Calor

Este elemento es una ampliación de los cursos y guías de Lawi. Ofrece hechos, comentarios y análisis sobre este tema. [aioseo_breadcrumbs] “El calor debe, pues, consistir en una fuerza viva o en una atracción a través del espacio. En el primer caso podemos concebir que las partículas constituyentes de los cuerpos calentados estén, total o parcialmente, en estado de movimiento. En el segundo caso, podemos suponer que las partículas son removidas por el proceso de calentamiento, para ejercer la atracción a través de un espacio mayor. Me inclino a creer que ambas hipótesis serán válidas, que en algunos casos, particularmente en el caso del calor sensible, o tal como lo indica el termómetro, se encontrará que el calor consiste en la fuerza viva de las partículas de los cuerpos en los que es inducido; mientras que en otros, particularmente en el caso del calor latente, el fenómeno se produce por la separación de partícula a partícula, de modo que se atraen entre sí a través de un espacio mayor”. Joule, J.P. (1884).

Calor

El calor es una forma de transferencia de energía que se produce debido a una diferencia de temperatura entre una “fuente” de mayor temperatura y un “sumidero” de menor temperatura. La transferencia de calor se produce siempre entre dos objetos cuando existen a diferentes temperaturas (véase la ilustración). La conducción es la forma de transferencia de calor que se produce cuando no hay movimiento de masa entre las dos sustancias; un ejemplo es la transferencia de calor entre una taza de café o té caliente y la mano que sostiene la taza. La convección es la forma de transferencia de calor que se produce entre dos sustancias cuando una de ellas, o las dos, tiene movimiento de masa; un ejemplo es la transferencia de calor entre el aire de un ventilador y el cuerpo de una persona. La radiación es la única forma de transferencia de calor que no requiere un medio para transferir energía de una sustancia a otra. En otras palabras, la radiación puede producirse en el vacío, mientras que la convección y la conducción no. La radiación es una función más fuerte de la temperatura que la convección y la conducción y suele ser más importante a temperaturas más altas que la conducción y la convección. La radiación es la forma de transferencia de calor que transmite la energía del sol al planeta Tierra. Cada forma de transferencia de calor tiene unos principios rectores relacionados. Véase también: Energía; Conducción de calor; Convección de calor; Transferencia de calor; Radiación; Temperatura

Algunos pueden pensar erróneamente que el calor es la energía de un objeto o sistema, pero eso es incorrecto. Un objeto o sistema posee energía interna y otras formas de energía que están directamente relacionadas con la temperatura del objeto o sistema. Generalmente, un sistema con una temperatura más alta posee más energía que un sistema con una temperatura más baja, pero hasta que el sistema no interactúa con otro objeto o sistema a una temperatura diferente, no se produce la transferencia de calor. Véase también: Energía interna

A efectos de la termodinámica, es conveniente definir toda la energía en tránsito como transferencia de calor o transferencia de trabajo. Como se ha definido anteriormente, la transferencia de calor es el resultado de una diferencia de temperatura entre dos objetos. La transferencia de trabajo es la transferencia de energía debida a la diferencia de cualquier otro potencial, como la altura. La transferencia de trabajo puede considerarse como la energía necesaria para levantar un peso o estirar un muelle. La transferencia de calor se diferencia de la transferencia de trabajo en que la transferencia de calor está limitada por la segunda ley de la termodinámica. Véase también: Principios termodinámicos; Trabajo

La unidad de transferencia de calor, transferencia de trabajo y energía en el Sistema Internacional de Unidades es el julio, simbolizado como J. La calorimetría es la medida de la cantidad de calor transferida a o desde un objeto. La medida del calor necesario para elevar la temperatura de una sustancia se conoce como calor específico. Véase también: Calorimetría; Calor específico; Calor específico de los sólidos; Unidades de medida

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Calor

El calor, energía que se transfiere de un cuerpo a otro como resultado de una diferencia de temperatura. Si se juntan dos cuerpos a diferentes temperaturas, se transfiere energía -es decir, fluye calor- del cuerpo más caliente al más frío. El efecto de esta transferencia de energía suele ser, aunque no siempre, un aumento de la temperatura del cuerpo más frío y una disminución de la temperatura del cuerpo más caliente. Una sustancia puede absorber calor sin que aumente su temperatura al pasar de un estado físico (o fase) a otro, como de un sólido a un líquido (fusión), de un sólido a un vapor (sublimación), de un líquido a un vapor (ebullición), o de una forma sólida a otra (lo que suele llamarse transición cristalina). La importante distinción entre calor y temperatura (siendo el calor una forma de energía y la temperatura una medida de la cantidad de esa energía presente en un cuerpo) se aclaró durante los siglos XVIII y XIX.

El calor como forma de energía

Debido a que todas las formas de energía, incluyendo el calor, pueden convertirse en trabajo, las cantidades de energía se expresan en unidades de trabajo, como julios, pies-libra, kilovatios-hora o calorías. Existen relaciones exactas entre las cantidades de calor añadidas o retiradas de un cuerpo y la magnitud de los efectos sobre el estado del mismo. Las dos unidades de calor más utilizadas son la caloría y la unidad térmica británica (BTU). La caloría (o gramo-caloría) es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14,5 a 15,5 °C; el BTU es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua de 63 a 64 °F. Una BTU equivale aproximadamente a 252 calorías. Ambas definiciones especifican que los cambios de temperatura deben medirse a una presión constante de una atmósfera, porque las cantidades de energía implicadas dependen en parte de la presión. La caloría que se utiliza para medir el contenido energético de los alimentos es la caloría grande, o kilogramo-caloría, que equivale a 1.000 gramos-caloría.

En general, la cantidad de energía necesaria para elevar una unidad de masa de una sustancia a través de un intervalo de temperatura específico se denomina capacidad calorífica, o calor específico, de dicha sustancia. La cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un cuerpo un grado varía en función de las restricciones impuestas. Si se añade calor a un gas confinado a volumen constante, la cantidad de calor necesaria para provocar un aumento de temperatura de un grado es menor que si el calor se añade al mismo gas libre para expandirse (como en un cilindro provisto de un pistón móvil) y así realizar trabajo. En el primer caso, toda la energía se destina a elevar la temperatura del gas, pero en el segundo, la energía no sólo contribuye al aumento de la temperatura del gas, sino que también proporciona la energía necesaria para el trabajo realizado por el gas sobre el pistón.

Una Conclusión

Por consiguiente, el calor específico de una sustancia depende de estas condiciones. Los calores específicos más comúnmente determinados son el calor específico a volumen constante y el calor específico a presión constante. Los científicos franceses Pierre-Louis Dulong y Alexis-Thérèse Petit demostraron en 1819 que las capacidades caloríficas de muchos elementos sólidos están estrechamente relacionadas con sus pesos atómicos. La llamada ley de Dulong y Petit fue útil para determinar los pesos atómicos de ciertos elementos metálicos, pero hay muchas excepciones a la misma; posteriormente se descubrió que las desviaciones eran explicables sobre la base de la mecánica cuántica.

Es incorrecto hablar del calor en un cuerpo, porque el calor se limita a la energía que se transfiere. La energía almacenada en un cuerpo no es calor (ni tampoco trabajo, ya que el trabajo también es energía en tránsito). Sin embargo, es habitual hablar de calor sensible y latente. El calor latente, también llamado calor de vaporización, es la cantidad de energía necesaria para transformar un líquido en vapor a temperatura y presión constantes. La energía necesaria para fundir un sólido en un líquido se llama calor de fusión, y el calor de sublimación es la energía necesaria para cambiar un sólido directamente a un vapor, estos cambios también tienen lugar en condiciones de temperatura y presión constantes.

El aire es una mezcla de gases y vapor de agua, y es posible que el agua presente en el aire cambie de fase, es decir, que se convierta en líquido (lluvia) o en sólido (nieve). Para distinguir entre la energía asociada al cambio de fase (el calor latente) y la energía necesaria para un cambio de temperatura, se introdujo el concepto de calor sensible. En una mezcla de vapor de agua y aire, el calor sensible es la energía necesaria para producir un determinado cambio de temperatura, excluyendo la energía necesaria para el cambio de fase.

Transferencia de calor

Dado que el calor es una energía en transición, es pertinente hablar de los mecanismos implicados. Existen tres modos de transferencia de calor, que pueden describirse como:

• la transferencia de calor por conducción en sólidos o fluidos en reposo,
• la transferencia de calor por convección en líquidos o gases en estado de movimiento, combinando la conducción con el flujo de fluidos, y
• la transferencia de calor por radiación, que tiene lugar sin portador material.

El flujo de calor en barras de metal fue estudiado analíticamente por el matemático francés Jean-Baptiste-Joseph Fourier y medido por el físico francés Jean-Baptiste Biot en 1816. La conductividad del agua se determinó por primera vez en 1839; la de los gases no se midió hasta después de 1860. Biot formuló las leyes de la conducción en 1804 y Fourier publicó una descripción matemática de este fenómeno en 1822. En 1803 se descubrió que los rayos infrarrojos se reflejan y refractan como la luz visible y, a partir de entonces, el estudio de la radiación térmica pasó a formar parte del estudio de la radiación en general. En 1859, un físico alemán, Gustav Robert Kirchhoff, presentó su ley de la radiación, que relacionaba la potencia emisiva con la absorbencia. Un austriaco, Josef Stefan, estableció la relación (ahora llamada ley de Stefan-Boltzmann) entre la energía radiada por un cuerpo negro y la cuarta potencia de su temperatura. Ludwig Boltzmann estableció la base matemática de esta ley de la radiación en 1884 (examine más sobre todos estos aspectos en la presente plataforma online de ciencias sociales y humanidades). Fue en el estudio de la radiación donde Max Planck llegó al concepto de lo cuántico. La comprensión de la transferencia de calor por convección se desarrolló durante el periodo 1880-1920, aunque una ecuación que describía tales procesos había sido sugerida por Sir Isaac Newton en 1701.

En Relación a la Gravitacion

El calor es una forma de energía interna asociada al movimiento aleatorio de los componentes moleculares de la materia o a la radiación. La temperatura es un promedio de una parte de la energía interna presente en un cuerpo (no incluye la energía de enlace molecular ni de rotación molecular).

El estado energético más bajo posible de una sustancia se define como el cero absoluto (-273,15 °C, o -459,67 °F) de temperatura. Un cuerpo aislado acaba alcanzando una temperatura uniforme, estado conocido como equilibrio térmico, al igual que dos o más cuerpos puestos en contacto. El estudio formal de los estados de la materia en (o cerca de) el equilibrio térmico se llama termodinámica; es capaz de analizar una gran variedad de sistemas térmicos sin considerar sus microestructuras detalladas.

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Conducción de calor

Conducción de calor es el flujo de energía térmica a través de una sustancia desde una región de mayor temperatura a otra de menor. La conducción del calor se produce por interacciones atómicas o moleculares. La conducción es uno de los tres métodos básicos de transferencia de calor, los otros dos son la convección y la radiación. Véase también: Convección de calor; Radiación de calor; Transferencia de calor

Se dice que existe conducción en estado estacionario cuando la temperatura en todos los lugares de una sustancia es constante con el tiempo, como en el caso del flujo de calor a través de una pared uniforme. Ejemplos de conducción de calor esencialmente transitoria o periódica y combinaciones simples o complejas de ambas se encuentran en el tratamiento térmico de los metales (Fig. 1), el acondicionamiento del aire, el procesamiento de alimentos y el vertido y curado de grandes estructuras de hormigón. Además, las variaciones diarias y anuales de la temperatura cerca de la superficie de la Tierra pueden predecirse razonablemente bien suponiendo una simple variación sinusoidal de la temperatura en la superficie y tratando la Tierra como un sólido semi-infinito. Véase también: Aire acondicionado; Tierra; Metal; Temperatura

Como ejemplo del proceso de conducción, consideremos un gas como el nitrógeno, que normalmente está formado por moléculas diatómicas. La temperatura en cualquier punto puede interpretarse como una especificación cuantitativa de la energía cinética y potencial media almacenada en las moléculas o átomos en ese punto. Esta energía almacenada será en parte cinética debido a las velocidades aleatorias de traslación y rotación de las moléculas, en parte potencial debido a las vibraciones internas, y en parte iónica si el nivel de temperatura (energía) es lo suficientemente alto como para provocar la disociación. El flujo de energía resulta del desplazamiento aleatorio de las moléculas de alta temperatura hacia las regiones de baja temperatura y viceversa. Al chocar con las moléculas de la región de baja temperatura, las moléculas de alta temperatura ceden parte de su energía. En la región de alta temperatura ocurre lo contrario. Estos procesos tienen lugar de forma casi instantánea en distancias infinitesimales, siendo el resultado un estado de cuasi-equilibrio con transferencia de energía. El mecanismo del flujo de energía en los líquidos y los sólidos es, en principio, similar al de los gases, pero diferente en los detalles. Véase también: Átomo; Energía; Gas; Molécula

Ecuación de Fourier

La teoría matemática, así como el cálculo práctico de la conducción del calor, se basan en una interpretación macroscópica, en contraste con el mecanismo microscópico básico que acabamos de describir. Desde un punto de vista físico, se razona que el flujo de calor constante desde una superficie (Fig. 2) a la temperatura t1 hacia una superficie paralela a t2 es directamente proporcional a (t1 – t2), al área A normal a la dirección del flujo y al tiempo de flujo τ, e inversamente proporcional a la distancia l entre los dos planos. Estos factores se modifican mediante un coeficiente κ que tiene en cuenta la naturaleza conductora de calor de la sustancia concreta entre los dos planos.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

Ecuación diferencial de la conducción

La evidencia del flujo de calor por conducción a través de una sustancia es la variación de la temperatura con el lugar y el tiempo. Si se conoce o se puede determinar la temperatura en función de las coordenadas espaciales y del tiempo, se puede especificar el flujo de calor en cualquier lugar y en cualquier dirección mediante una diferenciación adecuada. Un problema dado se ataca normalmente resolviendo la ecuación diferencial que rige la distribución de la temperatura en una sustancia homogénea y haciendo que esta solución se ajuste a las condiciones iniciales o de contorno prescritas. Esta ecuación diferencial, que es esencialmente una expresión de la primera ley de la termodinámica aplicada al flujo de calor, se obtiene haciendo un balance de calor en un volumen elemental en un medio.

Resistencia de la interfaz

Consideremos ahora el flujo de calor en estado estacionario a través de una pared compuesta por dos o más capas de material, cada una de ellas con diferentes propiedades térmicas uniformes. Si las superficies de las distintas capas son muy lisas y están en muy buen contacto entre sí, la distribución de la temperatura será continua.

Las superficies reales, incluso las pulidas, no son lisas, sino que tienen pequeños salientes y depresiones. En consecuencia, cuando se juntan dos superficies, el contacto se produce principalmente en los puntos salientes, como se ilustra en la Fig. 7b. El área de contacto resultante es sólo una pequeña fracción del área de contacto nominal. La deformación plástica en los puntos de contacto de uno o ambos materiales suele producirse con la aplicación de fuerza para mantenerlos unidos. El calor fluye tanto a través de las pequeñas áreas de contacto como de la sustancia (normalmente un gas o un líquido) que rellena los huecos entre las protuberancias de contacto.

La alteración de la trayectoria del flujo de calor causada por este contacto imperfecto se denomina resistencia de contacto. Se determina extrapolando la distribución de la temperatura medida en cada material al lugar de la interfaz aparente (Fig. 7b). El cociente entre la diferencia de temperatura resultante Δti así determinada y el flujo de calor define una resistencia de interfaz Ri = Δti/q . Ri depende de las rugosidades de las superficies, del gas o del líquido que rellena los huecos y de la presión de contacto. En general, el efecto de la resistencia de contacto sólo es significativo a presiones de interfaz bajas (por ejemplo, por debajo de 100 lb/pulg.2 o 700 kPa).

Conducción periódica y transitoria

Se trata de los dos tipos de flujo térmico que no son de estado estable. Por periódica se entiende una condición de cuasi-estado estacionario en la que la temperatura y el flujo de calor en cualquier punto de un cuerpo varían continuamente con el tiempo, pero pasan por la misma serie de valores en un periodo de tiempo definido, τ0. El estado transitorio se produce cuando el flujo de calor en cualquier lugar cambia momentánea o permanentemente. La duración del periodo transitorio es el tiempo necesario para que el sistema vuelva a su estado original o a un nuevo estado estacionario. Un cambio transitorio puede superponerse a una variación periódica.

Restringiendo la consideración a los ejemplos en los que no hay generación de calor, la ecuación diferencial fundamental que debe satisfacerse para el flujo de calor periódico o transitorio es la Ec. (8). Una aplicación interesante es la variación de la temperatura en la Tierra debida a la variación diurna de la temperatura, o a un cambio repentino de la temperatura de la superficie.

Datos verificados por: Thompson
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Recursos

Traducción al Inglés

Traducción al inglés de Calor: Heat.

Véase También

Efecto del ángulo del sol en el clima
La muerte por calor del Universo
Difusión del calor
Ecuación del calor
Intercambio de calor
Ola de calor
Sensor de flujo térmico
Coeficiente de transferencia de calor
Historia del calor
Órdenes de magnitud (temperatura)
Calor sigma
Calentamiento por choque
Gestión térmica de dispositivos y sistemas electrónicos
Termómetro
Conducción de calor relativista
Código Mecánico Uniforme
Código Uniforme de Energía Solar e Hidráulica
Calor residual
Conductividades térmicas
Conducción eléctrica
Ecuación de difusión por convección
Valor R (aislamiento)
Tubo de calor
Ley de Fick de la difusión
Conducción de calor relativista
Ecuación de Churchill-Bernstein
Número de Fourier
Número de Biot
Falsa difusión

Bibliografía

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