Mecanismos de transferencia de calor.
Conducción
Es la transferencia de energía de las
partículas más energéticas de una sustancia
hacia las adyacentes menos energéticas,
como resultado de interacción entre las
partículas.
Puede tener lugar en
sólidos, líquidos o
gases.
Tengo una barra metálica con un extremo a 80ºC y otro a temperatura ambiente, si no tengo ninguna otra influencia externa y el extremo caliente se mantiene a 80ºC, habrá una transferencia de calor por conducción desde el extremo caliente hacia el frío incrementando la temperatura de este último
i se transfiere una cantidad de calor dQ por la varilla en un tiempo dt, la tasa de flujo de calor es dQ/dt. Llamamos a ésta la corriente de calor, denotada por H. Es decir, H = dQ/dt. Se observa experimentalmente que la corriente de calor es proporcional al área transversal A de la varilla y a la diferencia de temperatura (TH-TC), e inversamente proporcional a la longitud de la varilla L. Introduciendo una constante de proporcionalidad k llamada conductividad térmica del material, tenemos:
H= Corriente de calor en conducción
Q = Calor
t = Tiempo
L = Largo
TH = Temperatura mayor
TC = Temperatura menor
k = Conductividad térmica
A = Área
Convección
Es el modo de transferencia de energía
entre una superficie sólida y el líquido o
gas adyacentes que están en movimiento y
comprende los efectos combinados de la
conducción y el movimiento de fluidos.
La corriente de calor causada por convección es directamente proporcional al área superficial. Esto explica las áreas superficiales grandes de los radiadores y las aletas de enfriamiento.
La corriente de calor causada por convección es aproximadamente proporcional a la potencia 5 de la diferencia de temperatura entre la superficie y el cuerpo 4 principal del fluido.
Ley de enfriamiento de Newton
La ley del enfriamiento de Newton o enfriamiento newtoniano establece que la tasa de pérdida de calor de un cuerpo es proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y sus alrededores. Fue determinado experimentalmente por Isaac Newton analizando el proceso de enfriamiento y para él la velocidad de enfriamiento de un cuerpo cálido en un ambiente más frío Tm, cuya temperatura es T, es proporcional a la diferencia entre la temperatura instantánea del cuerpo y la del ambiente.
Radiación
Es la energía emitida por la materia en
forma de ondas electromagnéticas (o
fotones) como resultado de los cambios en
las configuraciones electrónicas de los
átomos o moléculas.
ESPECTRO DE RADIACIÓN
La luz, llamada también luz visible o luz blanca, es uno de los componentes del espectro electromagnético, y se define como aquella parte del espectro de radiación que puede percibir la sensibilidad del ojo humano. La luz visible es un minúsculo intervalo que va desde la longitud de onda correspondiente al color violeta (aproximadamente 400 nm) hasta la longitud de onda correspon- diente al color rojo (aproximadamente 700 nm).
Tabla 4 Colores del espectro visible y sus extremos.
Color λ (µm)
Ultravioleta < 0.35
Violeta 0.4
Azul 0.45
Verde 0.5
Amarillo 0.55
Naranjo 0.6
Rojo 0.7
Infrarrojo > 0.75
LEYES DE LA RADIACIÓN
Ley de Stefan
La rapidez a la cual se libera energía se llama potencia de radiación H, su valor es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta. Esto se conoce como la ley de Stefan que se escribe como:
H = εσAT4 (5)
Ley de Wien
De acuerdo a la teoría cuántica, se encuentra que los cuerpos a una temperatura determinada, emiten radiación con un valor máximo para una longitud de onda λ dada. Al aumentar la temperatura de un cuerpo negro, la cantidad de energía que emite se incrementa. También, al subir la temperatura, el máximo de la distribución de energía se desplaza hacia las longitudes de onda más cortas. Se encontró que este corrimiento obedece a la siguiente relación, llamada ley del desplazamiento de Wien (Wilhelm Wien, alemán, 1864-1928):
λmaxT = 2897 (7)
Ley de Planck
Este también emite la máxima cantidad de energía a una temperatura dada. La cantidad de energía
emitida por un cuerpo negro está únicamente determinada por su temperatura y su valor lo da la Ley de Planck
Ley del inverso del cuadrado de la distancia.
La ley de la inversa del cuadrado o ley cuadrática inversa se refiere a algunos fenómenos físicos cuya intensidad es inversamente proporcional a la distancia al centro donde se originan. En particular, se refiere a fenómenos ondulatorios (sonido y luz) y campos centrales.