Conceptos de calor

Que es calor

El calor se define como la transferencia de energía térmica que se da entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo en termodinámica generalmente el término calor significa transferencia de energía. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia).

La energía calórica o térmica puede ser transferida por diferentes mecanismos de transferencia, estos son la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado. Cabe resaltar que los cuerpos no tienen calor, sino energía térmica. La energía existe en varias formas. En este caso nos enfocamos en el calor, que es el proceso mediante el cual la energía se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura.

Conducción de calor

El segundo principio de la termodinámica determina que el calor sólo puede fluir de un cuerpo más caliente a uno más frío, la ley de Fourier fija cuantitativamente la relación entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura.

La conducción de calor o transmisión de calor por conducción es un proceso de transmisión de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos, sin intercambio de materia, por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que está en contacto con el primero. La propiedad física de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad térmica. La propiedad inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

La transmisión de calor por conducción, entre dos cuerpos o entre diferentes partes de un cuerpo, es el intercambio de energía interna, que es una combinación de la energía cinética y energía potencial de sus partículas microscópicas: moléculas, átomos y electrones. La conductividad térmica de la materia depende de su estructura microscópica: en un fluido se debe principalmente a colisiones aleatorias de las moléculas; en un sólido depende del intercambio de electrones libres (principalmente en metales) o de los modos de vibración de sus partículas microscópicas (dominante en los materiales no metálicos).1

Para el caso simplificado de flujo de calor estacionario en una sola dirección, el calor transmitido es proporcional al área perpendicular al flujo de calor, a la conductividad del material y a la diferencia de temperatura, y es inversamente proporcional al espesor

Radiación de calor

Se denomina radiación térmica o radiación calorífica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura. Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética, siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada. En lo que respecta a la transferencia de calor la radiación relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 0,1µm a 100µm, abarcando por tanto parte de la región ultravioleta, la visible y la infrarroja del espectro electromagnético.

La materia en un estado condensado (sólido o líquido) emite un espectro de radiación continuo. La frecuencia de onda emitida por radiación térmica es una función de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura.

Los cuerpos negros emiten radiación térmica con el mismo espectro correspondiente a su temperatura, independientemente de los detalles de su composición. Para el caso de un cuerpo negro, la función de densidad de probabilidad de la frecuencia de onda emitida está dada por la ley de radiación térmica de Planck, la ley de Wien da la frecuencia de radiación emitida más probable y la ley de Stefan-Boltzmann da el total de energía emitida por unidad de tiempo y superficie emisora (esta energía depende de la cuarta potencia de la temperatura absoluta).

A temperatura ambiente, vemos los cuerpos por la luz que reflejan, dado que por sí mismos no emiten luz. Si no se hace incidir luz sobre ellos, si no se los ilumina, no podemos verlos. A temperaturas más altas, vemos los cuerpos debido a la luz que emiten, pues en este caso son luminosos por sí mismos. Así, es posible determinar la temperatura de un cuerpo de acuerdo a su color, pues un cuerpo que es capaz de emitir luz se encuentra a altas temperaturas.

La relación entre la temperatura de un cuerpo y el espectro de frecuencias de su radiación emitida se utiliza en los pirómetros.

Convección de calor

La convección es la transmisión de calor por movimiento real de las moléculas de una sustancia. Este fenómeno sólo podrá producirse en fluidos en los que por movimiento natural (diferencia de densidades) o circulación forzada (con la ayuda de ventiladores, bombas, etc.) puedan las partículas desplazarse transportando el calor sin interrumpir la continuidad física del cuerpo.

That is heat

The heat is defined as thermal energy transfer that occurs between different bodies and different parts of the same body that are at different temperatures, however in thermodynamics the term generally means transferring heat energy. This energy flow always occurs from the body of higher temperature to the lower body temperature, occurring transfer until both bodies (eg a cold drink left in a room warms) are in thermal equilibrium.

The heat or thermal energy can be transferred to different transfer mechanisms, these are radiation, conduction and convection, although in most real processes all present in varying degrees. It should be noted that the bodies do not have heat, but thermal energy. Energy exists in several forms. Here we focus on the heat, which is the process by which energy can be transferred from one system to another as a result of the temperature difference.

Heat conduction

The second law of thermodynamics determines that heat can only flow from a warmer to a cooler body, Fourier's law quantitatively fixed relationship between the flow and the spatial and temporal variations in temperature.

Heat conduction or heat transmission by conduction is a heat transfer process based on direct contact between the bodies, without exchange of matter, whereby heat flows from a body of higher temperature to a lower temperature which is the first contact. The physical property of the material that determines its ability to conduct heat is the thermal conductivity. Conversely property of thermal conductivity is the thermal resistivity, which is the ability of material to resist the passage of heat.

The conductive heat transfer between two bodies or between different parts of a body, is the exchange of internal energy, which is a combination of kinetic energy and potential energy of their microscopic particles: molecules, atoms and electrons. The thermal conductivity of the material depends on its microscopic structure: in a fluid is mainly due to random collisions of the molecules; in a solid depends on the exchange of free electrons (mostly metals) or the vibration modes of its microscopic particles (dominant non-metallic materials) .1

For the simplified stationary heat flow in one direction if the transmitted heat is proportional to the area perpendicular to heat flow, the conductivity of the material and the temperature difference, and is inversely proportional to the thickness

Heat radiation

It is called thermal radiation or thermal radiation emitted by a body due to its temperature. All bodies emit electromagnetic radiation, with an intensity dependent on temperature and the wavelength considered. With respect to heat transfer relevant radiation is within the range of wavelengths of 0,1μm to 100μm, thereby covering part of the ultraviolet, visible and infrared electromagnetic spectrum.

Matter in a (solid or liquid) condensed state emits a continuous spectrum of radiation. Frequency wave emitted by thermal radiation is a probability density function which depends only on the temperature.

Blackbodies emit thermal radiation spectrum corresponding to the same temperature, regardless of the details of its composition. In the case of a black body, the probability density function of frequency wave emitted is given by the law of thermal radiation Planck, Wien's law gives the frequency of radiation emitted more likely and the Stefan-Boltzmann It gives the total energy emitted per unit time and emitting surface (this energy depends on the fourth power of the absolute temperature).

At room temperature, we see the bodies that reflect the light, since by themselves do not emit light. If no light is incident on them, if they are not light, we can not see them. At higher temperatures, we see the bodies due to the light emitted, since in this case are self-luminous. Thus, it is possible to determine the temperature of a body according to their color, as a body that is capable of emitting light is at high temperatures.

The relationship between the temperature of a body and the frequency spectrum of the emitted radiation is used in pyrometers.

Heat convection

Convection is the transfer of heat by actual movement of molecules of a substance. This phenomenon can only occur in fluids in which natural movement (density difference) or forced circulation (with the help of fans, pumps, etc.) can move the particles carrying the heat without interrupting the continuity of the physical body.