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Equilibrio térmico
El equilibrio térmico es un estado en el que dos sustancias de la materia han alcanzado la misma temperatura y, por tanto, ya no hay transferencia de energía térmica entre ellas. También puede describirse como un estado isotérmico. Para que se considere una condición isotérmica, es necesario que los dos cuerpos estén en contacto entre sí.
Si un bloque de hielo con una temperatura de -5°C se coloca sobre una mesa con una temperatura de 25°C, ¿se alcanzará el equilibrio térmico?
Solución
La energía térmica de la mesa se transferirá al hielo debido a la diferencia de temperatura (ΔΤ) de 20°C, hasta que estos dos objetos alcancen el equilibrio térmico. Por tanto, el equilibrio térmico se alcanzará cuando estos dos objetos alcancen la misma temperatura.
La dirección de la transferencia de calor
La temperatura de las dos regiones bajo el gradiente de temperatura actual proporcionará la dirección de la transferencia de calor. La dirección de la energía térmica será siempre del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura, cuando no haya adiciones externas de calor en el sistema. En el ejemplo anterior, la dirección de la transferencia de calor es de la mesa al hielo, ya que la mesa tiene una temperatura más alta.
Métodos de transferencia de calor
Existen tres métodos principales por los que puede producirse la transferencia de calor. Entre ellos están la convección, la conducción y la radiación.
Convección
También conocida como transferencia de calor por convección, implica la transferencia de calor a través del movimiento de un fluido que puede estar en forma de gas o líquido. Cuando un fluido se mueve, se está transfiriendo energía térmica a partir del movimiento de las partículas del fluido.
El movimiento de un fluido caliente dentro de una tubería hará que ésta se caliente, ya que la energía térmica se transferirá del fluido caliente a las paredes de la tubería, provocando el calentamiento del material.
Conducción
Es un método de transferencia de calor que se produce debido a las colisiones entre partículas y partículas subatómicas dentro de un cuerpo. Cuando las partículas subatómicas chocan entre sí, se produce una transferencia de energía cinética conocida como energía interna, que genera calor.
Cuando se retira una sartén caliente del fogón y se coloca sobre una mesa, la energía térmica de la sartén caliente se transferirá localmente a la superficie de la mesa por la colisión de partículas entre ambas superficies.
Radiación
La radiación es un método de transferencia de calor en forma de luz u ondas electromagnéticas. Este tipo de energía es emitida por ciertas materias que nos rodean.
Un ejemplo de transferencia de calor por radiación es el calentamiento de una habitación a partir de la energía térmica emitida por una chimenea. En este ejemplo, la transferencia de calor por conducción también se produce en la habitación, pero a menor velocidad.
Coeficiente de transferencia de calor
Es una propiedad física de un objeto, que se utiliza para expresar lo bien que se transfiere el calor. Si el coeficiente de transferencia de calor (h) es grande, el calor se transferirá de un objeto a otro más fácil y rápidamente, y viceversa. El coeficiente de transferencia de calor depende de dos parámetros: la conductividad térmica y el grosor de los materiales en los que se produce la transferencia de calor.
La conductividad térmica es una medida de la capacidad de un material para conducir el calor. Si la conductividad térmica es alta, el coeficiente de transferencia de calor también será mayor. Y también, si el material es bastante grueso, el coeficiente de transferencia de calor resultante será menor.
La ecuación para la transferencia de calor
La velocidad a la que se produce la transferencia de calor puede describirse mediante la siguiente ecuación. Ten en cuenta que
- h es el coeficiente de transferencia de calor.
- Q es el calor transferido medido en vatios.
- ΔΤ es la diferencia de temperatura entre los dos objetos de interés (se mide en Kelvin).
- A es la superficie de la zona de conducción enm2.
- T1 y T2 son las temperaturas de la superficie y del entorno, respectivamente.
\[Q = h \cdot A \cdot \Delta T = h \cdot A \cdot (T_2 - T_1)\].
Se está calentando una cacerola de 20 cm de diámetro y 5 cm de profundidad. La energía se transfiere por convección desde la estufa al fondo de la cacerola a razón de 600 W. La temperatura resultante en el fondo exterior de la cacerola es de 380 K. Halla el coeficiente de transferencia de calor si la temperatura en la superficie interior del fondo es de 300 K.
Solución
Primero tenemos que hallar la superficie en unidades del SI. Para ello, convertimos 20 cm en metros y, a continuación, convertimos el diámetro en radio para hallar el área, como se indica a continuación.
\(D = 20 \space cm = 20 \cdot 10^{-2} \space m\)
\(R = \frac{20 \cdot 10^{-2} \space m}{2} = 0,1 \space mA = \pi \cdot r^2 = \pi \cdot 0,1^2 m^2 = 0,0314 \space m^2\)
Halla el coeficiente de transferencia de calor reordenando la ecuación de la velocidad de transferencia de calor.
\(Q = h \cdot A \cdot (T_2 - T_1) \rightarrow h = \frac{Q}{A \cdot (T_2-T_1)}\)
Por último, sustituimos los valores dados en la ecuación final para hallar el coeficiente de transferencia de calor.
\(h = \frac{Q}{A \cdot (T_2-T_1} = \frac{600}{0,0314 \cdot (380-300)} [W/m^2K] = 238,85 [W/m^2K]\)
Transferencia de calor - Puntos clave
La transferencia de energía térmica es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos debido a diferencias de temperatura.
La energía térmica puede transferirse por tres métodos principales.
La convección, la conducción y la radiación son los métodos de transferencia de energía térmica.
El coeficiente de transferencia de calor es una característica de la conductividad térmica de un material, que mide lo bien que se transfiere el calor a través del material.
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