El calor es una medida de la energía térmica que se puede transferir de un punto a otro. El calor es la transferencia de energía cinética de una fuente de energía a un medio o de un medio u objeto a otro medio u objeto.
El calor es uno de los componentes importantes de los cambios de fase asociados con el trabajo y la energía. El calor es también la medida de la energía cinética que poseen las partículas en un sistema. La energía cinética de las partículas en el sistema aumenta con el aumento de la temperatura del sistema. Por lo tanto, la medida del calor cambia con el tiempo.
Transferencia de calor
Cuando un sistema a una temperatura más alta se pone en contacto con un sistema a una temperatura más baja, la energía se transfiere de las partículas del primer sistema a las partículas del segundo. Por lo tanto, la transferencia de calor se puede definir como el proceso de transferencia de calor desde un objeto (o un sistema) a una temperatura más alta a otro objeto (o un sistema) a una temperatura más baja.
Fórmula de transferencia de calor
La fórmula de transferencia de calor determina la cantidad de calor transferido de un sistema a otro.
Q = c × m × ΔT
Dónde,
Q es el calor suministrado al sistema
m es la masa del sistema
c es la capacidad calorífica específica del sistema
ΔT es el cambio de temperatura del sistema
La capacidad calorífica específica (c) se define como la cantidad de calor (en julios) absorbido por unidad de masa (kg) del material cuando su temperatura aumenta en 1 K (o 1 °C). Sus unidades son J/kg/K o J/kg/°C.
Derivación de la fórmula
Sea m la masa del sistema y c la capacidad calorífica específica del sistema. Sea ΔT el cambio de temperatura del sistema.
Entonces, la cantidad de calor suministrada ( Q ) es el producto de la masa m , la capacidad calorífica específica c y el cambio de temperatura ΔT y viene dada por,
Q = c × m × ΔT
Tipos de transferencia de calor
Hay tres tipos de transferencia de calor:
- Conducción
- Convección
- Radiación
Conducción
La transferencia de calor a través de materiales sólidos se llama conducción. La fórmula para el calor transferido por el proceso de conducción se expresa como:
Q = kA(T Caliente -T Frío) t/d
Dónde,
Q es calor transferido por conducción
k es la conductividad térmica del material
A es el área de la superficie
T Hot es la temperatura de la superficie caliente
T Cold es la temperatura de la superficie fría
es hora
d es el espesor del material
Convección
La transferencia de calor a través de líquidos y gases se llama convección. La fórmula para el calor transferido por el proceso de convección se expresa como:
Q = H c A(T Caliente -T Frio )
Dónde,
Q es calor transferido por convección
H c es el coeficiente de transferencia de calor
A es el área de la superficie
T Hot es la temperatura del sistema caliente
T Cold es la temperatura del sistema de frío
Radiación
La transferencia de calor a través de ondas electromagnéticas se llama radiación. La fórmula para el calor transferido por el proceso de radiación se expresa como:
Q = σ (T Caliente – T Frío) 4 A
Dónde,
Q es el calor transferido a través de la radiación
σ es la constante de Stefan Boltzmann
T Hot es la temperatura del sistema caliente
T Cold es la temperatura del sistema de frío
A es el área de la superficie
La constante de Stefan Boltzmann (σ) se calcula como:
σ = 2.π 5 K segundo 4 / 15 h 3 C 2 = 5.670367(13) × 10 -8 J . m -2 . S -1 . k -4
Dónde,
σ es la constante de Stefan Boltzmann
pi(π) ∼= 3.14
k B es la constante de Boltzmann
h es la constante de Planck
c es la velocidad de la luz en el vacío
Problemas de muestra
Problema 1: Un sistema con una masa de 10 kg y una temperatura inicial de 200 K se calienta a 450 K. La capacidad calorífica específica del sistema es 0,91 KJ/kg K. Calcule el calor ganado por el sistema en este proceso.
Solución:
Según pregunta,
Masa, m = 10 kg
Capacidad calorífica específica, c = 0,91 KJ/kg K
Temperatura inicial, T i =200 K
Temperatura final, Tf = 450 K
Cambio de temperatura, ΔT = 450K – 200K = 250K
Usando la fórmula de transferencia de calor,
Q = c × m × ΔT
Q = 0,91 x 10 x 250
Q = 2275 KJ
Por lo tanto, el calor total ganado por el sistema es de 2275 KJ.
Problema 2: El calor específico del hierro es 0,45 J/g°C. ¿Qué masa de hierro se requiere para una transferencia de calor de 1200 Joules si el cambio de temperatura es de 40°C?
Solución:
Según pregunta,
Calor específico del hierro, c = 0,45 J/g°C
Cambio de temperatura, ΔT = 40°C
Cantidad de calor transferido, Q = 1200 J
Usando la fórmula de transferencia de calor,
Q = c × m × ΔT
m = Q /(cx ΔT)
m = 1200 /(0,45 x 40)
m = 66,667 gramos
Por lo tanto, la masa de hierro requerida para una transferencia de calor de 1200 julios es de 66,667 gramos.
Problema 3: Considere dos columnas de agua a diferentes temperaturas separadas por una pared de vidrio de 3 m de largo y 1,5 m de ancho y un espesor de 0,005 m. Una columna de agua está a 380K y la otra a 120K. Calcule la cantidad de calor transferido si la conductividad térmica del vidrio es de 1,4 W/mK.
Solución:
Según pregunta,
Conductividad térmica del vidrio, k = 1,4 W/mK.
Temperatura de la primera columna de agua, T Hot= 380K
Temperatura de la segunda columna de agua, T Cold = 120K
Área de la pared de vidrio que separa dos columnas, A = largo x ancho = 3m x 1,5m = 4,5m 2
Espesor del vidrio, d = 0.005m
Usando la fórmula de transferencia de calor para la conducción,
Q = kA(T Caliente -T Frio )t/d
Q = 1,4 x 4,5 (380-120) / 0,005
Q = 327600W
Por lo tanto, la cantidad de calor transferido es de 327600 Watts.
Problema 4: Calcular la transferencia de calor por convección si el coeficiente de transferencia de calor de un medio es 8 W/(m 2 K ) y el área es 25 m 2 y la diferencia de temperatura es 20K.
Solución:
Según pregunta,
Coeficiente de transferencia de calor, H c = 8 W/(m 2 K )
Área, A = 25m 2
Cambio de temperatura, (T Caliente – T Fría) = 20K
Usando la fórmula de transferencia de calor por convección,
Q = H c A(T Caliente -T Frio )
Q = 8 x 25 x 20
Q = 4000W
Por lo tanto, la cantidad de calor transferido por convección es de 4000 vatios.
Problema 5: Calcular el calor transferido por radiación entre dos cuerpos negros a temperaturas de 300K y 430K y el área del medio es de 48 m 2 . (Dada la constante de Stefan Boltzmann, σ = 5,67 x 10 -8 W/(m 2 K 4 ) ).
Solución:
Según pregunta,
Temperatura del cuerpo caliente, T Caliente = 430K
Temperatura del cuerpo frío, T Cold = 300K
Cambio de temperatura, (T Caliente – T Fría ) = 430K – 300K = 130K
Área, A = 48 m 2
Constante de Stefan Boltzmann, σ = 5,67 x 10 -8 W/(m 2 K 4 )
Usando la fórmula de transferencia de calor para la radiación,
Q = σ (T Caliente -T Fría) 4 A
Q = 5,67 x 10 -8 x 130 4 x 48
Q = 777,3 W
Por lo tanto, la cantidad de calor transferido a través de la radiación es de 777,3 Watts.
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Artículo escrito por sahana2000 y traducido por Barcelona Geeks. The original can be accessed here. Licence: CCBY-SA