De los procesos de transferencia existentes, la transferencia de calor es probablemente la más familiar dado que es parte de nuestra experiencia diaria, por ejemplo, cuando se enfría la sopa o el café. Procesos que emplean transporte de calor aparecen frecuentemente en la industria química: Calentamiento del petróleo crudo (u otra mezcla líquida) hasta su punto de ebullición para separarlo en fracciones en una columna de destilación o la remoción del calor generado en una reacción química. En cualquier caso se necesita hallar la velocidad a la cual ocurre la transferencia de calor para calcular el tamaño del equipo requerido o para mejorar el ya existente. Por otra parte se debe recordar que el calor es el proceso de transferencia de energía de diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentra a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el de menor temperatura, ocurriendo esto hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico. La energía como propiedad se utiliza en termodinámica para ayudar a especificar el estado de un sistema. La energía se transfiere a través de los límites de un sistema termodinámico en forma de trabajo o de calor. Transferencia de calor es la expresión usada para indicar el transporte de energía originado en una diferencia de temperatura. La “Velocidad de Transferencia de Calor” o “Flujo de Calor”, es la expresión de la energía térmica transportada por unidad de tiempo, y “Densidad de Flujo de Calor” o “Flux de Calor”, es la velocidad de transferencia de calor por unidad de área. El cálculo de las velocidades locales de transferencia de calor requiere conocer las distribuciones locales de temperatura, las cuales proveen el potencial para la transferencia de calor. Existen tres mecanismos diferentes por los cuales ocurre esta transferencia de calor:
Conducción, en donde el calor pasa a través de la sustancia misma del cuerpo,
Convección, en la cual el calor es transferido por el movimiento relativo de partes del cuerpo calentado, y
Radiación, mecanismo por el que el calor se transfiere directamente entre partes distantes del cuerpo por radiación electromagnética.
En gases y líquidos la convección y la radiación tienen importancia destacada, pero en los sólidos la convección puede considerarse ausente y la radiación generalmente es despreciable.
CONCEPTOS BÁSICOSCambios de faseEn la naturaleza existen tres estados usuales de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Al aplicarle calor a una sustancia, ésta puede cambiar de un estado a otro. A estos procesos se les conoce como cambios de fase. Los posibles cambios de fase son:
De estado sólido a líquido, llamado fusión,
De estado líquido a sólido, llamado solidificación,
De estado líquido a gaseoso, llamado evaporación o vaporización,
De estado gaseoso a líquido, llamado condensación,
De estado sólido a gaseoso, llamado sublimación progresiva,
De estado gaseoso a sólido, llamado sublimación regresiva o deposición,
De estado gaseoso a plasma, llamado ionización.
Calor específico
Es la energía necesaria para elevar en 1 °C la temperatura de un gramo de materia.
El calor específico es un parámetro que depende del material y relaciona el calor que se proporciona a una masa determinada de una sustancia con el incremento de temperatura:
donde:
es el calor aportado al sistema.
es la masa del sistema.
es el calor específico del sistema.
es el incremento de temperatura que experimenta el sistema.
Calor específico molar
El calor específico de una sustancia es un índice importante de su constitución molecular interna, y a menudo da información valiosa de los detalles de su ordenación molecular y de las fuerzas intermoleculares. En este sentido, con frecuencia es muy útil hablar de calor específico molar denotado por cm, y definido como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un mol de una sustancia en 1 grado es decir, está definida por: donde n indica la cantidad de moles en la sustancia presente.
Capacidad calorífica
La capacidad calorífica de una sustancia es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. La capacidad calorífica no debe ser confundida con el calor específico, el cual es la propiedad intensiva que se refiere a la capacidad de un cuerpo para almacenar calor.
Se denota por , se acostumbra a medir en J/K, y se define como: Donde: C es la capacidad calorífica, que en general será función de las variables de estado. es el calor absorbido por el sistema. la variación de temperatura.
Para un sistema formado por una sola sustancia homogénea:
Dado que:
donde: C es la capacidad calorífica del cuerpo o sistema, c es el calor específico o capacidad calorífica específica, m la masa de sustancia considerada
Correlaciones empíricas para la estimación de capacidades caloríficas:
Cp= a + bT + c T2 + d T3 + ...
Cp/R= A + BT + CT2 + DT3 + ...
Trabajo (W)
En el caso de un sistema termodinámico, el trabajo no es necesariamente de naturaleza puramente mecánica, ya que la energía intercambiada en las interacciones puede ser mecánica, eléctrica, magnética, química, etc. por lo que no siempre podrá expresarse en la forma de trabajo mecánico. No obstante, existe una situación particularmente simple e importante en la que el trabajo está asociado a los cambios de volumen que experimenta un sistema (v.g., un fluido contenido en un recinto de forma variable). Así, si consideramos un fluido que se encuentra sometido a una presión externa y que evoluciona desde un estado caracterizado por un volumen a otro con un volumen , el trabajo realizado será:
Energía potencial (P)
La energía potencial gravitatoria es la energía asociada con la fuerza gravitatoria. Esta dependerá de la altura relativa de un objeto a algún punto de referencia, la masa, y la fuerza de la gravedad.
Para casos en los que la variación de la gravedad es insignificante, se aplica la fórmula:
Donde o usualmente reemplazada por P es la energía potencial, la masa, la aceleración de la gravedad, y la altura.
Energía cinética (Ec)
En mecánica clásica, la energía cinética de un objeto puntual (un cuerpo tan pequeño que su dimensión puede ser ignorada), o en un sólido rígido que no rote, está dada en la ecuación donde m es la masa y v es la velocidad del cuerpo. Se considera la consecuencia de la acción de una fuerza, porque cuando una fuerza externa actúa sobre una partícula o un sistema de partículas en equilibrio produce un cambio en la energía cinética.
Energía interna (U)
En física, la energía interna (U) de un sistema intenta ser un reflejo de la energía a escala microscópica. Más concretamente, es la suma de:
La energía cinética interna, es decir, de las sumas de las energías cinéticas de las individualidades que lo forman respecto al centro de masas del sistema.
La energía potencial interna, que es la energía potencial asociada a las interacciones entre estas individualidades.
La energía interna no incluye la energía cinética traslacional o rotacional del sistema como un todo. Tampoco incluye la energía potencial que el cuerpo pueda tener por su localización en un campo gravitacional o electrostático externo.
En termodinámica se deduce la existencia de una ecuación de la forma
conocida como ecuación fundamental en representación energética.
La importancia de la misma radica en que concentra en una sola ecuación toda la información termodinámica de un sistema. La obtención de resultados concretos a partir de esta ecuación se convierte entonces en un proceso sistemático.
Si calculamos su diferencial:
se definen sus derivadas parciales:
la temperatura
la presión
el potencial químico .
Como T, P y son derivadas parciales de U, serán funciones de las mismas variables que U:
Estas relaciones reciben el nombre de ecuación de estado. Por lo general no se dispone de la ecuación fundamental de un sistema. En ese caso sus sustitución por el conjunto de todas las ecuaciones de estado proporcionaría una información equivalente, aunque a menudo debamos conformarnos con un subconjunto de las mismas.
El primer video que se presenta, se explica la manera en que se produce el intercambio de energía cinética a nivel molecular dentro de un sistema termodinámico cerrado.
En este video se puede ver una breve y sencilla explicación de la 1ra ley de la Termodinámica:
Efectos de la Transferencia de calor El calentamiento global es un claro ejemplo de el papel que desempeña la atmósfera en el calentamiento de la superficie terrestre gracias a la transferencia de calor por radiación . La atmósfera es prácticamente transparente a la radiación solar de onda corta, absorbida por la superficie de la Tierra. Gran parte de esta radiación se vuelve a emitir hacia el espacio exterior con una longitud de onda correspondiente a los rayos infrarrojos, pero es reflejada de vuelta por gases como el dióxido de carbono, el metano, el óxido nitroso,los halocarbonos y el ozono, presentes en la atmósfera. Este efecto de calentamiento es la base de las teorías relacionadas con el calentamiento global. El contenido en dióxido de carbono de la atmósfera ha venido aumentando un 0,4% cada año como consecuencia del uso de combustibles fósiles como el petróleo, el gas y el carbón; la destrucción de bosques tropicales por el método de cortar y quemar también ha sido un factor relevante que ha influido en el ciclo del carbono. La concentración de otros gases que contribuyen al efecto invernadero, como el metano y los clorofluorocarbonos, está aumentando todavía más rápido. El efecto neto de estos incrementos podría ser un aumento global de la temperatura, estimado en 2 a 6 °C en los próximos 100 años.
Las leyes que gobiernan estos fenómenos responden al tipo general como se recoge en la siguiente tabla.
TRANSFERENCIA DE CALOR
De los procesos de transferencia existentes, la transferencia de calor es probablemente la más familiar dado que es parte de nuestra experiencia diaria, por ejemplo, cuando se enfría la sopa o el café. Procesos que emplean transporte de calor aparecen frecuentemente en la industria química: Calentamiento del petróleo crudo (u otra mezcla líquida) hasta su punto de ebullición para separarlo en fracciones en una columna de destilación o la remoción del calor generado en una reacción química. En cualquier caso se necesita hallar la velocidad a la cual ocurre la transferencia de calor para calcular el tamaño del equipo requerido o para mejorar el ya existente.
Por otra parte se debe recordar que el calor es el proceso de transferencia de energía de diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentra a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el de menor temperatura, ocurriendo esto hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico.
La energía como propiedad se utiliza en termodinámica para ayudar a especificar el estado de un sistema. La energía se transfiere a través de los límites de un sistema termodinámico en forma de trabajo o de calor. Transferencia de calor es la expresión usada para indicar el transporte de energía originado en una diferencia de temperatura. La “Velocidad de Transferencia de Calor” o “Flujo de Calor”, es la expresión de la energía térmica transportada por unidad de tiempo, y “Densidad de Flujo de Calor” o “Flux de Calor”, es la velocidad de transferencia de calor por unidad de área. El cálculo de las velocidades locales de transferencia de calor requiere conocer las distribuciones locales de temperatura, las cuales proveen el potencial para la transferencia de calor.
Existen tres mecanismos diferentes por los cuales ocurre esta transferencia de calor:
En gases y líquidos la convección y la radiación tienen importancia destacada, pero en los sólidos la convección puede considerarse ausente y la radiación generalmente es despreciable.
En este documento se puede encontrar los diferentes mecanismos de transferencia de calor.
CONCEPTOS BÁSICOSCambios de fase En la naturaleza existen tres estados usuales de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Al aplicarle calor a una sustancia, ésta puede cambiar de un estado a otro. A estos procesos se les conoce como cambios de fase. Los posibles cambios de fase son:Calor específico
Es la energía necesaria para elevar en 1 °C la temperatura de un gramo de materia.
El calor específico es un parámetro que depende del material y relaciona el calor que se proporciona a una masa determinada de una sustancia con el incremento de temperatura:
donde:
Calor específico molar
El calor específico de una sustancia es un índice importante de su constitución molecular interna, y a menudo da información valiosa de los detalles de su ordenación molecular y de las fuerzas intermoleculares. En este sentido, con frecuencia es muy útil hablar de calor específico molar denotado por cm, y definido como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un mol de una sustancia en 1 grado es decir, está definida por:
Capacidad calorífica
La capacidad calorífica de una sustancia es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. La capacidad calorífica no debe ser confundida con el calor específico, el cual es la propiedad intensiva que se refiere a la capacidad de un cuerpo para almacenar calor.
Se denota por
Donde:
C es la capacidad calorífica, que en general será función de las variables de estado.
Para un sistema formado por una sola sustancia homogénea:
Dado que:
donde:
C es la capacidad calorífica del cuerpo o sistema, c es el calor específico o capacidad calorífica específica, m la masa de sustancia considerada
Correlaciones empíricas para la estimación de capacidades caloríficas:
Cp= a + bT + c T2 + d T3 + ...
Cp/R= A + BT + CT2 + DT3 + ...
Trabajo (W)
En el caso de un sistema termodinámico, el trabajo no es necesariamente de naturaleza puramente mecánica, ya que la energía intercambiada en las interacciones puede ser mecánica, eléctrica, magnética, química, etc. por lo que no siempre podrá expresarse en la forma de trabajo mecánico.
No obstante, existe una situación particularmente simple e importante en la que el trabajo está asociado a los cambios de volumen que experimenta un sistema (v.g., un fluido contenido en un recinto de forma variable).
Así, si consideramos un fluido que se encuentra sometido a una presión externa
Energía potencial (P)
La energía potencial gravitatoria es la energía asociada con la fuerza gravitatoria. Esta dependerá de la altura relativa de un objeto a algún punto de referencia, la masa, y la fuerza de la gravedad.
Para casos en los que la variación de la gravedad es insignificante, se aplica la fórmula:
DondeEnergía cinética (Ec)
En mecánica clásica, la energía cinética de un objeto puntual (un cuerpo tan pequeño que su dimensión puede ser ignorada), o en un sólido rígido que no rote, está dada en la ecuación
Energía interna (U)
En física, la energía interna (U) de un sistema intenta ser un reflejo de la energía a escala microscópica. Más concretamente, es la suma de:
La energía interna no incluye la energía cinética traslacional o rotacional del sistema como un todo. Tampoco incluye la energía potencial que el cuerpo pueda tener por su localización en un campo gravitacional o electrostático externo.
En termodinámica se deduce la existencia de una ecuación de la forma
conocida como ecuación fundamental en representación energética.
La importancia de la misma radica en que concentra en una sola ecuación toda la información termodinámica de un sistema. La obtención de resultados concretos a partir de esta ecuación se convierte entonces en un proceso sistemático.
Si calculamos su diferencial:
se definen sus derivadas parciales:
Como T, P y
Estas relaciones reciben el nombre de ecuación de estado. Por lo general no se dispone de la ecuación fundamental de un sistema. En ese caso sus sustitución por el conjunto de todas las ecuaciones de estado proporcionaría una información equivalente, aunque a menudo debamos conformarnos con un subconjunto de las mismas.
El primer video que se presenta, se explica la manera en que se produce el intercambio de energía cinética a nivel molecular dentro de un sistema termodinámico cerrado.
En este video se puede ver una breve y sencilla explicación de la 1ra ley de la Termodinámica:
Efectos de la Transferencia de calor
El calentamiento global es un claro ejemplo de el papel que desempeña la atmósfera en el calentamiento de la superficie terrestre gracias a la transferencia de calor por radiación . La atmósfera es prácticamente transparente a la radiación solar de onda corta, absorbida por la superficie de la Tierra. Gran parte de esta radiación se vuelve a emitir hacia el espacio exterior con una longitud de onda correspondiente a los rayos infrarrojos, pero es reflejada de vuelta por gases como el dióxido de carbono, el metano, el óxido nitroso,los halocarbonos y el ozono, presentes en la atmósfera. Este efecto de calentamiento es la base de las teorías relacionadas con el calentamiento global.
El contenido en dióxido de carbono de la atmósfera ha venido aumentando un 0,4% cada año como consecuencia del uso de combustibles fósiles como el petróleo, el gas y el carbón; la destrucción de bosques tropicales por el método de cortar y quemar también ha sido un factor relevante que ha influido en el ciclo del carbono. La concentración de otros gases que contribuyen al efecto invernadero, como el metano y los clorofluorocarbonos, está aumentando todavía más rápido. El efecto neto de estos incrementos podría ser un aumento global de la temperatura, estimado en 2 a 6 °C en los próximos 100 años.
Las leyes que gobiernan estos fenómenos responden al tipo general como se recoge en la siguiente tabla.