1 of 15

2 of 15

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

3 of 15

3

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.

Física I · Transferencia de calor

Tippens · Capítulo 18

4 of 15

4

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.

Física I · Transferencia de calor

Tippens · Capítulo 18

5 of 15

5

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.

Física I · Transferencia de calor

Tippens · Capítulo 18

6 of 15

6

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.

Física I · Transferencia de calor

Tippens · Capítulo 18

7 of 15

7

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.

Física I · Transferencia de calor

Tippens · Capítulo 18

8 of 15

8

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.

Física I · Transferencia de calor

Tippens · Capítulo 18

9 of 15

9

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

Física I · Transferencia de calor

Tippens · Capítulo 18

10 of 15

10

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.

Física I · Transferencia de calor

Tippens · Capítulo 18

11 of 15

11

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.

Física I · Transferencia de calor

Tippens · Capítulo 18

12 of 15

12

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.

Física I · Transferencia de calor

Tippens · Capítulo 18

13 of 15

13

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.

Física I · Transferencia de calor

Tippens · Capítulo 18

14 of 15

14

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.

Física I · Transferencia de calor

Tippens · Capítulo 18

15 of 15

15

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.

Física I · Transferencia de calor

Tippens · Capítulo 18