Transferencia de calor para niños
La transferencia de calor es el proceso en el que la energía térmica se mueve de un lugar a otro. Es como cuando tocas una taza de chocolate caliente y sientes el calor pasar a tu mano. La parte de la física que estudia cómo se mueve este calor se llama termodinámica.
Contenido
¿Qué es la transferencia de calor?
La transferencia de calor es el intercambio de energía que ocurre entre dos o más objetos (pueden ser sólidos, líquidos o gases) cuando tienen diferentes temperaturas. Imagina que tienes algo muy caliente y algo frío; el calor siempre se moverá del objeto más caliente al más frío hasta que ambos alcancen una temperatura similar.
La energía se mide en unidades llamadas Joule. La forma en que el calor se transfiere depende de cómo ocurre el proceso, no solo de la diferencia de temperatura inicial y final.
En ingeniería, a menudo se usa la palabra "calor" como sinónimo de "energía térmica". Esto viene de una idea antigua que pensaba que el calor era como un líquido que podía fluir.
La transferencia de calor es muy importante en casi todo lo que nos rodea, desde cómo funciona un refrigerador hasta cómo se calienta tu casa. Se clasifica en diferentes formas, como la conducción térmica, la convección térmica, la radiación térmica y la transferencia de energía cuando algo cambia de estado (por ejemplo, de líquido a gas).
La ciencia de la termodinámica
La termodinámica es la ciencia que se dedica a estudiar cómo se transfiere el calor. Siempre que hay una diferencia de temperatura en un sistema o cuando dos sistemas con temperaturas distintas se tocan, la energía se mueve entre ellos.
Si no hay trabajo externo involucrado, cualquier cambio en la energía interna de un sistema se debe únicamente al calor, que es energía en movimiento. La termodinámica se enfoca en los estados de equilibrio y en la cantidad de energía que se transfiere entre ellos, pero no tanto en cómo o a qué velocidad ocurre esa transferencia.
Para entender cómo y a qué velocidad se transfiere el calor, se estudian los "fenómenos de transporte". Estos fenómenos nos ayudan a comprender los mecanismos específicos y la rapidez con la que el calor se mueve.
Formas de transferir el calor
Existen tres formas principales en las que el calor se transfiere: conducción, convección y radiación.
- Conducción: Es la transferencia de calor que ocurre cuando dos objetos están en contacto directo, sin que haya movimiento de materia. Piensa en cuando tocas una cuchara que está dentro de una sopa caliente; el calor de la sopa pasa a la cuchara y luego a tu mano. Esto puede ocurrir en sólidos, líquidos y gases. La cantidad de calor que se transfiere por conducción se calcula con la ley de Fourier. Esta ley dice que la velocidad a la que el calor se conduce a través de un material depende de la diferencia de temperatura y de las propiedades del material.
- Los metales, como el cobre o el aluminio, son muy buenos conductores de calor porque tienen electrones libres que se mueven fácilmente y transportan la energía. Los materiales no metálicos, como la madera o el corcho, son malos conductores. En los gases, la conducción es menor porque las moléculas están más separadas.
- Convección: Esta forma de transferencia de calor implica el movimiento de un fluido (líquido o gas). Se produce cuando partes de un fluido se calientan, se vuelven menos densas y suben, mientras que las partes más frías y densas bajan, creando una corriente. Un ejemplo es el agua hirviendo en una olla: el agua del fondo se calienta, sube, y el agua fría de la superficie baja para calentarse. La convección puede ser natural (por diferencias de densidad) o forzada (por un ventilador o bomba). La cantidad de calor transferido por convección se rige por la ley de enfriamiento de Newton.
- Radiación: Es la transferencia de calor a través de ondas electromagnéticas, como la luz del sol o el calor que sientes de una fogata sin tocarla. No necesita un medio (como aire o agua) para viajar, por lo que puede ocurrir incluso en el vacío. Todos los objetos que tienen una temperatura emiten energía en forma de radiación. La cantidad de calor emitida por radiación se calcula con la ley de Stefan-Boltzmann.
Aislamiento y barreras de radiación
No podemos evitar que el calor se transfiera, pero sí podemos controlar la velocidad a la que lo hace. Todos los materiales conducen el calor en mayor o menor medida. Los materiales que conducen muy poco calor se llaman aislantes térmicos. Los metales son buenos conductores, mientras que los gases son malos conductores.
Los aislantes térmicos están diseñados para reducir el flujo de calor, limitando la conducción y la convección. Muchos aislantes funcionan atrapando aire o gas en pequeños espacios dentro de un material sólido. Por ejemplo, la fibra de vidrio es un buen aislante.
Las barreras de radiación son materiales que reflejan la radiación, lo que ayuda a reducir el calor que llega de fuentes de radiación. Los metales, por ejemplo, son excelentes reflectores. La efectividad de una barrera de radiación se mide por su capacidad de reflejar la energía. Cuanto más refleja un material, menos calor absorbe y emite. Estas barreras son muy útiles en la ingeniería aeroespacial, como en los satélites, que usan capas especiales para reflejar la luz solar y controlar su temperatura.
¿Cómo se transfiere el calor en el cuerpo humano?
Los principios de la transferencia de calor también se aplican a nuestro cuerpo. Nuestro cuerpo produce calor constantemente a través del metabolismo de los alimentos, que nos dan energía. Para mantenernos sanos, nuestro cuerpo necesita mantener una temperatura interna constante de unos 37 °C. Por eso, el exceso de calor debe ser liberado. Cuando hacemos ejercicio, producimos más calor y el cuerpo necesita formas adicionales para eliminarlo.
La transferencia de calor por convección ocurre cuando el aire o el agua se mueven sobre la superficie de nuestro cuerpo. Si el aire es frío, el calor de nuestra piel se transfiere al aire. Por eso sentimos frío si no nos abrigamos lo suficiente en un ambiente frío. La ropa actúa como un aislante, creando una resistencia al flujo de calor y manteniendo nuestra piel más caliente.
Para que el calor se distribuya bien por todo el cuerpo, la sangre juega un papel muy importante. La sangre fluye por nuestros vasos sanguíneos y actúa como un fluido que transporta el calor, evitando que se acumule en ciertas partes del cuerpo.
También perdemos calor por evaporación, que es cuando el sudor se convierte en vapor en la superficie de nuestra piel. Cuando nuestra temperatura corporal sube, las glándulas sudoríparas producen sudor. Al evaporarse, este líquido se lleva el calor de nuestro cuerpo, ayudándonos a refrescarnos. Esto es muy importante cuando hacemos mucha actividad física.
Véase también
En inglés: Heat transfer Facts for Kids
