Tienen mala conductividad térmica. II concurso internacional de investigación y trabajos creativos de estudiantes “Inicio en la ciencia”
La energía térmica es el término que usamos para describir el nivel de actividad de las moléculas en un objeto. El aumento de la excitación, de una forma u otra, se asocia con un aumento de la temperatura, mientras que en los objetos fríos, los átomos se mueven mucho más lentamente.
Se pueden encontrar ejemplos de transferencia de calor en todas partes: en la naturaleza, la tecnología y La vida cotidiana.
Ejemplos de transferencia de calor
El mayor ejemplo de transferencia de calor es el sol, que calienta el planeta Tierra y todo lo que hay en él. En la vida cotidiana, puedes encontrar muchas opciones similares, solo que en un sentido mucho menos global. Entonces, ¿qué ejemplos de transferencia de calor se pueden observar en la vida cotidiana?
Éstos son algunos de ellos:
El calor es movimiento
Los flujos de calor están en constante movimiento. Las principales formas de su transmisión se pueden llamar convención, radiación y conducción. Veamos estos conceptos con más detalle.
¿Qué es la conductividad?
Quizás, muchos hayan notado más de una vez que en una misma habitación las sensaciones al tocar el suelo pueden ser completamente diferentes. Es agradable y cálido caminar sobre la alfombra, pero si vas al baño con los pies descalzos, un frescor notable inmediatamente da una sensación de alegría. Solo que no en el caso de que haya calefacción por suelo radiante.
Entonces, ¿por qué se congela la superficie embaldosada? Se trata de la conducción del calor. Es uno de los tres tipos de transferencia de calor. Siempre que dos objetos diferentes temperaturas están en contacto entre sí, la energía térmica pasará entre ellos. Los ejemplos de transferencia de calor en este caso incluyen los siguientes: sujetando una placa de metal, cuyo otro extremo se colocará sobre la llama de una vela, con el tiempo, puede sentir ardor y dolor, y en el momento en que toca la mango de hierro de una olla de agua hirviendo, puede quemarse.
Factores de conductividad
La buena o mala conductividad depende de varios factores:
- El tipo y la calidad del material del que están hechos los objetos.
- El área de superficie de dos objetos que están en contacto.
- Diferencia de temperatura entre dos objetos.
- Grosor y tamaño de los objetos.
En forma de ecuación, se ve así: la tasa de transferencia de calor a un objeto es igual a la conductividad térmica del material del que está hecho el objeto, multiplicada por el área de superficie en el contacto, multiplicada por la diferencia de temperatura entre los dos objetos, y dividido por el espesor del material. Todo es simple.
Ejemplos de conductividad
La transferencia directa de calor de un objeto a otro se denomina conducción, y las sustancias que conducen bien el calor se denominan conductoras. Algunos materiales y sustancias no se adaptan bien a esta tarea, se denominan aislantes. Estos incluyen madera, plástico, fibra de vidrio e incluso aire. Como sabe, los aisladores en realidad no detienen el flujo de calor, sino que simplemente lo ralentizan en un grado u otro.
Convección
Este tipo de transferencia de calor, como la convección, ocurre en todos los líquidos y gases. Puede encontrar tales ejemplos de transferencia de calor en la naturaleza y en la vida cotidiana. A medida que el líquido se calienta, las moléculas del fondo ganan energía y se mueven más rápido, lo que resulta en una disminución de la densidad. Las moléculas de fluido caliente comienzan a moverse hacia arriba mientras que el refrigerante (el líquido más denso) comienza a hundirse. Después de que las moléculas frías alcanzan el fondo, nuevamente reciben su parte de energía y nuevamente tienden hacia la parte superior. El ciclo continúa mientras haya una fuente de calor en el fondo.
Los ejemplos de transferencia de calor en la naturaleza incluyen los siguientes: con la ayuda de un quemador especialmente equipado, el aire caliente, llenando el espacio de un globo, puede elevar toda la estructura a una altura suficientemente alta, el hecho es que el aire caliente es más ligero que el frío aire.
Radiación
Cuando te sientas frente al fuego, te calienta el calor que emana de él. Lo mismo sucede si acercas la palma de tu mano a una bombilla encendida sin tocarla. También te sentirás cálido. Los mayores ejemplos de transferencia de calor en la vida cotidiana y la naturaleza están liderados por la energía solar. Todos los días, el calor del sol atraviesa 146 millones de kilómetros de espacio vacío hasta llegar a la Tierra misma. Es la fuerza impulsora detrás de todas las formas y sistemas de vida que existen en nuestro planeta hoy. Sin este modo de transmisión, estaríamos en un gran problema y el mundo no sería el mismo que conocemos.
La radiación es la transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas, ya sean ondas de radio, infrarrojos, rayos X o incluso luz visible. Todos los objetos emiten y absorben energía radiante, incluida la propia persona, pero no todos los objetos y sustancias hacen frente a esta tarea de la misma manera. Se pueden considerar ejemplos de transferencia de calor en la vida cotidiana utilizando una antena convencional. Por regla general, lo que irradia bien también es bueno para absorber. En cuanto a la Tierra, recibe energía del sol y luego la devuelve al espacio. Esta energía radiante se llama radiación terrestre, y es la que hace posible la vida en el planeta.
Ejemplos de transferencia de calor en la naturaleza, la vida cotidiana, la tecnología.
La transmisión de energía, en particular la energía térmica, es un área de estudio fundamental para todos los ingenieros. La radiación hace que la Tierra sea habitable y proporciona energía solar renovable. La convección es la base de la mecánica, es responsable del flujo de aire en los edificios y del intercambio de aire en las casas. La conductividad le permite calentar la sartén, simplemente poniéndola al fuego.
Numerosos ejemplos de transferencia de calor en la tecnología y la naturaleza son obvios y se encuentran en todas partes de nuestro mundo. Casi todos ellos juegan un papel importante, especialmente en el campo de la ingeniería mecánica. Por ejemplo, al diseñar el sistema de ventilación de un edificio, los ingenieros calculan la transferencia de calor del edificio que lo rodea, así como la transferencia de calor interna. Además, seleccionan materiales que minimizan o maximizan la transferencia de calor a través de componentes individuales para optimizar la eficiencia.
Evaporación
Cuando los átomos o moléculas de un líquido (como el agua) se exponen a un volumen significativo de gas, tienden a pasar espontáneamente a un estado gaseoso o evaporarse. Esto se debe a que las moléculas se mueven constantemente en diferentes direcciones a velocidades aleatorias y chocan entre sí. Durante estos procesos, algunos de ellos reciben energía cinética suficiente para repelerse de la fuente de calor.
Sin embargo, no todas las moléculas tienen tiempo de evaporarse y convertirse en vapor de agua. Todo depende de la temperatura. Entonces, el agua en un vaso se evaporará más lentamente que en una sartén calentada en la estufa. El agua hirviendo aumenta considerablemente la energía de las moléculas, lo que a su vez acelera el proceso de evaporación.
Conceptos básicos
- La conducción es la transferencia de calor a través de una sustancia por contacto directo entre átomos o moléculas.
- La convección es la transferencia de calor por la circulación de un gas (como el aire) o un líquido (como el agua).
- La radiación es la diferencia entre la cantidad de calor absorbida y reflejada. Esta habilidad depende mucho del color, los objetos negros absorben más calor que los claros.
- La evaporación es el proceso por el cual los átomos o moléculas en estado líquido obtienen suficiente energía para convertirse en gas o vapor.
- son gases que atrapan el calor del sol en la atmósfera terrestre, produciendo el efecto invernadero. Hay dos categorías principales: vapor de agua y dióxido de carbono.
- son recursos ilimitados que se reponen rápida y naturalmente. Estos incluyen los siguientes ejemplos de transferencia de calor en la naturaleza y la tecnología: vientos y energía solar.
- La conductividad térmica es la velocidad a la que un material transfiere energía térmica a través de ti mismo.
- El equilibrio térmico es un estado en el que todas las partes de un sistema están a la misma temperatura.
Aplicación en la práctica
Numerosos ejemplos de transferencia de calor en la naturaleza y la tecnología (imágenes de arriba) indican que estos procesos deben estudiarse bien y servir para siempre. Los ingenieros aplican su conocimiento de los principios de la transferencia de calor, exploran nuevas tecnologías que involucran el uso de recursos renovables y son menos perjudiciales para ambiente. La clave es entender que la transferencia de energía abre infinitas posibilidades para soluciones de ingeniería y más allá.
La energía interna, como cualquier tipo de energía, puede transferirse de un cuerpo a otro. La energía interna también se puede transferir de una parte del cuerpo a otra. Entonces, por ejemplo, si un extremo de un clavo se calienta en una llama, entonces su otro extremo, que está en la mano, se calentará gradualmente y quemará la mano. El fenómeno de transferencia de energía interna de una parte del cuerpo a otra o de un cuerpo a otro cuando están en contacto directo se denomina conducción de calor.
Estudiemos este fenómeno haciendo una serie de experimentos con sólidos, líquidos y gases. Llevemos al fuego la punta de un palo de madera. Se encenderá. El otro extremo del palo, que está afuera, estará frío. Entonces el árbol tiene mala conductividad térmica. Acercamos el extremo de una delgada varilla de vidrio a la llama de una lámpara de alcohol. Después de un tiempo, se calentará, mientras que el otro extremo permanecerá frío. En consecuencia, el vidrio también tiene una baja conductividad térmica. Si calentamos el extremo de una barra de metal en una llama, muy pronto toda la barra se calentará mucho. Ya no podemos sostenerlo en nuestras manos. Esto significa que los metales conducen bien el calor, es decir, tienen una alta conductividad térmica. La conductividad térmica más alta tienen plata y cobre.
Considere la transferencia de calor de una parte de un cuerpo sólido a otra en el siguiente experimento. Arreglamos un extremo del grueso. alambre de cobre en un trípode. Fije algunos claveles al alambre con cera (Fig. 6). Cuando el extremo libre del alambre se calienta en la llama de una lámpara de alcohol, la cera se derrite. Los dientes se caerán gradualmente. Primero, los que están más cerca de la llama desaparecerán, luego todos los demás a su vez. Averigüemos cómo se transfiere la energía a lo largo del cable. La velocidad del movimiento oscilatorio de las partículas metálicas aumenta en la parte del alambre que está más cerca de la llama. Dado que las partículas interactúan constantemente entre sí, aumenta la velocidad de movimiento de las partículas vecinas. La temperatura de la siguiente parte del alambre comienza a subir, y así sucesivamente.Debe recordarse que durante la conducción de calor, no hay transferencia de materia de un extremo del cuerpo al otro. Considere ahora la conductividad térmica de los líquidos. Tome un tubo de ensayo con agua y comience a calentar su parte superior. El agua en la superficie pronto hervirá, y en el fondo del tubo de ensayo, durante este tiempo, solo se calentará (Fig. 7).
Esto significa que los líquidos tienen baja conductividad térmica, a excepción del mercurio y los metales fundidos. Esto se debe a que en los líquidos las moléculas se encuentran a mayor distancia entre sí que en los líquidos. sólidos. Investigamos la conductividad térmica de los gases. Ponemos un tubo de ensayo seco en un dedo y lo calentamos en la llama de una lámpara de alcohol con la parte inferior hacia arriba (Fig. 8).
El dedo no se sentirá caliente durante mucho tiempo. Esto se debe a que la distancia entre las moléculas de los gases es incluso mayor que la de los líquidos y los sólidos. Por lo tanto, la conductividad térmica de los gases es aún menor. Entonces la conductividad térmica varias sustancias diferente. La experiencia que se muestra en la Figura 9 muestra que la conductividad térmica de diferentes metales no es la misma. La lana, el pelo, las plumas de aves, el papel, el corcho y otros tienen una conductividad térmica deficiente. cuerpos porosos. Esto se debe al hecho de que el aire está contenido entre las fibras de estas sustancias. El vacío (espacio libre de aire) tiene la conductividad térmica más baja. 
Esto se explica por el hecho de que la conductividad térmica es la transferencia de energía de una parte del cuerpo a otra, que ocurre durante la interacción de moléculas u otras partículas. En un espacio donde no hay partículas, la conducción de calor no puede tener lugar. Si es necesario proteger el cuerpo del enfriamiento o el calentamiento, se utilizan sustancias con baja conductividad térmica. Entonces, para ollas, sartenes, los mangos están hechos de plástico. Las casas se construyen con troncos o ladrillos, que tienen poca conductividad térmica, lo que significa que protegen las instalaciones del enfriamiento.
El intercambio de calor entre dos medios ocurre a través de una pared sólida que los separa oa través de la interfaz entre ellos.
El calor solo puede transferirse de un cuerpo con una temperatura más alta a un cuerpo con una temperatura más baja.
El intercambio de calor siempre ocurre de tal manera que una disminución en la energía interna de algunos cuerpos siempre va acompañada del mismo aumento en la energía interna de otros cuerpos que participan en el intercambio de calor.
Conductividad térmica
La conductividad térmica es un tipo de transferencia de calor en el que hay una transferencia directa de energía de las partículas (moléculas, átomos) de una parte más calentada del cuerpo a las partículas de su parte menos calentada.
¡La conductividad térmica no va acompañada de transferencia de materia! Debe recordarse que durante la conducción de calor, la sustancia en sí no se mueve a lo largo del cuerpo, solo se transfiere energía.
La conductividad térmica de varias sustancias es diferente.
Puede realizar el siguiente experimento: se toma un vaso con agua caliente y coloque cucharas de varios materiales (aluminio, cuproníquel, acero, madera y plástico) Después de 3 minutos, vea si las cucharas se calientan por igual. Analizar el resultado
La tabla muestra que los metales tienen la conductividad térmica más alta, y diferentes metales tienen diferente conductividad térmica.
Los líquidos tienen menos conductividad térmica que los sólidos y los gases menos que los líquidos.
Considere un experimento con la conductividad térmica de los líquidos. Si baja hielo hasta el fondo en un barril de agua y calienta la capa superior de agua con una caldera. Entonces el agua en la superficie pronto hervirá y el hielo debajo no se derretirá. Esto se debe a que en los líquidos las moléculas se encuentran a mayor distancia entre sí que en los sólidos.
El cabello, las plumas, el papel, el corcho y otros cuerpos porosos también tienen una baja conductividad térmica. Esto se debe al hecho de que el aire está contenido entre las fibras de estas sustancias. El vacío (espacio libre de aire) tiene la conductividad térmica más baja. Esto se explica por el hecho de que la conductividad térmica es la transferencia de energía de una parte del cuerpo a otra, que ocurre durante la interacción de moléculas u otras partículas. En un espacio donde no hay partículas, la conducción de calor no puede tener lugar.
Metales - sólidos - líquidos - gases
Debilitamiento de la conductividad térmica.
Si es necesario proteger el cuerpo del enfriamiento o el calentamiento, se utilizan sustancias con baja conductividad térmica. Por lo tanto, las manijas de los grifos de la batería están hechas de plástico y las manijas de las ollas también están hechas de una aleación similar. Las casas se construyen con troncos o ladrillos porosos, que tienen poca conductividad térmica, lo que significa que protegen las instalaciones del enfriamiento.
Actualmente, en muchas regiones se han comenzado a construir edificios sobre pilotes. En este caso, el calor se transfiere solo por conductividad térmica desde la base hasta la pila y más allá de la pila al suelo.Las pilas están hechas de un material sólido duradero y en su interior están llenas de queroseno. En verano, la pila conduce mal el calor de arriba a abajo, porque. líquido tiene baja conductividad térmica. En invierno, debido a la convección del líquido dentro de la pila, por el contrario, contribuirá a un enfriamiento adicional del suelo.
Conductividad térmica- este es un tipo de transferencia de calor en el que hay una transferencia directa de energía de partículas (moléculas, átomos) de una parte más calentada del cuerpo a partículas de su parte menos calentada.
Considere una serie de experimentos con el calentamiento de un sólido, un líquido y un gas.
Transferencia de calor radiante.
transferencia de calor radiante- esta es la transferencia de calor, en la que la energía se transfiere mediante varios haces.
Pueden ser los rayos del sol, así como los rayos emitidos por los cuerpos calientes que nos rodean.
Entonces, por ejemplo, sentados cerca de un fuego, sentimos cómo el calor se transfiere del fuego a nuestro cuerpo. Sin embargo, la causa de tal transferencia de calor no puede ser ni la conductividad térmica (que es muy pequeña para el aire entre la llama y el cuerpo) ni la convección (ya que los flujos de convección siempre se dirigen hacia arriba). Aquí tiene lugar el tercer tipo de transferencia de calor: transferencia de calor radiante.
Tome un frasco pequeño, ahumado por un lado.
Inserte un tubo de vidrio doblado en ángulo recto a través del corcho. En este tubo, que tiene un canal estrecho, introducimos un líquido coloreado. Habiendo fijado la escala en el tubo, obtenemos el dispositivo: termoscopio. Este dispositivo le permite detectar incluso un ligero calentamiento del aire en un matraz ahumado.
Si una pieza de metal calentada a alta temperatura se lleva a la superficie oscura del termoscopio, la columna de líquido se moverá hacia la derecha. Obviamente, el aire en el matraz se calentó y expandió. El rápido calentamiento del aire en un termoscopio solo puede explicarse por la transferencia de energía de un cuerpo calentado al mismo. Como en el caso de un incendio, la energía aquí no se transfirió por conductividad térmica ni por transferencia de calor por convección. La energía en este caso se transfirió con la ayuda de rayos invisibles emitidos por un cuerpo calentado. Estos rayos se llaman Radiación termal.
La transferencia de calor radiante puede tener lugar en un vacío completo. Esto lo distingue de otros tipos de transferencia de calor.
Todos los cuerpos irradian energía: tanto los que se calientan con fuerza como los que se calientan débilmente, por ejemplo, el cuerpo humano, una estufa, una bombilla eléctrica. Pero cuanto mayor es la temperatura del cuerpo, más fuerte es su radiación térmica. La energía radiada, habiendo llegado a otros cuerpos, es parcialmente absorbida por ellos y parcialmente reflejada. Cuando la energía absorbida Radiación termal se convierte en energía interna de los cuerpos, y se calientan.
Las superficies claras y oscuras absorben la energía de manera diferente. Entonces, si en un experimento con un termoscopio giramos el matraz hacia el cuerpo calentado primero con el lado ahumado y luego con el lado claro, entonces la columna de líquido en el primer caso se moverá una distancia mayor que en el segundo (ver la figura arriba). De esto se deduce que los cuerpos con una superficie oscura absorben mejor la energía (y por lo tanto se calientan más) que los cuerpos con una superficie clara o especular.
Los cuerpos con una superficie oscura no solo absorben mejor, sino que también irradian mejor la energía.
La capacidad de absorber la energía de la radiación de diferentes maneras es ampliamente utilizada en tecnología. Por ejemplo, los globos aerostáticos y las alas de los aviones a menudo se pintan de plata para reducir el calor del sol.
Si es necesario usar energía solar (por ejemplo, para calentar algunos dispositivos instalados en satélites artificiales), estos dispositivos se pintan de oscuro.
De intercambio de calor- este es el proceso de cambiar la energía interna sin hacer trabajo en el cuerpo o en el cuerpo mismo.
La transferencia de calor siempre ocurre en cierta dirección: de cuerpos con mayor temperatura a cuerpos con menor.
Cuando las temperaturas de los cuerpos se igualan, la transferencia de calor se detiene.
El intercambio de calor se puede realizar de tres maneras:
- conductividad térmica
- convección
- radiación
Conductividad térmica
Conductividad térmica- el fenómeno de la transferencia de energía interna de una parte del cuerpo a otra o de un cuerpo a otro con su contacto directo.
Los metales tienen la conductividad térmica más alta.- Tienen cientos de veces más que el agua. Las excepciones son el mercurio y el plomo., pero incluso aquí la conductividad térmica es decenas de veces mayor que la del agua.
Al sumergir una aguja de metal en un vaso de agua caliente, muy pronto el extremo de la aguja también se calentó. En consecuencia, la energía interna, como cualquier tipo de energía, puede transferirse de un cuerpo a otro. La energía interna también se puede transferir de una parte del cuerpo a otra. Entonces, por ejemplo, si un extremo de un clavo se calienta en una llama, entonces su otro extremo, que está en la mano, se calentará gradualmente y quemará la mano.
El calentamiento de una cacerola en una estufa eléctrica se produce por conducción de calor.
Estudiemos este fenómeno haciendo una serie de experimentos con sólidos, líquidos y gases.
Llevemos al fuego la punta de un palo de madera. Se encenderá. El otro extremo del palo, que está afuera, estará frío. Medio, la madera tiene poca conductividad termica.
Acercamos el extremo de una delgada varilla de vidrio a la llama de una lámpara de alcohol. Después de un tiempo, se calentará, mientras que el otro extremo permanecerá frío. Por lo tanto, y el vidrio tiene poca conductividad térmica.
Si calentamos el extremo de una barra de metal en una llama, muy pronto toda la barra se calentará mucho. Ya no podemos sostenerlo en nuestras manos.
Medio, los metales conducen bien el calor, es decir, tienen una alta conductividad térmica. La plata y el cobre tienen la conductividad térmica más alta..
La conductividad térmica de diferentes sustancias es diferente.
La lana, el pelo, las plumas de aves, el papel, el corcho y otros cuerpos porosos tienen una conductividad térmica baja. Esto se debe al hecho de que el aire está contenido entre las fibras de estas sustancias. El vacío (espacio libre de aire) tiene la conductividad térmica más baja. Esto se explica por el hecho de que la conductividad térmica es la transferencia de energía de una parte del cuerpo a otra, que ocurre durante la interacción de moléculas u otras partículas. En un espacio donde no hay partículas, la conducción de calor no puede tener lugar.
Si es necesario proteger el cuerpo del enfriamiento o el calentamiento, se utilizan sustancias con baja conductividad térmica. Entonces, para ollas, sartenes, mangos de plástico. Las casas se construyen con troncos o ladrillos, que tienen poca conductividad térmica, lo que significa que están protegidas del enfriamiento.
Convección
Convección Es un proceso de transferencia de calor llevado a cabo por la transferencia de energía por flujos de líquido o gas.
Un ejemplo del fenómeno de la convección.: un pequeño molinete de papel, colocado sobre la llama de una vela o una bombilla eléctrica, comienza a girar bajo la influencia del aire caliente ascendente. Este fenómeno se puede explicar de esta manera. El aire, en contacto con una lámpara caliente, se calienta, se expande y se vuelve menos denso que el aire frío que lo rodea. La fuerza de Arquímedes que actúa sobre el aire caliente desde el lado frío hacia arriba es mayor que la fuerza de gravedad que actúa sobre el aire caliente. Como resultado, el aire caliente "flota", se eleva y el aire frío toma su lugar.
En la convección, la energía es transferida por los propios chorros de gas o líquido.
Hay dos tipos de convección:
- natural (o gratis)
- forzado
Para que se produzca convección en líquidos y gases, es necesario calentarlos desde abajo.
La convección no puede ocurrir en los sólidos.
Radiación
Radiación - radiación electromagnética, emitido debido a la energía interna de una sustancia a una temperatura determinada.
El poder de radiación térmica de un objeto que satisface los criterios de un cuerpo negro se describe mediante la ley de Stefan-Boltzmann.
La relación de las capacidades de emisión y absorción de los cuerpos se describe Ley de radiación de Kirchhoff.
La transferencia de energía por radiación es diferente de otros tipos de transferencia de calor: se puede realizar en vacío total.
Todos los cuerpos irradian energía: tanto los que se calientan con fuerza como los que se calientan débilmente, por ejemplo, el cuerpo humano, una estufa, una bombilla eléctrica, etc. Pero cuanto mayor es la temperatura del cuerpo, más energía transmite por radiación. En este caso, la energía es parcialmente absorbida por estos cuerpos y parcialmente reflejada. Cuando se absorbe energía, los cuerpos se calientan de diferentes maneras, según el estado de la superficie.
Los cuerpos con una superficie oscura absorben e irradian energía mejor que los cuerpos con una superficie clara. Al mismo tiempo, los cuerpos con una superficie oscura se enfrían más rápido por la radiación que los cuerpos con una superficie clara. Por ejemplo, en una tetera liviana, el agua caliente retiene alta temperatura que en la oscuridad.