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?

Observa el video para chequear tu predicción.

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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.

3. ¿Por qué crees tú que los hielos se derriten a distinto ritmo?

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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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ΔQ/Δt =   ΔT/Δxκ

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?

2. En el primer caso se ve que la gota está flotando. ¿Por qué crees que ocurre 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.

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El fluido más caliente es menos denso, por lo que sube,siendo reemplazado por fluido a menor temperatura que procede a calentarse.

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

3. Explica cual es el principio que le da “tiraje” a esta “chimenea”.

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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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