La transferencia de calor es la forma en que el calor pasa de un lugar a otro. El calor puede transferirse por tres mecanismos: conducción, convección y radiación.
Cuando dos cuerpos están en contacto transfieren el calor por conducción, como cuando tocamos el asa de una tetera sobre el fuego. El vapor que sale de la tetera calienta el aire por convección. Y cuando no existe contacto, como el fuego bajo la tetera, el calor se transfiere por radiación.
Lo que conocemos como calor es la transferencia de energía entre los cuerpos. Esto solo ocurre cuando hay una diferencia de temperatura, es decir, cuando un cuerpo es más caliente le transfiere energía en forma de calor a otro cuerpo más frío.
A continuación, te explicamos cada una de las formas de transferencia de calor.
Conducción de calor
La transferencia de calor por conducción se produce cuando los objetos con diferentes temperaturas están en contacto o dentro de un mismo objeto sólido. Esto se debe a que los sólidos tienen sus partículas más agrupadas y cercanas, a diferencia de los líquidos y gases, cuyas partículas tienen más espacio libre entre ellas.
Por ejemplo, cuando tenemos una olla sobre una hornilla eléctrica, el calor se transfiere por conducción desde la hornilla al fondo de la olla. En la misma olla se produce conducción del calor hacia las paredes y las asas de la misma.
Algunos materiales conducen el calor más rápido que otros. Por ejemplo, el metal es mejor conductor que la madera. Esta propiedad se conoce como conductividad térmica y es una medida de la capacidad de conducir el calor de un material.
Otros ejemplos de conducción de calor los podemos encontrar en los siguientes casos:
- Cuando colocamos una cuchara de metal sobre una llama de fuego, el calor se va transmitiendo desde el extremo en contacto con la llama hasta el otro extremo.
- Cuando colocamos hielo dentro de un vaso, el vaso se enfría porque le está transmitiendo el calor al hielo; decir que el hielo le está transmitiendo el frío al vaso es incorrecto.
- Cuando se vierte agua caliente a una taza, esta se calienta por la transferencia de calor del agua a la taza.
- Al planchar la ropa, esta se calienta al entrar en contacto con el metal caliente de la plancha.
- El uso de un soporte de madera para que actúe de aislante térmico entre una olla caliente y la mesa, servirá para evitar que ocurra la transferencia de calor.
Convección de calor
La transferencia de calor por convección es la forma de transferir el calor cuando un líquido o un gas se mueve. Los sólidos no pueden transportar calor por este mecanismo.
Una forma de demostrar la transferencia de calor por convección es haciendo el siguiente experimento. En un tanque o pecera con una separación intermedia, colocamos agua y unas gotas de colorante azul de un lado y rojo del otro, como se muestra a continuación:
Luego, colocamos un lado del tanque sobre una olla con agua hirviendo y el otro lado sobre unos cubos de hielo y quitamos el separador. A medida que el agua roja empieza a calentarse, veremos como sube y desplaza hacia abajo el agua azul fría.
Por lo general, en la convección el calor fluye desde abajo hacia arriba. Esto se debe a que el fluido más caliente es menos denso por lo cual sube en el espacio en el que está contenido.
La convección a menudo se acompaña con cambios de fases como cuando el sudor se evapora del cuerpo.
Se puede distinguir una convección natural o libre cuando el movimiento se debe a la diferencia de densidad, como cuando el aire caliente sube en una habitación. Por otro lado, la convección forzada es cuando se aplica una fuerza para mover el fluido, como cuando usamos un ventilador.
Estos son diferentes ejemplos de transferencia de calor por convección:
- Cuando se calienta el aire dentro de un globo de los deseos, el aire caliente disminuye su densidad y por lo tanto es más liviano que el aire alrededor y puede flotar.
- Cuando tenemos leche en una olla sobre la hornilla encendida, la leche en contacto con la olla se calienta y se mueve hacia arriba, provocando que la leche de arriba baje y se caliente, en un ciclo hasta el punto en que hierve.
- Cuando se colocan en un recipiente agua fría y agua caliente, el agua caliente transmite el calor por convección al agua fría hasta que llegan a la misma temperatura.
- Cuando se usa el secador de pelo, sale aire caliente de forma forzada por el motor del aparato.
- Los sistemas de calefacción de los hogares calientan el aire alrededor del equipo haciendo circular el aire en la habitación. El aire caliente sube y desplaza el aire frío de la parte de arriba hacia abajo.
- El sistema de enfriamiento de los vehículos usa la convección para transferir el calor del motor al líquido refrigerante, que luego se enfría transmitiendo el calor al aire.
- El secador de manos de los baños calienta el aire que pasa soplando, transfiriendo el calor al agua que se evapora de las manos.
Radiación de calor
La transferencia de calor por radiación ocurre cuando no existe contacto entre los objetos. Esto se debe a las ondas electromagnéticas, como los rayos ultravioleta, los infrarrojos y las microondas. Por ejemplo, no necesitamos tocar la llama de una vela para sentir el calor que de ella proviene.
El calor transmitido por radiación viaja en el vacío, por lo que no necesita pasar por los materiales sólidos, líquidos o gases.
Los cuerpos emiten calor por radiación. Esto se debe a las ondas infrarrojas, que pueden ser medidas para localizar los cuerpos "calientes".
Conseguimos ejemplos de transferencia de calor por radiación en los siguientes casos:
- El calor del Sol llega a la Tierra (y a los otros planetas) por radiación.
- Los alimentos se calientan en el horno microondas por emisión de rayos que estimulan el movimiento de las moléculas de agua.
- Las paredes plateadas de los termos absorben el calor del contenido caliente y lo irradian de vuelta, manteniendo el calor interior del termo.
- Sentimos el calor de las llamas de una chimenea sin necesidad de tocarlas y quemarnos por la radiación de las mismas.
- El rayo láser calienta la superficie donde incide.
- Los radiadores eléctricos para calefacción emiten calor que se produce en su interior.
Vea también:
Referencias
Sears, F., Zemansky, M., Young, H,D., Freedman, R.A. (2009) Física Universitaria volumen 1, 12a edición. Pearson Educación, México.
Taylor, B. (2004). Fishtank physics: convection made easy. Physics Education, 39: 330. DOI: 10.1088/0031-9120/39/4/f08
Wolfe, G. et al. (2015) College Physics for AP® Courses. OpenStax. Houston, Texas. URL: https://openstax.org/books/college-physics-ap-courses@34.4/pages/1-connection-for-ap-r-courses