Fundamentos de la Transmisión de Calor, Velocidad y Dilatación Térmica

Transmisión del Calor

La transmisión del calor es un proceso mediante el cual la energía térmica se transfiere de un cuerpo o sistema a otro debido a una diferencia de temperatura. El calor, una forma de energía interna, fluye siempre desde las regiones más calientes hacia las más frías hasta alcanzar el equilibrio térmico, donde las temperaturas se igualan.

Este fenómeno explica la dilatación, que son los cambios físicos que experimentan los cuerpos al variar su temperatura. La dilatación es más evidente en los líquidos debido a la menor rigidez en la disposición de sus moléculas.

Mecanismos de Transmisión de Calor

Conducción

La conducción es la transferencia de calor a través de un material sólido, donde la energía se transmite por contacto directo entre las moléculas. La Ley de Fourier describe este proceso, aplicable solo en sólidos. El flujo de calor ocurre si existe una diferencia de temperatura entre los puntos del material.

Ecuación de Conducción

Q = k * A * ΔT / e * t

• Q = Cantidad de calor (cal) donde 1 cal = 4.184 J
• A = Área o superficie (m²)
• ΔT = Intervalo de temperatura (°C)
• k = Conductividad térmica (W/m·°C)
• e = Espesor (m)
• t = Tiempo (s)

Convección

La convección es la transferencia de calor a través de un fluido (líquido o gas) debido al movimiento de sus partículas. La Ley de Newton se aplica en este caso. Para que exista convección, las moléculas del fluido deben presentar un movimiento relativo.

Tipos de Convección

• Natural: Ocurre debido al gradiente térmico, es decir, la diferencia de temperatura entre las regiones del fluido. Las diferencias de densidad causadas por el cambio de temperatura generan corrientes de convección. Al calentarse, las moléculas aumentan su energía cinética, lo que resulta en un mayor movimiento. La energía cinética se convierte en energía térmica.
• Forzada: Se utilizan medios mecánicos, como ventiladores, agitadores o bombas, para forzar la circulación del fluido y aumentar la transferencia de calor.

Radiación

La radiación es la transferencia de calor a través de ondas electromagnéticas, sin necesidad de contacto directo ni de un medio material. Este mecanismo puede ocurrir en sólidos, líquidos o gases. Un ejemplo claro es la radiación solar.

Radiación Térmica

Es la radiación de energía calórica emitida por un cuerpo debido a su temperatura.

Rapidez y Velocidad

Rapidez: Describe qué tan rápido se mueve un objeto.

Velocidad: Indica qué tan rápido se mueve un objeto, en qué dirección y sentido. Es numéricamente igual a la distancia recorrida por el móvil en la unidad de tiempo. Es una magnitud vectorial, y su comportamiento depende de la dirección en la que se mueva, lo que puede dar lugar a diferentes tipos de movimientos.

Velocidad Instantánea

Es la velocidad de un cuerpo en un intervalo de tiempo muy corto, calculado en un intervalo infinitesimal. Se utiliza para determinar cuánto tiempo tarda un cuerpo en recorrer distancias muy pequeñas.

Δt = tiempo final – tiempo inicial, donde Δt ≈ 0

Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU)

El MRU se utiliza para determinar la posición o el movimiento de un objeto que se desplaza en línea recta a velocidad constante. Un ejemplo es un ascensor.

En el MRU, la velocidad es directamente proporcional a la distancia recorrida e inversamente proporcional al tiempo empleado en recorrerla, manteniendo esta relación constante.

Fórmula del MRU

x = x₀ + v * t

• x = Posición
• x₀ = Posición inicial en el tiempo t = 0 (m)
• v = Velocidad (m/s)
• t = Tiempo (s)

v = d / t

• v = Velocidad (km/h; m/s; cm/s)
• d = Distancia recorrida (m; km; cm)
• t = Tiempo empleado en recorrer d (s; min; h)

Velocidad Promedio

Es la distancia total recorrida en un tiempo determinado.

Fórmula de la Velocidad Promedio

Distancia total recorrida / Intervalo de tiempo empleado

Movimiento Rectilíneo Uniformemente Variado (MRUV) o Acelerado (MRUA)

El MRUV se caracteriza por una trayectoria recta y una aceleración constante. En este movimiento, la velocidad cambia una magnitud fija en intervalos de tiempo iguales.

En un gráfico de velocidad vs. tiempo, el MRUV se representa como una línea recta cuya pendiente es la aceleración del móvil y la ordenada al origen es la velocidad en el instante inicial (T=0).

Fórmula del MRUV

v = a * t + v₀

• a = Aceleración (m/s²)
• t = Tiempo (s)
• v₀ = Velocidad inicial (m/s)

Velocidad (m/s) = m * t + b

• m = Pendiente (aceleración m/s) = a
• b = Ordenada al origen de la recta y corresponde a v₀ (velocidad en t₀)

a = (v final – v inicial) / (t final – t inicial) = Δv / Δt

Dilatación

La dilatación es el cambio en las dimensiones de un cuerpo debido a una variación en su temperatura. Puede ocurrir en los tres estados de la materia.

Dilatación Lineal

Es el aumento de longitud de un cuerpo. Depende directamente de las dimensiones iniciales, del tipo de material y de la variación de temperatura.

Fórmula de Dilatación Lineal

Lf = L₀ * (1 + α * ΔT)

• Lf = Longitud final (cm)
• L₀ = Longitud inicial (cm)
• α = Coeficiente de dilatación lineal, constante (1/°C)
• ΔT = Tf - T₀ (°C)