Propagación de calor: Conducción, convección y radiación.

 Conducción, convección y radiación.

🔍Sistemas.

En física, un sistema es un conjunto de elementos relacionados entre sí que actúan de manera específica y coordinada, y funcionan como un todo. Cualquier segmento de la realidad, por lo tanto, puede ser considerado un sistema, siempre y cuando sea posible distinguir sus componentes interrelacionados del exterior. Los elementos de un sistema pueden funcionar independientemente pero siempre formarán parte de una estructura mayor.

En física, un objeto es una entidad que tiene existencia física (materia y energía) y que se puede percibir a través de los sentidos. Un objeto puede ser parte de un sistema pero no necesariamente todo sistema está compuesto por objetos.

🔍Transferencia de energía.

La transferencia de energía es el cambio que tiene la energía de una forma a otra, es la transmisión de energía de un objeto o sistema a otro objeto o sistema, incluso entre las partes de un mismo sistema. Por ejemplo, cuando un autobús quema gasolina, la energía que tenía la gasolina se transforma en calor (otra forma de energía).

Calor

Aumento de energía cinética de las partículas
de una sustancia y por tanto, de su temperatura.

La energía puede transferirse como CALOR (por conducción, convección o radiación, incluyendo la radiación electromagnética), trabajo mecánico o trabajo eléctrico

El calor es una forma en que la energía se transfiere entre dos cuerpos o sistemas, o bien entre partes de un mismo sistema cuando están a diferentes temperaturas. La temperatura de los cuerpos es una medida relacionada con la energía cinética de las partículas que los conforman. 

La energía térmica es la parte transferible de la energía cinética que contienen las partículas de un cuerpo, por tanto, se puede afirmar que ningún cuerpo puede transferir la totalidad de la energía cinética de sus partículas.

En termodinámica, la transferencia de energía térmica sucede cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos y se establece un flujo de calor desde un objeto de mayor temperatura hacia el de menor temperatura, ya sea por conducción, convección o radiación.

🔍Conducción, convección y radiación.

CONDUCCIÓN.

CONDUCCIÓN Se refiere a la transferencia (propagación) de energía (como calor), directamente entre dos sistemas a diferente temperatura, cuando tienen contacto entre ellos, sin intercambio de materia.

Esta transferencia ocurre a nivel molecular cuando los átomos o moléculas más calientes (a mayor temperatura), transfieren parte de su energía (calor) a los átomos o moléculas más frías (a menor temperatura)., por contacto directo. Por ejemplo, los metales son buenos conductores de calor, gracias a los electrones libres que poseen.

CONVECCIÓN.

Cuando se calienta algún fluido, líquido o gas, se produce la dilatación térmica, consiste en el aumento de volumen por unidad de masa que adquiere el fluido y que en consecuencia produce que su densidad disminuya. Cuando esto sucede dentro de un sistema que está absorbiendo energía, las partículas comienzan a moverse dentro de él formando un flujo denominado corriente de convección.

La corriente de convección hace que las partículas tengan contacto entre sí, propiciando un intercambio de energía y el cambio de densidad continuo (la densidad de las partículas que se calientan, disminuye y de las que se enfrían, aumentan) y esto mantiene las partículas en movimiento.

En resumen, la CONVECCIÓN es la propagación de calor que se produce mediante el movimiento de un fluido (líquido o gas).

Por ejemplo: al hervir agua en una olla, la masa que está al fondo, cercana a la flama, se calienta  y expande, con ello, su densidad disminuye y el fluido asciende, así las porciones más frías se hunden para calentarse también, generándose una corriente de convección que va calentando toda el agua de la olla.

RADIACIÓN.

Los fotones son las partículas portadoras de la energía electromagnética. Cada fotón posee una cantidad específica de energía, determinada por su frecuencia (a mayor frecuencia, mayor energía). Esta energía se aprecia como luz visible, rayos ultravioleta, rayos X, microondas, ondas de radio o televisión, etc.

Cuando las partículas (átomos o moléculas), absorben energía, cambian a estados de mayor energía. Al volver a un estado de energía más bajo y estable, las partículas liberan la energía absorbida en forma de fotones y estos, transfieren a los alrededores la energía que absorbieron inicialmente, este proceso es llamado RADIACIÓN.

Cuando se transfiere energía a la materia, por medio de radiación y ésta emite menos energía de la que absorbe, aumenta su temperatura y por ello, la radiación es una forma de transferencia de calor. Los fotones emitidos por la fuente radiante impactan sobre la superficie de un material y transfieren la energía que contienen a las partículas de dicha superficie, que al no emitir radiación, acumulan la energía en forma de energía cinética y aumentan su temperatura. Este efecto se observa con la radiación solar cuando calienta la superficie de la Tierra.

La radiación puede viajar a través del espacio vacío al no necesitar de un medio material para transmitirse y es el principal medio de transferencia de energía en el universo a través de ondas electromagnéticas.

🔍Conducción, convección y radiación (definiciones y diferencias).

CONDUCTIVIDAD CALORÍFICA es la capacidad que tiene un material para conducir o transmitir calor. Al calentarse un material, sus moléculas aumentan su energía cinética y por tanto, incrementan su agitación y son capaces de compartir ese extra de energía sin ocasionar movimientos globales de la materia. Entre mayor sea la conductividad térmica de un material, mejor conductor del calor resultará y cuanto menor sea aquel, el material será más aislante. Algunos ejemplos de conductividad calorífica son: los metales (oro, plomo, cobre, titanio, aluminio, bronce, hierro), agua, alcohol, glicerina, diamante, tierra húmeda.

CAPACIDAD TÉRMICA ESPECÍFICA (CALOR ESPECÍFICO) es la cantidad de energía térmica necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa (1 gramo) de una sustancia en un grado Celsius (o Kelvin). La energía transferida como calor necesaria para aumentar la temperatura de una sustancia, es proporcional a su masa y al aumento de temperatura requerido. La constante de proporcionalidad de este proceso se denomina capacidad calorífica específica y se expresa en unidades de energía por unidad de masa y por unidad termométrica.

Q es la energía transferida

C es la capacidad específica de la sustancia.

m es la masa de la sustancia

⃤  T es la diferencia entre las temperaturas final e inicial del proceso

Las sustancias están compuestas por diferentes elementos en composiciones variables y sus estructuras moleculares son distintas, por tanto, absorben energía en diferentes proporciones. Se necesitan diferentes cantidades de energía para que masas iguales de dos sustancias diferentes, cambien su temperatura en una unidad termométrica (tienes diferentes capacidades caloríficas específicas).

Capacidad calorífica específica de algunos materiales.

🔍Capacidad calorífica específica.