Expansión térmica y transferencia de calor

Publicado el 16 septiembre, 2020

¿Qué es la transferencia de calor?

La energía térmica , o energía térmica , es la energía de una sustancia o sistema en términos del movimiento o vibraciones de sus moléculas. Cuanto más rápido se mueven las moléculas de una sustancia, más energía térmica tienen. La energía térmica se puede transferir de un objeto a otro mediante tres métodos: conducción, convección y radiación.

La conducción es donde el calor se transfiere entre dos objetos debido al contacto físico entre ellos. Las moléculas literalmente chocan entre sí, haciendo que la energía se transfiera. La convección es donde una parte caliente de una sustancia se eleva debido a su menor densidad, mientras que las partes más frías se hunden, creando ciclos que transfieren el calor hacia arriba. Y la radiación es donde el calor se transfiere a través de ondas electromagnéticas, como la radiación del sol.

Tasa de transferencia de calor

La tasa de transferencia de calor se puede calcular, pero existen ecuaciones separadas para los tres tipos de transferencia de calor. Hay una ecuación para calcular la transferencia de calor por conducción, una para la convección y otra para la radiación. Pero hoy solo nos enfocaremos en la conducción. La tasa de transferencia de calor por conducción varía de acuerdo con varios factores: el espesor del material a través del cual se transfiere, la longitud del material y la diferencia de temperatura en los dos extremos del material. En forma de ecuación, se ve así:

( Q / t ) = [ kA (delta T)] / d

Aquí, Q sobre t es la transferencia de calor por segundo, medida en julios por segundo, Q es la cantidad de energía térmica (julios) y t es el tiempo en segundos. K (o para ser exactos, la letra griega kappa) es la conductividad térmica del material en vatios por metro grados C. A es el área de superficie del material, d es el grosor del material y delta T es la diferencia en temperatura entre los dos extremos del material, medida en grados Celsius o Kelvin. Delta T es igual a la diferencia entre la temperatura más caliente y la más fría.

Expansión térmica

Nuestra comprensión de la expansión térmica es de vital importancia. Nos permite medir la temperatura, evitar que los puentes colapsen y abrir frascos rebeldes. La expansión térmica es donde los materiales se expanden mientras se calientan, lo que hace que ocupen más espacio. Algunos materiales se expanden más que otros; los metales se expanden mucho, por ejemplo. Pero, en general, los materiales solo se expanden debido al movimiento de sus moléculas. Cuando algo se calienta, sus moléculas se mueven más rápido. Después de todo, esto es lo que es la temperatura : la energía cinética promedio de las moléculas en una sustancia. Las moléculas que se mueven más rápido utilizan más espacio. Entonces, los materiales se contraen cuando se enfrían y se expanden cuando los calienta.

Comprender la expansión térmica es extremadamente útil. El material dentro de un termómetro se expande cuando se calienta, moviéndolo hacia arriba en el indicador de temperatura cuidadosamente calibrado para indicarle qué tan caliente está. Los puentes tienen las llamadas juntas de expansión, que son dientes dentados de metal que permiten que el puente se expanda en los días calurosos y se contraiga en los días fríos. ¡Sin estas juntas de expansión, los puentes colapsarían! Y sería un gran lío que limpiar, así que nadie quiere eso.

Y luego hay tarros apretados en la cocina. ¿Cómo puedes abrir un frasco hermético? Bueno, hay muchas formas. Puede romper el sello golpeándolo contra una encimera o puede agarrarlo con un trozo de goma. Pero otra forma es utilizar el poder de la expansión térmica. Coloca la tapa de metal del frasco bajo agua caliente y el frasco se expandirá permitiéndote abrirlo. Pero espere un minuto, ¿hacer que el metal se expanda no haría que se apriete, haciendo que sea aún más difícil de abrir?

Suele ser así como piensa la gente, pero el problema es que no estamos pensando detenidamente en cómo se expanden los objetos. Digamos que tienes una pieza de metal con un agujero en el medio. Si expande la pieza de metal, ¿el agujero se hace más grande o más pequeño? Es fácil imaginar que el metal se expande para llenar el agujero, pero eso no es lo que sucede. Si toma un gráfico como este y lo expande en una computadora, toda la forma se agranda, incluido el agujero (vea el video que comienza a las 03:40 para ver esta ilustración). Por lo tanto, calentar la tapa de un frasco aumenta el tamaño de los espacios entre la tapa y el vaso, lo que facilita su apertura.

Ejemplo de cálculo

Bien, volvamos a la ecuación de conducción y veamos un ejemplo. El calor se transfiere a través de un metal de conductividad térmica de 60 vatios por metro grados C. El material tiene una superficie de 0,1 metros cuadrados y un espesor de 0,05 metros. Si un extremo del material tiene una temperatura de 20 grados C y el otro extremo tiene una temperatura de 100 grados C, ¿cuál es la tasa de transferencia de calor a través del material? ¿Y cuánto calor se transferirá en 42 segundos?

En primer lugar, debemos escribir lo que sabemos. La conductividad térmica, kappa, es 60, el área superficial A es 0.1 y el espesor d es 0.05. También podemos encontrar delta T encontrando la diferencia de temperatura entre los dos extremos, que es 100 menos 20, que es igual a 80. También tenemos un tiempo, t , de 42 segundos, pero eso es parte de la segunda pregunta.

La primera pregunta nos pide que encontremos la tasa de transferencia de calor, que es Q sobre t , por lo que todo lo que tenemos que hacer es introducir números y resolver Q sobre t . Cuando hacemos eso, obtenemos un valor de 9,600 julios por segundo.

Luego, la segunda pregunta quiere saber cuánto calor se transfiere en 42 segundos. Bueno, si se transfieren 9,600 julios de calor por segundo, y queremos saber cuánto se transfiere en 42 segundos, simplemente multiplicamos. Multiplicando 42 por 9,600 obtenemos 403,200 Julios. O, en otras palabras, esto es como resolver Q en la ecuación original, en lugar de Q sobre t , multiplica ambos lados de la ecuación por t .

Resumen de la lección

La energía térmica o energía térmica es la energía de una sustancia o sistema en términos del movimiento o vibraciones de sus moléculas. Cuanto más rápido se mueven las moléculas de una sustancia, más energía térmica tienen. La energía térmica se puede transferir de un objeto a otro mediante tres métodos: conducción, convección y radiación.

La conducción es donde el calor se transfiere entre dos objetos debido al contacto físico entre ellos. Las moléculas literalmente chocan entre sí, lo que provoca la transferencia de calor. La convección es donde la parte caliente de una sustancia se eleva debido a su menor densidad, mientras que las partes más frías se hunden, creando ciclos que transfieren el calor hacia arriba. Y la radiación es donde el calor se transfiere a través de ondas electromagnéticas, como la radiación del sol.

La tasa de transferencia de calor se puede calcular, pero existen ecuaciones separadas para los tres tipos de transferencia de calor. La tasa de transferencia de calor por conducción en forma de ecuación se ve así:

( Q / t ) = [ kA (delta T)] / d

Aquí, Q sobre t es la transferencia de calor por segundo, medida en julios por segundo, Q es la cantidad de energía térmica (julios) y t es el tiempo en segundos. K (o para ser exactos, la letra griega kappa) es la conductividad térmica del material en Watts por metro grados C. A es el área de la superficie del material, d es el grosor del material y delta T es la diferencia en temperatura entre los dos extremos del material, medida en grados Celsius o Kelvin. Delta T es igual a la diferencia entre la temperatura más caliente y la más fría.

La expansión térmica es donde los materiales se expanden mientras se calientan, lo que hace que ocupen más espacio. Algunos materiales se expanden más que otros; los metales se expanden mucho, por ejemplo. Pero, en general, los materiales solo se expanden debido al movimiento de sus moléculas. Cuando algo se calienta, sus moléculas se mueven más rápido. Después de todo, esto es lo que es la temperatura : la energía cinética promedio de las moléculas en una sustancia. Las moléculas que se mueven más rápido utilizan más espacio. Entonces, los materiales se contraen cuando se enfrían y se expanden cuando los calienta. Cuando expande un material, toda la forma se expande: la forma permanece igual, pero el tamaño aumenta. Entonces, tanto el material como los espacios en el material se expanden al mismo ritmo.

Los resultados del aprendizaje

Tendrá la capacidad de hacer lo siguiente después de ver esta lección en video:

  • Definir energía térmica, conducción, convección y radiación.
  • Identificar los factores que afectan la tasa de transferencia de calor por conducción y recordar la ecuación relacionada.
  • Explicar la expansión térmica por conducción.

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