TRANSFERENCIA DE CALOR

TRANSFERENCIA DE CALOR
Cuando salimos de la ducha o de la pileta, sentimos frío. ¿Por qué? El agua, al
evaporarse, toma calor, es decir que cuando el agua se transforma en vapor le
quita calor al cuerpo y por eso sentimos frío. Lo mismo pasa si nos ponemos
alcohol o acetona sobre la piel; el líquido se evapora más rápidamente que el
agua, y al quitar más rápido el calor de la piel sentimos más frío.
El gas al calentarse cambia su densidad ya que la densidad es  
m
y por lo
v
tanto su densidad es mas baja y por lo tanto el gas asciende cuando se lo
calienta.
1. En verano mojarse puede ser un alivio. Pero si nos mojamos en invierno
hay que secarse enseguida, porque el agua, al evaporarse, quita calor
del cuerpo. Cuando hace calor o hacemos ejercicio físico, transpiramos
más. La evaporación del sudor ayuda a bajar la temperatura del cuerpo.
Esta propiedad también puede observarse con los aerosoles. Cuando
rociamos una cantidad considerable de cualquier producto envasado en
aerosol, notamos que el envase se enfría. ¿Por qué ocurre esto?
o
Dentro del envase hay una sustancia, el propelente, que sirve
para impulsar el producto que se desea rociar (por ejemplo,
desodorante o insecticida). El propelente, en condiciones
normales, es una sustancia gaseosa, pero dentro del aerosol se
encuentra comprimido en estado líquido.
o
Cuando se oprime la válvula, la presión interna del envase
empuja su contenido hacia fuera y sale el propelente con el
producto. Esto disminuye la presión en el interior del envase.
o
Al haber menos presión, parte del líquido que está en el envase
se evapora.
o
Al evaporarse, el propelente absorbe calor del ambiente. Por lo
tanto, los materiales próximos, como el envase, se enfrían.
El aerosol se enfría porque la evaporación quita calor.
En los ejemplos anteriores se pudo observar que cuando un líquido se
hace gas (evaporación), quita o absorbe calor. Esto se debe a que el
gas tiene un mayor contenido energético que el líquido, si tienen la
misma temperatura. En el caso contrario, cuando un gas se hace líquido
(condensación), se libera calor. En estas transformaciones, la diferencia
de energía entre ambos es liberada o absorbida en forma de calor.
2. La compresión calienta, la expansión enfría
Cuando inflamos la rueda de una bicicleta, notamos que el tubo del
inflador se calienta. ¿Por qué ocurre esto?
o
Cuando un gas se comprime, aumenta su temperatura (se
calienta); y cuando se expande (aumenta su volumen), su
temperatura disminuye (se enfría).
o
Al inflar la rueda, empujamos con un émbolo el aire contenido
dentro d el tubo del inflador (le entregamos energía en forma de
trabajo).
o
Al comprimirse, el aire aumenta su temperatura, le transfiere calor
al tubo del inflador (que se encontraba a menor temperatura) y
hace que éste se caliente.
El inflador se calienta porque el gas se comprime.
Estos cambios se deben a la pérdida de energía del gas cuando se
expande, a causa del trabajo que realiza al "empujar hacia fuera" y a la
energía que se le transfiere al comprimirlo cuando se lo "empuja hacia
adentro".
Dentro de la heladera
La temperatura en las diversas zonas de una heladera
La temperatura no es igual en las distintas zonas de la heladera. En el gabinete
principal es de unos pocos grados centígrados sobre cero. En el congelador es
de unos pocos bajo cero y en el freezer es aún más baja. Para obtener estas
temperaturas, el calor debe fluir desde el interior de la heladera hacia el
exterior. El resultado neto de este proceso es la transferencia de calor de
materiales a menor temperatura (en el interior de la heladera) a otros de mayor
temperatura (en el exterior), lo cual parece contradecir el principio que dice que
el calor se transfiere de un cuerpo caliente a uno frío. ¿Cómo se logra este
efecto?
El proceso cíclico de enfriamiento
El enfriamiento se produce mediante un proceso cíclico en el cual un gas, como
los gases CFC o clorofluorcarbonados, circula por un tubo que recorre las
partes interna y externa de la heladera intercambiando calor. Los pasos del
proceso para producir el enfriamiento son los siguientes.

Se comprime el gas en una parte de su recorrido que se encuentra en el
exterior de la heladera (el compresor). Entonces aumenta su
temperatura (la compresión calienta).

Se permite que el gas comprimido y caliente se enfríe (en el
condensador) liberando calor al ambiente ( el calor se transfiere de un
cuerpo caliente a uno frío).

Al enfriarse, el gas comprimido se transforma en líquido (los gases muy
comprimidos se condensan) y libera más calor al ambiente (cuando un
gas se hace líquido libera calor).

El líquido pasa por un tubo muy delgado (capilar) que impide su
expansión, al sector que se encuentra dentro de la heladera.

El líquido pasa a un tubo más grueso (evaporador), en la parte interior,
que permite que el líquido se evapore y que el gas formado se expanda.
Estos procesos quitan calor del interior de la heladera (la evaporación
quita calor, la expansión enfría).

Al perder calor, el interior de la heladera se enfría (el cuerpo que pierde
calor disminuye su temperatura).

El gas pasa al exterior de la heladera donde vuelve a ser comprimido y
todo el proceso se vuelve a repetir.
Las partes de una heladera
Las principales partes de una heladera, donde ocurren estos procesos, son las
siguientes. Motor: toma energía de la instalación eléctrica e impulsa el
compresor. Compresor: es impulsado por el motor y comprime el gas de la
tubería, calentándolo. Condensador: parte de la tubería donde se enfría el gas
recién comprimido, que entonces se condensa. Está en el exterior de la
heladera y libera calor al ambiente. Capilar: tubo que deja pasar poco a poco el
gas licuado. Se lo llama así porque es muy delgado; un tubo grueso dejaría
pasar el gas sin resistencia e impediría la compresión. Evaporador: tubo
sinuoso que está en contacto con lo que llamamos el congelador de la
heladera. En este tubo se evapora el gas previamente licuado y así se enfría el
interior de la heladera. El evaporador y el congelador se ubican arriba para que
el aire frío, más denso, baje por su propio peso y reemplace el aire más
caliente; que sube. Si el congelador estuviera abajo, el frío llegaría arriba con
mayor dificultad. Termostato (vulgarmente, "el automático"): mecanismo
automático que interrumpe la corriente eléctrica cuando la temperatura es
suficientemente baja, y pone a andar nuevamente el motor cuando sube la
temperatura. Unidad sellada (conocida como la "bocha"): recipiente hermético
donde están ubicados el motor y el compresor. Esta disposición, incorporada
hacia 1950, reduce el riesgo de las fugas de gas.
Heladeras sin motor
Heladeras de absorción con amoníaco
Hay heladeras que queman querosén para funcionar. No tienen motor, ni
compresor ni piezas móviles; su principio de funcionamiento es el siguiente:

Una pequeña llama hace hervir una solución de amoníaco en agua
(solución fuerte, en el esquema).

El amoníaco se separa como gas (evaporador) y se reúne con el agua
en otro lugar del circuito (absorbedor).

El amoníaco gaseoso, al disolverse nuevamente en agua (proceso
llamado absorción), forma una solución (solución débil en el esquema),
absorbe calor y produce el enfriamiento.

La solución se concentra y se vuelve a calentar.
Este tipo de heladera se usaba mucho en establecimientos de campo que
carecían de energía eléctrica.
Heladera con amoníaco
Heladeras de termopar
Hay otras heladeras que no tienen piezas móviles ni gases. Utilizan una unidad
que funciona con electricidad, llamada termopar que transfiere calor entre sus
dos caras al circular electricidad. Cuando una corriente eléctrica atraviesa la
unión entre dos conductores eléctricos de diferente material, la unión se enfría
o calienta, según en qué sentido circule la corriente. Estas heladeras, de
termopar, no se desgastan, no hacen ruido y pueden ser muy pequeñas, por lo
que son ideales para las habitaciones de hotel, donde el ruido del motor de las
heladeras comunes podría incomodar a los huéspedes.
Refrigeración con un termopar
Más datos útiles sobre las heladeras
Algunos datos adicionales sobre las heladeras y su funcionamiento.

La
capacidad
de
una
heladera
se
mide
en
pies
cúbicos.
Aproximadamente 35 pies cúbicos equivalen a un metro cúbico.

Cuando una heladera marcha casi sin parar y forma mucha escarcha,
esto es señal de que el cierre de la puerta es imperfecto. Hay que
ajustarlo o reemplazar el burlete de goma.

El agua que se obtiene al descongelar la escarcha contiene pocas sales,
porque proviene de la condensación de la humedad ambiente, que no
las tiene.

Al congelarse, el agua aumenta su volumen, por eso es peligroso
colocar una botella cerrada en el congelador: si está muy cargada podría
romperse cuando el líquido se congela.
Cronología de la refrigeración

Antes de 1748. El enfriamiento se efectúa con hielo o nieve.

1748. El escocés William Cullen logra por primera vez la refrigeración
artificial por medio de la evaporación de un líquido.

1805. El inventor estadounidense Oliver Evans diseña la primera
máquina refrigeradora que usa vapor en vez de líquido.

1834. El inglés Jacob Perkins inventa la primera máquina que fabrica
hielo a partir de la evaporación y la condensación de un líquido.

1844. El médico estadounidense John Gorrie construye una heladera
que funciona comprimiendo y expandiendo un gas en forma alternada.

1856. El empresario estadounidense Alexander Twinning introduce en el
mercado sistemas de refrigeración.

1859. El francés Ferdinand Carré utiliza amoníaco en lugar de aire en
los sistemas de refrigeración. De esta manera consiguió temperaturas
más bajas.

1920. Se comienza a utilizar el gas freón en lugar del amoníaco.
Escalas de temperatura
Existen varias escalas para medir la temperatura. La de uso más generalizado
para aplicaciones cotidianas es la Celsius o centígrada.
Escala Celsius
Su unidad es el grado Celsius (°C), según la cual a presión atmosférica normal
el agua pura hierve a los 100 °C y se congela a los 0 °C.
Escala Fahrenheit
La unidad de medida es el grado Fahrenheit (°F). Según esta escala, el agua
hierve a 212 °F y se congela a 32 °F. Para pasar de grados Fahrenheit (°F) a
Celsius (°C), o a la inversa, se utilizan las siguientes fórmulas:
°C = 5 (°F - 32) / 9
°F = 9 °C / 5 + 32
En los Estados Unidos se utiliza la escala Fahrenheit en aplicaciones
cotidianas. Una novela de Ray Bradbury (EE.UU., 1920), Fahrenheit 451,
presenta una sociedad del futuro en la que los bomberos no apagan incendios no se producen porque las casas son incombustibles-, y se dedican a quemar
libros. El título alude a la temperatura a la que arde el papel, unos 233 °C.
Escala Kelvin o absoluta
En aplicaciones técnicas y científicas se suele emplear la escala Kelvin o
absoluta, cuya unidad es el kelvin (K). La temperatura más baja posible en la
naturaleza es de unos 273 °C bajo cero; se conoce como cero absoluto y
equivale a 0 K.
Para convertir grados Celsius en kelvin hay que sumar 273 a los grados
Celsius:
K = °C + 273
Por ejemplo, la temperatura de los objetos en el espacio, lejos del calor de las
estrellas, es de unos -270 °C, o 3 K. Si se baja la temperatura de un gas
manteniendo constante su presión, el gas disminuye su volumen. El cero
absoluto es la temperatura a la cual un gas ideal alcanzaría un volumen nulo.
Los gases reales se apartan de este comportamiento ideal y se transforman en
líquidos a bajas temperaturas.
Glosario
Amoníaco: sustancia gaseosa a temperatura ambiente, formada por moléculas
que contienen tres átomos de hidrógeno y uno de nitrógeno (su fórmula
química es NH3). Tiene olor penetrante e irritante. Es muy soluble en agua, en
la que forma hidróxido de amonio, por lo cual sus disoluciones acuosas son
alcalinas.
Energía: poder, capacidad para realizar trabajo.
Frío: propiedad de los cuerpos que tienen baja temperatura. Enfriar un cuerpo
equivale a disminuir su temperatura; para ello hay que extraerle energía, ya sea
en forma de calor o de trabajo que el cuerpo realice sobre el ambiente.
Temperatura: medida de lo caliente o lo frío que se encuentra un cuerpo. Está
relacionada con la energía cinética o de movimiento de las partículas atómicas
o moleculares que componen la materia. Cuando aumenta la vibración o el
desplazamiento de las moléculas, aumenta la temperatura.
Freezer (congelador): se utiliza este término para los congeladores que
mantienen los alimentos a una temperatura del orden de los 18 °C bajo cero,
bastante inferior a la del congelador común de las heladeras. Eso permite
conservar
alimentos
durante
meses,
porque
los
microbios,
aunque
permanezcan vivos, no se pueden reproducir a una temperatura tan baja como
lo hacen a la temperatura del congelador común.
Clorofluorocarbonados (CFC): sustancias químicas volátiles formadas por los
elementos cloro, flúor y carbono. Se utilizan en heladeras y sistemas de
refrigeración para intercambiar calor, pero perjudican la atmósfera cuando se
escapan: adelgazan la capa de ozono, que es la que nos protege de las
radiaciones peligrosas del sol. A partir del año 2000, la mayoría de los países
cumplirá el acuerdo de reemplazarlos por otros gases menos perjudiciales para
el ambiente.
Bibliografía comentada

Cerdeira, S., E. Ortí, A. Rela y J. Sztrajman, Física-Química, Buenos
Aires, Aique, 2000. Libro de texto destinado a la enseñanza media. En la
página 120 hay un juego para comprender el mecanismo de
propagación del calor por conducción. Sólo se requiere saber sumar y
dividir por 2.

Macaulay, D. y N. Ardley, Cómo funcionan las cosas, Buenos Aires,
Editorial Atlántida, 1994. Obra útil para saber cómo funcionan los objetos
que utilizamos a diario. La sencillez de las explicaciones la hacen
especialmente apropiada para los niños.

Rela, A., Física y artefactos domésticos, Buenos Aires, Editorial
Angström, 1994. Obra en la que se encuentran muchas curiosidades y
ejemplos hogareños. El docente los puede relacionar con los contenidos
y adaptarlos según los niveles de enseñanza. Incluye una prueba de
conocimientos para detectar preconceptos.