ENTALPIA

ENTALPIA

Entalpía (del prefijo en y del griego thalpein calentar), tal palabra fue escrita en 1850 por el físico alemán Clausius. La entalpía es una magnitud de termodinámica simbolizada con la letra H, la variación de entalpía expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, o, lo que es lo mismo, la cantidad de energía que tal sistema puede intercambiar con su entorno.

Usualmente la entalpía se mide, dentro del Sistema Internacional de Unidades, en julios.

Definición ampliada: entalpía es el nombre dado a una función de estado de la termodinámica donde la variación permite expresar la cantidad de calor puesto en juego durante una transformación isobárica (es decir, a presión constante) en un sistema termodinámico (teniendo en cuenta que todo objeto conocido puede ser entendido como un sistema termodinámico), transformación en el curso de la cual se puede recibir o aportar energía (por ejemplo la utilizada para un trabajo mecánico). Es en tal sentido que la entalpía es numéricamente igual al calor intercambiado con el ambiente exterior al sistema en cuestión.

Casos:

El caso más típico de entalpía es la llamada entalpía termodinámica. De esta, cabe distinguir la función de Gibbs, que se corresponde con la entalpía libre, mientras que la entalpía molar es aquella que representa un mol de la substancia constituyente del sistema.

Entalpía Termodinámica

La entalpía (simbolizada generalmente como "H", también llamada contenido de calor, y calculada en J/kg en el sistema internacional de unidades o también en Kcal/kg o, si no, dentro del sistema anglo: "BTU/lb"), es una variable de estado, (lo que quiere decir que, sólo depende de los estados inicial y final) que se define como la suma de la energía interna de un sistema termodinámico y el producto de su volumen y su presión.

La entalpía total de un sistema no puede ser medida directamente, al igual que la energía interna, en cambio, la variación de entalpía de un sistema sí puede ser medida experimentalmente. El cambio de la entalpía del sistema causado por un proceso llevado a cabo a presión constante, es igual al calor absorbido por el sistema durante dicho proceso.

La entalpía se define mediante la siguiente fórmula:
Donde:

H es la entalpía (en Julios por kilogramo).
U es la energía interna (en Julios).
p es la presión del sistema (en pascales).
V es el volumen del sistema (en metros cúbicos).

Ejemplo:

Debemos considerar que los procesos de transferencia térmica en un sistema, deben estar contenidos en un ambiente como, por ejemplo, el circuito cerrado de un fluido dentro de las cañerías de un sistema de refrigeración como los de los frigoríficos y el ambiente donde se acondiciona la temperatura que debe estar aislado del medio exterior.

Dentro del sistema el fluido pasa por diferentes estados físicos tomando como referencia la salida de alta presión del compresor tenemos;

A.- A un fluido refrigerante el compresor le adiciona energía comprimiéndolo a alta presión en estado gaseoso, las variables son: estado del fluido = Gaseoso, Presión del fluido = Alta, Volumen del fluido = grande, Densidad del fluido = baja, Temperatura = Alta.

B.- En un medio que permite la transferencia térmica llamado condensador, el fluido realiza un trabajo cediendo energía calórica al medio ambiente, es decir se enfría y cambia de estado gaseoso al estado líquido, las variables son: estado del fluido = gaseoso a la entrada del intercambiador de calor y líquido a la salida del intercambiador de calor; presión del fluido = muy alta; volumen del fluido líquido = mínimo, densidad del fluido = grande o máximo. El fluido líquido se junta en un depósito.

C.- Con un medio de control adecuado llamado válvula de expansión termostática se regula el caudal del fluido líquido.

D.- Nuevamente el fluido en estado líquido se inyecta en un medio que permite la transferencia térmica llamado evaporador, realizando ahora un trabajo inverso es decir el líquido proveniente del depósito y a presión alta es regulado por la válvula de expansión por diferencia de presiones, disminuyendo bruscamente de presión lo que origina que se expanda, esto precipita su evaporación para lo que requiere extraer calor del entorno (por lo que decimos que se está enfriando ya que se siente helado al tacto, pues nos "roba calor",calor que utiliza para cambiar de estado líquido a gaseoso) (ver adiabática), los productos que están en el compartimiento del evaporador realizan un trabajo cediendo ese calor, este calor calienta el evaporador y el fluido refrigerante por ende absorbe calor expandiéndose (y evaporándose) más, las variables son: estado del fluido = líquido a la entrada del intercambiador de calor o evaporador y gaseoso a la salida del intercambiador de calor. Presión del fluido = mínima o muy baja. Volumen del fluido gasificado = Máximo. Densidad del fluido = Mínimo. Temperatura del fluido refrigerador muy baja.

Después de esta etapa se vuelve otra vez al ciclo iniciado en el punto A repitiendo (en teoría) infinitamente el ciclo completo (ver retroalimentación).

Debemos observar que en este sistema hay 4 importantes elementos que combinados adecuadamente hacen posible la refrigeración mecánica,hoy indispensable en la vida del hombre moderno.

1.- El primer elemento es el compresor que suministra potencia o adiciona energía mecánica externa al sistema al comprimir el fluido gaseoso interno, de tal manera que la presión (y como consecuencia la temperatura)del mismo aumentan.

2.- El segundo elemento es el medio difusor de energía calorífica, llamado intercambiador de calor que permite liberar el calor del fluido desde este al entorno próximo (medio ambiente que lo rodea, flujo de agua, etc)a través de las paredes de los tubos y aletas del condensador . De esta forma el fluido refrigerante a alta presión en el interior del condensador por efecto del enfriamiento del mismo cambia de estado gaseoso a fase líquido sin disminuir (idealmente) su presión. El refrigerante ahora más frío, líquido y a alta presión (10 kg/cm² - 15 kg/cm²) es incompresible por lo tanto se debe recolectar en un tubo o depósito, como ejemplo; los tubos de gas butano licuado (gas que se usa en las cocinas domésticas).

3.- El fluido guardado en el depósito en estado líquido es transferido al tercer elemento del sistema llamado la válvula de expansión (válvula de temperatura estable) que regulará el caudal o flujo másico del líquido refrigerante entregándolo al cuarto elemento del sistema, un nuevo intercambiador de calor que ahora funcionará inversamente,por lo que su nombre varía al de evaporador (ya que el refrigerante se evapora en su interior), es decir captará el calor del aire del medio ambiente o entorno que lo rodea a través de sus paredes hacia el refrigerante.Es por esto que al ir recorriendo el interior de los tubos del evaporador el fluido se va calentando, con lo que las moléculas del refrigerante en estado líquido al incrementar su energía interna aumentan su frecuencia vibratoria (La cantidad de calor de un cuerpo a nivel molecular se manifiesta como mayor ó menor vibración, en donde la inamovilidad atómica y molecular representa ausencia total de calor, 0ºKélvin ó cero absoluto) llegando a un punto que es tan grande la velocidad de estas que se escapan cambiando de estado de líquido a gaseoso (para más detalles sobre este punto véase adiabática).

Este ciclo en teoría se repite infinitamente, como se podrá observar el funcionamiento de este ingenio llamado máquina de refrigeración se puede extractar en dos pasos;

A.- Etapa de alta presión que estará compuesta por el compresor, condensador y depósito acumulador.

B.- Etapa de baja presión compuesta por la válvula termostática y el evaporador.

El modo de funcionamiento sería de la siguiente forma;

En un ambiente acondicionado por su hermeticidad las cosas guardadas en esta cámara (freezer, congelador, cámara frigorífica, etc) ceden energía (bajando su temperatura) a través de un intercambiador de calor llamado evaporador, hacia el fluido refrigerante, propiciando su cambio de estado de líquido a gas (líquido hirviendo), el que a su vez de acuerdo a la disposición del circuito cede energía (bajando la temperatura del fluido) al medio ambiente exterior (el aire que nos rodea) a través de otro intercambiador de calor llamado condensador.

El anterior es solo un ejemplo para poder comprender el concepto de entalpía, tal ejemplo se observa comúnmente en los refrigeradores o en los aparatos de aire acondicionado; existen múltiples formas de aplicación práctica al uso cotidiano de la entalpía como por ejemplo el concepto de absorción.

Sin importar si la presión externa es constante, la variación infinitesimal de la entalpía obedece a:

dH = T dS + V dP

(S es la entropía)

siempre y cuando el único trabajo realizado sea a través de un cambio de volumen. La entalpía es la cantidad de calor, a presión constante, que transfiere una sustancia.

Puesto que la expresión T dS siempre representa una transferencia de calor, tiene sentido tratar la entalpía como una medida del calor total del sistema, siempre y cuando la presión se mantenga constante; esto explica el término contenido de calor.

Entalpía Química

Para una reacción exotérmica a presión constante, la variación de entalpía del sistema es igual a la energía liberada en la reacción, incluyendo la energía conservada por el sistema y la que se pierde a través de la expansión contra el entorno.(Es decir que cuando la reacción es exotérmica la entalpía del sistema es negativa). Análogamente, para una reacción endotérmica, la variación de entalpía del sistema es igual a la energía absorbida durante la reacción, incluyendo la energía perdida por el sistema y la ganada a través de la expansión contra el entorno.(En las reacciones endotérmicas el cambio de entalpía es positivo para el sistema, porque gana calor)

La entalpía total de un sistema no puede ser medida directamente; la variación de entalpía de un sistema sí puede ser medida en cambio.

La variación de entalpía se define mediante la siguiente ecuación:

ΔH es la variación de entalpía.

Hfinal es la entalpía final del sistema. En una reacción química, Hfinal es la entalpía de los productos.

Hinicial es la entalpía inicial del sistema. En una reacción química, Hinicial es la entalpía de los reactivos.

La mayor utilidad de la entalpía se obtiene para analizar reacciones que incrementan el volumen del sistema cuando la presión se mantiene constante por contacto con el entorno, provocando que se realice un trabajo mecánico sobre el entorno y una pérdida de energía. E inversamente en reacciones que causan una reducción en el volumen debido a que el entorno realiza un trabajo sobre el sistema y se produce un incremento en la energía interna del sistema.

En este caso, la variación de entalpía se puede expresar del siguiente modo:

DH = DU + P DV

Donde D puede indicar una variación infinitesimal (a menudo denotada como "d") o una diferencia finita (a menudo denotada como "Δ").

Entalpía estándar o normal

La variación de la entalpía estándar de una reacción (denotada como H0 o HO) es la variación de entalpía que ocurre en un sistema cuando una unidad equivalente de materia se transforma mediante una reacción química bajo condiciones normales. Sus unidades son los kJ/mol en el sistema internacional.

Una variación de la entalpía estándar común es la variación de la entalpía estándar de formación, que ha sido determinada para una gran cantidad de sustancias. La variación de entalpía de cualquier reacción bajo cualesquiera condiciones se puede computar, obteniéndose la variación de entalpía de formación de todos los reactivos y productos. Otras reacciones con variaciones de entalpía estándar son la combustión (variación de la entalpía estándar de combustión) y la neutralización (variación de la entalpía estándar de neutralización

LEYES DE LA TERMODINAMICA

Leyes de la termodinámica

Primera ley de la termodinámica

También conocido como principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por Antoine Lavoisier.

La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:

Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma:

Segunda ley de la termodinámica
Esta ley regula la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrase en un pequeño volumen). También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, La Segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el Primer Principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía tal que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.

Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos a temperatura más alta a aquellos de temperatura más baja.

Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio, destacándose el de Clausius y el de Kelvin.

Enunciado de Clausius

Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen.

En palabras de Sears es: " No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada".

Enunciado de Kelvin

No existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una única fuente y lo convierta íntegramente en trabajo.

Otra interpretación

Es imposible construir una máquina térmica cíclica que transforme calor en trabajo sin aumentar la energía termodinámica del ambiente. Debido a esto podemos concluir que el rendimiento energético de una máquina térmica cíclica que convierte calor en trabajo siempre será menor a la unidad y ésta estará más próxima a la unidad cuanto mayor sea el rendimiento energético de la misma. Es decir, mientras mayor sea el rendimiento energético de una máquina térmica, menor será el impacto en el ambiente, y viceversa.

Tercera ley de la termodinámica

La Tercera de las leyes de la termodinámica, propuesto por Walther Nernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. Puede formularse también como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. La entropía de los sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales al cero absoluto. No es una noción exigida por la Termodinámica clásica, así que es probablemente inapropiado tratarlo de “ley”.

Es importante recordar que los principios o leyes de la Termodinámica son sólo generalizaciones estadísticas, válidas siempre para los sistemas macroscópicos, pero inaplicables a nivel cuántico.

El demonio de Maxwell ejemplifica cómo puede concebirse un sistema cuántico que rompa las leyes de la Termodinámica.

Asimismo, cabe destacar que el primer principio, el de conservación de la energía, es la más sólida y universal de las leyes de la naturaleza descubiertas hasta ahora por la ciencia.

Ley cero de la termodinámica

El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo en el cual las variables empíricas usadas para definir un estado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial, entre otras) no son dependientes del tiempo. A dichas variables empíricas (experimentales) de un sistema se les conoce como coordenadas termodinámicas del sistema.

A este principio se le llama del equilibrio termodinámico. Si dos sistemas A y B están en equilibrio termodinámico, y B está en equilibrio termodinámico con un tercer sistema C, entonces A y C están a su vez en equilibrio termodinámico. Este principio es fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado formalmente hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibe la posición 0.

TEMPERATURA

Temperatura

La temperatura de un gas ideal monoatómico es una medida relacionada con la energía cinética promedio de sus átomos al moverse. En esta animación, la relación entre el tamaño de los átomos de helio respecto a su separación se conseguiría bajo una presión de 1950 atmósferas de presión. Estos átomos a temperatura ambiente tienen una cierta velocidad media (aquí reducida dos billones de veces).

La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de calor o frío, por lo general un objeto más "caliente" tendrá una temperatura mayor. Físicamente es una magnitud escalar dada por una función creciente del grado de agitación de las partículas de los materiales. A mayor agitación, mayor temperatura. Así, en la escala microscópica, la temperatura se define como el promedio de la energía de los movimientos de una partícula individual por grado de libertad.
En el caso de un sólido, los movimientos en cuestión resultan ser las vibraciones de las partículas en sus sitios dentro del sólido. En el caso de un gas ideal monoatómico se trata de los movimientos traslacionales de sus partículas (para los gases multiatómicos los movimientos rotacional y vibracional deben tomarse en cuenta también).

Multitud de propiedades fisicoquímicas de los materiales o las sustancias varían en función de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su estado (gaseoso, líquido, sólido, plasma...), su volumen, la solubilidad, la presión de vapor o la conductividad eléctrica.
Así mismo es uno de los factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar las reacciones químicas.

La temperatura se mide con termómetros, los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a las unidades de medición de la temperatura.
En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin. Sin embargo, fuera del ámbito científico el uso de otras escalas de temperatura es común el uso de la escala Celsius (o centígrada), y, en los países anglosajones, la escala Fahrenheit. También existe la escala Rankine (°R) que establece su punto de referencia en el mismo punto de la escala Kelvin, es la escala utilizada en el Sistema Inglés Absoluto. Una diferencia de temperatura de un kelvin equivale a una diferencia de un grado centígrado

temperatura de saturacion


La presión de vapor o más comúnmente temperatura de saturación es la presión, para una temperatura dada, en la que la fase líquida y el vapor se encuentran en equilibrio dinámico; su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas.

Este fenómeno también lo presentan los sólidos; cuando un sólido pasa al estado gaseoso sin pasar por el estado liquido (proceso denominado "sublimación" o el proceso inverso llamado "deposición") también se produce una presión de vapor. En la situación de equilibrio, las fases reciben la denominación de líquido saturado y vapor saturado. Esta propiedad posee una relación inversamente proporcional con las fuerzas de atracción intermoleculares, debido a que cuanto mayor sea el módulo de las mismas, mayor deberá ser la cantidad de energía entregada (ya sea en forma de calor u otra manifestación) para vencerlas y producir el cambio de estado.

Imaginemos una ampolla de cristal en la que se ha realizado el vacío y que se mantiene a una temperatura constante; si introducimos una cierta cantidad de líquido en su interior éste se evaporará rápidamente al principio hasta que se alcance el equilibrio entre ambas fases.
Inicialmente sólo se produce la evaporación ya que no hay vapor; sin embargo a medida que la cantidad de vapor aumenta y por tanto la presión en el interior de la ampolla, se va incrementando también la velocidad de condensación, hasta que transcurrido un cierto tiempo ambas velocidades se igualan. Llegados a este punto se habrá alcanzado la presión máxima posible en la ampolla (presión de vapor o de saturación) que no podrá superarse salvo que se incremente la temperatura.

El equilibrio dinámico se alcanzará más rápidamente cuanta mayor sea la superficie de contacto entre el líquido y el vapor, pues así se favorece la evaporación del líquido; del mismo modo que un charco de agua extenso pero de poca profundidad se seca más rápido que uno más pequeño pero de mayor profundidad que contenga igual cantidad de agua. Sin embargo, el equilibrio se alcanza en ambos casos para igual presión.

El factor más importante que determina el valor de la presión de saturación es la propia naturaleza del líquido, encontrándose que en general entre líquidos de naturaleza similar, la presión de vapor a una temperatura dada es tanto menor cuanto mayor es el peso molecular del líquido

Gráfico de la presión del vapor de agua.

presion

En física y disciplinas afines la presión es una magnitud física que mide la fuerza por unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza resultante sobre una superficie.
En el Sistema Internacional de Unidades la presión se mide en una unidad derivada que se denomina pascal (PA) que es equivalente a una fuerza total de un newton actuando uniformemente en un metro cuadrado.

Cuando sobre una superficie plana de área A se aplica una fuerza normal F de manera uniforme y perpendicularmente a la superficie, la presión P viene dada por:

En un caso más general donde la fuerza puede tener cualquier dirección y no estar distribuida uniformemente en cada punto la presión se define como:

Donde es un vector unitario y normal a la superficie.

CALOR

El calor es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia. El calor puede ser generado por reacciones químicas (como en la combustión), nucleares (como en la fusión nuclear de los átomos de hidrógeno que tienen lugar en el interior del Sol), disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) o por disipación mecánica (fricción). Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibre.

El calor puede ser transferido entre objetos por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos los mecanismos anteriores se encuentran presentes en mayor o menor grado.

El calor que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es la transferencia de parte de dicha energía interna (energía térmica) de un sistema a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura.

El científico escocés Lord Ewan D.Mcgregor descubrió en 1905 la constante del calor específico en la ecuación de Q = m c (1cal/gºc) delta tº lo cual explica la utiliza con la escala Mcgregor descubierta en 1904 por su esposa Lady Emily Mcgregor ( 0ºC son 451ºm y 100 ºc son 4.51 ºm)

TRANSFERENCIA DE CALOR

El calor se puede transmitir por el medio de tres formas distintas:

Conducción de calor

La conducción de calor es un mecanismo de transferencia de energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas sin flujo neto de materia y que tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo y entre diferentes cuerpos en contacto por medio de ondas.

La conducción del calor es muy reducida en el espacio ultra alto vacío y es nula en el espacio vacio ideal, espacio sin energía.

El principal parámetro dependiente del material que regula la conducción de calor en los materiales es la conductividad térmica, una propiedad física que mide la capacidad de conducción de calor o capacidad de una substancia de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias moléculas adyacentes o a otras substancias con las que está en contacto. La inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

Ley de Fourier

Los mecanismos de transferencia de energía térmica son de tres tipos:
Conducción
Convección
Radiación

La transferencia de energía o calor entre dos cuerpos diferentes por conducción o convección requieren el contacto directo de las moléculas de diferentes cuerpos, y se diferencian en que en la primera no existe movimiento macroscópico de materia mientras que en la segunda sí hay movimiento macroscópico. Para la materia ordinaria la conducción y la convección son los mecanismos principales en la "materia fría", ya que la transferencia de energía térmica por radiación sólo representa una parte minúscula de la energía transferida. La transferencia de energía por radiación aumenta con la potencia cuarta de la temperatura (T4), siendo sólo una parte importante a partir de temperaturas superiores a varios miles de Kelvin.





Ley de Fourier.

Es la forma de transmitir el calor en cuerpos sólidos; se calienta un cuerpo, las moléculas que reciben directamente el calor aumentan su vibración y chocan con las que las rodean; estas a su vez hacen lo mismo con sus vecinas hasta que todas las moléculas del cuerpo se agitan, por esta razón, si el extremo de una varilla metálica se calienta con una flama, transcurre cierto tiempo hasta que el calor llega al otro extremo. El calor no se transmite con la misma facilidad por todos los cuerpos. Existen los denominados "buenos conductores del calor", que son aquellos materiales que permiten el paso del calor a través de ellos. Los "malos conductores o aislantes" son los que oponen mucha resistencia al paso del calor.

La conducción térmica está determinada por la ley de Fourier. Establece que la tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección dada, es proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente de temperatura en esa dirección.





donde Qx es la tasa de flujo de calor que atraviesa el área A en la dirección x, la constante de proporcionalidad λ se llama conductividad térmica, T es la temperatura y t el tiempo.

Conductividad térmica

La conductividad térmica es una propiedad intrínseca de los materiales que valora la capacidad de conducir el calor a través de ellos. El valor de la conductividad varía en función de la temperatura a la que se encuentra la substancia, por lo que suelen hacerse las mediciones a 300 K con el objeto de poder comparar unos elementos con otros.

Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en los gases (a pesar de que en ellos la transferencia puede hacerse a través de electrones libres) y en materiales iónicos y covalentes, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes térmicos. Para que exista conducción térmica hace falta una sustancia, de ahí que es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vacío elevado.

En algunos procesos industriales se trabaja para incrementar la conducción de calor, bien utilizando materiales de alta conductividad o configuraciones con un elevado área de contacto. En otros, el efecto buscado es justo el contrario, y se desea minimizar el efecto de la conducción, para lo que se emplean materiales de baja conductividad térmica, vacíos intermedios, y se disponen en configuraciones con poca área de contacto.

La conductividad térmica se expresa en unidades de W/m·K (J/s · m · °C).

La conductividad térmica tambien puede expresarse en unidades de British thermal units por hora por pie por grado Fahrenheit (Btu/h·ft·ºF). Estas unidades pueden transformarse a W/m·K empleando el siguiente factor de conversión: 1 Btu/h·ft·ºF = 1,731 W/m·K.

Es un mecanismo molecular de transferencia de calor que ocurre por la excitación de las moléculas. Se presenta en todos los estados de la materia pero predomina en los sólidos.

Convección térmica.

La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por intermedio de un fluido (aire, agua) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos. Éstos, al calentarse, aumentan de volumen y, por lo tanto, disminuyen su densidad y ascienden desplazando el fluido que se encuentra en la parte superior y que está a menor temperatura. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio de las corrientes ascendente y descendente del fluido.

La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido o por medio de una bomba, un ventilador u otro dispositivo mecánico (convección mecánica o asistida).

En la transferencia de calor libre o natural en la cual un fluido es más caliente o más frío y en contacto con una superficie sólida, causa una circulación debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido.

La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del Enfriamiento de Newton:

Donde h es el coeficiente de convección (ó coeficiente de película), As es el área del cuerpo en contacto con el fluido, Ts es la temperatura en la superficie del cuerpo y es la temperatura del fluido lejos del cuerpo.

Tabla de contenidos

1 La convección en Meteorología
2 El ciclo hidrológico
3 Caracteristicas de la convección
4 Tipos de Conveccion

La convección en Meteorología

El proceso que origina la convección en el seno de la Atmósfera es sumamente importante y genera una serie de fenómenos fundamentales en la explicación de los vientos y en la formación de nubes, vaguadas, ciclones, anticiclones, precipitaciones, etc. Todos los procesos y mecanismos de convección del calor atmosférico obedecen a las leyes físicas de la Termodinámica. De estos procesos es fundamental el que explica el ciclo del agua en la Naturaleza o ciclo hidrológico. Casi todos los fenómenos antes nombrados, tienen que ver con este último mecanismo.

El ciclo hidrológico

También se denomina ciclo hidrológico al recorrido del agua en la Atmósfera por la capacidad que tiene el agua de absorber calor y cederlo gracias a la capacidad que tiene de transformarse de un estado físico a otro. A grandes rasgos, el ciclo hidrológico funciona de la siguiente manera: los rayos solares calientan las aguas marinas y terrestres las cuales, al absorber ese calor, pasan del estado líquido al gaseoso en forma de vapor de agua. El vapor asciende hasta cierta altura y al hacerlo, pierde calor, se condensa y forma las nubes, que están constituidas por gotas de agua muy pequeñas que se mantienen en suspensión a determinada altura. Cuando esta condensación se acelera, por el propio ascenso de la masa de nubes (convección), se forman nubes de mayor desarrollo vertical, con lo que las gotas aumentan de tamaño y forman las precipitaciones, que pueden ser tanto sólidas (nieve, granizo) como acuosas (lluvia), dependiendo de la temperatura. Estas precipitaciones pueden caer tanto en el mar como en las tierras emergidas. Por último, parte del agua que se precipita en los continentes e islas pasa de nuevo a la atmósfera por evaporación o produce corrientes fluviales que llevan de nuevo gran parte de las aguas terrestres a los mares y océanos, con lo que se cierra el ciclo, el cual vuelve a repetirse.

Caracteristicas de la convección

La convección en la atmósfera terrestre involucra la transferencia de enormes cantidades del calor absorbido por el agua. Forma nubes de gran desarrollo vertical (por ejemplo, cúmulos congestus y, sobre todo, cumulonimbos, que son los tipos de nubes que alcanzan mayor desarrollo vertical). Estas nubes son las típicas portadoras de tormentas eléctricas y de grandes chaparrones. Al alcanzar una altura muy grande (por ejemplo, unos 12 o 14 km y enfriarse violentamente, pueden producir tormentas de granizo, ya que las gotas de lluvia se van congelando al ascender violentamente y luego se precipitan al suelo ya en estado sólido. Pueden tener forma de un hongo asimétrico de gran tamaño; y a veces suele formarse en este tipo de nubes, una estela que semeja una especie de yunque (anvil's head, como se conoce en inglés).

Tipos de Conveccion

En el estudio de la convección se suele diferenciar entre convección forzada y convección libre. La convección libre consiste en la transferencia de calor cuando el fluido suficientemente lejos del sólido está parado y la conveccion forzada se produce cuando el fluido se mueve lejos del sólido. Por ejemplo, el radiador de un coche tiene un ventilador que mueve el aire y favorece el enfriamiento del agua que contiene (convección forzada); en cambio, una estufa, un brasero o un radiador de calefacción calienta el aire que le rodea pero el aire "no se mueve" (convección libre). El problema de la conveccion tanto libre como forazada está muy relacionado con la mecánica de fluidos, el coeficiente de pelicula depende directamente del gradiante de temperaturas normal al sólido en las proximidades del sólido, y este a su vez del gradiante de velocidades. La convección simpre implica un movimiento del fluido, pero en convección libre éste se produce solo en las proximidades del sólido y en convección forzada en todo el fluido. En fluidos compresibles, osea, cualquier gas la convección puede producir importantes corrientes de aire, las zonas más calientes del fluido tienen una menor densidad, con lo cual, "pesan menos" y se mueven, por eso en una habitacion el aire caliente siempre está cerca del techo.

Radiación térmica.

Radiación térmica es la radiación emitida por un cuerpo como consecuencia de su temperatura y depende además de una propiedad superficial llamada emitancia. Todo cuerpo emite radiación hacia su entorno y absorbe radiación de este cuerpo.

La radiación infrarroja de un radiador hogareño común o de un calefactor eléctrico es un ejemplo de radiación térmica, al igual que la luz emitida por una lámpara incandescente. La radiación térmica se produce cuando el calor del movimiento de partículas cargadas dentro de los átomos se convierte en radiación electromagnética.

La materia en un estado condensado (sólido o líquido) emite un espectro de radiación continuo. La frecuencia de onda emitida por radiación térmica es una densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura.
Todos los cuerpos negros a una temperatura determinada emiten radiación térmica con el mismo espectro, independientemente de los detalles de su composición. Para el caso de un cuerpo negro, la función de densidad de probabilidad de la frecuencia de onda emitida está dada por la ley de radiación térmica de Planck, la ley de Wien da la frecuencia de radiación emitida más probable y la ley de Stefan-Boltzmann da el total de energía emitida por unidad de tiempo y superficie emisora. Esta energía depende de la cuarta potencia de la temperatura absoluta.

A temperatura ambiente, vemos los cuerpos por la luz que reflejan, dado que por sí mismos no emiten luz. Si no se hace incidir luz sobre ellos, si no se los ilumina, no podemos verlos. A temperaturas más altas, vemos los cuerpos porque por la luz que emiten, pues en este caso son luminosos por sí mismos. Así, es posible determinar la temperatura de un cuerpo de acuerdo a su color, pues un cuerpo que es capaz de emitir luz se encuentra a altas temperaturas.

La relación entre la temperatura de un cuerpo y el espectro de frecuencias de su radiación emitida se utiliza en los pirómetros ópticos.

Ejemplos de radiación térmica

La aplicación de la Ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99% de la radiación emitida está entre las longitudes de onda 0,15 μm (micrómetros o micras) y 4 micras y su máximo, dado por la ley de Wien, ocurre a 0,475 micras. Como 1 Å = 10-10 m = 10-4 micras resulta que el Sol emite en un rango de 1500 Å hasta 40000 Å y el máximo ocurre a 4750 Å. La luz visible se extiende desde 4000 Å a 7400 Å. La radiación ultravioleta u ondas cortas irían desde los 1500 Å a los 4000 Å y la radiación infrarroja o radiación térmica u ondas largas desde las 0,74 micras a 4 micras.

La aplicación de la Ley de Planck a la Tierra con una temperatura superficial de unos 288 K (15ºC) nos lleva a que el 99% de la radiación emitida está entre las longitudes de onda 3 μm (micrómetros o micras) y 80 micras y su máximo ocurre a 10 micras. La estratosfera de la Tierra con una temperatura entre 210 y 220 K radia entre 4 y 120 micras con un máximo a las 14,5 micras. Por tanto la Tierra sólo emite radiación infrarroja o térmica.

Fluido calorífico

El calor siempre se transfiere entre 2 cuerpos de diferentes temperaturas y el flujo de calor siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico, vale decir, a la misma temperatura.

CALOR SENSIBLE

Se denomina calor sensible al que aplicado a una sustancia hace subir su temperatura.

El nombre proviene de la oposición a calor latente. Éste es calor "escondido", se suministra pero no "se nota" el efecto de aumento de temperatura sobre la sustancia, como un cambio de fase de liquido a vapor; en el calor latente, se nota.

Para calentar una sustancia de un nivel térmico a otro (de una temperatura a otra) hace falta una cierta cantidad de calor (energía), que es distinta para cada una (calor específico).

Calor sensible, es aquel que recibe un cuerpo sin cambiar su estado físico mientras sube su temperatura. En general, se ha observado experimentalmente, que la cantidad necesaria de calor para calentar o enfriar un cuerpo es directamente proporcional a la masa del cuerpo y el número de grados en que cambia su temperatura. La constante de proporcionalidad recibe el nombre de capacidad calorífica. El calor sensible se puede calcular por:

Qs = ΔHL = L Cp (t1 – t2)

En donde Cp es la capacidad calorífica a presión constante, definida como la cantidad de calor requerida para aumentar en un grado la temperatura de la unidad de masa de un cuerpo a presión constante. Si el proceso se efectuara a volumen constante, entonces el calor sensible sería

Qs = ΔUL = LCv(t1 – t2)


En donde cv es la capacidad calorífica a volumen constante. Las capacidades caloríficas varían con la temperatura y el estado físico de agregación de las sustancias.

CALOR LATENTE

Calor latente o calor de cambio de estado, es la energía absorbida por las sustancias al cambiar de estado, de sólido a líquido (calor latente de fusión) o de líquido a gaseoso (calor latente de vaporización). Al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se devuelve la misma cantidad de energía.

Latente en latín quiere decir escondido, y se llama así porque, al no cambiar la temperatura durante el cambio de estado, a pesar de añadir calor, éste se quedaba escondido. La idea proviene de la época en la que se creía que el calor era una substancia fluida denominada Flogisto. Por el contrario, el calor que se aplica cuando la sustancia no cambia de estado, aumenta la temperatura y se llama calor sensible.

Cuando se aplica calor al hielo, va ascendiendo su temperatura hasta que llega a 0°C (temperatura de cambio de estado), a partir de entonces, aun cuando se le siga aplicando calor, la temperatura no cambia hasta que se haya fundido del todo. Esto se debe a que el calor se emplea en la fusión del hielo.Una vez fundido el hielo la temperatura volverá a subir hasta llegar a 100°C; desde ese momento se mantendrá estable hasta que se evapore toda el agua.Esta cualidad se utiliza en la cocina, en refrigeración, en bombas de calor y es el principio por el que el sudor enfría el cuerpo.

Calor latente de algunas sustancias: El agua tiene calor latente de vaporización más alto ya que, para romper los puentes de hidrógeno que enlazan las moléculas, es necesario suministrar mucha energía y el segundo más alto de fusión. Y el amoniaco al revés.

Agua: de fusión: 334 J/g (80 cal/g); de vaporización: 2272 J/g (540 cal/g).
Amoníaco: de fusión: 180 cal/gramo; de vaporización: 1369 J/g (327 cal/g).

Una de las ventajas del elevado calor de vaporización del agua es que permite a determinados organismos disminuir su temperatura corporal. Esta refrigeración es debida a que, para evaporarse, el agua de la piel (por ejemplo, el sudor) absorbe energía en forma de calor del cuerpo, lo que hace disminuir la temperatura superficial.


CALOR ESPECIFICO

En la vida cotidiana se puede observar que, si se le entrega calor a dos cuerpos de la misma masa y la misma temperatura inicial, la temperatura final será distinta. Este factor que es característico de cada sistema, depende de la naturaleza del cuerpo, se llama calor específico, denotado por c y se define como la cantidad de calor que se le debe entregar a 1 gramo de sustancia para aumentar su temperatura en 1 grado Celsius. Matemáticamente, la definición de calor específico se expresa como:




Las unidades de calor específico son:



De esta forma, y recordando la definición de caloría, se tiene que el calor específico del agua es aproximadamente:




Calor Específico Molar

El calor específico de una sustancia es un índice importante de su constitución molecular interna, y a menudo da información valiosa de los detalles de su ordenación molecular y de las fuerzas intermoleculares. En este sentido, con frecuencia es muy útil hablar de calor específico molar denotado por cm, y definido como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un mol de una sustancia en 1 grado es decir, está definida por:


donde n indica el la cantidad de moles en la sustancia presente.

Capacidad Calórica

La capacidad calórica de una sustancia es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Se denota por C y se define como:



Dado que:


C = mc

De igual forma se puede definir la capacidad calórica molar como:


Cn = nc


Cambios de Fase

En la naturaleza existen tres estados usuales de la materia : sólido, líquido y gaseoso. Al aplicarle calor a una sustancia, ésta puede cambiar de un estado a otro. A estos procesos se les conoce como Cambios de Fase. Los posibles cambios de fase son:

· de estado sólido a líquido, llamado fusión,
· de estado líquido a sólido, llamado solidificación,
· de estado líquido a gaseoso, llamado evaporación o vaporización,
· de estado gaseoso a líquido, llamado condensación,
· de estado sólido a gaseoso, llamado sublimación progresiva, y
· de estado gaseoso a sólido, llamado sublimación regresiva.

FRIO

¿Qué es el frío?

Definiciones de frío Antes de entender el funcionamiento de una instalación frigorífica, es aconsejable tener una idea concreta de lo qué es el frío. En términos comunes, el frío es, ante todo, una sensación corporal poco cuantificable, mientras que en las ciencias físicas adquiere una dimensión muy diferente…

Frío (adjetivo)

Que está a una temperatura sensiblemente más baja que la del cuerpo humano. Que ha perdido su calor natural o transmitido, que se ha enfriado.

Frío (substantivo) Estado de la materia cuando está fría (en comparación con el cuerpo humano); sensación térmica que resulta del contacto con un cuerpo o un ambiente frío.

Definición termodinámica.

El frío es, en termodinámica, la propiedad de un ambiente, relativa a un referencial dado, que se traduce en una temperatura inferior a la de este referencial y que es la consecuencia de una extracción o una pérdida de calor.

ENERGIA

La energía es una magnitud física abstracta, ligada al estado dinámico de un sistema cerrado y que permanece invariable con el tiempo. También se puede definir la energía de sistemas abiertos, es decir, partes no aisladas entre sí de un sistema cerrado mayor. Un enunciado clásico de la física newtoniana afirmaba que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.

La energía no es un estado físico real, ni una "sustancia intangible" sino sólo un número escalar que se le asigna al estado del sistema físico, es decir, la energía es una herramienta o abstracción matemática de una propiedad de los sistemas físicos. Por ejemplo, se puede decir que un sistema con energía cinética nula está en reposo.

El uso de la magnitud energía en términos prácticos se justifica porque es mucho más fácil trabajar con magnitudes escalares, como lo es la energía, que con magnitudes vectoriales, como la velocidad y la posición. Así, se puede describir completamente la dinámica de un sistema en función de las energías cinética, potencial y de otros tipos de sus componentes.

En sistemas aislados, además, la energía total tiene la propiedad de "conservarse", es decir, ser invariante en el tiempo. Matemáticamente la conservación de la energía para un sistema es una consecuencia directa de que las ecuaciones de evolución de ese sistema sean independientes del instante de tiempo considerado, de acuerdo con el teorema de Noether.

Tipos de energía mas comunes :

Energía Hidráulica: Es la energía del agua en movimiento.

Energía Calorífica: Energía que ocasiona en los cuerpos un cambio de temperatura.

Energía Química: Es la energía que se da al producirse los cambios químicos de la materia, produciendo calor, luz o electricidad.

Energía luminosa: Es una emisión de ondas electromagnéticas capaces de estimular la retina del ojo.

Energía sonora: Es la que se obtiene con la vibración o perturbación de un cuerpo sonoro que se transmite a través de los sólidos, líquidos o gases

Energía eléctrica: Es la energía de la corriente de los electrones que a su paso por un conductor produce luz y calor.

Energía nuclear: Es la energía contenida en el núcleo del átomo.

Energía eólica: Es la energía del viento en movimiento.

Una manera de clasificar a los tipos de energía es en función de la posición y a la velocidad de los cuerpos que la poseen:

Energía Potencial: Es la energía que tiene un cuerpo en reposo colocado en un lugar elevado. Es igual al trabajo realizado para poner el cuerpo en esa posición.

Energía Cinética: Es la energía que tienen todos los cuerpos en movimiento.