- Formes / mecanismes de transmissió de calor
- conducció
- convecció
- radiació
- Velocitat de transmissió calòrica
- exemples
- - Exemples de conducció de calor
- Conductivitats tèrmiques dels materials
- - Exemples de calor per convecció
- - Exemples de calor per radiació
- exercici resolt
- solució a
- solució b
- referències
Hi transferència de calor quan l'energia va d'un cos a un altre a causa de la diferència de temperatura entre els dos. El procés de transferència de calor cessa quan les temperatures dels cossos en contacte s'igualen o quan se suprimeix el contacte entre ells.
A la quantitat d'energia transferida d'un cos a un altre en un determinat lapse de temps se li diu calor transferit. Un cos pot cedir calor a un altre, o bé pot absorbir, però la calor sempre va de el cos de major temperatura a el de menor temperatura.
Figura 1. En una foguera es donen els tres mecanismes de transferència de calor: conducció, convecció i radiació. Font: Pixabay.
Les unitats de calor són les mateixes que les de l'energia i en el sistema internacional de mesures (SI) és el joule (J). Altres unitats de calor freqüentment utilitzades són la caloria i el BTU.
Pel que fa a les lleis matemàtiques que regeixen la transferència de calor, aquestes depenen de l'mecanisme que intervingui en l'intercanvi.
Quan la calor es condueix d'un cos a un altre, la velocitat amb la qual s'intercanvia la calor és proporcional a el diferencial de temperatura. Aquesta es coneix com la llei de Fourier de la conductivitat tèrmica, que comporta a la llei de refredament de Newton.
Formes / mecanismes de transmissió de calor
Són les maneres en què es pot intercanviar calor entre dos cossos. Es reconeixen tres mecanismes:
-Conducció
-Convección
-radiació
En una olla com la mostrada a la figura de dalt, estan aquests tres mecanismes de transferència de calor:
-El metall de l'olla s'escalfa principalment per conducció.
-El aigua i aire s'escalfen i ascendeixen per convecció.
-Les persones properes a l'olla s'escalfen per la radiació emesa.
conducció
La conducció de calor es produeix majorment en els sòlids i en particular en els metalls.
Per exemple la fogons de la cuina transmet la calor als aliments a l'interior de l'olla a través del mecanisme de conducció pel metall de el fons i les parets metàl·liques de l'recipient. En la conducció tèrmica no hi ha transport material, només d'energia.
convecció
El mecanisme de convecció és propi de líquids i gasos. Gairebé sempre aquests són menys densos a major temperatura, per aquest motiu es dóna un transport de calor en sentit ascendent de les porcions de fluid més calent cap a les regions altes amb porcions de fluid més fredes. En el mecanisme de convecció hi ha transport material.
radiació
Per la seva banda, el mecanisme de radiació permet intercanvi de calor entre dos cossos encara que no estiguin en contacte. L'exemple immediat és el Sol, que s'escalfa a la Terra a través de l'espai buit entre tots dos.
Tots els cossos emeten i absorbeixen radiació electromagnètica. Si es tenen dos cossos a diferents temperatures, tot i estar en el buit, a el cap d'un temps arribaran a la mateixa temperatura a causa de l'intercanvi calòric per radiació electromagnètica.
Velocitat de transmissió calòrica
En els sistemes termodinàmics en equilibri importa la quantitat de calor total intercanviada amb l'entorn, perquè el sistema passi d'un estat d'equilibri a un altre.
En canvi en la transferència de calor, l'interès se centra en el fenomen transitori, quan encara els sistemes no han aconseguit l'equilibri tèrmic. És important destacar que la quantitat de calor s'intercanvia en determinat lapse de temps, és a dir, hi ha una velocitat de transferència de calor.
exemples
- Exemples de conducció de calor
A la conductivitat tèrmica l'energia calorífica es transmet mitjançant col·lisions entre els àtoms i molècules de l'material, ja sigui aquest sòlid, líquid o gas.
Els sòlids són millors conductors de la calor que els gasos i els líquids. En els metalls hi ha electrons lliures que poden moure pel metall.
Com els electrons lliures tenen gran mobilitat són capaços de transmetre l'energia cinètica per col·lisions més eficientment, per això els metalls tenen alta conductivitat tèrmica.
Des del punt de vista macroscòpic, la conductivitat tèrmica es mesura com la quantitat de calor transferida per unitat de temps, o corrent calòrica H:
Figura 2. Conducció de calor a través d'una barra. Elaborat per Fanny Zapata.
El corrent calòrica H és proporcional a secció transversal d'àrea A ia la variació de temperatura per unitat de distància longitudinal.
Aquesta equació s'aplica per calcular el corrent calòrica H d'una barra com la de la figura 2, que està entre dos reservoris de temperatures T 1 i T 2 respectivament, en què T 1 > T 2.
Conductivitats tèrmiques dels materials
A continuació hi ha una llista de la conductivitat tèrmica d'alguns materials en watts sobre metre per kelvin: W / (m. K)
Alumini -------- 205
Coure --------- 385
Plata ---------- 400
Acer ---------- 50
Suro o Fibra de vidre-- 0,04
Concret o vidre ----- 0,8
Fusta -----,05-0,015
Aire --------- 0,024
- Exemples de calor per convecció
A la convecció de calor, l'energia es transfereix a causa de el moviment de el fluid, el qual, a diferents temperatures, té diferents densitats. Per exemple quan es col·loca a bullir aigua en una olla, l'aigua propera a el fons augmenta la seva temperatura, de manera que es dilata.
Aquesta dilatació fa que l'aigua calenta pugi, mentre la freda baixa per ocupar l'espai deixat per l'aigua calenta que va pujar. El resultat és un moviment de circulació que prossegueix fins que les temperatures de tots els nivells s'igualin.
La convecció és la que determina el moviment de les grans masses d'aire de l'atmosfera terrestre i també determina la circulació dels corrents marins.
- Exemples de calor per radiació
En els mecanismes de transmissió calorífica per conducció i per convecció es requereix la presència d'un material perquè la calor sigui transmès. En canvi, en el mecanisme de radiació la calor pot passar d'un cos a un altre a través de l'buit.
Aquest és el mecanisme mitjançant el qual el Sol, a major temperatura que la Terra, transmet energia al nostre planeta directament pel buit de l'espai. La radiació ens arriba mitjançant ones electromagnètiques.
Tots els materials són capaços d'emetre i absorbir radiació electromagnètica. El màxim de la freqüència emesa o absorbida depèn de la temperatura de l'material i aquesta freqüència creix amb la temperatura.
La longitud d'ona predominant en l'espectre d'emissió o absorció d'un cos negre segueix la llei de Wien, la qual estableix que la longitud d'ona predominant és proporcional a l'invers de la temperatura de el cos.
D'altra banda, la potència (en watts) amb la qual un cos emet o absorbeix energia calòrica per radiació electromagnètica és proporcional a la quarta potència de la temperatura absoluta. Aquesta es coneix com la llei de Stefan:
P = εAσT 4
En l'expressió anterior σ és la constant de Stefan i el seu valor és 5,67 x 10-8 W / m 2 K 4. A és l'àrea de la superfície de el cos i ε és l'emissivitat de l'material, una constant sense dimensions el valor està entre 0 i 1, i depèn de l'material.
exercici resolt
Penseu en la barra de la figura 2. Suposem que la barra té 5 cm de llarg, 1 cm de radi i és de coure.
La barra es col·loca entre dues parets que mantenen la seva temperatura constant. La primera paret té una temperatura T1 = 100 º C, mentre que l'altra està a T2 = 20ºC. Determineu:
a.- El valor del corrent tèrmica H
b.- La temperatura de la barra de coure a 2 cm, a 3 cm ia 4 cm de la paret de temperatura T1.
solució a
Com la barra de coure està col·locada entre dues parets les parets mantenen la mateixa temperatura en tot moment, es pot afirmar que s'està en règim estacionari. És a dir el corrent tèrmica H té un mateix valor per a qualsevol instant.
Per calcular aquest corrent apliquem la fórmula que relaciona el corrent H amb la diferència de temperatures i la longitud de la barra.
La secció transversal d'àrea és:
A = πR 2 = 3,14 * (1 × 10 -2 m) 2 = 3,14 x 10 -4 m 2
La diferència de temperatura entre els extrems de la barra és
At = (100 º C - 20 º C) = (373K - 293K) = 80K
Ax = 5 cm = 5 x 10 -2 m
H = 385 W / (m K) * 3,14 x 10 -4 m 2 * (80K / 5 x 10 -2 m) = 193,4 W
Aquest corrent és la mateixa en qualsevol punt de la barra i en qualsevol instant, ja que s'ha assolit el règim estacionari.
solució b
En aquesta part se'ns demana calcular la temperatura Tp en un punt P situat a una distància XP respecte de la paret T 1.
L'expressió que dóna el corrent calòrica H al punt P és:
A partir d'aquesta expressió pot calcular Tp mitjançant:
Calculem la temperatura Tp en les posicions 2 cm, a 3 cm ia 4 cm respectivament, substituint valors numèrics:
- Tp = 340,6K = 67,6 ºC; a 2 cm de T1
- Tp = 324,4K = 51,4 ºC; a 3 cm de T1
- Tp = 308,2K = 35,2 ºC; a 4 cm de T1
referències
- Figueroa, D. 2005. Sèrie: Física per a Ciències i Enginyeria. Volum 5. Fluids i Termodinàmica. Editat per Douglas Figueroa (USB).
- Kirkpatrick, L. 2007. Física: Una mirada a l'món. 6ta Edició abreujada. Cengage Learning.
- Lay, J. 2004. Física general per enginyers. USACH.
- Mott, R. 2006. Mecànica de Fluids. 4ta. Edició. Pearson Educació.
- Strangeways, I. 2003. Measuring the Natural Environment. 2nd. Edition. Cambridge University Press.
- Wikipedia. Conductivitat tèrmica. Recuperat de: es.wikipedia.com