Cuando la energía térmica se transfiere de un sistema a otro a través de la dispersión de calor, el fenómeno se denomina transferencia de calor.
Esto se puede hacer de tres formas: conducción, convección y radiación.
Conducción vs convección vs radiación
El diferencia entre conducción, convección y radiación trata sobre la forma en que se transfiere el calor de una zona con mayor energía cinética a una zona de menor energía cinética. En conducción, esto sucede a través del contacto físico directo entre dos objetos. La convección, por otro lado, ocurre cuando el calor se transfiere a través del movimiento de moléculas. La radiación no requiere contacto físico entre dos objetos como los otros métodos.
Tabla de comparación entre conducción, convección y radiación (en forma tabular)
| Parámetro de comparación | Conducción | Convección | Radiación |
|---|---|---|---|
| Definición | Proceso de transferencia de calor entre objetos a través del contacto físico directo. | Proceso de transferencia de calor a través de un medio fluido como líquidos o gases. | Proceso de transferencia de calor a través de ondas electromagnéticas. |
| Método | El calor se transfiere debido a la colisión molecular cuando los sólidos entran en contacto entre sí. | El calor se transfiere por el flujo de los fluidos. | El calor se transfiere a través de la radiación emitida por los cuerpos sin necesidad de un medio. |
| Porque | Calor viajando desde un área de alta temperatura a un área de baja temperatura. | Calor viajando desde un área de baja densidad a un área de alta densidad. | Energía emitida por los cuerpos a través de los movimientos rotacionales y vibracionales de átomos y moléculas. |
| Medio | Sólidos calentados. | Sustancia intermedia como fluidos. | Ondas electromagnéticas. |
¿Qué es la conducción?
El proceso de transferencia de calor a través del contacto directo entre dos objetos se llama conducción.
Cuando las moléculas de un objeto absorben energía térmica, comienzan a moverse rápidamente y, al hacerlo, entran en contacto con los objetos vecinos y se produce una transferencia de energía.
Para que suceda la conducción, se deben tener en cuenta algunos factores.
El primero es el gradiente de temperatura, que es la descripción de la dirección en la que fluye el calor y la velocidad de transferencia. El proceso de conducción desde una fuente caliente a una fuente fría (o una fuente que carece de energía térmica) continúa hasta que ambos cuerpos alcanzan un estado de equilibrio térmico.
Otro factor importante es el tamaño de los objetos involucrados. Los objetos más grandes requieren más calor para calentarse, pero al mismo tiempo, pierden calor más rápido. Esto se debe a que cuanto mayor es su superficie, más entran en contacto con el aire libre. También deben tenerse en cuenta las propiedades físicas de los objetos.
Si usa una cuchara de madera mientras cocina, notará que la cuchara no se calienta. Esto se debe a que la madera es un mal conductor.
Sin embargo, si tuviera que usar una cuchara de metal, el calor se le transferirá muy rápidamente porque el metal es un buen conductor. Los conductores deficientes también se denominan aislantes. Evitan que la energía fluya lejos de la fuente.
Por ejemplo, los osos polares pueden sobrevivir en las regiones árticas porque su pelaje sirve como aislante que atrapa el calor dentro del cuerpo.
¿Qué es la convección?
Cuando ocurre el movimiento de masa de un fluido debido a que el fluido calentado se aleja de la fuente de calor, lleva energía consigo. Esta es también una forma de transferencia de calor y se llama convección.
Este proceso ocurre porque el calor disminuye la densidad de fluidos como el aire y el agua. La pérdida de densidad hace que el fluido se eleve creando corrientes de convección que pueden transferir energía.
A medida que las capas calientes del fluido se elevan, las capas más frías que aún retienen su densidad descienden hacia la fuente de calor hasta que se calientan y comienzan a subir.
Hay dos tipos de convección: espontánea y forzada. En el primero, la convección ocurre naturalmente debido a la flotabilidad. La diferencia de temperatura provoca una diferencia de densidades.
Por ejemplo, cuando el calor del sol calienta la tierra, el mar absorbe la mayor parte de la energía, pero lleva más tiempo calentarse que la tierra.
Por lo tanto, el aire sobre la tierra pierde densidad más rápidamente, lo que lleva a la creación de un área de baja presión sobre las áreas costeras. Pero el área sobre el mar tiene una presión más alta y esto hace que el aire se mueva del área de mayor presión al área de menor presión, es decir, del mar a la tierra.
Por eso, la brisa cerca del mar es generalmente más fuerte. La convección forzada se produce mediante una fuente externa como un ventilador o un géiser. Está relacionado con la ley de Newton de enfriar la ecuación para la cual es como sigue:
P = dQ / dt = hA (T-T0)
Aquí P = dQ / dt es la tasa de transferencia de calor. La h es el coeficiente de transferencia de calor por convección. A es el área de la superficie del material expuesto.
T se refiere a la temperatura del objeto en el fluido y T0 se refiere a la temperatura del fluido que se somete al proceso de convección.
¿Qué es la radiación?
A diferencia de la conducción y la convección, que requieren un contacto físico real entre dos cuerpos, la radiación es la transferencia de calor que ocurre incluso cuando los cuerpos no entran en contacto o se separan en el espacio.
Todo en el universo está formado por átomos que juntos forman moléculas. La rotación y vibración de átomos y moléculas aseguran que todas las sustancias continúen emitiendo energía a través de radiación electromagnética.
Los electrones con alta energía a altos niveles atómicos descienden a niveles donde la energía es menor. Cualquier energía que se pierde en el camino se emite como radiación electromagnética.
Cuando un átomo absorbe energía, sus electrones suben a niveles de energía más altos. Por lo tanto, cuando la velocidad a la que se absorbe la energía se equilibra con la velocidad a la que se emite, la temperatura de la sustancia no cambiará.
Si el primero es mayor que el segundo, la temperatura aumentará y si es menor, la temperatura también disminuirá.
Un ejemplo común de transferencia de calor por radiación es el sol. No entra en contacto con ninguno de los otros planetas ni existe un medio físico para la transferencia de calor.
Sin embargo, podemos sentir su calor debido a la radiación electromagnética que emite, lo que permite que sus rayos lleguen a la tierra.
Principales diferencias entre conducción, convección y radiación
Conclusión
La conducción, la convección y la radiación son conceptos importantes en el estudio de la termodinámica.
En pocas palabras, el calor que viaja de un objeto caliente o un área caliente a un objeto frío del área es conducción.
El calor se transfiere mediante el movimiento de las corrientes fluidas por convección y el calor se transfiere a través de ondas electromagnéticas sin ningún medio es la radiación.
- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0142727X94000144
- https://asmedigitalcollection.asme.org/heattransfer/article-abstract/85/4/318/414710
