g_tf_conduccion

Unidad: Transferencia de Calor
En esta guía estudiaremos los tres mecanismos que permiten transferir calor de un cuerpo a
otro: Conducción, Convección y Radiación.
Actividad:
Conducción de calor
La imagen a la izquierda muestra varios fósforos que están pegados con
silicona a dos alambres de cobre. Cuando calentemos los alambres los
fósforos caerán.
1. Haz una Predicción: ¿Caen todos los fósforos aproximadamente al
mismo tiempo o hay algunos fósforos que caen antes que otros? ¿Por
qué?
Observa el video para chequear tu predicción.
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Cuando el extremo del metal se calienta, su temperatura aumenta y los átomos del alambre se
mueven más rápido. Al chocar estos átomos con sus vecinos, éstos también empiezan a moverse
más rápido producto de los choques que experimentan y el calor es transmitido a lo largo del
alambre. Esta forma de transferir calor se llama conducción.
En general, los fluidos como el aire son malos conductores del calor, mientras que los metales
son buenos conductores. De un buen conductor del calor se dice que posee una alta
conductividad térmica. A los malos conductores del calor a menudo se les llama aislantes.
2. A continuación mostraremos dos cubos de hielo que se dejan
encima de unos bloques. ¿Qué sucederá con los trozos de hielo?
Observa el video para ver que sucede.
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Mientras los cubos se están derritiendo su temperatura no cambia y
es la temperatura de fusión del agua, 0 °C. Ambos trozos de hielo
tienen la misma temperatura y sólo están en contacto con los
bloques y con el aire.
3. ¿Por qué crees tú que los hielos se derriten a distinto ritmo?
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Aunque los dos soportes parecen iguales, están hechos de distintos materiales, y por lo tanto
tienen distintas conductividades térmicas.
4. ¿Cuál de los dos soportes tiene mayor conductividad térmica?
Nuestros sentidos a veces nos pueden engañar, pues la piel es sensible a la conductividad de los
materiales que toca. Seguramente has viajado de pie en un bus en una mañana fría y has tocado
el pasamanos metálico y el asiento más cercano a ti. ¡Ambos están a la misma temperatura! Sin
embargo, el metal conduce mejor el calor de tu cuerpo y tú lo percibes como si tuviese menor
temperatura.
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Actividad:
Ley de Fourier de la conducción de calor
Si dos caras distintas de un material de espesor Δx (por ejemplo, la pared de un horno) se
mantienen a una diferencia de temperatura ΔT, entonces el calor fluye a través del material a
cierto ritmo, ΔQ/Δt. Experimentalmente se encuentra que:
Si aumenta la diferencia de temperatura ΔT que causa el flujo de calor, aumenta la cantidad de
calor ΔQ que atraviesa el material en un Δt dado.
Para una diferencia de temperatura dada ΔT, si se utiliza una pared del doble de grosor, el flujo
de calor se reduce a la mitad.
Es decir, el flujo de calor ΔQ/Δt es proporcional a ΔT/Δx. La constante de proporcionalidad
recibe el nombre de conductividad térmica del material, κ.
ΔQ/Δt = κ ΔT/Δx
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En el video donde se derriten los cubos de hielo esta ecuación se aplica a los soportes, que en
este caso tienen igual diferencia de temperatura y espesor, pero distinta conductividad térmica.
Otro ejemplo donde se aplican estas ideas se muestra en el siguiente video.
La imagen muestra un globo inflado con un poco de agua en su interior.
Observa que ocurre cuando pasamos una llama por el globo.
1. Intenta explicar lo que observaste.
Ayuda: ¿Se calienta mucho el globo?¿Por qué?
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En el video anterior la diferencia de temperatura entre la llama y el agua casi no cambia durante
el experimento. El espesor del globo es pequeño por lo que el calor fluye rápidamente a través
del globo sin aumentar su temperatura y el calor es absorbido por el agua que está dentro del
globo.
En cambio, si se calienta con la llama sólo al globo, rápidamente su temperatura aumenta y se
ablanda hasta el punto que no es capaz de resistir la presión interna.
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Actividad:
Conducción de calor en una rejilla metálica
¿Te has preguntado alguna vez por qué los mecheros suelen usar una
rejilla metálica en contacto con la llama? Observa el siguiente video que
muestra una llama que se acerca a una rejilla metálica.
2. ¿Cuál crees tú que es la causa de este comportamiento?
3. ¿Toma en cuenta tu respuesta que la rejilla metálica conduce bien el calor?
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En el video que acabas de ver la rejilla metálica conduce rápidamente el calor hacia los costados,
lejos de la llama, provocando que la temperatura arriba de la rejilla y cerca de la llama baje a un
valor que no puede sostener la combustión de ésta.
Un experimento relacionado es el que se muestra a continuación, esta vez
un encendedor se coloca debajo de la rejilla y la chispa se produce arriba de
ella.
4. Haz una predicción: ¿Qué sucede al abrir el gas y producir la chispa?
Observa el video para chequear tu predicción.
5. Finalmente acercamos una llama ya encendida a la rejilla de forma que la
rejilla la corte por la mitad. ¿Qué crees que sucede en este caso?
Observa el video.
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Actividad:
Calentando una gota de agua
¿Te has preguntado por qué puedes tocar una plancha por un pequeño instante sin quemarte si
primero te humedeces el dedo? El siguiente video tiene relación con esto.
Echaremos una gota de agua sobre el fondo de una lata de bebida que está muy caliente.
Observa lo que ocurre:
Aquí puedes ver un detalle de lo que ocurre:
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Para entender mejor el fenómeno anterior, observa que ocurre si echamos una gota grande
de agua.
Una versión mas de cerca se encuentra a continuación:
En ambos casos la lata está a la misma
temperatura pero en un caso el agua hierve
y se evapora rápidamente mientras que en
el otro no.
1. ¿Cuál es la diferencia entre los dos experimentos que explica esto?
2. En el primer caso se ve que la gota está flotando. ¿Por qué crees que ocurre esto?
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La gota pequeña flota debido a una capa de vapor de agua evaporada que queda entre ella y la
lata, de forma que no hay contacto directo entre la gota de agua y la lata. ¡El aire es un mal
conductor del calor!
Quizás has visto videos de personas caminando sobre carbón encendido. Uno de los factores que
hacen esto posible es el hecho que las cenizas tienen muy baja conductividad térmica, por lo que
si permaneces poco tiempo sobre el carbón no hay un flujo apreciable de calor hacia tus pies. Si
un charlatán te dice que él puede hacerlo porque tiene poderes síquicos, pídele que camine
sobre una plancha metálica encima del carbón!
No intentes caminar sobre carbón encendido, el carbón debe estar bien preparado de forma de
no contener humedad antes de caminar sobre él, y debes asegurarte que el carbón no se adhiera
a los pies mientras caminas. Varias precauciones deben tomarse y aún así es un experimento
muy peligroso.
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Actividad:
Convección
El Segundo mecanismo de transferencia de calor es la convección. Observa el siguiente video
de un jarro con agua con tinta que se calienta por abajo.
1. ¿Qué tipo de movimiento describe el agua?
Se llama convección al transporte de calor que ocurre debido al movimiento del fluido.
Cuando el fluido se calienta sus moléculas se mueven más rápido y la distancia entre ellas
aumenta. La misma masa de fluido ocupa un mayor volumen, es decir:
El fluido más caliente es menos denso, por lo que sube,
siendo reemplazado por fluido a menor temperatura que procede a calentarse.
El movimiento ascendiente y descendiente del fluido en forma de loops se denomina corriente de convección.
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Otro experimento en que se visualizan las corrientes de convección, esta vez en un gas,
puede verse en el siguiente video:
2. ¿Por qué es necesario colocar hielo en la parte superior del frasco para que se produzcan
las corrientes de convección?
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La imagen muestra dos tubos verticales cortos empalmados a la
parte superior de una botella horizontal. Observa que ocurre con el
humo que se coloca en la boca del tubo a la derecha cuando hay una
vela encendida en el tubo de la izquierda
3. Explica cual es el principio que le da “tiraje” a esta “chimenea”.
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En esta variante del experimento anterior, una vez que el humo ya esta
circulando taparemos la entrada de aire del tubo de la derecha, como
se muestra en la figura.
4. Haz una predicción: ¿Qué crees que sucederá al tapar el tubo?
Observa el video para chequear tu respuesta
5. Explica lo que observaste.
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Actividad:
Radiación
La tercera forma de transferir calor es aquella por la cual los rayos del sol calientan la Tierra, sin
que el sol esté en contacto a través de un medio con el planeta y sin un fluido que transporte el
calor a través de su movimiento. Llamamos a esta forma de transferencia de calor Radiación
La imagen muestra un espejo parabólico que concentra los rayos del sol en
un punto que se conoce como el foco del espejo. Observa que ocurre
cuando la cabeza de un palo de fósforo se coloca en el foco y se ilumina el
espejo.
Este video te muestra que, aunque sea invisible, la luz del sol que incide
sobre el espejo y que se concentra en su foco, transmite calor por
radiación, causando que la cabeza del fósforo se caliente hasta alcanzar su
temperatura de encendido.
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La imagen muestra dos termómetros idénticos con sus bulbos
conectados a placas de aluminio metálicas idénticas, excepto porque
una de ellas está pintada de negro y la otra tiene su tono original
plateado.
1. Haz una predicción: ¿Cómo se comparan las temperaturas de los dos termómetros cuando se ponen al sol?
Observa el video para chequear tu predicción.
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Los cuerpos negros absorben más radiación que los demás cuerpos. El juguete que se muestra en
la imagen se llama radiómetro y funciona cuando sus aspas metálicas (pintadas por un lado de
blanco y por el otro de negro) son expuestas a la luz solar.
Observa el video del radiómetro de Crookes.
Dentro del radiómetro hay un vacío parcial, y el movimiento observado se origina en que el aire cerca de las placas
negras se calienta más que el aire cerca de las placas blancas, lo que origina una mayor fuerza sobre las placas negras.
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