¿Cómo ocurre la trasferencia de calor?

¡Hola querida comunidad de Hive! Es realmente placentero estar de nuevo por acá, una vez más compartiendo un poco sobre los maravillosos conceptos de física, en esta ocasión hablaremos sobre la transferencia de calor.

Cuando dos objetos de distintas temperaturas se aproximan, la transferencia de energía siempre se produce del objeto más caliente al más frio. Este intercambio de energía continúa hasta que se logra alcanzar un estado de equilibrio térmico, donde las temperaturas se igualan. El calor fluye de un objeto a otro mediante tres mecanismos distintos, los cuales son: conducción, convención y radiación.

Para entender un poco mejor este proceso de transferencia de calor, existe un ejemplo muy común, si se calienta una varilla metálica mediante una llama colocada en uno de sus extremos, llegara un momento en el cual la temperatura aumentará en el otro extremo. Los metales como la plata, el cobre, el aluminio y el hierro son buenos conductores del calor. La conducción de calor se produce por la colisión entre átomos y moléculas de los materiales sometidos a calentamiento y, también, por la acción de los electrones libres.

En el ejemplo de la varilla metálica, la llama transfiere calor (energía) a uno de sus extremos, haciendo que los átomos se exciten y vibren más rápidamente. Esta vibración es transmitida a los átomos vecinos, y así, hasta alcanzar el otro extremo de la varilla. En este proceso, el papel de los electrones libres, no unidos a los átomos, es fundamental. Estos se mueven aleatoriamente a través del metal, provocando colisiones con otros átomos y otros electrones libres, lo cual incrementa la transferencia de calor. Debido a la presencia de muchos electrones libres en su estructura, los metales son buenos conductores del calor y la electricidad. Cuando esta acción alcanza el extremo de la varilla, se produce una acción similar en la mano de quien sostiene la varilla, dando lugar a la sensación del calor.

Al contrario de los metales, existen materiales como la madera, las telas, el papel y compuestos de poliestireno, que son malos conductores del calor. Son, en mayor o menor grado, aislantes térmicos, porque no permiten fácilmente la transferencia de calor. Los líquidos y los gases son buenos aislantes térmicos; el aire, una mezcla de gases, es, también, un buen aislante térmico. De hecho, algunos materiales como la madera, las pieles y otros compuestos porosos son buenos aislantes, por poseer pequeñas bolsas de aire en su estructura.

Un ejemplo elocuente de la diferencia entre un buen conductor y un aislante se puede ver en la imagen siguiente; normalmente, la temperatura del cuerpo humano está alrededor de 36°C, valor que, en la mayoría de los casos, está por encima del valor de la temperatura del medio ambiente. Si el ambiente donde se encuentran los pedazos de metal y de madera tiene una temperatura de 25°C, ambos objetos, por efecto del equilibrio térmico, alcanzan la misma temperatura. Si se tocan el metal y la madera, el primero parece, sin embargo, estar más frio que esta última. Esto se explica porque el calor del cuerpo se transfiere más rápidamente al metal, por ser éste un buen conductor. Este proceso es más lento en el caso de la lámina de madera.

Cuando el calor se transmite por conducción, la energía se propaga de una molécula a otra, sin que se produzca desplazamiento de las mismas. Las moléculas son excitadas, sin que varíe su posición en el espacio. Otro mecanismo de transmisión del calor que se manifiesta en líquidos y gases, implica el desplazamiento de la sustancia involucrada en el calentamiento. Tal mecanismo es lo que se conoce como convección, la transferencia de calor mediante este mecanismo implica la transferencia de masa entre puntos de están a distintas temperaturas.

Aun cuando los líquidos y los gases no son buenos conductores del calor, la movilidad de sus moléculas facilita la transmisión de calor convección.

Los vientos en la atmosfera terrestre se originan por corrientes de convección. Si analizamos un lugar cercano a la playa, durante el día, la temperatura del agua es menor que la de la playa, por lo que el aire alrededor de esta última se calienta, baja de densidad y asciende hacia capas superiores. El aire más frio del mas ocupa el lugar del aire de la playa y así sucesivamente. El ciclo se repite durante el día, originando vientos que van desde el mar hacia la playa. Durante la noche el aire de la playa se enfría más rápidamente que el que está sobre el mar y el proceso se invierte. La brisa sopla entonces desde la playa hacia el mar.

La imagen posterior muestra la forma como se transfiere el calor por convección en los líquidos. Cuando se calienta agua en un recipiente mediante una llama, la parte inferior del mismo recibe calor por conducción: la llama, calienta el recipiente y éste a su vez calienta el agua del fondo. El agua, al calentarse, aumenta su volumen y, por lo tanto, su densidad disminuye (d = m/V), por lo cual se desplaza hacia la parte superior del recipiente. El espacio dejado por el agua caliente es ocupado por el agua más fría y más densa de la parte superior. El ciclo se repite, creándose las llamadas corrientes de convección que son las responsables del calentamiento del agua dentro del recipiente.

Otro ejemplo de cómo se manifiesta la transferencia de calor por convección se puede observar cuando colocamos la mano alrededor de la llama de la vela, el calor que se siente es relativamente pequeño. Sin embargo, cuando la mano se coloca por encima de la llama, el calor que se siente es intenso. La explicación de esto, es porque el aire que rodea la llama, sube al calentarse y el espacio que deja es ocupado por aire más frio de las capas superiores. Estas corrientes de convección hacen que el calor se transmita verticalmente y que se sienta más el efecto encima de la llama que a su lado.

Ya vimos como el calor puede transmitirse por excitación de las moléculas de una sustancia, sin movimiento neto de la misma (conducción) o mediante el desplazamiento de masas de líquidos o gases (convección). En ambos casos, es necesario un medio material para la transferencia de calor.

Ahora bien, consideremos un objeto caliente, como un bombillo eléctrico colocado en el interior de un recipiente de vidrio, al cual se le ha hecho el vacío. En este caso no hay un medio material para la transferencia de calor u, sin embargo, si se toca el recipiente externamente se notará que está cliente. Como esta transferencia no pudo haberse efectuado por conducción o por convección, puesto que las mismas necesitan de un medio material, se dice que la transmisión se produjo mediante un fenómeno conocido como radiación térmica.

La radiación térmica es uno de los tipos de energía radiante, que comprenden la radiación infrarroja, las ondas de radio, las microondas, la luz visible, la radiación ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma. La energía radiante se transmite en la forma de ondas electromagnéticas.

Todos los objetos emiten energía radiante, en una mezcla de ondas electromagnéticas que incluye los tipos de ondas mencionadas anteriormente. Des esas ondas, la radiación térmica se propaga como radiación infrarroja. Son estas ondas las que producen una sensación de calor, cuando son absorbidas por la piel y provocan la vibración de las moléculas de agua presentes en la superficie del cuerpo humano. Esta vibración aumenta la energía interna de dichas moléculas.

Figuera, J. (2009). Física, Texto y problemario. Caracas: Ediciones CO-BO.

Figueroa, D. (2008). Fluidos y Termodinámica. Caracas: Douglas Figueroa.

Serway, R & Jewett, J. (2005). Física para Ciencias e Ingenierías, Volumen II. México: International Thomson Editores, S.A

Nota: Algunos de los diagramas y ecuaciones presentados en esta publicación son diseñados y editados por mi persona utilizando elementos e imágenes del programa Microsoft Power Point.