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Transferencia de calor (conducción, convección, radiación) y calorimetría 🔥📏
Guía de Estudio: Transferencia de Calor y Calorimetría
🧮 Cuestionario de Repaso
- 🔥 ¿Qué es la transferencia de calor y cuál es el principio que rige su dirección?
Es el proceso mediante el cual la energía térmica pasa de un cuerpo a otro. Siempre fluye de un cuerpo con mayor temperatura hacia otro con menor temperatura hasta que ambos alcanzan el equilibrio térmico. - 🧱 Describa el mecanismo de la transferencia de calor por conducción a nivel molecular.
La conducción ocurre cuando una fuente de calor energiza las moléculas de un sólido, haciéndolas vibrar más intensamente. Estas vibraciones se transmiten a moléculas vecinas, propagando la energía a lo largo del cuerpo. - 📐 Explique qué representa cada variable en la Ley de Fourier (H = -k * A * (dT/dx)).
H es la velocidad de transferencia de calor, k es la conductividad térmica del material y A es el área de la superficie por donde fluye el calor. El término dT/dx es el gradiente de temperatura y el signo negativo indica que el calor fluye hacia zonas de menor temperatura. - 🌬️ ¿En qué estados de la materia ocurre la convección y qué ley la describe?
Ocurre únicamente en fluidos: líquidos y gases. Se describe mediante la Ley del Enfriamiento de Newton, que relaciona la transferencia de calor con un coeficiente de convección, un área y una diferencia de temperaturas. - ☀️ Defina la radiación térmica y mencione una característica clave.
Es la emisión de energía en forma de ondas electromagnéticas desde un cuerpo caliente. Su característica distintiva es que no requiere un medio material para propagarse. - 🌡️ ¿Qué describe la Ley de Stefan-Boltzmann y qué representan sus variables principales?
Describe la cantidad de energía radiada por una superficie. La emisividad (ε) mide la capacidad de radiar energía, σ es una constante universal y T es la temperatura absoluta de la superficie elevada a la cuarta potencia. - ⚗️ ¿Qué es la calorimetría y cuáles son sus dos principios fundamentales?
Es la ciencia que mide el calor absorbido o cedido en un proceso físico o químico. Sus principios son el equilibrio térmico y la conservación del calor. - 💧 Defina el concepto de “caloría”.
Es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius. Es una unidad básica para medir energía térmica. - 🔎 Explique el concepto de calor específico y su función en Q = m * c * ΔT.
El calor específico es la energía necesaria para elevar la temperatura de un kilogramo de sustancia en un grado. En la ecuación, determina la cantidad de calor que requiere una masa para cambiar su temperatura. - 🧱 ¿Cómo se calcula la transferencia de calor en una pared compuesta por varios materiales en serie?
Se suman las resistencias térmicas de cada material (R = L / (k*A)). El flujo total se obtiene dividiendo la diferencia total de temperatura entre la suma de estas resistencias.
🧠 Preguntas de Ensayo Sugeridas
- Compare la conducción, convección y radiación explicando los principios físicos que regulan cada mecanismo, los medios donde ocurren y las leyes que los describen.
- Explique detalladamente la Ley de Fourier, el significado del gradiente de temperatura y el papel del signo negativo en la ecuación; aplíquelo al caso de una pared simple y una pared compuesta.
- Desarrolle el concepto de calorimetría explicando calor, caloría, equilibrio térmico y conservación del calor; aplique la fórmula Q = m * c * ΔT a problemas como el del plomo o acero.
- Describa la radiación térmica como fenómeno electromagnético y explique cómo la Ley de Stefan-Boltzmann determina la energía emitida por un cuerpo dependiendo de su temperatura.
- Con base en los ejemplos de pared (conducción) y ventana (convección), explique paso a paso cómo resolver un problema práctico de transferencia de calor para cada uno de estos mecanismos, justificando cada fórmula usada.
📘 Glosario de Términos Clave
| Término | Definición |
|---|---|
| Transferencia de calor | Paso de energía térmica desde un cuerpo caliente hacia uno más frío. |
| Conducción | Transferencia de calor en sólidos mediante vibración molecular. |
| Conductividad térmica (k) | Capacidad de un material para conducir calor, expresada en W/m·K. |
| Ley de Fourier | Modelo que calcula la conducción: H = -k * A * (dT/dx). |
| Convección | Transferencia de calor en fluidos por movimiento de moléculas. |
| Coeficiente de convección (h) | Constante que indica eficiencia de transferencia entre una superficie y un fluido. |
| Ley del Enfriamiento de Newton | Fórmula de convección: H = h * A * (Ta – T). |
| Radiación | Transferencia de energía mediante ondas electromagnéticas. |
| Ondas electromagnéticas | Forma de propagación de la radiación térmica a velocidad de la luz. |
| Ley de Stefan-Boltzmann | Ecuación de radiación: H = ε * σ * A * T⁴. |
| Emisividad (ε) | Medida de qué tan eficientemente una superficie emite radiación. |
| Constante de Stefan-Boltzmann (σ) | Valor universal: 5.67 x 10⁻⁸ W/m²K⁴. |
| Calorimetría | Estudio del calor absorbido o cedido en procesos físicos o químicos. |
| Calor (Q) | Energía que se transfiere por diferencia de temperatura. |
| Caloría (cal) | Calor necesario para elevar 1 g de agua en 1 °C. |
| Equilibrio térmico | Estado donde cuerpos en contacto alcanzan la misma temperatura. |
| Ley de conservación del calor | El calor cedido es igual al calor absorbido. |
| Calor específico (c) | Energía necesaria para elevar en 1 °C la temperatura de 1 kg de sustancia. |