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Ideas esenciales

¿Cómo se propaga el calor?

El calor puede transferirse (pasar de un cuerpo a otro o de una parte a otra de un mismo cuerpo) de tres formas: por conducción, por convección y por radiación.

conduccionEsta forma de transmisión del calor también es conocida como conductividad térmica.

Con el experimento podemos comprender cómo transcurre la transmisión de energía por el alambre, al que se le ha fijado con cera unas tachuelas. El orden en que se desprenden las tachuelas indica como se produce el proceso de transmisión de la energía por conducción. La llama ardiente provoca la intensificación del movimiento térmico de las partículas del metal en uno de sus extremos por lo que aumenta su temperatura. Después, esta intensificación se transmite a las partículas vecinas y la velocidad de sus vibraciones también crece. En general la energía se transmite de partículas a partículas hasta llegar al otro extremo de la varilla. En este proceso la transmisión del calor no ocurre por desplazamiento de sustancia, lo que se transmite de un lugar a otro es la energía, el movimiento. Haciendo un analogía, este proceso se produce similar a como se transmite el movimiento al colocar las fichas de un dominó una detrás de otra, al empujar la primera se van cayendo las demás una detrás de otra.

Diversos materiales conducen mejor o peor el calor.
esquema_conductores
Sabemos de la vida cotidiana que no todos los cuerpos conducen el calor de igual forma, por ejemplo, los metales conducen bien el calor, por esta razón se emplean en la fabricación de útiles de cocina, así como en cualquier dispositivo cuyo fin sea calentarse rápidamente.
Por otra parte, si necesitamos conservar el calor se utilizan los malos conductores del calor como el plástico, la lana, entre otras.




Si necesitamos calentar un líquido, el recipiente que utilizamos es de un material que es buen conductor del calor, como el aluminio, sin embargo, una vez calentado, si queremos que se mantenga caliente empleamos entonces un recipiente plástico, que como analizamos es un material que es mal conductor del calor.


conveccion



Por lo general, los líquidos y los gases se calientan por abajo, cuando esto sucede el líquido o el gas se calientan por convección. Si ponemos las manos sobre la cocina caliente o sobre un bombillo incandescente notamos que desde ella fluyen corrientes de aire caliente. Estos flujos pueden hacer girar un molinete como el que se muestra en la figura (a).

En la (b) se muestra la forma fundamental de transmisión del calor en los líquidos.

Por razones inversas a la calefacción, los aires acondicionados y los congeladores en los refrigeradores se ubican en la parte superior y alejados del suelo o del equipo refrigerante. No es casual que el dispositivo de calefacción se sitúe abajo, cerca del suelo en la habitación. La convección transcurre en las habitaciones donde se instalan chimeneas fundamentalmente en los países donde las temperaturas son muy bajas. El aire que está en contacto con la fuente de calor se calienta y se dilata. La densidad del aire dilatado es menor que la del frío, que se encuentra más alejado de la fuente de calor, por lo que el aire caliente sube, por la fuerza de empuje que actúa sobre el aire caliente desde abajo, y el frío baja. Este proceso se repite sucesivamente creando corrientes convectivas.


Experimenta y aprende


Figura (c). Probemos calentar agua en un tubo de ensayo (como se muestra en la figura) suministrando calor por la parte superior del tubo de ensayo que contiene agua y en el fondo hay trocitos de hielo.

Aplicando lo que conoces sobre la convección ¿qué debe ocurrir?

La capa superior del agua ebullirá, mientras que las capas inferiores aún se mantendrán frías. Los trocitos de hielo que se encuentren en el fondo del tubo de ensayo no se derriten producto del calor suministrado. Con semejante forma de calentar no puede producirse la convección, ya que las capas calientes de agua no pueden descender a un nivel inferior que las capas de agua de agua frías, más pesadas. Por otra parte vimos que el agua no puede calentarse por conducción, pues la conductividad térmica del agua es muy pequeña y tendríamos que esperar un tiempo considerable para que el agua se calentara.


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Todos los vientos en la atmósfera son corrientes convectivas de enorme envergadura.

Por la convección, se explican los vientos llamados brisas, que surgen en el litoral. Durante los días de verano la tierra se calienta por el Sol más rápidamente que el agua, por esta razón el aire sobre ella se calienta más que sobre el agua, su densidad disminuye, por lo que su presión será menor que la del aire frío sobre el mar. Como resultado el aire frío por abajo se desplaza desde el mar a la tierra, es decir, surge el viento. A esto llamamos brisa. Por la noche, el agua se enfría con mayor lentitud que la tierra, a causa de lo cual, sobre esta el aire se enfría más que sobre el agua. Se crea entonces la brisa nocturna o terral, movimiento de aire frío de la tierra al mar.

radiacion

La radiación es la transferencia de calor por radiación electromagnética. La energía transmitida por esta vía es emitida en un lugar y absorbida en otro. A diferencia de las otras vías estudiadas, trabajo y calentamiento, la transmisión de energía por radiación no requiere que los cuerpos estén en contacto directo o que exista otro medio para la transmisión. La velocidad de propagación de la radiación electromagnética es muy grande, en el vacío y en el aire es aproximadamente de 300 000 km/s y en otros medios es solo algo menor.

Los tipos de radiación dependen de los cuerpos que los emiten. Las radiaciones que se utilizan en las comunicaciones, (ondas de radio y televisión, microondas) son emitidas por electrones que se mueven en las antenas; las infrarrojas o térmicas, cuyo propósito fundamental es elevar la temperatura, son generadas por átomos y moléculas en movimiento térmico, entre otras.

La capacidad de los cuerpos de absorber la energía por radiación de distintos modos es utilizada por los seres humanos en la vida y en la tecnología. Por ejemplo: los globos y alas de aviones se pintan con pintura plateada con el fin que se caliente menos por el Sol. Si por el contrario, es preciso utilizar la energía solar, por ejemplo, para calentar parte de algunos instrumentos instalados en los satélites artificiales de la Tierra se pintan de color oscuro. Cuando recibimos el calor del Sol, como se muestra en la figura se debe tener mucho cuidado pues está demostrado que produce daños sobre el cuerpo humano debido a la incidencia sobre la piel de los rayos ultravioletas.
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En la figura (a) se muestra un experimento que nos permite familiarizarnos con la forma de transmisión del calor por radiación. El cuerpo A es un receptor de calor. Es una caja plana redonda, con una cara plana pulida como un espejo y la otra cubierta por una pintura negra mate. Dentro de la caja hay aire, que puede salir por un orificio en el receptor. Unimos el receptor a un manómetro de líquido y acercamos el receptor a una hornilla. Al cabo de cierto tiempo, notamos diferencias en las ramas del manómetro, lo que nos indica que el aire en el receptor se ha calentado y dilatado. El calentamiento del aire en el receptor solo puede explicarse por el hecho de que le fue transmitida energía del cuerpo caliente.

Sabemos que no pudo ser por conducción porque existe aire entre el cuerpo caliente y el receptor, y el aire es un mal conductor del calor. Tampoco tuvo lugar la convección porque el receptor del calor no estaba sobre el cuerpo sino junto a él. Por lo tanto la energía fue transmitida por una nueva forma de transmisión del calor, que es la radiación, la que es emitida por todos los cuerpos calientes. Todos los cuerpos irradian energía, tanto los que están muy calientes como los calentados débilmente: el cuerpo de los seres humanos, una estufa, un bombillo eléctrico. Cuanto más alta es la temperatura del cuerpo, mayor es la energía que él transmite por radiación.

La figura b representa un experimento que indica que: cuando la fuente de calor incide sobre el receptor de calor por el lado negro y después por el brillante, la columna de líquido en el manómetro se desplazará en el primer caso a mayor distancia que en el segundo. Esto muestra que los cuerpos con superficie negra absorben mejor la energía y se calientan más. Pero al mismo tiempo, los cuerpos con superficie oscura se enfrían con mayor rapidez por radiación que los cuerpos con superficies claras.

Bibliografía

Colectivo de autores. Enseñanza de la física elemental. Ed. Pueblo y Educación. 2002

Microsoft Encarta. DVD. 2006

Colectivo de autores. Ahorro de Energía y Respeto Ambiental; bases para un futuro sostenible.


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