Cuando estudiamos los procesos de transferencia de calor que tienen lugar en dos cuerpos de diferentes temperaturas, estamos haciendo un estudio cualitativo de la transferencia de calor que puede ocurrir por conducción, irradiación y convección. Sin embargo, cuando hacemos este tipo de estudio, no nos preocupamos por determinar el valor de la cantidad de calor que se transfiere de un cuerpo a otro. Luego aprenderemos a calcular la cantidad de calor involucrada en los procesos de conducción e irradiación.
Conduciendo
Flujo de calor entre dos cuerpos
Consideremos dos cuerpos con diferentes temperaturas T1 y T2, siendo T2> T1. Si unimos estos dos cuerpos con una barra metálica de sección uniforme A y longitud L, se producirá la conducción de calor del cuerpo mayor. temperatura para el cuerpo de temperatura más baja, determinando que ΔQ es la cantidad de calor que pasa a través de la barra en un rango dado de tiempo t. El cociente entre la cantidad de calor y el intervalo de tiempo se llama flujo de calor,
que está representada por la letra griega fi (Φ) y matemáticamente se puede escribir de la siguiente manera:
Si la barra metálica que conecta los dos cuerpos está rodeada por un aislante, se comprueba que pasado cierto tiempo esta barra llega a la situación denominada estado estable, que se caracteriza por tener el mismo flujo de calor en cualquier punto de la barra. Como resultado de este hecho, la barra alcanza una temperatura constante en toda la barra y no cambia con el tiempo.
Experimentalmente es posible verificar que el flujo de calor es:
• Directamente proporcional al área de la sección de la barra que une los dos cuerpos;
• Directamente proporcional a la diferencia de temperatura entre los dos cuerpos;
• Inversamente proporcional a la longitud de la barra que une los cuerpos.
Uniendo estos tres controles e introduciendo una constante de proporcionalidad, podemos escribir la siguiente ecuación matemática:
Donde K es una característica constante del material que forma la barra y se llama conductividad térmica. Cuanto mayor sea el valor de esta constante, mayor será el flujo de calor que conduce la barra.
Radiación
Sabemos que la transferencia de calor por conducción y convección requiere la presencia de un medio material para que suceda. Con el proceso de radiación ocurre lo contrario, es decir, este proceso no necesita de un medio para la La transferencia de calor entre dos cuerpos ocurre, como, por ejemplo, transferencias de calor entre el Sol y Tierra.
En términos generales, cuando un vidrio recibe una cierta cantidad de energía radiante, por ejemplo, radiación del sol, el cuerpo absorbe parte de esta radiación y el resto se refleja. Sabemos que los cuerpos oscuros tienen la capacidad de absorber más energía radiante que los cuerpos luminosos.
Considere un cuerpo cuya superficie exterior tiene un área A, y que emite a través de esa área una radiación total de potencia P, que es la energía irradiada por unidad de tiempo sobre todo superficie. La siguiente relación matemática se llama radiancia o poder emisor (R) de un cuerpo:
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R = P / A
Y su unidad en el Sistema Internacional de Unidades es W / m2.
Sin embargo, a mediados del siglo XX, los científicos austriacos J. Stefan y L. Boltzmann llegó, experimentalmente, a la conclusión de que el resplandor de un cuerpo es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura en Kelvin, es decir, R = σT4. Donde σ se llama la constante de Stefan-Boltzmann y se mantiene en SI σ = 5.67 x 10-8W / m2K4. Esto se ha verificado para un cuerpo real, es decir, cuerpos que absorben o reflejan completamente toda la radiación. Cuando el cuerpo no es real, la ecuación descrita por Stefan-Baltzmann se suma mediante una constante llamada emisividad, así: R = еσT4. Esto es Ley de Stefan-Boltzmann ya través de él podemos calcular el resplandor de cualquier cuerpo cuando conocemos su temperatura y su emisividad.
Por MARCO Aurélio da Silva
Equipo Escolar de Brasil
Termología - Física - Escuela Brasil
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SANTOS, Marco Aurélio da Silva. "Estudio cuantitativo de la transferencia de calor"; Escuela Brasil. Disponible: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/estudo-quantitativo-transferencia-calor.htm. Consultado el 27 de junio de 2021.
