2
¿Qué significa transferir calor?
El punto de partida en Tippens: calor como energía en tránsito.
Siempre que existe una diferencia de temperatura, el calor fluye espontáneamente
T₁
mayor
Q
T₂
menor
Dirección: de mayor temperatura → menor temperatura
Fuente conceptual: Tippens, Física: conceptos y aplicaciones, 7.ª ed., cap. 18.
Física I · Transferencia de calor
Tippens · Capítulo 18
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Tres mecanismos, una misma causa
La diferencia de temperatura impulsa el intercambio de energía.
CONDUCCIÓN
Transferencia por interacción entre partículas vecinas.
El medio material no se desplaza como conjunto.
CONVECCIÓN
Transferencia asociada al movimiento real de una masa de fluido.
Puede ser natural o forzada.
RADIACIÓN
Transferencia mediante ondas electromagnéticas.
No necesita un medio material.
Fuente conceptual: Tippens, Física: conceptos y aplicaciones, 7.ª ed., cap. 18.
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Conducción: transferencia sin movimiento del medio
caliente
frío
En sólidos: colisiones moleculares +, en metales, contribución de electrones libres.
Idea clave
Los buenos conductores eléctricos suelen ser también buenos conductores térmicos.
La conducción continúa mientras exista una diferencia de temperatura.
Fuente conceptual: Tippens, Física: conceptos y aplicaciones, 7.ª ed., cap. 18.
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Tippens · Capítulo 18
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Ley de conducción térmica
Tippens expresa la rapidez de transferencia H = Q/t para una placa o barra.
H = Q/t = k A ΔT / L
T₁
T₂
L
A
¿De qué depende H?
↑ k → mayor transferencia
↑ A → mayor transferencia
↑ ΔT → mayor transferencia
↑ L → menor transferencia
Unidad SI de k: W/(m·K)
Fuente conceptual: Tippens, Física: conceptos y aplicaciones, 7.ª ed., cap. 18.
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Conductividad térmica k: conductor o aislante
Valores seleccionados de la tabla 18.1 de Tippens (W/(m·K))
Plata
406
Cobre
385
Aluminio
205
Acero
50.2
Vidrio
0.8
Ladrillo
0.7
Corcho
0.04
Aire
0.024
Lectura física
k grande → el calor se conduce con facilidad.
k pequeña → el material ofrece mayor oposición al flujo de calor.
El aire y el poliuretano aparecen entre los mejores aislantes de la tabla.
Fuente conceptual: Tippens, Física: conceptos y aplicaciones, 7.ª ed., cap. 18.
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Aislamiento y resistencia térmica: valor R
R = L / k
Mayor espesor L → mayor R
Menor conductividad k → mayor R
ladrillo
aislante
muro
H = A ΔT / ΣR
Fuente conceptual: Tippens, Física: conceptos y aplicaciones, 7.ª ed., cap. 18.
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Convección: el fluido transporta energía
Corriente de convección
Una porción de líquido o gas absorbe energía, se desplaza y la libera en una región más fría.
En convección, el medio material sí se mueve.
Tippens señala que H aumenta con el área A y con la diferencia de temperatura ΔT.
Fuente conceptual: Tippens, Física: conceptos y aplicaciones, 7.ª ed., cap. 18.
placa caliente
fluido frío ↓ fluido caliente ↑
Corriente de convección
Una porción de líquido o gas absorbe energía, se desplaza y la libera en una región más fría.��En convección, el medio material sí se mueve.��Tippens señala que H aumenta con el área A y con la diferencia de temperatura ΔT.
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Convección natural y convección forzada
NATURAL
El movimiento nace de diferencias de densidad producidas por cambios de temperatura.��Ejemplo: agua calentada desde abajo; el fluido caliente, menos denso, asciende.
FORZADA
El fluido es obligado a moverse por un agente externo.��Ejemplos: una bomba, unas aspas o un ventilador.
Fuente conceptual: Tippens, Física: conceptos y aplicaciones, 7.ª ed., cap. 18.
el fluido caliente asciende
agente externo impulsa el fluido
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Radiación: transferencia sin contacto material
SOL
TIERRA
Radiación térmica
Ondas electromagnéticas emitidas o absorbidas debido a la temperatura.
No requieren medio material.
Todo objeto por encima del cero absoluto emite energía radiante.
El Sol → Tierra es el ejemplo decisivo: el espacio impide conducción y convección.
Fuente conceptual: Tippens, Física: conceptos y aplicaciones, 7.ª ed., cap. 18.
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Emisividad y cuerpo negro
e mide la capacidad de una superficie para emitir o absorber radiación térmica
0 ≤ e ≤ 1
Superficie muy reflectante
(plata pulida)
e ≈ 0
Cuerpo negro ideal
e = 1
mejor emisor / absorbedor
Fuente conceptual: Tippens, Física: conceptos y aplicaciones, 7.ª ed., cap. 18.
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Ley de Stefan–Boltzmann
La radiación crece muy rápidamente con la temperatura absoluta.
R = P/A = e σ T⁴
σ = 5,67 × 10⁻⁸ W/(m²·K⁴)
Consecuencia
Si T se duplica, T⁴ aumenta 16 veces.
La temperatura debe expresarse en kelvin.
Intercambio neto con alrededores
Rₙₑₜ = e σ (T⁴ − Tᵣ⁴)
Ley de Prevost: en equilibrio térmico, emisión y absorción ocurren a la misma razón.
Fuente conceptual: Tippens, Física: conceptos y aplicaciones, 7.ª ed., cap. 18.
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En la vida real actúan simultáneamente
CONDUCCIÓN
quemador → olla
CONVECCIÓN
movimiento del agua/aire
RADIACIÓN
superficies calientes ↔ entorno
Fuente conceptual: Tippens, Física: conceptos y aplicaciones, 7.ª ed., cap. 18.
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Síntesis: cómo reconocer cada mecanismo
Mecanismo | ¿Se mueve materia? | ¿Necesita medio? | Relación central |
Conducción | No | Sí | H = kAΔT/L |
Convección | Sí, fluido | Sí | H ∝ AΔT |
Radiación | No | No | R = eσT⁴ |
Pregunta guía
¿Qué está transportando la energía: interacciones microscópicas, una masa de fluido o radiación electromagnética?
Fuente conceptual: Tippens, Física: conceptos y aplicaciones, 7.ª ed., cap. 18.
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Para cerrar la clase
Tres preguntas conceptuales para discutir.
1. ¿Por qué una cuchara metálica se calienta antes que una de madera?
2. ¿Por qué el aire caliente tiende a subir?
3. ¿Cómo llega la energía del Sol a la Tierra si entre ambos hay vacío?
Conducción · Convección · Radiación
Fuente conceptual: Tippens, Física: conceptos y aplicaciones, 7.ª ed., cap. 18.
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