El calor es una medida de energía térmica que se puede transferir de un punto a otro. El calor es la transferencia de energía cinética de una fuente de energía a un medio o de un medio u objeto a otro medio u objeto.
El calor es uno de los componentes importantes de los cambios de fase asociados con el trabajo y la energía. El calor es también la medida de la energía cinética que poseen las partículas de un sistema. La energía cinética de las partículas del sistema aumenta con el aumento de la temperatura del sistema. Por tanto, la medida del calor cambia con el tiempo.
Transferencia de calor
Cuando un sistema a una temperatura más alta se pone en contacto con un sistema a una temperatura más baja, la energía se transfiere de las partículas del primer sistema a las partículas del segundo. Por tanto, la transferencia de calor se puede definir como el proceso de transferencia de calor de un objeto (o un sistema) a una temperatura más alta a otro objeto (o un sistema) a una temperatura más baja.
Fórmula de transferencia de calor
La fórmula de transferencia de calor determina la cantidad de calor transferido de un sistema a otro.
Q = c × m × ΔT
Dónde,
Q es el calor suministrado al sistema.
m es la masa del sistema
c es la capacidad calorífica específica del sistema
ΔT es el cambio de temperatura del sistema.
La capacidad calorífica específica (c) se define como la cantidad de calor (en julios) absorbida por unidad de masa (kg) del material cuando su temperatura aumenta 1 K (o 1 °C). Sus unidades son J/kg/K o J/kg/°C.
Derivación de la fórmula
Dejar metro ser la masa del sistema y C Sea la capacidad calorífica específica del sistema. Dejar ΔT ser el cambio de temperatura del sistema.
Entonces la cantidad de calor suministrada ( q ) es el producto de la masa metro , capacidad calorífica específica C y cambio de temperatura ΔT y está dado por,
Q = c × m × ΔT
Tipos de transferencia de calor
Hay tres tipos de transferencia de calor:
- Conducción
- Convección
- Radiación
Conducción
La transferencia de calor a través de materiales sólidos se llama conducción. La fórmula para calcular el calor transferido por el proceso de conducción se expresa como:
Q = kA(T Caliente -T Frío) t/d
Dónde,
Q es calor transferido por conducción.
k es la conductividad térmica del material
A es el área de la superficie.
tCalientees la temperatura de la superficie caliente
tFríoes la temperatura de la superficie fría
es hora
d es el espesor del material
Convección
La transferencia de calor a través de líquidos y gases se llama convección. La fórmula para calcular el calor transferido por el proceso de convección se expresa como:
Q = H C EN Caliente -T Frío )
Dónde,
Q es calor transferido por convección.
cuadrícula de malla numerosahCes el coeficiente de transferencia de calor
A es el área de la superficie.
tCalientees la temperatura del sistema caliente
tFríoes la temperatura del sistema de frío
Radiación
La transferencia de calor a través de ondas electromagnéticas se llama radiación. La fórmula para calcular el calor transferido por el proceso de radiación se expresa como:
Q = σ (T Caliente –T Frío) 4 A
Dónde,
Q es calor transferido a través de la radiación.
σ es la constante de Stefan Boltzmann
t Caliente es la temperatura del sistema caliente
t Frío es la temperatura del sistema de frío
A es el área de la superficie.
La constante de Stefan Boltzmann (σ) se calcula como:
σ = 2.p 5 k B 4 / 15h 3 C 2 = 5.670367(13) × 10 -8 J. metro -2 . S -1 . k -4
Dónde,
σ es la constante de Stefan Boltzmann
pi(π) ∼=
k B es la constante de Boltzmann
h es la constante de Planck
c es la velocidad de la luz en el vacío
Problemas de muestra
Problema 1: Un sistema con una masa de 10 kg y una temperatura inicial de 200 K se calienta a 450 K. La capacidad calorífica específica del sistema es 0,91 KJ/kg K. Calcule el calor ganado por el sistema en este proceso.
Solución:
Según la pregunta,
Masa, m = 10 kg
Capacidad calorífica específica, c = 0,91 KJ/kg K
Temperatura inicial, T i = 200K
Temperatura final, T F = 450K
Cambio de temperatura, ΔT = 450K – 200K = 250K
np dondeUsando la fórmula de transferencia de calor,
Q = c × m × ΔT
Q = 0,91 x 10 x 250
Q = 2275 kilojulios
Por tanto, el calor total ganado por el sistema es 2275 KJ.
Problema 2: El calor específico del hierro es 0,45 J/g°C. ¿Qué masa de hierro se requiere para una transferencia de calor de 1200 julios si el cambio de temperatura es de 40°C?
Solución:
Según la pregunta,
Calor específico del hierro, c = 0,45 J/g°C
Cambio de temperatura, ΔT = 40°C
Cantidad de calor transferido, Q = 1200 J
Usando la fórmula de transferencia de calor,
Q = c × m × ΔT
m = Q /(c x ΔT)
metro = 1200 /(0,45 x 40)
metro = 66,667 gramos
Por lo tanto, la masa de hierro necesaria para una transferencia de calor de 1200 julios es 66,667 gramos.
Problema 3: Considere dos columnas de agua a diferentes temperaturas separadas por una pared de vidrio de 3 m de largo, 1,5 m de ancho y un espesor de 0,005 m. Una columna de agua está a 380 K y la otra a 120 K. Calcule la cantidad de calor transferido si la conductividad térmica del vidrio es 1,4 W/mK.
Solución:
Según la pregunta,
Conductividad térmica del vidrio, k = 1,4 W/mK.
Temperatura de la primera columna de agua, T Caliente= 380K
Temperatura de la segunda columna de agua, T Frío = 120K
Área de la pared de vidrio que separa dos columnas, A = largo x ancho = 3m x 1,5m = 4,5m 2
Espesor del vidrio, d = 0,005m
Usando la fórmula de transferencia de calor para la conducción,
Q = kA(T Caliente -T Frío )t/d
Q = 1,4 x 4,5 (380-120) / 0,005
CQ = 327600 vatios
Por tanto, la cantidad de calor transferida es 327600 Watts.
Problema 4: Calcular la transferencia de calor por convección si el coeficiente de transferencia de calor de un medio es 8 W/(m 2 k) y el el área es de 25 m 2 y la diferencia de temperatura es de 20K.
Solución:
Según la pregunta,
Coeficiente de transferencia de calor, H C = 8 W/(m 2 k)
Área, A = 25m 2
Cambio de temperatura, (T Caliente –T Frío) = 20K
Usando la fórmula de transferencia de calor por convección,
Q = H C EN Caliente -T Frío )
q = 8 x 25 x 20
Q = 4000W
Por lo tanto, la cantidad de calor transferida por convección es de 4000 vatios.
Problema 5: Calcule el calor transferido por radiación entre dos cuerpos negros a temperaturas de 300K y 430K y el área del medio es 48 m 2 . (Dada la constante de Stefan Boltzmann, σ = 5,67 x 10 -8 W/(metro 2 k 4 ) ).
Solución:
Según la pregunta,
Temperatura del cuerpo caliente, TCaliente= 430K
Temperatura del cuerpo frío, TFrío= 300K
Cambio de temperatura, (TCaliente–TFrío) = 430 000 – 300 000 = 130 000
Área, A = 48 m2
Constante de Stefan Boltzmann, σ = 5,67 x 10-8W/(metro2k4)
Usando la fórmula de transferencia de calor por radiación,
Q = σ (TCaliente-TFrío)4A
Q = 5,67 x 10-8x1304x48
Q = 777,3 vatios
Por tanto, la cantidad de calor transferida mediante radiación es 777,3 vatios.