Conducción térmica: todo lo que importa

La conducción térmica, también llamada difusión térmica, es un tipo de propagación de calor que ocurre en un medio material debido a la agitación de las moléculas.

A medida que aumenta la temperatura de un cuerpo sólido (ya sea por calentamiento o por contacto con otro), la energía cinética también aumenta. Esto da como resultado una mayor agitación de las moléculas.

Ilustración de la agitación de moléculas por conducción térmica.

Recuerda que el calor es el intercambio de energía que tiene lugar entre dos cuerpos. Por lo tanto, para alcanzar el equilibrio térmico (misma temperatura), el cuerpo más caliente calienta el cuerpo más frío transfiriendo energía térmica.

Además de la conducción térmica, existen otras dos formas de propagación del calor: una convección térmica (por corrientes de convección) y el irradiación térmica (por ondas electromagnéticas).

Aisladores y conductores térmicos

La conducción térmica depende del material utilizado, ya que algunos conducen más energía térmica que otros.

Como su nombre lo indica, un aislante térmico aísla el paso del calor. Los más utilizados son: plástico, caucho, madera, lana, poliestireno, entre otros.

A su vez, los conductores térmicos facilitan el paso del calor, ya que tienen una gran conductividad térmica. El conductor térmico más común es el metal.

Ejemplo

Cuando estemos haciendo la comida, al remover la sartén con una cuchara, debemos elegir una de plástico o de madera. Esto se debe a que son aislantes térmicos, que impiden el paso del calor.

Por otro lado, una cuchara de metal (aluminio, hierro, etc.) no es un aislante térmico y conduce el calor rápidamente a través del material.

Ilustración del proceso de conducción térmica

Por lo tanto, con el calor que emite la llama de la estufa, la cuchara se calienta de inmediato, lo que puede provocar quemaduras en la piel.

Esto explica por qué la mayoría de las sartenes están hechas de metal y plástico o mangos de madera. Por lo tanto, el metal tiene una mayor capacidad para conducir el calor y, por lo tanto, calienta los alimentos rápidamente.

Lea también:

Ley de conducción térmica

La ley de Fourier determina el flujo de calor en conducción térmica. Considera la cantidad de calor que recibe el cuerpo, el tiempo, la temperatura, el área y el grosor del material.

Ley de Fourier

Su fórmula es:

Dónde,

Q: cantidad de calor
t: variación de tiempo
K: coeficiente de conductividad térmica del material
LA: área de superficie
Δθ: variación de temperatura
L: espesor del material

Ejercicios de examen de ingreso con comentarios

1. (PUC-RS) En invierno, usamos ropa de lana basada en el traje de lana:

a) ser una fuente de calor.
b) ser un buen absorbedor de calor.
c) ser un buen conductor del calor.
d) evitar que el calor corporal se propague al ambiente exterior.
e) no

dos. (PUC-SP) Analice las afirmaciones sobre conducción térmica:

I – Para que un trozo de carne se cocine más rápido, se le puede insertar una brocheta metálica. Esto se justifica por el hecho de que el metal es un buen conductor de calor.

II – Las chaquetas de lana dificultan la pérdida de energía (en forma de calor) del cuerpo humano al medio ambiente, debido a que el aire atrapado entre sus fibras es un buen aislante térmico.

III – Debido a la conducción térmica, una barra de metal permanece a una temperatura más baja que una barra de madera colocada en el mismo ambiente.

Podemos decir eso:

a) I, II y III son correctas.
b) I, II y III están equivocados.
c) solo yo tengo razón.
d) solo II es correcto.
e) solo I y II son correctos.

3. (Mackenzie) De los siguientes procesos, el único donde prácticamente todo el calor se propaga por conducción es cuando se transfiere:

a) del sol a la tierra.
b) de la llama de un gas a la superficie libre de un líquido contenido en una olla encima del mismo.
c) desde el fondo de un vaso de agua hasta un cubo de hielo flotando en él.
d) de una lámpara encendida al aire circundante.
e) de un soldador al metal que se está soldando.

Sea una barra de metal. Si calentamos una de las puntas, las partículas que componen esta barra comenzarán a agitarse en esta punta, a energizarse, debido a la alta temperatura, adquiriendo una energía cinética que hace que estas partículas se muevan. Este movimiento hace que vibren con mayor intensidad, provocando que las partículas vecinas también vibren (transmite la energía), y estas hacen que vibren las siguientes partículas, y así sucesivamente. La energía cinética aumenta la energía interna en el resto de la barra, provocando que la temperatura suba en regiones que antes eran más bajas.

Esta transmisión de energía en el fenómeno descrito se denomina conduccion termica y, como se señaló, necesita un medio material para que ocurra y no puede ocurrir en el vacío (no hay conductividad térmica allí).

Así, el calor fluye desde una región de mayor temperatura a una de menor temperatura, dentro de un objeto o medio (sólido, líquido o gaseoso) o entre diferentes medios y objetos, siempre que exista contacto directo.

Tenga en cuenta que al conducir es una condición necesaria que un cuerpo toque al otro directamente para que la energía cinética se transmita entre las moléculas.

Los mejores conductores son los metales, como el cobre, el hierro, entre otros, ya que tienen electrones en las capas más externas de los átomos (capa de valencia) y con enlaces débiles. Cuando se trata de cuerpos sólidos opacos, la conducción es la única forma de transmitir calor, porque en otros casos la transmisión puede ocurrir de otras formas, como por convección y radiación térmica.

Es por la conducción que las ollas de metal tienen mangos de madera (mal conductor), porque si el mango fuera de metal, nos quemaríamos la mano, igual que cuando tomamos una cuchara de metal sumergida en una sopa caliente, en la que sentimos la cuchara caliente. Los gases y los líquidos no son tan buenos conductores, si lo fueran, en los días fríos nos congelaríamos en el aire frío o nos quemaríamos las manos en el aire caliente al sacar una pizza del horno.

En 1822, Fourier (1768-1830) determinó la ecuación que mide la conducción térmica:

que se conoció como el Ley de Fourier, Dónde:

• q_k es el flujo de calor;
• dT / dx es la tasa de cambio de temperatura en el espacio (gradiente de temperatura en la sección);
• k es la conductividad térmica del material;
• A es el área de la sección transversal, donde el flujo de calor pasa perpendicularmente.

A medida que el calor fluye desde la región de la temperatura más alta a la región de la temperatura más baja, tenemos el signo negativo en la Ley de Fourier. Así,

si t_caliente > T_frío, el valor de ΔT será negativo, por lo que el signo negativo en la ecuación para equilibrar.