Así, absorben más rápidamente el calor del fuego y a su vez lo aportan a los alimentos a cocinar. Por otro lado, la madera al ser mala conductora del calor absorbe menos calor y por lo tanto los mangos se calientan menos. Por tanto, podemos recoger los utensilios de cocina calientes sin quemarnos las manos.
4) Los utensilios de acero con fondo de cobre son buenos para el calentamiento uniforme de los alimentos.
El cobre es mejor conductor que el acero porque la conductividad térmica del cobre (K 385 W m K) es mucho mayor que la conductividad térmica del acero (K 50-2 W m K). Por lo tanto, el cobre se calienta rápidamente. El cobre está en contacto con el acero. El calor se transfiere al utensilio de acero en la unión del acero y el cobre. Ahora bien, el acero no transfiere el calor a la comida tan rápido, sino que lo transfiere lentamente. Por lo tanto, los alimentos se calientan uniformemente en utensilios de acero con base de cobre.
5) El hielo se cubre con bolsas de yute para evitar que se derrita.
El material de las bolsas de yute es un mal conductor del calor. Además, el aire que llena los poros de las bolsas de yute también es un mal conductor del calor. Por lo tanto, no se permite el flujo de calor desde el exterior hacia el hielo. Por lo tanto, se evita que el hielo se derrita.
6) Sentimos calor con ropa de lana.
La lana en sí es un mal conductor del calor. Además, los poros de la ropa de lana encierran aire en ellos. Este aire reduce la conductividad térmica de la ropa. Por lo tanto, la ropa de lana permite que fluya menos cantidad de calor de nuestro cuerpo y, por lo tanto, nos sentimos más calientes.
7) Dos mantas delgadas calientan más que una sola manta del doble de espesor.
Dos mantas encierran una capa de aire entre ellas. El aire, al ser un mal conductor del calor, reduce considerablemente la conductividad térmica de las mantas. Por lo tanto, la capa de aire entre dos mantas permite que fluya una cantidad de calor corporal comparativamente menor que una sola manta. Por lo tanto, dos mantas parecen más cálidas que una sola manta.
8) Sentimos más calor con un abrigo de piel.
El aire encerrado en el abrigo de piel al ser mal conductor del calor no permite que el calor corporal fluya hacia el exterior. Por lo tanto, nos sentimos más cálidos con un abrigo de piel.
9) Las aves a menudo hinchan sus plumas en invierno.
Al hacerlo, encierran más aire entre sus cuerpos y las plumas. El aire, al ser un mal conductor del latido, impide la salida del calor de su cuerpo. Así, las aves sienten más calor en invierno al hincharse las plumas.
10) Una colcha nueva es más cálida que la vieja.
En una colcha nueva, hay varios poros en el algodón. Estos poros contienen gran cantidad de aire. El aire, al ser mal conductor del calor, ralentiza el flujo de nuestro calor corporal hacia el exterior. Así, un edredón nuevo parece más cálido. El edredón viejo, por el uso continuado, pierde parte del aire. Así, el flujo de calor de nuestro cuerpo hacia el exterior se vuelve más rápido. Por lo tanto, una colcha vieja parece fría.
11) Los esquimales hacen casas de hielo de doble pared.
El aire encerrado entre las paredes es un mal conductor del calor. Este aire reduce la salida de calor del interior de las casas. Así, las personas que viven en estas casas se sienten más cálidas.
Ejemplos de preguntas
Pregunta 1: Escribe el nombre de tres modos de transferencia de calor.
Solución:
Conducción, Convección y Radiación.
Pregunta 2: ¿Qué es el estado estacionario del calor?
Solución:
Cuando no hay transferencia de calor entre dos extremos de una sustancia, se dice que se alcanza el estado estacionario.
Pregunta 3: ¿Por qué modo llega el calor del sol a la tierra?
Solución-:
Radiación.
Pregunta 4: ¿Por qué nos sentimos más cálidos con un abrigo de piel?
Solución:
El aire encerrado en el abrigo de piel al ser mal conductor del calor no permite que el calor corporal fluya hacia el exterior. Por lo tanto, nos sentimos más cálidos con un abrigo de piel.
Pregunta 5: ¿Por qué los utensilios de cocina están hechos de aluminio y latón mientras que sus mangos son de madera?
Solución:
El aluminio y el latón son buenos conductores del calor. Así, absorben más rápidamente el calor del fuego y a su vez lo aportan a los alimentos a cocinar. Por otro lado, la madera al ser mala conductora del calor absorbe menos calor y por lo tanto los mangos se calientan menos. Por tanto, podemos recoger los utensilios de cocina calientes sin quemarnos las manos.
Pregunta 6: En invierno, ¿por qué las sillas de hierro parecen estar más frías que las sillas de madera?
Solución:
El hierro es un buen conductor del calor. Cuando se toca, absorbe el calor de nuestro cuerpo y por lo tanto comienza la transferencia de calor de nuestro cuerpo a la silla de hierro. Dado que nuestro cuerpo pierde calor, por lo que sentimos frío. Por otro lado, la madera es un mal conductor del calor. Por lo que la transferencia de calor de nuestro cuerpo a la silla de madera es muy inferior. De ahí que las sillas de madera parezcan menos frías que las de hierro.
Pregunta 7: Escriba la fórmula dimensional de la conductividad térmica.
Solución:
La fórmula dimensional de la conductividad térmica es [MLT -3 K -1 ]
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Artículo escrito por portalpirate y traducido por Barcelona Geeks. The original can be accessed here. Licence: CCBY-SA