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CAPITULO 14. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.
14.1 CALOR Y TEMPERATURA.
Calor y temperatura son conceptos que en el lenguaje cotidiano se confunden, pero son diferentes. Por ejemplo la frase “uuuufff, que hace calor” es una ex- presión común para referirnos al concepto de temperatura, a pesar de que mencionamos la palabra calor.
La temperatura es una magnitud física que se refiere a la sensación de frío o caliente al tocar alguna sustancia. En cambio el calor es una transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, producida por una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre flu- ye de una zona de mayor temperatura a otra de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la zona mas fría y reduce la de la zona más cálida, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a otro de temperatura alta si no se realiza trabajo. La materia esta formada por átomos o moléculas que están en constante movimiento, por lo tanto tienen energía de posición o potencial y energía de movimiento o cinética. Los continuos choques entre los átomos o moléculas transforman parte de la energía cinética en calor, cambiando la temperatura del cuerpo.
Calor. El calor se define como la energía cinética total de todos los átomos o molé- culas de una sustancia.
Temperatura. La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de los átomos y moléculas individuales de una sustancia. Cuando se agrega calor a una sus- tancia, sus átomos o moléculas se mueven más rápido y su temperatura se ele- va, o viceversa.
Cuando dos cuerpos que tienen distintas temperaturas se ponen en contacto entre sí, se produce una transferencia de calor desde el cuerpo de mayor tem-
peratura al de menor temperatura. La transferencia de calor se puede realizar por tres mecanismos físicos: conducción, convección y radiación, que se ilus- tran en la figura 14.1.
Figura 14.1 Esquema de los mecanismos de transferencia de calor.
14.2 CONDUCCION DE CALOR.
La conducción es el mecanismo de transferencia de calor en escala atómica a través de la materia por actividad molecular, por el choque de unas moléculas con otras, donde las partículas más energéticas le entregan energía a las menos energéticas, produciéndose un flujo de calor desde las temperaturas más altas a las más bajas. Los mejores conductores de calor son los metales. El aire es un mal conductor del calor. Los objetos malos conductores como el aire o plásticos se llaman aislantes.
La conducción de calor sólo ocurre si hay diferencias de temperatura entre dos
partes del medio conductor. Para un volumen de espesor ∆ x , con área de sec- ción transversal A y cuyas caras opuestas se encuentran a diferentes T 1 y T 2 , con T 2 > T 1 , como se muestra en al figura 14.2, se encuentra que el calor ∆ Q transferido en un tiempo ∆ t fluye del extremo caliente al frío. Si se llama H (en Watts) al calor transferido por unidad de tiempo, la rapidez de transferen- cia de calor H = ∆ Q/ ∆ t , está dada por la ley de la conducción de calor de Fourier.
a lo largo de la barra es constante. En ese caso el gradiente de temperatura es el mismo en cualquier lugar a lo largo de la barra, y la ley de conducción de calor de Fourier se puede escribir en la forma:
Figura 14.
L
T T
H kA
Ejemplo 14.1. Dos placas de espesores L 1 y L 2 y conductividades térmicas k 1 y k 2 están en contacto térmico, como en la figura 14.4. Las temperaturas de las superficies exteriores son T 1 y T 2 , con T 2 > T 1. Calcular la temperatura en la interfase y la rapidez de transferencia de calor a través de las placas cuando se ha alcanzado el estado estacionario.
Figura 14.4 Ejemplo 14.
Solución: si T es la temperatura en la interfase, entonces la rapidez de transfe- rencia de calor en cada placa es:
1
1 1 1
L
T T
H kA
= y 2
2 2 2
L
T T
H k A
T 2 T 1
L
Flujo de calor
Aislante
k
L 2 L^1
T 2 T 1
k 2 k 1
T
H
Cuando se alcanza el estado estacionario, estos dos valores son iguales:
2
2 2 1
1 1 2 1
L
T T
k A L
T T
H H k A
Despejando la temperatura T :
1 2 2 1
1 1 2 2 2 1 kL k L
kTL kTL T
Y la transferencia de calor H 1 o^ H 2 es:
1 1 2 2
2 1 1
L k L k
AT T
H
Ejemplo 14.2 Una barra de oro está en contacto térmico con una barra de pla- ta, una a continuación de la otra, ambas de la misma longitud y área transver- sal (figura 14.5). Un extremo de la barra compuesta se mantiene a T 1 = 80º C y el extremo opuesto a T 2 = 30º C. Calcular la temperatura de la unión cuando el flujo de calor alcanza el estado estacionario.
Figura 14.5. Ejemplo 14.
Solución: similar al ejemplo anterior, con L 1 = L 2 = L :
L
T T
H (^) oro k A
1
= y^ L
T T
H (^) plata k A
2
Cuando se alcanza el estado estacionario, estos dos valores son iguales:
T 1 T 2
T
k 1 H^ k 2
Figura 14.6. Proceso de convección.
El flujo de calor por convección es positivo ( H > 0 ) si el calor se transfiere desde la superficie de área A al fluido ( T (^) A > T ) y negativo si el calor se trans- fiere desde el fluido hacia la superficie ( T (^) A < T ).
Tabla 14.2. Valores típicos de coeficiente de convección. Proceso h (W/m^2 K) Convección libre Gases 2 - 25 Líquidos 50 - 1000 Convección forzada Gases 25 - 250 Líquidos 50 - 20000
Ejemplo 14.3. El vidrio de una ventana se encuentra a 10º C y su área es 1. m^2. Si la temperatura del aire exterior es 0º C, calcular la energía que se pierde por convección cada segundo. Considerar h = 4 W/(m 2 K).
Solución: Los datos son: T (^) A = 10º C = 283K, T = 0º C = 273K, A = 1.2 m^2. Usando la ley de enfriamiento de Newton:
H = h A (T (^) A – T)
m K W m K
W
H = 4 2 × 1. 2 2 ( 283 − 273 ) = 48
H
agua
T A
A
T
14.4 RADIACION.
La radiación térmica es energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura dada, se produce directamente desde la fuente hacia afuera en to- das las direcciones. Esta energía es producida por los cambios en las configu- raciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivos y transportada por ondas electromagnéticas o fotones, por lo recibe el nombre de radiación electromagnética. La masa en reposo de un fotón (que significa luz) es idénti- camente nula. Por lo tanto, atendiendo a relatividad especial, un fotón viaja a la velocidad de la luz y no se puede mantener en reposo. (La trayectoria des- crita por un fotón se llama rayo). La radiación electromagnética es una combi- nación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes y perpendiculares entre sí, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro.
A diferencia de la conducción y la convección, o de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación elec- tromagnética es independiente de la materia para su propagación, de hecho, la transferencia de energía por radiación es más efectiva en el vacío. Sin embar- go, la velocidad, intensidad y dirección de su flujo de energía se ven influidos por la presencia de materia. Así, estas ondas pueden atravesar el espacio inter- planetario e interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas. La lon- gitud de onda (λ) y la frecuencia ( ν) de las ondas electromagnéticas, relacio- nadas mediante la expresión λν = c , son importantes para determinar su ener- gía, su visibilidad, su poder de penetración y otras características. Indepen- dientemente de su frecuencia y longitud de onda, todas las ondas electromag- néticas se desplazan en el vacío con una rapidez constante c = 299792 km/s, llamada velocidad de la luz.
Los fotones son emitidos o absorbidos por la materia. La longitud de onda de la radiación está relacionada con la energía de los fotones, por una ecuación desarrollada por Planck:
λ
hc E = (14.4)
donde h se llama constante de Planck, su valor es h = 6,63 x 10 -34^ Js.
Por orden creciente de longitudes de onda (o decreciente de frecuencias), el espectro electromagnético está compuesto por rayos gamma, rayos X duros y blandos, radiación ultravioleta, luz visible, rayos infrarrojos, microondas y ondas de radio. Los rayos gamma y los rayos X duros tienen una longitud de onda de entre 5x10 -6^ y 5x10 -4^ micrómetros (un micrómetro, símbolo μm, es una millonésima de metro). Los rayos X blandos se superponen con la radia-
ción ultravioleta en longitudes de onda próximas a los 5x10-2^ μm. La región ultravioleta, a su vez, da paso a la luz visible, que va aproximadamente desde 0.4 hasta 0.8 μm. Los rayos infrarrojos se mezclan con las frecuencias de mi- croondas, entre los 100 y 400 μm. Desde esta longitud de onda hasta unos 15.000 m, el espectro está ocupado por las diferentes ondas de radio; más allá de la zona de radio, el espectro entra en las bajas frecuencias, cuyas longitudes de onda llegan a medirse en decenas de miles de kilómetros.La tabla 14. muestra el espectro electromagnético, con sus longitudes de onda, frecuencias y energías del fotón.
Tabla 14.3. Espectro electromagnético.
Longitud de onda Frecuencia Energía (J) Rayos gamma < 10 pm >30.0 EHz >19.9 x10- Rayos X < 10 nm >30.0 PHz >19.9 x10- Ultravioleta Extre- mo < 200 nm^ >1.5 PHz^ >993 x^
Ultravioleta Cerca- no < 380 nm^ >789 THz^ >523 x^
Luz Visible < 780 nm >384 THz >255 x10 - Infrarrojo Cercano < 2.5 μm >120 THz >79.5 x10- Infrarrojo Medio < 50 μm >6.00 THz >3.98 x10- Infrarrojo Lejano < 1 mm >300 GHz >199 x10 - Microondas < 30 cm >1.0 GHz >1.99 x10- Ultra Alta Frecuen- cia Radio < 1 m^ >300 MHz^ >1.99 x^
Muy Alta Frecuen- cia Radio < 10 m^ >30 MHz^ >2.05 x
Onda Corta Radio < 180 m >1.7 MHz >1.13 x10 - Onda Media (AM) Radio < 650 m^ >650 kHz^ >4.31 x^
Onda Larga Radio < 10 km >30 kHz >1.98 x10- Muy Baja Frecuen- cia Radio > 10 km^ <30 kHz^ <1.99 x
La radiación del Sol es emitida en todas las longitudes de onda, pero tiene un máximo en la región de luz visible. La luz visible está compuesta por varios colores, que cuando se mezclan forman la luz blanca. Cada uno de los colores tiene una longitud de onda específica, con límites entre 0.4 y 0.7 μm. Conside- rando desde las longitudes de onda más cortas a las más largas, los diferentes colores tienen los valores centrales de longitudes de onda que se indican en la tabla 14.4. Estos colores están dentro de un rango de longitudes de onda, por ejemplo el violeta esta en el rango entre 0.4 y 0.45 μm. Son los colores que forman el arcoiris. En sus extremos se tienen el ultravioleta y el infrarrojo. La mayor cantidad de energía radiante del Sol se concentra en el rango de longi- tudes de onda del visible y visible cercano del espectro, con las siguientes proporciones: luz visible 43%, infrarrojo cercano 49%, ultravioleta 7%, y el 1% restante en otros rangos.
Tabla 14.4 Colores del espectro visible y sus extremos.
Color λ ( μ m) Ultravioleta < 0. Violeta 0. Azul 0. Verde 0. Amarillo 0. Naranjo 0. Rojo 0. Infrarrojo > 0.
14.4.2. Penetración de la radiación electromagnética.
Cuando la frecuencia es inferior a la frecuencia de la radiación ultravioleta, los fotones no tienen suficiente energía para romper enlaces atómicos. Se dice en- tonces que la radiación es radiación no ionizante. A partir de los rayos ultra- violeta, vienen los Rayos X y los Rayos gamma, muy energéticos y capaces de romper moléculas, dicha radiación se denomina radiación ionizante.
La radiación electromagnética reacciona de manera desigual en función de su frecuencia y del material con el que entra en contacto. El nivel de penetración de la radiación electromagnética es inversamente proporcional a su frecuencia. Cuando la radiación electromagnética es de baja frecuencia, atraviesa limpia-
rayos X, según sus energías, exigen un blindaje grueso de material pesado como hierro, plomo u hormigón, como se muestra en la figura 14.8. También existe la radiación mecánica, que corresponde a ondas que sólo se transmiten a través de la materia, como las ondas de sonido.
14.4.3 Leyes de radiación.
Ley de Stefan. Todos los objetos emiten energía radiante, cualquiera sea su temperatura, por ejemplo el Sol, la Tierra, la atmósfera, los Polos, las personas, etc. La energía radiada por el Sol a diario afecta nuestra existencia en diferentes formas. Esta influye en la temperatura promedio de la tierra, las corrientes oceánicas, la agricultura, el comportamiento de la lluvia, etc.
Considerar la transferencia de radiación por una superficie de área A , que se encuentra a una temperatura T. La radiación que emite la superficie, se produ- ce a partir de la energía térmica de la materia limitada por la superficie. 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 (Joseph Stefan, austriaco, 1835-1893), que se escribe como:
H = εσAT 4 (14.5)
donde σ = 5.67x10 -8^ W/ ( m^2 K^4 ) se llama constante de Stefan-Boltzmann (Ludwing Boltzmann, austriaco, 1844-1906) y ε es una propiedad radiativa de la superficie llamada emisividad, sus valores varían en el rango 0 < ε < 1 , es una medida de la eficiencia con que la superficie emite energía radiante, de- pende del material.
Un cuerpo emite energía radiante con una rapidez dada por la ecuación 14.5, pero al mismo tiempo absorbe radiación; si esto no ocurriera, el cuerpo en al- gún momento irradiaría toda su energía y su temperatura llegaría al cero abso- luto. La energía que un cuerpo absorbe proviene de sus alrededores, los cuales también emiten energía radiante. Si un cuerpo se encuentra a temperatura T y
el ambiente a una temperatura T (^) o , la energía neta ganada o perdida por segun- do como resultado de la radiación es:
Hneta = εσA ( T 4 - T (^) o^4 ) (14.6)
Cuando el cuerpo está en equilibrio con los alrededores, irradia y absorbe la misma cantidad de energía, por lo tanto su temperatura permanece constante. Cuando el cuerpo está más caliente que el ambiente, irradia más energía de la que absorbe, y por lo tanto se enfría.
Un absorbedor perfecto se llama cuerpo negro (no significa que sea de color negro), que se define como un objeto ideal que absorbe toda la radiación que llega a su superficie y su emisividad es igual a uno. No se conoce ningún obje- to así, aunque una superficie de negro de carbono puede llegar a absorber aproximadamente un 97% de la radiación incidente. El Sol, la Tierra, la nieve, etc. bajo ciertas condiciones se comportan como un cuerpo negro. En teoría, un cuerpo negro sería también un emisor perfecto de radiación, y emitiría a cualquier temperatura la máxima cantidad de energía disponible. A una tem- peratura dada, emitiría una cantidad definida de energía en cada longitud de onda. En contraste, un cuerpo cuya emisividad sea igual a cero, no absorbe la energía incidente sobre el, sino que la refleja toda, es un reflector perfecto. Los cuerpos con emisividades entre 0 y 1 se llaman cuerpos grises, son los objetos reales. A raíz del fracaso de los intentos de calcular la radiación de un cuerpo negro ideal según la física clásica, se desarrollaron por primera vez los conceptos básicos de la teoría cuántica. Una buena aproximación de un cuerpo negro es el interior de un objeto hueco, como se muestra en la figura 14.9. La naturaleza de la radiación emitida por un cuerpo hueco a través de un pequeño agujero sólo depende de la temperatura de las paredes de la cavidad.
Figura 14.9. Representación de un cuerpo negro.
negro la longitud de onda de máxima emisión es inversamente proporcional a la temperatura absoluta. Con esta ley se demuestra que la emisión de radiación de la superficie terrestre tiene un máximo en cerca de 9.9 μm, que corresponde a la región infrarroja del espectro. También muestra que la temperatura del Sol, si el máximo de emisión de radiación solar ocurre en 0.474 μm, es del orden de 6110 K.
Figura 14.10. Intensidad de radiación de un cuerpo negro.
Ley de Planck.
Los objetos con mayor temperatura radian más energía total por unidad de área que los objetos más fríos. Por ejemplo el Sol con una temperatura media de 6000 K en su superficie, emite 1.6x10^5 (6000/300) 4 veces más energía que la Tierra con una temperatura media en superficie de 289 K = 16º C. Por defi- nición, un cuerpo negro es un absorbedor perfecto. 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. En 1900, Max Planck (alemán, 1858-1947), descubrió una fórmula para la radiación de cuerpo negro en todas las longitu- des de onda. La función empírica propuesta por Planck afirma que la intensi- dad de radiación I( λ ,T), esto es, la energía por unidad de tiempo por unidad de área emitida en un intervalo de longitud de onda, por un cuerpo negro a la temperatura absoluta T, está dada por:
2 5
−
−
echk^ T
hc I T λ
π λ λ (14.8)
donde I( λ ,T) es la densidad de flujo de energía por unidad de longitud de on- da, en W/(m^2 μm), h es la constante de Planck, y k es la constante de Boltz- mann, de valor k = 1.38 x 10 -23^ J/K. El gráfico de la función I( λ ,T) para dife- rentes valores de temperatura absoluta, se muestra en la figura 14.11.
Figura 14.11. Gráfico de la función I( λ ,T) de la ley de Planck.
lar: a) el gradiente térmico a lo largo de la varilla, considerando que este es uniforme, b) la cantidad de calor conducida por la varilla, c) la conductividad térmica del metal. d) Si el extremo que está a 100º C es- ta en contacto con vapor ¿qué cantidad de vapor condensa en los 5 mi- nutos señalados? R: a) 250 ºC/m, b) 3.3 W, c) 173.7 W/mK, d) 0.44 g.
14.7 Una barra de hierro de 20 cm de largo con un diámetro de 1 cm tiene un extremo sumergido en una mezcla de hielo a 0º C, mientras que el otro extremo está en un tanque de vapor a 100º C. Suponga que a lo largo de la barra se ha establecido un gradiente de temperatura unifor- me. Calcular: a) la rapidez del flujo de calor a lo largo de la barra, b) la rapidez con la que se funde el hielo en el extremo frío, c) la rapidez con la que se condensa el vapor en el extremo caliente para mantener el gradiente de temperatura uniforme, d) el gradiente de temperatura a lo largo de la barra.
14.8 Una heladera cúbica de plumavit, de 30 cm de lado y 2 cm de espesor, tiene una temperatura interna de 5º C y externa de 25º C. Si 5kg de hielo se funden en 8 horas, calcular la conductividad térmica del mate- rial. R: 0.143 W/mºC.
14.9 Un tubo de vapor se cubre con material aislante de 0.5 cm de espesor y 0.2 cal/(s cm ºC) de conductividad térmica. Inicialmente ¿Cuánto calor se pierde por segundo si el tubo está a 120º C y el aire circundante a 20º C? El tubo tiene un perímetro de 20 cm y una longitud de 50 cm. Ignore las pérdidas por los extremos del tubo. Analice la conveniencia o no de usar la relación dada para superficies planas. Estrictamente, debería usar la ecuación diferencial para la tasa conducción de calor e integrar para un conjunto de capitas superpuestas, cada una de forma cilíndrica y muy delgadita. R: 5.3x10^4 W
14.10 Una ventana térmica de 6 m^2 se construye con dos capas de vidrio, ca- da una de 4 mm de espesor, separadas por un espacio de aire de 5 mm. Si la parte interna está a 25º C y la externa a 0º C, calcular la pérdida de calor a través de la ventana.
14.11 A cierta familia le agrada tener la casa a 23° C durante el invierno, cuando afuera hay 0° C. ¿Qué temperatura interna deberían elegir si
quisieran bajar sus gastos en combustibles en 10%? Explique clara- mente las hipótesis que hizo. R: 20.7º C.
14.12 a) Si la temperatura promedio de la piel de algún alumno es 30º C, su- poniendo una emisividad ε = 0.97, calcular la radiación que emite. b) Si la temperatura promedio de las paredes de la sala donde se encuen- tra es 15º C, calcular la radiación que emite, considerada como cuerpo negro. c) Calcular la radiación neta para el alumno.
14.13 Una dama se encuentra en bikini en un sauna cuyas paredes están a 85° C y tienen una emisividad igual a 1. Su piel se encuentra a 40° C y su emisividad es 0.8. a) ¿Cuánto calor absorbe la dama por radiación de las paredes? b) ¿Cuál es la tasa a la cual la dama irradia energía al medio exterior? c) ¿Cuánto sudor debería evaporar por hora para que su temperatura se mantenga normal y estable? (Suponga que éste es el único mecanismo de pérdida energía y que no está produciendo ener- gía por metabolismo). Considere que el calor latente del sudor, a 37º C, es 2427 kJ/kg (compare con el del agua, tenga presente que éste úl- timo está dado a 100º C).
14.14 Averiguar en algún texto de óptica, cual es la longitud de onda y la frecuencia de la radiación donde el ojo humano tiene la máxima sensi- bilidad, ¿y el ojo de un gato?, ¿un murciélago?, ¿un búho?
14.15 Calcular la frecuencia en Hertz y la energía en J (ecuación 14.4), para las longitudes de onda de cada tipo de radiación de la tabla 14.4.
14.16 La temperatura de la superficie del Sol es de unos 6000 K. Tomando el radio del Sol igual 7x10^8 m, calcular la energía total irradiada por el Sol cada día. R: 3.7x10^31 J.
14.17 La temperatura de la superficie del Sol es de unos 6000 K. a) ¿Cuál es la longitud de onda en que se produce la máxima radiación? b) ¿A qué tipo de radiación del espectro electromagnético corresponde? c) Con- siderando las longitudes de onda de la luz visible de la tabla 14.4, opi- ne si desde el punto de vista físico es una buena o mala norma pintar los buses escolares de amarillo y los carros de bomberos de rojo. R: a) 0.474 μm, b) visible.
