Heat transfer, transferencia de calor, traspaso de calor. ( Termodinámica ) Movimiento de calor de un cuerpo a otro (gas, líquido o sólido, o combinaciones de los mismos) por medio de radiación, convección, o conducción

The amount of heat needed to raise or lower the temperature of a given weight of a body can be calculated from the following equation:

Q = WC (T₂ - T₁)

where W = weight of the material

• C = specific heat of the material
• T₂ = final temperature of the material
• T₁ = initial temperature of the material

Transferencia de calor

La cantidad de calor necesaria para subir o bajar la temperatura de un peso determinado de un cuerpo se puede calcular a partir de la siguiente ecuación:

Q = WC (T₂ - T₁)

donde

• W = peso del material
• C = calor específico del material
• T₂ = temperatura final del material
• T₁ = temperatura inicial del material

Heat definitions:

Heat is a form of energy; as energy is supplied to a system the vibration amplitude of its molecules and its temperature increases. The temperature increase is directly proportional to the heat energy in the system.

A British Thermal Unit (BTU or Btu) is defined as the amount of energy required to raise the temperature of 1 lb of pure water by 1°F at 68°F and at atmospheric pressure. It is the most widely used unit for the measurement of heat energy.

A calorie unit (SI) is defined as the amount of energy required to raise the temperature of 1 gm of pure water by 1°C at 4°C and at atmospheric pressure. It is also a widely used unit for the measurement of heat energy.

Joules (SI) are also used to define heat energy and is often used in preference to the calorie, where 1 J (Joule) = 1 W (Watt) × s. This is given in Table 1 that gives a list of energy equivalents.

Phase change is the transition of matter from the solid to the liquid to the gaseous states; matter can exist in any of these three states. However, for matter to make the transition from one state up to the next, i.e., solid to liquid to gas, it has to be supplied with energy, or energy removed if the matter is going from gas to liquid to solid. For example, if heat is supplied at a constant rate to ice at 32°F, the ice will start to melt or turn to liquid, but the temperature of the ice liquid mixture will not change until all the ice has melted. Then as more heat is supplied, the temperature will start to rise until the boiling point of the water is reached. The water will turn to steam as more heat is applied but the temperature of the water and steam will remain at the boiling point until all the water has turned to steam, then the temperature of the steam will start to rise above the boiling point. This is illustrated in Fig. 2, where the temperature of a substance is plotted against heat input. Material can also change its volume during the change of phase. Some materials bypass the liquid stage and transform directly from solid to gas or gas to solid, this transition is called Sublimation.

In a solid, the atoms can vibrate but are strongly bonded to each other so that the atoms or molecules are unable to move from their relative positions. As the temperature is increased, more energy is given to the molecules and their vibration amplitude increases to a point where it can overcome the bonds between the molecules and they can move relative to each other. When this point is reached the material becomes a liquid. The speed at which the molecules move about in the liquid is a measure of their thermal energy. As more energy is imparted to the molecules their velocity in the liquid increases to a point where they can escape the bonding or attraction forces of other molecules in the material and the gaseous state or boiling point is reached.

Specific heat is the quantity of heat energy required to raise the temperature of a given weight of a material by 1°. The most common units are BTUs in the English system, i.e., 1 BTU is the heat required to raise 1 lb of material by 1°F and in the SI system, the calorie is the heat required to raise 1 g of material by 1°C. Thus, if a material has a specific heat of 0.7 cal/g°C, it would require 0.7 cal to raise the temperature of a gram of the material by 1°C or 2.93 J to raise the temperature of the material by 1 k. Table 2 gives the specific heat of some common materials; the units are the same in either system.

Thermal conductivity is the flow or transfer of heat from a high temperature region to a low temperature region. There are three basic methods of heat transfer; conduction, convection, and radiation. Although these modes of transfer can be considered separately, in practice two or more of them can be present simultaneously.

Conduction is the flow of heat through a material. The molecular vibration amplitude or energy is transferred from one molecule in a material to the next. Hence, if one end of a material is at an elevated temperature, heat is conducted to the cooler end. The thermal conductivity of a material k is a measure of its efficiency in transferring heat. The units can be in BTUs per hour per ft per °F or watts per meter-Kelvin (W/m K) (1 BTU/ft h °F = 1.73 W/mK). Table 8.3 gives typical thermal conductivities for some common materials.

Convection is the transfer of heat due to motion of elevated temperature particles in a material (liquid and gases). Typical examples are air conditioning systems, hot water heating systems, and so forth. If the motion is solely due to the lower density of the elevated temperature material, the transfer is called free or natural convection. If the material is moved by blowers or pumps the transfer is called forced convection.

Radiation is the emission of energy by electromagnetic waves that travel at the speed of light through most materials that do not conduct electricity. For instance, radiant heat can be felt some distance from a furnace where there is no conduction or convection.

Definiciones de calor

El calor es una forma de energía; a medida que se suministra energía a un sistema, aumenta la amplitud de vibración de sus moléculas y su temperatura. El aumento de temperatura es directamente proporcional a la energía térmica del sistema.

La Unidad Térmica Británica (BTU o Btu) se define como la cantidad de energía requerida para elevar la temperatura de 1 libra de agua pura en 1° F a 68° F y a presión atmosférica. Es la unidad más utilizada para medir la energía térmica.

La unidad de calorías (SI) se define como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua pura en 1° C a 4° C y a presión atmosférica. También es una unidad muy utilizada para medir la energía térmica.

Los julios (SI) también se utilizan para definir la energía térmica y, a menudo, se utilizan con preferencia a la caloría, donde 1 J (julio) = 1 W (vatio) × s. Esto se da en la Tabla 1 que da una lista de equivalentes de energía.

TABLA 1 Conversión relacionada con la energía térmica

El cambio de fase es la transición de la materia del estado sólido al líquido y al gaseoso; la materia puede existir en cualquiera de estos tres estados. Sin embargo, sí importa hacer la transición de un estado al siguiente, es decir, de sólido a líquido a gas, se le debe suministrar energía o se debe eliminar la energía si la materia pasa de gas a líquido a sólido. Por ejemplo, si se suministra calor a una velocidad constante al hielo a 32° F, el hielo comenzará a derretirse o se volverá líquido, pero la temperatura de la mezcla de hielo líquido no cambiará hasta que todo el hielo se haya derretido. Luego, a medida que se suministre más calor, la temperatura comenzará a subir hasta que se alcance el punto de ebullición del agua. El agua se convertirá en vapor a medida que se aplique más calor, pero la temperatura del agua y el vapor permanecerán en el punto de ebullición hasta que toda el agua se haya convertido en vapor, luego la temperatura del vapor comenzará a elevarse por encima del punto de ebullición. Esto se ilustra en la figura 2, donde la temperatura de una sustancia se representa frente a la entrada de calor. El material también puede cambiar su volumen durante el cambio de fase. Algunos materiales pasan por alto la etapa líquida y se transforman directamente de sólido a gas o de gas a sólido, esta transición se llama sublimación.

Figura 2. Mostrando la relación entre temperatura y energía térmica.

En un sólido, los átomos pueden vibrar pero están fuertemente unidos entre sí de modo que los átomos o moléculas no pueden moverse de sus posiciones relativas. A medida que aumenta la temperatura, se da más energía a las moléculas y su amplitud de vibración aumenta hasta un punto en el que puede superar los enlaces entre las moléculas y pueden moverse entre sí. Cuando se alcanza este punto, el material se vuelve líquido. La velocidad a la que se mueven las moléculas en el líquido es una medida de su energía térmica. Cuanta más energía se imparte a las moléculas, su velocidad en el líquido aumenta hasta un punto en el que pueden escapar de las fuerzas de unión o atracción de otras moléculas en el material y se alcanza el estado gaseoso o el punto de ebullición.

El calor específico es la cantidad de energía térmica necesaria para elevar la temperatura de un peso dado de un material en 1°. Las unidades más comunes son BTU en el sistema inglés, es decir, 1 BTU es el calor requerido para elevar 1 libra de material en 1° F y en el sistema SI, la caloría es el calor requerido para elevar 1 g de material en 1° F; C. Por lo tanto, si el material tiene un calor específico de 0,7 cal / g° C, se necesitarían 0,7 cal para elevar la temperatura de un gramo del material en 1° C o 2,93 J para elevar la temperatura del material en 1 k. . La tabla 2 da el calor específico de algunos materiales comunes; las unidades son las mismas en ambos sistemas.

Tabla 2. Calores específicos de algunos materiales comunes

La conductividad térmica es el flujo o transferencia de calor desde una región de alta temperatura a una región de baja temperatura. Hay tres métodos básicos de transferencia de calor; conducción, convección y radiación. Aunque estos modos de transferencia se pueden considerar por separado, en la práctica dos o más de ellos pueden estar presentes simultáneamente.

Tabla 3. Conductividad térmica BTU / h ft °F (W / mK)

La conducción es el flujo de calor a través de un material. La amplitud o energía de la vibración molecular se transfiere de una molécula en un material a la siguiente. Por tanto, si un extremo de un material está a una temperatura elevada, el calor se conduce al extremo más frío. La conductividad térmica de un material k es una medida de su eficiencia en la transferencia de calor. Las unidades pueden estar en BTU por hora por pie por ft °F o vatios por metro-Kelvin; Kelvin (W / m K) (1 BTU / ft °F = 1.73 W/mK). La tabla 3 muestra las conductividades térmicas típicas de algunos materiales comunes.

La convección es la transferencia de calor debido al movimiento de partículas a temperatura elevada en un material (líquido y gases). Los ejemplos típicos son los sistemas de aire acondicionado, los sistemas de calentamiento de agua caliente, etc. Si el movimiento se debe únicamente a la menor densidad del material a temperatura elevada, la transferencia se denomina convección libre o natural. Si el material es movido por sopladores o bombas, la transferencia se llama convección forzada.

La radiación es la emisión de energía por ondas electromagnéticas que viajan a la velocidad de la luz a través de la mayoría de los materiales que no conducen la electricidad. Por ejemplo, el calor radiante se puede sentir a cierta distancia de un horno donde no hay conducción ni convección.

Heating Effects of Electricity

The heating effect of electricity is used in many of the appliances and devices that wre use everyday, such as the toaster that you use in the morning, the heating element that warms the water in your coffee pot, and many devices in your vehicle such as heated seats, window defrosters, and heated rear-view mirrors. These devices use a device called a heating element, which can be constructed of metal alloys, ceramics, or other composite materials, and introduces a resistance to current flow into the circuit. This type of heating is called resistive heating; when electric current is passed through the heating element, the element material becomes warmer. This warming effect causes the resistance of the element to increase with temperature; a phenomenon that affects all conductors. After a time, the temperature and resistance of the heating element stabilize, and current flow through the circuit is maintained at a manageable level. This effect is not always desirable, and can be magnified if the diameter of the conductor is too small for the level of current flow, the length of the conductor is excessive, rust or corrosion are present at connections within the circuit, or there are loose connections at any point of the circuit. In these cases, when current flows, the portion of the circuit containing resistance heats up, and the resistance climbs. This action keeps occurring as long as current is being pushed through the circuit, and after a point, thermal runaway takes place, and the circuit will melt down, possibly catching fire.

Efectos de calentamiento de la electricidad

El efecto de calentamiento de la electricidad se usa en muchos de los electrodomésticos y dispositivos que se usan en el hogar todos los días, como la tostadora que usa en la mañana, el elemento calefactor que calienta el agua en su cafetera y muchos dispositivos en su vehículo como asientos con calefacción, descongeladores de ventanas y espejos retrovisores con calefacción. Estos dispositivos usan un dispositivo llamado elemento calefactor, que se puede construir con aleaciones de metal, cerámica u otros materiales compuestos, e introduce una resistencia al flujo de corriente en el circuito. Este tipo de calentamiento se denomina calentamiento resistivo; cuando la corriente eléctrica pasa a través del elemento calefactor, el material del elemento se calienta. Este efecto de calentamiento hace que la resistencia del elemento aumente con la temperatura; un fenómeno que afecta a todos los conductores. Después de un tiempo, la temperatura y la resistencia del elemento calefactor se estabilizan y el flujo de corriente a través del circuito se mantiene a un nivel manejable. Este efecto no siempre es deseable y puede magnificarse si el diámetro del conductor es demasiado pequeño para el nivel de flujo de corriente, la longitud del conductor es excesiva, hay oxidación o corrosión en las conexiones dentro del circuito, o si hay cables sueltos en las conexiones en cualquier punto del circuito. En estos casos, cuando fluye corriente, la parte del circuito que contiene resistencia se calienta y la resistencia sube. Esta acción sigue ocurriendo mientras la corriente esté siendo impulsada a través del circuito, y después de un punto, se produce una fuga térmica y el circuito se derretirá, posiblemente incendiándose.