Unidad: Transferencia de Calor

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Unidad: Transferencia de Calor

En esta guía estudiaremos los tres mecanismos que permiten transferir calor de un  cuerpo a otro: Conducción, Convección y Radiación.

Actividad: 

Conducción de calor

La   imagen   a   la  izquierda   muestra   varios  fósforos   que   están  pegados   con   silicona   a   dos   alambres   de   cobre.   Cuando  calentemos los alambres los fósforos caerán.

1.  Haz   una   Predicción:   ¿Caen   todos   los   fósforos  aproximadamente al mismo tiempo o hay algunos fósforos que  caen antes que otros? ¿Por qué?

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Cuando el extremo del metal se calienta, su temperatura aumenta y los átomos del  alambre se mueven más rápido. Al chocar estos átomos con sus vecinos, éstos también  empiezan a moverse más rápido producto de los choques que experimentan y el calor  es   transmitido   a   lo   largo   del   alambre.   Esta   forma   de   transferir   calor   se   llama  conducción. En general, los fluidos como el aire son malos conductores del calor, mientras que los  metales son buenos conductores. De un buen conductor del calor se dice que posee una  alta conductividad térmica. A los malos conductores del calor a menudo se les llama  aislantes. 2. A continuación mostraremos dos cubos de hielo que se  dejan encima de unos bloques. ¿Qué sucederá con los trozos  de hielo? Observa el video para ver que sucede.

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Mientras los cubos se están derritiendo su temperatura no  cambia y es la temperatura de fusión del agua, 0 °C. Ambos  trozos de hielo tienen la misma temperatura y sólo están en  contacto con los bloques y con el aire.

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Aunque los dos soportes parecen iguales, están hechos de distintos materiales, y por lo  tanto tienen distintas conductividades térmicas.

4. ¿Cuál de los dos soportes tiene mayor conductividad térmica?

Nuestros   sentidos   a   veces   nos   pueden   engañar,   pues   la   piel   es   sensible   a   la  conductividad de los materiales que toca. Seguramente has viajado de pie en un bus en  una mañana fría y has tocado el pasamanos metálico y el asiento más cercano a ti.  ¡Ambos están a la misma temperatura! Sin embargo, el metal conduce mejor el calor  de tu cuerpo y tú lo percibes como si tuviese menor temperatura.

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Actividad: 

Ley de Fourier de la conducción de calor

Si dos caras distintas de un material de espesor Δx (por ejemplo, la pared de un horno)  se mantienen a una diferencia de temperatura ΔT, entonces el calor fluye a través del  material a cierto ritmo, ΔQ/Δt. Experimentalmente se encuentra que: Si aumenta la diferencia de temperatura ΔT que causa el flujo de calor, aumenta la  cantidad de calor ΔQ que atraviesa el material en un Δt dado. Para una diferencia de temperatura dada ΔT, si se utiliza una pared del doble de  grosor, el flujo de calor se reduce a la mitad.

Es   decir,   el   flujo   de   calor   ΔQ/Δt   es   proporcional   a   ΔT/Δx.   La   constante   de 

proporcionalidad recibe el nombre de conductividad térmica del material,  . κ

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En el video donde se derriten los cubos de hielo esta ecuación se aplica a los soportes,  que   en   este   caso   tienen   igual   diferencia   de   temperatura   y   espesor,   pero   distinta  conductividad  térmica. Otro ejemplo donde se aplican estas ideas se muestra en el  siguiente video. La imagen muestra un globo inflado con un poco de agua en su  interior. Observa que ocurre cuando pasamos una llama por el  globo. 1. Intenta explicar lo que observaste. Ayuda: ¿Se calienta mucho el globo?¿Por qué?

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En el video anterior la diferencia de temperatura entre la llama y el agua casi no  cambia  durante el experimento. El espesor del globo es pequeño por lo que el calor  fluye   rápidamente   a   través   del   globo   sin   aumentar   su   temperatura  y  el   calor   es  absorbido por el agua que está dentro del globo.

En cambio, si se calienta con la llama sólo al globo, rápidamente su temperatura  aumenta y se ablanda hasta el punto que no es capaz de resistir la presión interna.

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Actividad: 

Conducción de calor en una rejilla metálica

¿Te has preguntado alguna vez por qué los mecheros suelen  usar una rejilla metálica en contacto con la llama? Observa el  siguiente video que muestra una llama que se acerca a una  rejilla metálica. 2. ¿Cuál crees tú que es la causa de este comportamiento? 3.  ¿Toma en cuenta tu respuesta que la rejilla metálica conduce bien el calor?

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En el video que acabas de ver la rejilla metálica conduce rápidamente el calor hacia los  costados, lejos de la llama, provocando que la temperatura arriba de la rejilla y cerca  de la llama baje a un valor que no puede sostener la combustión de ésta.

Un   experimento   relacionado   es   el   que   se   muestra   a  continuación,  esta  vez   un   encendedor   se  coloca   debajo  de   la  rejilla y la chispa se produce arriba de ella. 4. Haz una predicción: ¿Qué sucede al abrir el gas y producir la  chispa? Observa el video para chequear tu predicción. 5. Finalmente acercamos una llama ya encendida a la rejilla de  forma que la rejilla la corte por la mitad. ¿Qué crees que sucede  en este caso?  Observa el video.

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Actividad: 

Calentando una gota de agua

¿Te has preguntado por qué puedes tocar una plancha por un pequeño instante sin  quemarte si primero te humedeces el dedo? El siguiente video tiene relación con esto. Echaremos una gota de agua sobre el fondo de una lata de bebida que está  muy caliente. Observa lo que ocurre: Aquí puedes ver un detalle de lo que ocurre:

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Para entender mejor el fenómeno anterior, observa que ocurre si echamos  una gota grande de agua.

Una versión mas de cerca se encuentra a continuación:

En   ambos   casos   la   lata   está  a   la  misma temperatura pero en un caso el  agua hierve y se evapora rápidamente  mientras que en el otro no. 

1. ¿Cuál es la diferencia entre los dos experimentos que explica esto?

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La gota pequeña flota debido a una capa de vapor de agua evaporada que queda entre  ella y la lata, de forma que no hay contacto directo entre la gota de agua y la lata. ¡El  aire es un mal conductor del calor! 

Quizás has visto videos de personas caminando sobre carbón encendido. Uno de los  factores   que   hacen   esto   posible   es   el   hecho   que   las   cenizas   tienen   muy   baja  conductividad térmica, por lo que si permaneces poco tiempo sobre el carbón no hay un  flujo apreciable de calor hacia tus pies. Si un charlatán te dice que él puede hacerlo  porque tiene poderes síquicos, pídele que camine sobre una plancha metálica encima  del carbón! No intentes caminar sobre carbón encendido, el carbón debe estar bien preparado de  forma de no contener humedad antes de caminar sobre él, y debes asegurarte que el  carbón no se adhiera a los pies mientras caminas. Varias precauciones deben tomarse  y aún así es un experimento muy peligroso.

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Actividad: 

Convección

El Segundo mecanismo de transferencia de calor es la convección. Observa  el siguiente video de un jarro con agua con tinta que se calienta por abajo. 1. ¿Qué tipo de movimiento describe el agua?

Se   llama   convección   al   transporte   de   calor   que   ocurre   debido   al  movimiento del fluido.

Cuando el fluido se calienta sus moléculas se mueven más rápido y la  distancia entre ellas aumenta. La misma masa de fluido ocupa un mayor  volumen, es decir:

El   movimiento   ascendiente   y   descendiente   del   fluido   en   forma   de   loops   se   denomina   corriente   de  convección.

El fluido más caliente es menos denso, por lo que sube,

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Otro experimento en que se visualizan las corrientes de convección, esta  vez en un gas, puede verse en el siguiente video:

2. ¿Por qué es necesario colocar hielo en la parte superior del frasco para  que se produzcan las corrientes de convección?

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La imagen muestra  dos tubos verticales cortos empalmados  a la parte superior de una botella horizontal. Observa que  ocurre con el humo que se coloca en la boca del tubo a la  derecha   cuando   hay   una   vela   encendida   en   el   tubo   de   la  izquierda

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En esta variante del experimento anterior, una vez que el humo  ya esta circulando taparemos la entrada de aire del tubo de la  derecha, como se muestra en la figura. 4. Haz una predicción: ¿Qué crees que sucederá al tapar el tubo? Observa el video para chequear tu respuesta 5. Explica lo que observaste.

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Actividad: 

Radiación

La tercera forma de transferir calor es aquella por la cual los rayos del sol calientan la  Tierra, sin que el sol esté en contacto a través de un medio con el planeta y sin un  fluido que transporte el calor a través de su movimiento. Llamamos a esta forma de  transferencia de calor Radiación

La   imagen   muestra   un   espejo   parabólico   que   concentra   los  rayos del sol en un punto que se conoce como el foco del espejo.  Observa que ocurre cuando la cabeza de un palo de fósforo se  coloca en el foco y se ilumina el espejo.

Este video te muestra que, aunque sea invisible, la luz del sol  que   incide   sobre   el   espejo   y  que  se   concentra   en   su   foco,  transmite   calor   por   radiación,   causando   que   la   cabeza   del  fósforo se caliente hasta alcanzar su temperatura de encendido.

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La   imagen   muestra   dos   termómetros   idénticos   con   sus  bulbos conectados a placas de aluminio metálicas idénticas,  excepto porque  una de ellas está pintada de negro y la otra  tiene  su tono original plateado. 1. Haz una predicción: ¿Cómo se comparan las temperaturas de los dos termómetros cuando se ponen al  sol? Observa el video para chequear tu predicción.

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Los cuerpos negros absorben más radiación que los demás cuerpos. El juguete que se  muestra en la imagen se llama radiómetro y funciona cuando sus aspas metálicas  (pintadas por un lado de blanco y por el otro de negro) son expuestas a la luz solar. Observa el video del radiómetro de Crookes. Dentro del radiómetro hay un vacío parcial, y el movimiento observado se origina en que el aire cerca de  las placas negras se calienta más que el aire cerca de las placas blancas, lo que origina una mayor fuerza  sobre las placas negras.

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