La transferencia de calor por conducción consiste en el paso o flujo de energía entre dos cuerpos a diferente temperatura, cuando entran en contacto. El calor fluye desde el cuerpo más caliente hacia el más frío, hasta que ambos estén a la misma temperatura. Se dice entonces que el sistema alcanzó el equilibrio térmico.
Se trata de un mecanismo de transmisión de calor frecuente en los sólidos, aunque también se presenta en el interior de las estrellas que normalmente son gaseosas. Sin embargo, los núcleos de las estrellas avanzadas en su evolución son lo bastante densos como para que este mecanismo resulte significativo.
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Mecanismo de la conducción calórica
La transferencia de calor por conducción se produce a través del intercambio de energía entre moléculas, átomos y electrones. Mientras ocurre el intercambio, las partículas más energéticas ceden parte de su energía a las menos energéticas a través de las colisiones que tienen lugar entre ellas.
Por ejemplo, en una cacerola que se va a poner al fuego, todas las partículas del material oscilan con una determinada amplitud. La llama calienta las que tiene más cercanas, y estas comienzan a vibrar más rápidamente, aumentando su amplitud de oscilación y ganando energía.
Parte de esta energía se transmite hacia las moléculas vecinas, que a su vez aumentan su amplitud de oscilación y también adquieren energía progresivamente. Y de estas partículas, parte de la energía se propaga hacia las partículas más alejadas de la llama.
Los aumentos en la amplitud de oscilación de las partículas se traducen en un aumento de temperatura, que se puede sentir con la mano, si se acerca lo suficiente al metal de la cacerola, incluyendo el mango o las asas, de allí que siempre se recubren de un aislante, para que se puedan manipular sin quemarse.
Ahora bien, la velocidad del proceso de conducción depende del material, ya que algunas sustancias conducen mucho mejor que otras.
En este aspecto los metales definitivamente son excelentes conductores de calor y electricidad. Son mejores que la madera y los plásticos, debido a que sus átomos poseen al menos un electrón libre en la capa más externa, que puede desplazarse por el material y llevar así energía con ellos.
Pero sorprendentemente, el diamante es el mejor conductor térmico que existe, aunque debido a su precio, no queda otra alternativa que conformarse con los metales cuando se trata de aplicaciones prácticas.
Nuevas investigaciones señalan que un compuesto de boro y arsénico posiblemente sea tan bueno como el diamante para dispar calor eficientemente.
Rapidez de conducción térmica
Para saber qué tan rápido se propaga el calor por conducción, considérese una lámina de material de ancho L y área lateral A. La cara izquierda está en contacto con una fuente de calor (en rojo) a temperatura Th, mientras que la otra cara es adyacente a un objeto más frío, de temperatura Tc.
El calor Q fluye entre las caras, desde el lado más caliente hacia el más frío, en un tiempo Δt. Experimentalmente se encuentra que la tasa de cambio o rapidez con la que fluye el calor entre las caras es proporcional a:
-El área A de las caras.
-La diferencia de temperatura ΔT que hay entre ellas.
Y además es inversamente proporcional al espesor L de la placa. Matemáticamente se expresa así:
La constante de proporcionalidad se denomina conductividad térmica k, por lo tanto:
La conductividad térmica es una característica del material. En cuanto a las unidades presentes, en el Sistema Internacional Q se mide en joules (J), Δt en segundos (s), por lo tanto Q/ Δt queda en J/s que equivale a watios (W). En tal caso, las unidades de la conductividad térmica son W/m∙ºC, si la temperatura se mide en grados Celsius o W/m∙K al usar la escala absoluta en kelvin.
Los buenos conductores térmicos tienen valores elevados de k, destacando los metales y el diamante.
Ya que Q/ Δt es potencia, si se denota esta mediante P se tiene:
Conductividades térmicas de algunos materiales
A continuación la conductividad térmica de algunas sustancias conocidas de uso frecuente, en unidades del Sistema Internacional SI W/m∙K:
-Diamante sintético: 2000
-Plata: 429
-Oro: 317
-Cobre: 385
-Zinc: 116
-Tungsteno: 174
-Aire: 0.024
Ejemplos de transferencia de calor por conducción
La transferencia de calor por conducción está presente en muchos aspectos de la cotidianidad:
Los utensilios de cocina
Las ollas, los sartenes y en general los utensilios de cocina hechos de metal como el acero, tienen mangos de material aislante. Con ello se reduce el riesgo de quemaduras al manipularlos mientras están en contacto con la llama o el contenido está caliente.
Metal y madera
Cuando se sostiene un trozo de madera en una mano y otro de metal en la otra, se nota de inmediato que este es más frío al tacto. Los metales, tal como se explicó anteriormente, son buenos conductores del calor, por lo que el calor fluye más rápido de la mano hacia el metal que de la mano hacia la madera.
De esta forma el contacto con el metal enfría más rápido la mano de quien lo sostiene, y en consecuencia se siente más frío que la madera, que no es tan buen conductor.
Mantas y cobertores
Los cobertores nuevos se sienten más abrigados que los cobertores usados, y eso se debe a que los nuevos tienen más aire dentro de las fibras y los poros. Cuanto más aire en el interior, mejor funciona un cobertor, ya que el aire es muy buen aislante térmico.
Aislantes para casas
En muchos lugares del mundo en los que hace mucho frío en invierno, las casas se protegen con materiales aislantes del calor, para que el interior se mantenga más confortable.
Por ejemplo, está la fibra de vidrio, que contiene en su interior espacios con aire, que funciona como aislante térmico, impidiendo que el calor escape.
Bombas caloríficas
Las bombas caloríficas extraen calor de las maquinarias conduciendo el calor a través de conductos metálicos, desde las partes sobrecalentadas hasta zonas más frías.
Dilatación térmica en los metales
Cuando se calienta un objeto metálico, las partículas constituyentes oscilan con una amplitud mayor y la consecuencia es que las dimensiones del objeto se incrementan.
Recipientes de material aislante
Los recipientes destinados a mantener los alimentos en buen estado por más tiempo están hechos de material aislante para que el calor del exterior no descomponga la comida.
Ejercicio resuelto
La sección transversal de un bloque de cobre tiene área de 20 cm2 y longitud de 50 cm. Uno de los lados está a 0º C y el otro a 100 º C. Calcular la tasa a la que se transmite el calor.
Solución
Se va a emplear la ecuación deducida con anterioridad:
De la lista de conductividades, la del cobre es k = 400 W/m∙K, y aunque las temperaturas dadas en el enunciado están en grados Celsius, el intervalo ΔT es el mismo en ambas escalas:
ΔT = 100 K
La longitud es L = 50 cm = 0.5m y el área es A = 20 cm2 = 0.002 m2, queda sustituir valores en la ecuación:
=154\:&space;W "P=385\: \frac{W}{m\cdot K}\cdot \left (\frac{0.002\, m^{2}\cdot 100\: K}{0.5\: m} \right )=154\: W")
Referencias
- Giambattista, A. 2010. Physics. 2nd. Ed. McGraw Hill.
- Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6th. Ed Prentice Hall.
- Hewitt, Paul. 2012. Conceptual Physical Science. 5th. Ed. Pearson.
- Sears, Zemansky. 2016. University Physics with Modern Physics. 14th. Ed. Volume 1. Pearson.
- Serway, R., Jewett, J. 2008. Física para Ciencias e Ingeniería. Volumen 1. 7ma. Ed. Cengage Learning.
- Tippens, P. 2011. Física: Conceptos y Aplicaciones. 7ma Edición. McGraw Hill.