Transferencia de calor por conducción: ecuaciones y ejemplos
¿Qué es la conducción?
Cuando era niño, odiaba levantarme por la noche para ir al baño. No solo dificultaba volver a dormir, sino que el suelo del baño estaba embaldosado y estaba muy frío. Corría por las baldosas hasta la alfombra, sintiendo como si mis pies ardieran.
Quizás hayas notado cómo se sienten tus pies cuando pasas de una habitación alfombrada a una habitación con azulejos. ¿Qué superficie del suelo es más fría?
El suelo de una habitación con baldosas siempre se siente más frío. Pero en realidad tienen exactamente la misma temperatura. Siempre que esté en una habitación que ha estado sellada durante un tiempo, sin ventanas y puertas abiertas, no pasará mucho tiempo para que todo en la habitación alcance el equilibrio térmico o la misma temperatura.
Entonces, ¿por qué los pisos de baldosas se sienten más fríos? Todo se debe a la conductividad térmica.
La conducción es el paso de energía térmica entre dos objetos que están en contacto físico directo. Es uno de los tres tipos de transferencia de calor, los otros dos son la convección y la radiación. Siempre que dos objetos de diferentes temperaturas estén en contacto entre sí, la energía térmica pasará entre ellos.
Para entender esto, debemos darnos cuenta de que la temperatura es la energía cinética promedio de las moléculas en una sustancia. Los materiales más calientes tienen moléculas que se mueven más rápido. Entonces, cuando un objeto frío y un objeto caliente se tocan, las moléculas calientes que se mueven rápidamente golpearán las moléculas más frías, esparciendo el calor del objeto caliente al objeto frío. Esto seguirá sucediendo hasta que alcancen la misma temperatura.
Pero eso no dice nada acerca de la rapidez con que sucederá. Algunos materiales son mejores conductores que otros. Sus pies casi siempre están más calientes que el piso, pero un piso de baldosas conduce el calor más rápido. Lo que su piel siente como “fría” es solo el calor que se transfiere de sus pies al piso, y sucede mucho más rápido con un piso de baldosas que con una alfombra.
Ejemplos de conducción
Hay todo tipo de ejemplos de conducción en nuestra vida diaria. La clave es pensar si los objetos se tocan físicamente. Entonces, una cacerola de agua hirviendo que se calienta con una estufa eléctrica recibe energía térmica de la estufa por conducción. Y cuando tocas una bandeja de metal para galletas en el horno y te quemas, eso también sucedió debido a la conducción.
Ecuación de conducción
¡En física, todo debe tener una ecuación! Es una especie de regla no escrita. La conducción no es una excepción. La rapidez con la que ocurre la conducción depende de varios factores: de qué material están hechos los objetos (la conductividad), el área de la superficie de los dos objetos en contacto, la diferencia de temperatura entre los dos objetos y el grosor de los dos objetos.
En forma de ecuación, se ve así.
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Q sobre t es la tasa de transferencia de calor: la cantidad de calor transferida por segundo, medida en julios por segundo o vatios. k es la conductividad térmica del material; por ejemplo, el cobre tiene una conductividad térmica de 390, pero la lana tiene una conductividad térmica de solo 0,04. T1 es la temperatura de un objeto y T2 es la temperatura del otro. Dado que es una diferencia de temperatura, puede usar grados Celsius o Kelvin, lo que sea más conveniente. Y d es el grosor del material que nos interesa.
Entonces, la tasa de transferencia de calor a un objeto es igual a la conductividad térmica del material del que está hecho el objeto, multiplicada por el área de la superficie en contacto, multiplicada por la diferencia de temperatura entre los dos objetos, dividida por el grosor del material. .
Ejemplo de cálculo
Bien, veamos un ejemplo. Digamos que vas a un parque acuático y te llevarás una nevera portátil de poliestireno. La nevera tiene una superficie total de 1,2 metros cuadrados y las paredes tienen un grosor de 0,03 metros. La temperatura dentro del enfriador es de 0 grados Celsius, y en la parte más calurosa del día es de 38 grados Celsius. Durante esta hora del día, ¿cuánta energía térmica por segundo pierde el enfriador? ¿Y cuánta energía térmica se pierde en tres horas en el parque acuático suponiendo que la temperatura se mantenga en 38 grados? (Nota: la conductividad térmica de la espuma de poliestireno es 0.01).
Todo lo que tenemos que hacer para resolver este problema es insertar números en la ecuación. La energía térmica perdida por segundo ( Q / t ) es igual a la conductividad térmica de la espuma de poliestireno ( k ), multiplicada por el área de la superficie del enfriador ( A ), multiplicada por la diferencia de temperatura entre el enfriador y el exterior ( T2 – T1 ), dividido por el grosor de la espuma de poliestireno. Entonces eso es 0.01 multiplicado por 1.2 multiplicado por 38 dividido por 0.03. Escriba todo eso en una calculadora y obtendrá 15,2 julios por segundo, o 15,2 vatios.
Q / t = ((0.01) (1.2) (38 – 0)) / 0.03 = 15.2 J / so 15.2 W
Para la segunda parte de la pregunta, necesitamos averiguar cuánta energía se pierde en tres horas. Bueno, tenemos la energía perdida por segundo: 15,2 julios. Así que solo necesitamos saber cuántos segundos hay en tres horas. Tres horas por 60 minutos por 60 segundos nos da un total de 10,800 segundos. 15,2 julios por segundo durante 10,800 segundos … multiplica los dos números y obtienes un total de 164,160 julios en las tres horas.
Y eso es todo, hemos terminado.
Resumen de la lección
La conducción es el paso de energía térmica entre dos objetos que están en contacto físico directo. Es uno de los tres tipos de transferencia de calor, los otros dos son la convección y la radiación. Siempre que dos objetos de diferentes temperaturas estén en contacto entre sí, la energía térmica pasará entre ellos. Para entender esto, debemos darnos cuenta de que la temperatura es la energía cinética promedio de las moléculas en una sustancia. Los materiales más calientes tienen moléculas que se mueven más rápido. Entonces, cuando un objeto frío y un objeto caliente se tocan, las moléculas calientes que se mueven rápidamente golpearán las moléculas más frías, esparciendo el calor del objeto caliente al objeto frío. Esto seguirá sucediendo hasta que alcancen la misma temperatura.
Algunos materiales son mejores conductores que otros. Por eso los suelos de baldosas se sienten tan fríos. Sus pies están casi siempre más calientes que el piso, pero un piso de baldosas conduce mejor el calor. Lo que tu piel se siente como ‘fría’ es solo el calor que se transfiere de tus pies al piso, y sucede mucho más rápido con un piso de baldosas que con una alfombra, aunque generalmente tienen la misma temperatura.
La ecuación de conducción nos dice que la tasa de transferencia de calor ( Q / t ) en julios por segundo o vatios, es igual a la conductividad térmica del material ( k ), multiplicada por el área de la superficie de los objetos en contacto ( A ) , multiplicado por la diferencia de temperatura entre los dos materiales ( T2 – T1 ), dividido por el espesor del material que nos interesa ( d ). Puede usar esto para encontrar la tasa de transferencia de calor, pero si se le da un período de tiempo particular ( t ), también puede calcular el calor total transferido.
La conducción está ocurriendo a nuestro alrededor: cuando te quemas en una bandeja de horno caliente, cuando calientas una cacerola en una estufa eléctrica, cuando tienes instalado el aislamiento de la pared de la cavidad. Siempre que el calor se transfiere entre dos cosas que se tocan directamente, es por conducción.
Los resultados del aprendizaje
Una vez que haya completado esta lección, debería tener la capacidad de:
- Definir conducción e identificar ejemplos cotidianos de ella.
- Explicar cómo ocurre la conducción y los factores que intervienen en la velocidad de conducción.
- Recuerda la ecuación de conducción.
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