Mecanismos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación

El calor es móvil

¿Alguna vez has tocado una sartén caliente y te has quemado? ¿Qué tal si te has calentado frente a una bonita fogata en una noche fría? ¿Alguna vez notó que, la mayoría de las veces, las salidas de aire en las casas en el norte están en el piso mientras que en el sur están en el techo? Todos estos están relacionados con el movimiento del calor y cómo se transfiere entre sustancias y ubicaciones. El calor puede moverse entre objetos o espacios, y hay tres formas principales de hacerlo: conducción, convección y radiación. Veamos cómo funciona cada uno.

Conducción

Si alguien te sirve una taza de café caliente, es probable que la recojas del asa en lugar de alrededor de la parte principal de la taza. Esto se debe a que la taza de café conducirá el calor del líquido caliente del interior a su mano. Esta transferencia directa de calor de un objeto a otro se llama conducción .

La taza de café transfiere bien el calor, al igual que muchas otras sustancias, incluido el metal. Ciertamente, no tocaría una sartén de metal caliente en la estufa ni sostendría un clavo sobre una llama sin algún tipo de guante protector, porque sabe que el calor del metal se transferirá rápidamente a su mano y lo quemará. Entonces tiene sentido que estas sustancias que conducen bien el calor se llamen conductores .

Algunas sustancias son muy malas para transferir calor y se denominan aislantes . La madera es un muy buen aislante (por lo tanto, un conductor muy pobre), por lo que su olla de metal en la estufa puede tener un mango de madera. Puede hacer un pequeño experimento para ver esto en acción. Si tiene un área en su casa donde el piso de madera se encuentra con algunas baldosas, ponga un pie descalzo en cada una. Verá que el piso de baldosas se siente más frío, ¡pero ambos pisos tienen la misma temperatura! El azulejo es mucho mejor conductor del calor que la madera, por lo que transfiere el calor de la planta de los pies mejor que la madera, lo que hace que el pie se sienta frío. El aire también es un conductor muy pobre, por lo que puedes meter la mano en el horno para agarrar un plato sin quemarte (¡a menos que olvides tus guantes de cocina y agarres el plato!).

Su casa está aislada con algo como lana de roca o fibra de vidrio porque estas sustancias son malas conductoras del calor. ¡Imagínese lo fría que sería su casa si no hubiera protección contra el frío exterior durante el invierno, o lo caliente que sería si no estuviera protegido del calor exterior en verano! Curiosamente, sin embargo, los aislantes en realidad no detienen el flujo de calor, solo ralentizan considerablemente la transferencia. Es por eso que todavía necesita hacer funcionar la calefacción en el invierno y el aire acondicionado en el verano, pero no tanto como si no tuviera ningún aislamiento.

Convección

¿Recuerda que dije que las casas en el norte comúnmente tienen sus salidas de aire en el piso mientras que las casas en el sur tienen las suyas en el techo? Esto se debe a la forma en que fluye el calor en los fluidos, y tanto los gases (como el aire) como los líquidos (como el agua) se consideran fluidos debido a la forma en que se mueven. Cuando el calor se transfiere por corrientes en un fluido, esto se llama convección . La convección ocurre en todos los fluidos, como el aire de su hogar, el agua de un lago y el magma subterráneo, solo por nombrar algunos.

Así es como funciona: imagina una habitación llena de niños que acaban de comerse un montón de galletas. Se vuelven bastante enérgicos y comienzan a correr por la habitación. Si abre la puerta y los deja salir, estallan y comienzan a correr por el espacio más grande, extendiéndose por el patio. Lo mismo sucede cuando se calienta un fluido. Las moléculas de la parte inferior ganan energía y comienzan a moverse más rápido. A medida que se mueven más rápido, comienzan a separarse, lo que hace que el líquido sea menos denso. Pero en lugar de limitarse a un patio, las moléculas más cálidas del fluido comienzan a moverse hacia arriba, mientras que el fluido más frío y denso comienza a hundirse (al igual que los niños comienzan a asentarse a medida que disminuye la fiebre de las galletas). Una vez que las moléculas más frías llegan al fondo donde está el calor, es como si se hubieran comido otra galleta y tuvieran un aumento de energía nuevamente. Vuelven a subir hasta la parte superior, mientras que las moléculas más frías se hunden hasta el fondo. El ciclo continúa mientras haya una fuente de calor en la parte inferior.

¿Qué tiene esto que ver con las salidas de aire en una casa? Bueno, si vives en un clima frío, probablemente uses tu calefacción con más frecuencia que tu aire acondicionado. Y si vives en un clima más cálido, probablemente uses tu aire acondicionado más que tu calefacción. Por lo tanto, si sube el aire caliente y usa la calefacción con más frecuencia, querrá que las rejillas de ventilación estén en el piso para que el aire caliente viaje hacia arriba para llenar la habitación a medida que sale de las rejillas de ventilación. Lo contrario es cierto para el aire acondicionado: si el aire frío se hunde, no querrá que comience en el piso porque no enfriaría la habitación con tanta eficacia como si comenzara desde el techo, donde puede enfriar la habitación como se cae.

Radiación

Cuando te sientas frente a una fogata, el calor te calienta. Coloca tu mano sobre una bombilla de luz caliente y sentirás cómo sale el calor, incluso sin tocarla. Destaca bajo el sol y sus rayos te calentarán rápidamente. Estos ejemplos ilustran nuestro mecanismo final de transferencia de calor, la radiación . La radiación es cuando el calor es transferido por ondas electromagnéticas, como ondas de radio, ondas infrarrojas, rayos X e incluso luz visible.

Todos los objetos emiten y absorben energía radiante, ¡incluso tú! Aunque, como todo lo demás, algunos objetos y sustancias son mucho mejores en esto que otros. Aquellos que son buenos para emitir energía radiante, como el sol, también son muy buenos para absorberla. Una antena de radio está diseñada para absorber bien las ondas de radio, pero eso también significa que es muy buena para emitirlas.

Cuando se trata de calor radiante, gran parte de lo que se produce en la Tierra proviene de la propia tierra. Absorbe la energía radiante del sol y luego la emite de regreso al espacio. Esta energía radiante que emite la tierra se llama radiación terrestre y es la que hace posible la vida. Como una gran manta, los gases en la atmósfera atrapan la radiación terrestre en la Tierra y mantienen nuestro planeta agradable y cálido.

Lo que es realmente interesante es que, a diferencia de la conducción y la convección, la radiación ocurre incluso cuando no hay material a través del cual pueda viajar el calor. Los rayos del sol viajan a través del espacio a la Tierra, pero dado que el espacio está vacío por definición, no hay ningún punto de contacto (como la conducción) o fluido (como la convección) por el que el calor viaje. Las ondas simplemente mueven el calor a través del espacio con, bueno, ¡moviéndose!

Resumen de la lección

Heat es muy amigable: le gusta moverse, transferirse y viajar. Lo hace mediante tres mecanismos principales: conducción, convección y radiación.

La conducción es la transferencia de calor a través del contacto directo entre diferentes objetos o sustancias. Tocar una sartén caliente en la estufa, caminar sobre arena caliente a lo largo de la playa y poner un atizador de metal en el fuego son ejemplos de conducción porque el calor se transfiere de un objeto a otro cuando se tocan.

Algunas sustancias son mejores para transferir calor que otras y, para hacerlo más fácil, se denominan conductores . Las sustancias que no transfieren calor se llaman aislantes . Los metales son buenos conductores, pero cosas como la madera y el aire son malos conductores. Si pones la mano en el horno, no se quema, pero toma el plato que se ha estado calentando allí, ¡y apuesto a que desearás tener tus guantes de cocina puestos! Y recuerde, todavía tiene que usar la calefacción en invierno y el aire acondicionado en verano porque los aislantes no detienen la transferencia de calor; simplemente lo ralentizan considerablemente.

Cuando el calor se transfiere a través del movimiento de fluidos, esto se llama convección . Las corrientes de convección son como el resultado de darles galletas a los niños: las moléculas en la parte inferior tienen más energía y están más calientes, por lo que se mueven hacia la parte superior del fluido. Mientras tanto, las moléculas en la parte superior están más frías (están bajando de su subidón de azúcar) y se hunden hacia la parte inferior donde el ciclo comienza de nuevo. Tanto los gases como los líquidos se consideran fluidos, por lo que encontrará corrientes de convección en el aire y en el agua.

Cuando el calor es transferido por ondas electromagnéticas, esto se llama radiación . Estas ondas vienen en todas sus formas: rayos X, ultravioleta, ondas de radio e incluso luz visible. Como el calor irradiado por un fuego o un radiador en una casa envía calor a una habitación, la radiación es el movimiento del calor de un lugar a otro simplemente viajando junto con las olas. Todos los objetos absorben y emiten radiación, aunque algunos son mejores que otros. La tierra es muy buena para absorber y emitir la energía radiante del sol, y cuando la envía de regreso al espacio, esto se conoce como radiación terrestre . La radiación terrestre es lo que hace posible la vida en la Tierra. Esto se debe a que, a medida que el calor se irradia de regreso al espacio, queda atrapado por los gases de la atmósfera, lo que hace de la Tierra un lugar agradable y cálido para vivir.

Los resultados del aprendizaje

Cuando termine esta lección, debería poder:

• Definir conducción
• Diferenciar entre conductores y aisladores.
• Describe la convección y la radiación.
• Comprender la importancia de la radiación terrestre.