Calor

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El calor se transporta de diferentes formas: por conducción (en la herradura), por convección (en la subida del aire caliente) y por radiación térmica (visible a través del resplandor de las brasas rojas).

En termodinámica y termoquímica , el calor se define como la contribución de energía transformada tras una reacción química o nuclear y transferida entre dos sistemas o entre dos partes del mismo sistema, no atribuible a un trabajo o conversión entre dos tipos diferentes de energía. Por lo tanto, el calor es una forma de energía transferida y no una forma de energía contenida como la energía interna . [1]

Fondo

Durante la primera mitad del siglo XVIII , los estudiosos utilizaron la sustancia elemental llamada flogisto para explicar el calentamiento de algunos materiales y la combustión . [2]

En los años siguientes, los fenómenos térmicos se remontan a la teoría según la cual el calor era un fluido invisible que, al entrar en la materia de un cuerpo, podía aumentar su temperatura.

A pesar de los estudios de Boyle del siglo XVII sobre la relación entre el movimiento de las partículas y el calor, no fue hasta mediados del siglo XIX cuando se sentaron las bases de la termodinámica, gracias a los estudios de Mayer ( 1842 ) y Joule ( 1843 ), sobre la cantidad de calor y el trabajo necesario para conseguirlo.

Efectos del calor

Los efectos del paso del calor se describen en la primera ley de la termodinámica en su forma más general:

Dónde está indica un cambio en cualquier forma de energía (por ejemplo, energía interna , cinética , potencial ), indica calor y indica el trabajo realizado por el sistema (por volumen o variación isocórica). Por tanto, las consecuencias del paso del calor pueden ser principalmente de dos tipos: variación de energía o intercambio de trabajo.

Una forma particular de energía que puede modificarse tras el paso del calor es la energía interna; la variación de la energía interna puede tener varias consecuencias, incluida una variación de temperatura o un cambio en el estado de agregación .

Si la transferencia de calor da como resultado un cambio en el estado de agregación, este calor se llama calor latente , [1] mientras que, si la transferencia de calor da como resultado una disminución en la diferencia de temperatura (ya que los dos sistemas o las dos partes del mismo sistema tienden a alcanzar el equilibrio térmico), hablamos de calor sensible . [1]

La fórmula clásica del calor sensible es:

mientras que el del calor latente es:

Finalmente, si la transferencia de calor implica tanto una disminución en la diferencia de temperatura como un cambio de fase, este calor puede considerarse como la suma de dos contribuciones: una contribución relativa al calor sensible y una contribución relativa al calor latente.

Por ejemplo, el aumento de la temperatura del agua de 20 ° C a 50 ° C en condiciones estándar (es decir, a una presión de 1 atm ) está determinado por el hecho de que se le suministra calor sensible, mientras que, si el agua ya ha alcanzado el temperatura de ebullición, almacena energía (en forma de calor latente), manteniendo su temperatura sin cambios, hasta que ocurre el cambio de fase de líquido a vapor. Por esta razón, un chorro de vapor de agua a 100 ° C, habiendo almacenado energía durante la transición de estado, puede causar quemaduras más graves que el agua en estado líquido a la misma temperatura.

También hablamos de calor de reacción cuando el calor es consumido o generado por una reacción química .

Unidad de medida de calor

Como energía intercambiada, el calor se mide en el Sistema Internacional en julios . En la práctica, sin embargo, la caloría se sigue utilizando a menudo como unidad de medida, que se define como la cantidad de calor necesaria para llevar la temperatura de un gramo de agua destilada, sometida a una presión de 1 atm, de 14,5 ° C a 15, 5 ° C. En ocasiones también se utilizan unidades puramente técnicas, como kWh o BTU .

Algunas equivalencias:

kJ kWh kcal BTU [3] kg p m
1 kJ 1 2,778 × 10 −4 0.2388 0,9478 1.020 × 10 2
1 kWh 3600 1 859,8 3412 3.671 × 10 5
1 kcal 4.187 1,163 × 10 −3 1 3.968 4.269 × 10 2
1 BTU [3] 1.055 2,941 × 10 −4 0.2519 1 1.076 × 10 2
1 kg por mes 9.807 × 10 −3 2,721 × 10 −6 2,342 × 10 −3 9.295 × 10 −3 1

Analogía entre calor y trabajo

El calor y el trabajo son formas de transferencia de energía que no pueden asociarse con el estado del sistema, es decir, su configuración de equilibrio; en particular, ambas formas de energía se reconocen en el momento en que "pasan", "fluyen", se "realizan". El trabajo se identifica en el momento en que la fuerza realiza un desplazamiento (siempre que el vector fuerza admita una componente distinta de cero en la dirección del desplazamiento): es decir, el trabajo fluye, se realiza, en el instante en cuál se lleva a cabo; del mismo modo, el calor se identifica solo en el momento de su transmisión.

Calor, temperatura y energía interna

El calor no es una propiedad que pueda asociarse con una configuración de equilibrio termodinámico . En presencia de un gradiente de temperatura , el calor fluye desde puntos de temperatura más altos a más bajos hasta que se alcanza el equilibrio térmico. La cantidad de calor intercambiado depende del camino particular seguido por la transformación para llegar del estado inicial al estado final. En otras palabras, el calor no es función del estado . [1]

La energía interna, por otro lado, es una función de estado que puede asociarse con una configuración de equilibrio (o estado termodinámico ) del sistema, dependiendo de las variables de estado.

Para la temperatura y la energía interna, expresiones como: " el cuerpo tiene una cierta temperatura, tiene una cierta energía interna, adquiere energía, cede energía " tienen sentido (es decir, son científicamente correctas).

Por otro lado, el calor no es una propiedad termodinámica, por lo que frases como " el cuerpo posee calor, emite calor, adquiere calor " no tienen valor científico. De hecho, el calor puede definirse como "energía en tránsito", no como "energía poseída por un cuerpo"; [1] es "intercambiado" entre dos cuerpos (o dos partes del mismo cuerpo) y no "poseído" por un solo cuerpo (como es el caso de la energía interna). En particular, el calor fluye debido a una diferencia de temperatura entre el sistema en estudio y el entorno que interactúa con él, o como resultado de una transición de fase, y por lo tanto no es reconocible de ninguna manera dentro del sistema y el entorno como un elemento intrínseco. propiedad de la misma.

Propagación de calor

Icono de lupa mgx2.svg Mismo tema en detalle: Transmisión de calor e intercambiador de calor .

La transferencia (o intercambio o propagación) de calor entre sistemas puede ocurrir de tres formas:

  • por conducción : en un mismo cuerpo o entre cuerpos en contacto se produce una transmisión, por impacto, de energía cinética entre las moléculas pertenecientes a zonas adyacentes del material. En conducción, la energía se transfiere a través de la materia , pero sin movimiento macroscópico de esta última;
  • por convección : en un fluido en movimiento, partes del fluido pueden calentarse o enfriarse por conducción al entrar en contacto con superficies externas y luego, durante su movimiento (a menudo turbulento), transferir (nuevamente por conducción ) la energía adquirida a otras superficies , dando así lugar a una transferencia de calor por advección . En un campo gravitacional como el terrestre (asociado a la fuerza del peso ), este modo de transferencia de calor, llamado convección libre, se debe a la generación natural de corrientes advectivas, calientes hacia arriba y frías hacia abajo, por diferencias de temperatura . la densidad de las regiones fluidas implicadas en el fenómeno, con respecto a las del fluido circundante;
  • por radiación : entre dos sistemas la transmisión de calor puede tener lugar a distancia (incluso en el vacío), por emisión , propagación y absorción de ondas electromagnéticas : también en este caso se calienta el cuerpo a menor temperatura y el de menor temperatura la temperatura más alta enfría. [4] El mecanismo de irradiación no requiere contacto físico entre los cuerpos involucrados en el proceso.

En la práctica técnica y en la ingeniería de plantas en general, el intercambio de calor sin mezcla entre diferentes fluidos tiene lugar en dispositivos especialmente diseñados, denominados intercambiadores de calor .

Percepción de la temperatura

La sensación de "calor" o "frío" que se siente al tocar un cuerpo está determinada por su temperatura y la conductividad térmica del material del que está hecho, además de otros factores.

Aunque es posible comparar las temperaturas relativas de dos cuerpos al tacto (con cierta precaución), es imposible dar una evaluación absoluta. Por ejemplo, al sumergir una mano en agua fría durante unos segundos y la otra en agua caliente, y luego sumergirlas ambas en agua tibia, la primera tendrá la sensación de que el agua está caliente, la segunda que está fría, porque la temperatura percibida es relativa a la de la mano que está tomando la medida. Incluso una evaluación relativa suele ser imposible. Por ejemplo, al tocar un trozo de madera y un trozo de metal que han estado en el mismo ambiente durante el tiempo suficiente para que alcancen el equilibrio térmico con el ambiente circundante, se tiene la sensación de que el de metal está decididamente más frío, debido a las diferentes temperaturas. conductividad térmica de los dos materiales. Un termómetro colocado primero en contacto con madera, luego con metal, mediría en cambio la misma temperatura, que coincide con la del aire en el ambiente que se puede aproximar como fuente de calor para todo lo que contiene. La temperatura es un índice de la energía cinética promedio de las partículas del cuerpo bajo examen, el calor es la energía que un cuerpo a una temperatura más alta transfiere a un cuerpo a una temperatura más baja (hasta que ambos cuerpos están a la misma temperatura). La sensación de "frío y calor" se debe tanto a la diferencia de temperatura entre la mano y el objeto como a la velocidad con la que el objeto puede transferir (absorber o liberar) calor a la mano (u otro objeto a una temperatura diferente) . Cuanto más rápida es la transferencia, más caliente (o frío) parece el objeto que un objeto que transfiere el calor más lentamente.

Sin embargo, suministrar calor a un cuerpo no solo aumenta la temperatura, lo que resulta en una sensación de calor más aguda, sino que también produce cambios directamente mensurables en algunas propiedades físicas.

Nota

  1. ^ a b c d e ( EN ) Manual de fundamentos del DOE - "Termodinámica, transferencia de calor y flujo de fluidos", págs. 19-22. Archivado el 20 de diciembre de 2016 en Internet Archive .
  2. Universe , De Agostini, Novara, Vol. II, páginas 526-529
  3. ^ a b Según la norma ISO 31-4.
  4. ^ Este "sentido obligatorio" de transferencia de calor está establecido por la segunda ley de la termodinámica .

Bibliografía

  • ( EN ) R. Byron Bird, Warren E. Stewart; Edwin N. Lightfoot, Transport Phenomena , 2da ed., Nueva York, Wiley, 2005, ISBN 0-470-11539-4 .
  • ( EN ) Frank P. Incropera, David P. DeWitt; Theodore L. Bergman; Adrienne S. Lavine, Fundamentos de la transferencia de calor y masa , 6a ed., Wiley, 2006, ISBN 0-471-45728-0 .

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