Termodinamica - Cengel 7th - espanhol

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ENERGÍA, TRANSFERENCIA DE ENERGÍA
TEMA DE INTERÉS ESPECIAL*
Soda
Soda
T 1
Aire
Calor
ΔT
Δx
T 2
Aire
Calor
Pared de la
lata de
aluminio
FIGURA 2-71
Conducción de calor del aire caliente
a una lata fría de bebida carbonatada a
través de la pared de aluminio de la lata.
Mecanismos de transferencia de calor
El calor se puede transferir de tres formas distintas: conducción, convección y
radiación; se dará una descripción breve de cada uno de éstos para familiarizar
al lector con los mecanismos básicos de transferencia de calor. Todos los
modos de transferencia de calor requieren que exista una diferencia de temperatura
y todos pasan del ámbito de alta temperatura a uno de menor temperatura.
La conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas
de una sustancia hacia las adyacentes menos energéticas, como resultado
de sus interacciones. La conducción puede ocurrir en sólidos, líquidos o gases;
en estos últimos dos la conducción se debe a las colisiones de las moléculas
durante su movimiento aleatorio, mientras que en los sólidos se debe a la
combinación de la vibración de las moléculas en una red y el transporte de
energía mediante electrones libres. Por ejemplo, una bebida enlatada fría que
se halla en una habitación caliente, alcanza por conducción la temperatura de
la habitación como resultado de la transferencia de calor de ésta a la bebida, a
través de la lata de aluminio (Fig. 2-71).
Se observa que la tasa de conducción de calor Q· cond por una capa de espesor
constante x es proporcional a la diferencia de temperatura T en la capa y el
área A normal a la dirección de transferencia de calor, mientras que es inversamente
proporcional al espesor de la capa. Por lo tanto,
Q # ¢T
(2-51)
cond k t A 1W2
¢x
donde la constante de proporcionalidad k t es la conductividad térmica del
material, la cual es una medida de la capacidad del material para conducir
calor (tabla 2-3). Materiales como el cobre y la plata, que son buenos conductores
eléctricos, también lo son del calor y por lo tanto tienen valores altos de
k t . El hule, la madera y el poliestireno son malos conductores del calor y, por
consiguiente, tienen valores bajos de k t .
En el caso límite de x → 0, la ecuación anterior se reduce a la forma diferencial
Q # dT
(2-52)
cond k t A 1W2
dx
que se conoce como ley de Fourier de conducción de calor, e indica que la
tasa de conducción de calor en una dirección es proporcional al gradiente de
temperatura en esa misma dirección. El calor es conducido en la dirección
de temperatura decreciente, y el gradiente de temperatura se vuelve negativo
cuando la temperatura disminuye con x creciente. Por consiguiente, se agrega
un signo negativo en la ecuación 2-52 para hacer de la transferencia de calor en
la dirección x positiva una cantidad positiva.
La temperatura es una medida de la energía cinética de las moléculas. En
un líquido o gas, esta energía se debe al movimiento aleatorio de sus moléculas,
así como a sus movimientos de vibración y rotación. Cuando colisionan
dos moléculas que poseen energías cinéticas distintas, parte de esta energía
proveniente de la molécula más energética (mayor temperatura) se transfiere
a la de menor energía (menor temperatura), de forma muy similar a cuando
colisionan dos bolas elásticas de igual masa a diferentes velocidades: parte de
la energía cinética de la bola más rápida se transfiere a la más lenta.
* Se puede prescindir de esta sección sin que se pierda continuidad.