domingo, 5 de junio de 2011

Transmisión de calor

En físicala transferencia de calor es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Cuando un cuerpo, por ejemplo, un objeto sólido o un fluido, está a una temperatura diferente de la de su entorno u otro cuerpo, la transferencia de energía térmica, también conocida como transferencia de calor o intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno alcancen equilibrio térmico. La transferencia de calor siempre ocurre desde un cuerpo más caliente a uno más frío, como resultado de la Segunda ley de la termodinámica. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos en proximidad uno del otro, la transferencia de calor no puede ser detenida; solo puede hacerse más lenta.

Los aislantes térmicos son materiales específicamente diseñados para reducir el flujo de calor limitando la conducción, convección o ambos. Las barreras de radiación, son materiales que reflejan la radiación, reduciendo así el flujo de calor de fuentes de radiación térmica. Los buenos aislantes no son necesariamente buenas barreras de radiación, y viceversa. Los metales, por ejemplo, son excelentes reflectores pero muy malos aislantes.
La efectividad de un aislante está indicado por su resistencia (R). La resistencia de un material es el inverso del coeficiente de conductividad térmica (k) multiplicado por el grosor (d) del aislante. Las unidades para la resistencia son en el Sistema Internacional: (K•m²/W).
{R} = {d \over k}, \qquad {C} = {Q \over m \Delta T}
La fibra de vidrio rígida, un material aislante usado comúnmente, tiene un valor R de 4 por pulgada, mientras que el cemento, un mal conductor, tiene un valor de 0.08 por pulgada.1
La efectividad de una barrera de radiación está indicado por su reflectividad, la cual es una fracción de la radiación reflejada. Un material con una alta reflectividad (en una longitud de onda) tiene una baja absorbitividad, y por consiguiente una baja emisividad. Un reflector ideal tiene un coeficiente de reflectividad igual a 1, lo que significa que refleja el 100% de la radiación entrante. Por otro lado, en el caso de un cuerpo negro, el cual tiene una excelente absorbitividad y emitividad de la radiación térmica, su coeficiente de reflectividad es casi 0. Las barreras de radiación tiene una gran aplicación en ingeniería aeroespacial; la gran mayoría de los satélites usan varias capas aislantes aluminizadas que reflejan la luz solar, lo que permite reducir la transferencia de calor y controlar la temperatura del satélite.

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Caloría


La caloría (símbolo cal) es una unidad de energía del ya en desuso Sistema Técnico de Unidades, basada en el calor específico del agua. Aunque en el uso científico actual, la unidad de energía es el julio (del Sistema Internacional de Unidades), permanece el uso de la caloría para expresar el poder energético de los alimentos.
La caloría fue definida por primera vez por el profesor Nicolas Clément en 1824 como una caloría-kilogramo y así se introdujo en los diccionarios franceses e ingleses durante el periodo que va entre 1842 y 1867.
La caloría técnica surgió como consecuencia del abandono de la teoría del calórico: se suponía que la trasmisión de calor se producía por el paso de un cierto fluido (el calórico) de un cuerpo a otro. Esa cantidad de calórico se mediría en calorías. Descartada la teoría del calórico, y reconocido el hecho físico de que el calor es una manifestación de la energía, se definió la caloría como una unidad de energía del sistema métrico de unidades (y más adelante del sistema Técnico de Unidades). Actualmente la caloría no se incluye en la categoría de las unidades energéticas del Sistema Internacional de Unidades (SI).
Las cantidades de calor Q se miden con calorímetros especializados en los que interviene la siguiente fórmula física:
Q = m\,c\,\Delta T
donde m\, es la masac\, el calor específico y \Delta T\, el incremento de temperatura que experimenta el cuerpo.
Algunas definiciones obsoletas de la caloría se refieren a dos calorías diferentes:
  • La denominada caloría pequeña o caloría-gramo, que corresponde a la caloría propiamente dicha, representa la energía calorífica necesaria para incrementar un grado celsius la temperatura de un gramo de agua. Equivale a 4,1868 J.
  • La caloría grande o caloría-kilogramo, representa la energía calorífica necesaria para elevar en un grado celsius la temperatura de un kilogramo de agua. Esta definición corresponde a la kilocaloría propiamente dicha y equivale a 4,1868 kJ. Esta caloría se empleaba antiguamente en BiologíaMedicina y Nutrición, y se le asignaba el símbolo "Cal" (con C mayúscula) para diferenciarla de la caloría propiamente dicha, de símbolo "cal".

1 \;\mathrm{Cal} = 1 \;\mathrm{kcal} = 
1\,000 \;\mathrm{cal} = 4\,184 \;\mathrm{J} = 4,184 \;\mathrm{kJ}
Esta mala costumbre ya está prácticamente erradicada como consecuencia de la rigurosa aplicación de las leyes referentes al etiquetado de alimentos,2 al menos en los países más desarrollados. La información que aparece en las etiquetas de los alimentos es indicativa del valor energético que poseen algunos alimentos y suele expresarse en kcal/kg y en kJ/kg (kilocalorías o kilojulios por kilogramo de alimento), o también en raciones de 100 gramos o en las que correspondan a una dieta normal.
  • Han sido usadas diferentes tipos de calorías, a saber:
    • Una caloría correspondiente a los 15 °C: 1 cal15 = 4,1855 J (Valor adoptado por el CIPM en 1950; PV, 1950, 22, 79-80)
    • La caloría termoquímica "TH" (del inglés "thermochemical"): 1 calth = 4,184 J
    • Una caloría denominada "IT" (del inglés "International Table"): 1 calIT = 4,1868 J (5th International Conference on the Properties of Steam, Londres, 1956)

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James Prescott Joule


ames Prescott Joule (SalfordMánchester24 de diciembre de 1818 - Salford, 11 de octubre de 1889) fue un físico inglés.
Fue uno de los más notables físicos de su época, es conocido sobre todo por sus investigaciones en electricidad y termodinámica.
Joule estudió el magnetismo, y descubrió su relación con el trabajo mecánico, lo cual le condujo a la teoría de la energía. La unidad internacional de energía, calor y trabajo, el Joule (o Julio), fue bautizada en su honor. Trabajó con Lord Kelvin para desarrollar la escala absoluta de la temperatura, hizo observaciones sobre la teoría termodinámica y encontró una relación entre la corriente eléctrica que atraviesa una resistencia y el calor disipado, llamada actualmente como ley de Joule. Joule recibió muchos honores de universidades y sociedades científicas de todo el mundo. Sus escritos científicos (2 volúmenes) se publicaron en 1885 y 1887 respectivamente.
James Prescott Joule nació en el seno de una familia dedicada a la fabricación de cervezas. De carácter tímido y humilde, recibió clases particulares en su propio hogar, de física y matemáticas, siendo su profesor el químico británico John Dalton; compaginaba estas clases con su actividad profesional, trabajando junto a su padre en la destilería, la cual llegó a dirigir. Dalton le alentó hacia la investigación científica y realizó sus primeros experimentos en un laboratorio cercano a la fábrica de cervezas, formándose a la vez en la Universidad de Manchester.

Benjamin Thompson


Benjamin Thompson, Conde de Rumford (26 de marzo de 1753 - 21 de agosto de 1814) fue un científico e inventor norteamericano(Woburn - Massachusetts). Sus experimentos y su cuestionamiento de la física establecida en el siglo XVIII, contribuyeron a los grandes avances que se produjeron en el siglo XIX en el campo de la termodinámica. El cráter Rumford, en la Luna, recibió este nombre en honor a él. Formuló también, la hipótesis mecánica sobre la naturaleza del calor, echando por tierra la tesis del calórico de Lavoisier.
Thompson llevó a cabo experimentos sobre la naturaleza de calor y comenzó a escribirse con Loammi Baldwin y otros acerca de ellos. Ese mismo año, trabajó durante unos meses para un comerciante de Boston y luego se hizo aprendiz brevemente, y sin éxito, a un médico en Woburn.
El paso de calor desde un cuerpo que está una temperatura más alta a otro que está a una temperatura más baja es de algún modo análogo al flujo de un fluido, como puede ser el agua, desde una altura superior a otra inferior. Así pues, no resulta sorprendente que las primeras teorías sobre la propagación del calor lo trataran como si fuese algo parecido a un fluido, denominado fluido calórico. Si un cuerpo pierde fluido calórico, su temperatura debería disminuir, y ésta, debería aumentar si el cuerpo ganara fluido calórico. A pesar de que con esta idea de considerar al calor como un fluido se explicaban muchas de las características relativas a la propagación del calor, la teoría del fluido calórico resultaba inconsistente con los datos experimentales.entonces así se le llamaria
Parece que Benjamín Thompson, también conocido como el conde Rumford, quien se opuso seriamente al concepto del fluido calórico. Temeroso de la propagación de la Revolución Francesa, el gobernador de Baviera encomendó al conde Rumford la supervisión de los cañones construidos para la defensa de las fronteras. En el proceso de taladrar el ánima de los cañones, Rumford observó que se producía un aumento de temperatura en la estructura del cañón, en las virutas metálicas y en el propio taladrador, de modo que parecía generarse calor continuamente en lugar de conservarse, como predecía la teoría del fluido calórico.
Rumford dirigió una serie de experimentos para medir el cambio de temperatura que ocurría al utilizar maquinaria rudimentaria desafilado en el proceso de taladrado. En uno de los experimentos, se utilizó agua para refrigerar el taladrador y la estructura del cañón. Rumford midió el aumento de temperatura del agua y observó «la sorpresa y el asombro que expresaban los semblantes de los allí presentes viendo la gran cantidad de agua que se calentaba, y que verdaderamente llegaba a hervir sin ningún fuego». Rumford concluyó que el calor no podía ser una sustancia material, ya que parecía no tener límite. Más bien parecía que era el resultado del rozamiento o del trabajo realizado por las fuerzas de rozamiento.
El Conde Rumford, nació bajo el nombre de Benjamín Thompson en la localidad de Woburn, Massachusetts, en 1753, y su juventud no prometía una posterior nobleza. Comenzó por dos veces un aprendizaje, que no llegó a concluir, con otros tantos tenderos. Uno de los tenderos se quejó a la madre de Thompson de que Benjamín perdía más tiempo bajo el mostrador fabricando maquinitas, y leyendo libros de ciencia, del que dedicaba a atender a los clientes. Sin embargo, la fortuna de Thompson cambió cuando, a los diecinueve años de edad, contrajo matrimonio con una viuda rica de treinta y tres años de edad en la ciudad de ConcordNuevo Hampshire, región también conocida como Rumford.
En las disputas entre Bretaña y sus colonias americanas, Thompson fue leal a la corona y sirvió como Mayor en una compañía de milicia. Cuando sus sentimientos de lealtad llegaron a conocerse, un grupo de colonos, disfrazados de indios, llegaron hasta la misma puerta de su casa y le amenazaron con cubrirlo de brea y emplumarle. En estas circunstancias Thompson escapó a Boston con un caballo, 20 dólares, y poniendo así su vida a salvo.
Durante señó un carruaje para transportar cañones, que era arrastrado por tres caballos, y permitía su puesta en funcionamiento en 75 segundos.
Después de ser armado caballero por el rey Jorge III de Inglaterra, Thompson pasó a formar parte de la corte de Teodoro, Elector de Baviera. Allí dirigió una serie de experimentos sobre las propiedades de la seda, importante producto de Baviera durante aquella época, entreteniendo a la corte con cálculos tales como éste: «Si el vestido de seda de una mujer pesa 28 onzas, lo cierto es que ella lleva encima más de 2000 millas en longitud de seda, como la que sale hilada por el gusano... ».
Nombrado general mayor por el elector, Thompson mejoró el equipamiento de los soldados, y así, mientras estaba investigando los materiales que pudieran proporcionar un mayor confort a sus soldados, descubrió el gran valor que como aislante térmico puede tener una película de aire atrapado. Además, Thompson proporcionó a los soldados posibilidades para ganar dinero y sufragar sus necesidades. En los experimentos que llevó a cabo para determinar las mejores condiciones de iluminación de los asilos para los pobres, Thompson estableció la candela como unidad patrón para medir la iluminación.
En el período que va desde la muerte del emperador Leopoldo II a la coronación del emperador Francisco II, el elector Teodoro, benefactor de Thompson, disfrutó de un breve reinado como vicario del Sacro Imperio Romano. Aunque, como vicario, Teodoro tenía poderes limitados, uno de sus privilegios era el elevar a una persona a la categoría de noble. De este modo, el 9 de mayo de 1792, Teodoro ejerció este privilegio y Benjamín Thompson pasó a ser el Conde Rumford.

Coeficiente de dilatación

Se denomina coeficiente de dilatación al cociente que mide el cambio relativo de longitud o volumen que se produce cuando un cuerpo sólido o un fluido dentro de un recipiente experimenta un cambio de temperatura que lleva consigo una dilatación térmica.

Coeficientes de dilatación

De forma general, durante una transferencia de calor, la energía que está almacenada en los enlaces intermoleculares entre dos átomos cambia. Cuando la energía almacenada aumenta, también lo hace la longitud de estos enlaces. Así, los sólidos normalmente se expanden al calentarse y se contraen al enfriarse;1 este comportamiento de respuesta ante la temperatura se expresa mediante el coeficiente de dilatación térmica(típicamente expresado en unidades de °C-1):
\alpha=\frac{1}{V}\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)

Sólidos

Para sólidos, el tipo de coeficiente de dilatación más comúnmente usado es el coeficiente de dilatación lineal αL. Para una dimensión lineal cualquiera, se puede medir experimentalmente comparando el valor de dicha magnitud antes y después de cierto cambio de temperatura, como:
\alpha_L = \frac{d\ln L}{dT} \approx \frac{1}{L}\frac{\Delta L}{\Delta T}
Puede ser usada para abreviar este coeficiente, tanto la letra griega alfa \alpha\; como la letra lambda \lambda\;.
Gases y líquidos
En gases y líquidos es más común usar el coeficiente de dilatación volumétrico αV o β, que viene dado por la expresión:
\alpha_V = \frac{d\ln V}{dT}\approx \frac{1}{V}\frac{\Delta V}{\Delta T}
Para sólidos, también puede medirse la dilatación térmica, aunque resulta menos importante en la mayoría de aplicaciones técnicas. Para la mayoría de sólidos en las situaciones prácticas de interés, el coeficiente de dilatación volumétrico resulta ser más o menos el triple del coeficiente de dilatación lineal:
{\alpha_V} \approx 3\alpha_L
Algunos valores de coeficientes de expansión volumétrica, que son constantes cuando el cambio de temperatura es menor que 100°C2
Líquidoβ (×10-4 °C-1)
Alcohol11
Benceno12,4
Glicerina5,1
Mercurio1,8
Agua2,1
Gasolina9,5
Acetona15
Aire (20°C)34,1
Aire (0°C)36,6

Calor


El calor es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico.

La energía puede ser transferida por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado.
La energía que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es parte de dicha energía interna (energía calorífica) transferida de un sistema a otro, lo que sucede con la condición de que estén a diferente temperatura.
Como parte de una introducción a la transferencia de calor ponemos el clásico ejemplo donde gracias a la experiencia sabemos que una bebida enlatada fría dejada en una habitación se entibia y una bebida enlatada tibia que se deja en un refrigerador se enfría. Todo esto gracias a la transferencia de energía del medio caliente hacia el frío. Esta transferencia de energía siempre se produce del medio que tiene la temperatura más elevada hacia el de temperatura más baja y esa transferencia se detiene cuando ambos alcanzan la misma temperatura.
La energía existe en varias formas. En este caso nos enfocamos en el calor, que es la forma de la energía que se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura.

Dilatación térmica

Se denomina dilatación térmica al aumento de longitudvolumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al cambio de temperatura que se provoca en ella por cualquier medio.

Dilatación lineal

El coeficiente de dilatación lineal, designado por αL, para una dimensión lineal cualquiera, se puede medir experimentalmente comparando el valor de dicha magnitud antes y después de cierto cambio de temperatura como:
\alpha_L = \frac {1} {L} \left ( \frac {dL} {dT} \right )_P =
\left ( \frac {d \ln L} {dT} \right )_P \approx \frac {1} {L} \left ( \frac {\Delta \ L} {\Delta \ T} \right )_P
Donde ΔL, es el incremento de su integridad física cuando se aplica un pequeño cambio global y uniforme de temperatura ΔT a todo el cuerpo. El cambio total de longitud de la dimensión lineal que se considere, puede despejarse de la ecuación anterior:
L_f = L_0 [1 +\alpha_L (T_f - T_0)]\;
Donde:
α=coeficiente de dilatación lineal [°C-1]
L0 = Longitud inicial
Lf = Longitud final
T0 = Temperatura inicial.
Tf = Temperatura final