Calor

Calor

Sólidos, líquidos y gases, representan tres diferentes estados (también conocidos como fases). Los sólidos son casi totalmente incompresibles y tienen una forma definida, mientras que los líquidos son casi incompresibles, y los gases son compresibles. Para fines prácticos, los sólidos y líquidos se comprimen tan poco que a menudo se asume que son incompresibles. El agua puede existir como sólido (hielo), líquido (agua) o gas (vapor).

Calor se define como ‘energía térmica transferida entre dos sistemas que están en contacto directo entre sí, pero a diferentes temperaturas.’ Si se transfiere calor a una sustancia, la sustancia cambiará de temperatura, o cambiará de estado.

Ejemplo de Cambio de Estado

Se transfiere una gran cantidad de calor a un bloque de hielo, lo que hace que se derrita y se convierta en agua.

Ejemplo de Cambio de Temperatura

Se transfiere una pequeña cantidad de calor a un poco de agua, su temperatura aumenta, pero su estado no cambia.

La diferencia importante en ambos ejemplos es que la energía puede ser transferida a una sustancia para cambiar la temperatura de la sustancia, o cambiar el estado de la sustancia. Las diferencias entre las dos formas de energía se aclaran en la siguiente sección.

Calor Sensible y Latente

El gráfico a continuación muestra que la energía térmica añadida no siempre causa un cambio de temperatura. El calor sensible se observa siempre que se añade calor y la temperatura cambia proporcionalmente (líneas inclinadas en el gráfico). El calor latente se observa siempre que se añade calor y no ocurre un cambio de temperatura (líneas horizontales en el gráfico).

Diagrama de Calor Sensible y Latente

Agregar calor sensible al agua aumentará gradualmente su temperatura, aunque solo hervirá una vez que alcance su temperatura de saturación (punto de ebullición). A la temperatura de saturación, no se puede agregar más calor sensible, pero se puede agregar más calor en forma de calor latente.

El calor latente adicional hace que el agua se evapore y cambie de estado a gas. El vapor resultante contiene tanto la energía de calor sensible como la de calor latente que se transfirió a él, sin embargo, cambiar el agua a gas requiere mucha más energía que simplemente calentar el agua, por lo que el vapor contiene mucho más calor latente que calor sensible. El calor total contenido por el vapor es muy importante, ya que representa la cantidad de energía que puede ser utilizada posteriormente por el consumidor final.

Transferencia de Calor

Como se establece en la segunda ley de la termodinámica, la energía térmica (también conocida como calor) se transfiere de caliente a frío. La diferencia de temperatura entre dos sustancias dicta la tasa de transferencia de calor.

El calor se transfiere mediante conducción, convección o radiación. En la mayoría de los entornos industriales, el calor se transfiere mediante una mezcla de uno o más de estos medios de transferencia de calor, rara vez por un solo medio.

• Conducción – el calor se transfiere directamente de una molécula a otra. La conducción ocurre en sólidos, líquidos y gases.
• Convección – el calor se transfiere por moléculas en estado fluido. La convección puede ser forzada (usando una bomba o ventilador), o natural, debido a diferencias de temperatura y densidad en el fluido. Los dos tipos de convección se conocen como convección forzada y convección natural.
• Radiación – el calor se transfiere mediante energía radiante (ondas electromagnéticas). La energía radiante solo se transfiere a objetos opacos, es decir, objetos que no permiten el paso de la luz.

Conducción, Convección y Radiación

Conducción 

Conducción ocurre en sólidos, líquidos y gases. La capacidad de una sustancia para absorber calor mediante conducción se refiere a su conductividad térmica. Generalmente, los sólidos tienen mayor conductividad térmica que los líquidos porque las moléculas están más juntas. Asimismo, los líquidos generalmente tienen mayor conductividad térmica que los gases. El aire tiene baja conductividad térmica, por lo que los materiales aislantes a menudo tienen grandes espacios/bolsas de aire.

Note que la conductividad térmica se basa en el material, no en su estado/fase. Por ejemplo, muchos tipos de madera tienen una calificación de conductividad térmica más baja que el agua, pero la madera es un sólido y el agua es un líquido. 

Ejemplo de Conducción

Si un extremo de una varilla de metal se calienta en un fuego, mientras que el otro extremo no, las moléculas de la varilla de metal calentada pasarán su calor a sus moléculas vecinas -más frías-. El proceso continúa permitiendo que el calor se conduzca desde el extremo caliente de la varilla hasta el extremo frío.

En el caso de las calderas, la conducción ocurre cuando el calor se transfiere desde las superficies internas de calentamiento de la caldera a las superficies externas de calentamiento.

Convección 

Convección puede ser forzada o natural. Convección forzada requiere una bomba o ventilador, etc. Convección natural ocurre debido a diferencias de temperatura en el fluido (las moléculas calientes son menos densas que las frías, por lo que tienen una tendencia natural a elevarse por encima de ellas). 

Ejemplo de Convección

Calentar agua en una olla hace que las moléculas calentadas se vuelvan menos densas y, por lo tanto, suban a la parte superior de la olla debido a la convección natural; las moléculas más frías y densas ocupan el espacio donde estaban las moléculas calentadas.

El efecto chimenea (también conocido como efecto chimenea) es un ejemplo de convección natural. La imagen a continuación muestra una torre de enfriamiento de tiro natural. La torre de enfriamiento permite que el aire más frío entre por la base, donde luego es calentado por agua caliente. El aire caliente -menos denso- luego sube a la parte superior de la torre, lo que hace que el aire más frío sea atraído a través de la base de la torre. De esta manera, es posible usar grandes volúmenes de aire para enfriar un proceso sin usar bombas o ventiladores.

El Aire Caliente (menos denso) Sube y es Reemplazado por Aire Más Frío (más denso)

En el caso de las calderas, la convección ocurre cuando el agua más cercana a las superficies internas de calentamiento se calienta y se vuelve menos densa. El agua menos densa fluye hacia arriba y es reemplazada por agua más fría y densa; el proceso es continuo.

Radiador

La energía radiante solo se transfiere a energía térmica cuando las ondas electromagnéticas impactan sobre una sustancia que no permite el paso de la luz, es decir, la sustancia es opaca. Por ejemplo, el sol transmite energía radiante, pero esta energía solo se convierte en energía térmica una vez que encuentra un objeto opaco, es decir, la tierra.

La cantidad de energía que una sustancia puede transferir mediante radiación depende en gran medida de su temperatura y emisión. La capacidad de una superficie para emitir radiación térmica se mide por su emisión. Generalmente, las superficies rugosas y oscuras tienen un coeficiente de emisión más alto que las superficies lisas y brillantes.

En el caso de las calderas, la energía radiante se libera durante la combustión y se transmite a las superficies internas opacas de la caldera, donde se convierte en energía térmica. Note que la energía radiante solo se transfiere por línea de visión.

Ejemplo de Radiación

Si un operador de caldera abre la puerta del horno de la caldera, él/ella sentirá el calor porque las ondas electromagnéticas viajan hacia afuera desde el horno hacia el operador. Si luego se cierra la puerta, las ondas electromagnéticas ya no pueden viajar hacia afuera y el calor ya no se siente. El aire entre el horno y el operador no se calienta por las ondas electromagnéticas porque el aire permite que la luz pase a través de él (no es opaco). Solo las sustancias opacas con una línea de visión directa al lugar de combustión se verán afectadas por las ondas electromagnéticas emitidas.

Calor Sentido Debido a la Radiación

Unidades de Calor

El calor es una forma de energía y a menudo se expresa en unidades térmicas británicas (Btus) o Calorías (Cal).

• Btu – la cantidad de calor requerida para aumentar la temperatura de una libra de agua en un grado Fahrenheit.
• Caloría – la cantidad de calor requerida para aumentar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius.

Además de las unidades de Btu y Caloría, a menudo se utiliza la unidad de Joule.

Calor Específico

Diferentes sustancias requieren diferentes cantidades de calor para cambiar de temperatura. Para hacer posible una comparación entre sustancias, se les asigna un valor de calor específico (C.E.), estos valores se recopilan en tablas. Los valores en las tablas recopiladas son solo aproximaciones, el verdadero valor de calor específico de un combustible se determina mediante el muestreo y análisis del combustible en un laboratorio.

El calor específico es la cantidad de calor requerida para cambiar una unidad de masa de una sustancia en una unidad de temperatura. Las unidades utilizadas dependen de si se prefieren unidades imperiales o métricas. Las unidades de energía de unidades térmicas británicas (Btu) y Joules (J) se utilizan a menudo en cálculos de calor específico.

Ejemplo 1 (Imperial)

El calor específico puede calcularse como la cantidad de calor requerida para cambiar una libra de un material en un grado Fahrenheit. Las unidades de capacidad calorífica específica imperial son Btu/lb°F.

Ejemplo 2 (Métrico)

El calor específico puede calcularse como la cantidad de energía térmica requerida para cambiar un kilogramo de un material en un grado Kelvin. Las unidades de capacidad calorífica específica métrica son J/kgK. Note que un Celsius es equivalente a un Kelvin en magnitud, por lo que la unidad J/kg°C produce los mismos valores de capacidad calorífica específica que cuando se cita en J/kgK.

Los valores de calor específico de varias sustancias se dan en la tabla a continuación.

Valores de Calor Específico de Varias Sustancias

Recursos Adicionales

https://www.chem.purdue.edu/gchelp/atoms/states.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Heat

https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_energy

https://en.wikipedia.org/wiki/Sensible_heat

https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_transfer

https://en.wikipedia.org/wiki/Specific_heat_capacity

https://en.wikipedia.org/wiki/Convection_(heat_transfer)

https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_conduction

https://www.daikin.co.uk/en_gb/faq/what-is-the-difference-between-sensible-and-latent-heat-1.html