Transferencia de energía térmica

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transferencia de energia termica

Existen tres formas de transmisión de energía térmica de un lugar a otro: conducción, convección y radiación:

Conducción

En la conducción, la energía se transmite en forma de calor como consecuencia de las interacciones entre átomos o moléculas, aunque no exista transporte de los mismos. Por ejemplo, si se calienta uno de los extremos de una barra sólida, los átomos de la red cristalina del extremo calentado vibran con mayor energía que los del extremo frio y debido a la interacción de estos átomos con sus átomos vecinos, esta energía se transporta a lo largo de la superficie.


Sea  ∆T  la diferencia de temperatura entre los extremos de un pequeño segmento de longitud ∆x.

Sea  Q  la cantidad de calor que se transmite por conducción a lo largo de dicha longitud en un cierto intervalo ∆t.

La tasa de conducción de calor  Q/∆t,  se denominará corriente térmica I.

Experimentalmente se encuentra que la corriente térmica es directamente proporcional al gradiente de temperatura y al área de una sección recta A:

 
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K es la constante de proporcionalidad llamada coeficiente de conductividad térmica o simplemente conductividad térmica y depende únicamente de la composición del material. En unidades del SI, la corriente térmica se expresa en Vatios (W) y la conductividad térmica tiene unidades de W/(m*k)².

 
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Donde R es la resistencia térmica: 
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Convección

La convección es el transporte de energía térmica que se verifica simultáneamente con el transporte del propio medio.

La convección surge cuando un fluido se calienta por la parte posterior. El fluido al calentarse se expande elevándose mientras que el fluido mas frio se hunde (pasa a la parte posterior).

Aproximadamente, el calor transmitido por convección desde un cuerpo a sus alrededores es proporcional al área del cuerpo y a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el fluido en el que se encuentre inmerso.

La descripción matemática de la convección es muy compleja, ya que el flujo depende de la diferencia de temperatura existente en las diferentes partes del fluido y esta diferencia de temperatura viene afectada por el propio flujo.

Es el responsable de las grandes corrientes oceánicas, así como de la circulación global de la atmosfera.

Radiación

En la radiación la energía térmica se transporta a través del espacio en forma de ondas electromagnéticas que se mueven a la velocidad de la luz.

La radiación térmica, las ondas luminosas, las ondas de radio, las ondas de televisión y los rayos X son todas ellas formas de radiación electromagnética y difieren entre si únicamente por sus longitudes de onda o frecuencias.

Según la ley del enfriamiento de Newton: “En todos los mecanismos de transmisión de calor, la velocidad de enfriamiento de un cuerpo es aproximadamente proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre el cuerpo y el medio que lo rodea”.

 

Todos los cuerpos emiten y absorben radiación electromagnética. Los cuerpos se encuentran en equilibro con el medio que les rodea en el momento en el que emite y absorbe energía al mismo ritmo.

La energía térmica irradiada por un cuerpo por unidad de tiempo, es proporcional al área del cuerpo y a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. Este resultado, obtenido empíricamente por Josef Stefan en 1879 y deducido teóricamente por Ludwig Boltzmann unos cinco años más tarde, recibe el nombre de la ley de Stefan-Boltzmann:

4Donde P es la Potencia radiada en vatios,  A es el área, e es la emisividad del cuerpo y σ una constante universal que recibe el nombre de constante de Stefan-Boltzmann cuyo valor es:

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La emisividad es una fracción que varía entre 0 y 1 y que depende de la superficie del objeto.

Cuando la radiación incide sobre un objeto opaco, parte de la energía en forma de radiación se refleja y parte de ella se absorbe, los objetos más claros reflejan la mayor parte de la radiación visible, mientras que los cuerpos oscuros absorben la mayor parte de radiación.

Se denomina cuerpo negro a aquel que es capaz de absorber toda la radiación que incide sobre él, es decir que la emisividad e=1, este concepto es más bien ideal ya que no existe ningún elemento con e=1 pero si muy cercanos, como el terciopelo negro. También se pueden dar situaciones en las que se actúe como cuerpo negro, como lo son las cavidades, por ejemplo de una cerradura, donde la radiación incidente pocas veces va a ser reflejada ya que rebotara en la cavidad y será absorbida, para este tipo de situaciones podemos considerar que e=1.

Una ley de carácter interesante es la ley del desplazamiento de Wien que nos dice que la longitud de onda para la cual la potencia es un máximo, varia inversamente con la temperatura:

 
                                                           
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Esta ley se utiliza para determinar las temperaturas de las estrellas a partir de los análisis de su radiación. También se utiliza para representar variaciones de temperatura en diferentes regiones de la superficie de un objeto, lo que constituye una termografía.

 

Artículo escrito por: David Mateos Fernández 

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Fuentes: Libro Tipler Mosca, edición 5ª, Volumen 1, Mecánica, Oscilaciones y ondas y Termodinámica.

5 Comentarios

  1. comment-avatar
    juan medina26 mayo, 2013 - 21:09

    espectacular

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    erika25 abril, 2013 - 21:06

    me parece bien

  3. comment-avatar
    jissel19 abril, 2013 - 22:39

    me sirvio de mucho

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    YULEIDIS31 marzo, 2013 - 21:19

    MUY BUENO QUE ES ESO NO EN TIENDO NADA SOBRE EL DIBUJO

    • comment-avatar
      atmosferis1 abril, 2013 - 5:02

      Buenos días Yuleidis, gracias por tu comentario. Con respecto a la imagen se puede apreciar la decantación de algún tipo de metal en estado líquido, mediante un crisol que se utiliza para transportar el material una vez en estado líquido, desde el horno donde ha sido fundido hasta su destino como puede ser un molde. Simplemente quería reflejar el estado térmico del metal con respecto al contenido del artículo a modo de símil. Si deseas más información puedes leer el artículo horno de arco eléctrico en la sección de máquinas eléctricas. Un saludo y gracias de nuevo.

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