Fundamentos del Calor, Temperatura y Transmisión Térmica

1. Calor y Frío

El calor es un fenómeno físico que eleva la temperatura de un cuerpo, pudiendo provocar dilatación, fundición, descomposición o volatilización del mismo. Es la cantidad de energía que transfiere un cuerpo caliente a otro más frío cuando se ponen en contacto. Los cuerpos transfieren calor y, por ello, ganan o pierden energía. El frío no existe como tal, sino como la ausencia de calor.

2. Unidades de Medida del Calor

El sistema de unidades más utilizado es el Sistema Internacional (S.I.). El calor se mide en Julios (J). Las equivalencias son: 1 cal = 4,18 J y 1 J = 0,24 cal. La caloría (cal) se define como la cantidad de calor necesaria para que un gramo de agua aumente su temperatura en 1 °C.

3. Efectos del Calor

El calor dilata los cuerpos. Cuando los cuerpos aumentan su temperatura, aumentan su volumen. Además, el calor modifica los estados de la materia (sólido, líquido, gaseoso).

4. Temperatura

La temperatura es el nivel térmico de los cuerpos, una medida de la energía cinética interna de un cuerpo. Las conversiones entre escalas de temperatura son:

• Kelvin (K) = °C + 273
• Rankine (R) = °F + 460
• Rankine (R) = 1.8 x K
• °C / 100 = (°F - 32) / 180

5. Magnitudes Físicas Fundamentales

• Espacio: metro (m)
• Velocidad: espacio / tiempo (m/s)
• Aceleración: A = (V2 - V1) / Tiempo (m/s²)
• Fuerza: masa x aceleración (N)
• Trabajo: fuerza x espacio (J)
• Potencia: trabajo / tiempo (W)

6. Formas de Transmisión de Calor

Existen tres formas principales de transmisión de calor: conducción, convección y radiación.

6.1. Conducción

El calor se propaga porque se transmite el movimiento de agitación térmica de los átomos a las moléculas.

Ejemplo: Cálculo de la pérdida de calor a través de una pared.

Ejemplo: Ejercicio para calcular el flujo de calor a través de varias paredes:

1. Pared 1: [Fórmula]
2. Pared 2: [Fórmula]

6.2. Convección

La convección puede ser natural o forzada.

Ejemplo: Convección libre:

• Suelo:
  • Si la temperatura es mayor que la del aire: h = 2,5(ΔT)^0,25
  • Si la temperatura es menor que la del aire: h = 1,31(ΔT)^0,25
• Techo:
  • Si la temperatura es mayor que la del aire: h = 1,31(ΔT)^0,25
  • Si la temperatura es menor que la del aire: [Fórmula]
• Pared: h = 2,56(ΔT)^0,25

Convección forzada:

• Superficie lisa:
  • h = 5,6 + 4 x Velocidad (si Velocidad ≤ 5)
  • h = 7,12 x V^0,78 (si Velocidad > 5)
• Superficie rugosa:
  • h = 5,8 + 4V (si Velocidad ≤ 5)
  • h = 7,14V^0,78 (si Velocidad > 5)
• Superficie muy rugosa:
  • h = 6,2 + 4V (si Velocidad ≤ 5)
  • h = 7,52V^0,78 (si Velocidad > 5)
• Fluido del agua: h = 350 + 2100 x √(Velocidad)

6.3. Radiación

Es la energía emitida en forma de ondas electromagnéticas. Todos los cuerpos a una temperatura por encima del cero absoluto emiten radiación térmica. La potencia máxima emitida corresponde a un cuerpo negro.

Q_{emitido máximo} = 5,67 x 10^-8 x S x T⁴

6.3.1. Emisividad

La emisividad (ε) es la relación entre la radiación emitida por una superficie a una temperatura dada y la radiación emitida por esa misma superficie a esa temperatura si fuera un cuerpo negro.

Q = ε x 5,67 x 10^-8 x (T₁⁴ - T₂⁴)