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GUÍA Nº 9
CONDUCCION DEL CALOR EN CUERPOS SÓLIDOS
1.- Introducción
El calor puede transferirse de un lugar a otro por tres métodos diferentes:
conducción en sólidos, convección en fluidos (líquidos o gases) y radiación a través
de cualquier medio transparente a ella. El método elegido en cada caso es el que
resulta más eficiente. Si hay una diferencia de temperatura el calor siempre viajará
del lugar más caliente al más frío.
CONDUCCIÓN:
La conducción tiene lugar cuando dos objetos a diferentes temperaturas entran en
contacto. El calor fluye desde el objeto más caliente hasta más frío, hasta que los
dos objetos alcanzan a la misma temperatura. La conducción es el transporte de
calor a través de una sustancia y se produce gracias a las colisiones de las
moléculas. En el lugar donde los dos objetos se ponen en contacto, las moléculas
del objeto caliente, que se mueven más deprisa, colisionan con las del objeto frío,
que se mueven más despacio. A medida que colisionan las moléculas rápidas dan
algo de su energía a las más lentas. Estas a su vez colisionan con otras moléculas
en el objeto frío. Este proceso continúa hasta que la energía del objeto caliente se
extiende por el objeto frío. Algunas sustancias conducen el calor mejor que otras.
Los sólidos son mejores conductores que los líquidos y éstos mejor que los gases.
Los metales son muy buenos conductores de calor, mientras que el aire es muy mal
conductor. Puede experimentar como el calor se transfiere por conducción siempre
que toca algo que está más caliente o más frío que su piel, por ejemplo cuando se
lava las manos en agua caliente o fría.
Asignatura: Física Termodinámica
Área Ciencias Básicas
Responsables: Patricio Pacheco H./Jacqueline
Alea P.
Fecha actualización: Otoño 2009
Imagen térmica infrarroja de dos tazas de café llenas de un líquido caliente. Note
como el calor del líquido hace que las tazas brillen. El El calor se transfiere del
líquido caliente a las tazas por conducción
La conducción térmica está determinada por la ley de Fourier
Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un
cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de
temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).
Sea J la densidad de corriente de energía (energía por unidad de área y
por unidad de tiempo), que se establece en la barra debido a la
diferencia de temperaturas entre dos puntos de la misma. La ley de
Fourier afirma que hay una proporcionalidad entre el flujo de energía J y
el gradiente de temperatura.
Establece que la tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección
dada, es proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente
de temperatura en esa dirección.
∂Q x
∂T
= − KA
∂t
∂x
donde Qx es la tasa de flujo de calor que atraviesa el área A en la dirección x, la
constante de proporcionalidad λ se llama conductividad
érmica, t T es la
temperatura y t el tiempo.
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Conductividad térmica, K
La conductividad térmica es una propiedad intrínseca de los materiales que valora
la capacidad de conducir el calor a través de ellos. El valor de la conductividad varía
en función de la temperatura a la que se encuentra la substancia, por lo que suelen
hacerse las mediciones a 300 K con el objeto de poder comparar unos elementos
con otros. Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en
los gases (a pesar de que en ellos la transferencia puede hacerse a través de
electrones libres) y en materiales iónicos y covalentes, siendo muy baja en algunos
materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes
térmicos. Para que exista conducción térmica hace falta una sustancia, de ahí que
es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vacío
elevado.
En algunos procesos industriales se trabaja para incrementar la conducción de
calor, bien utilizando materiales de alta conductividad o configuraciones con un
elevado área de contacto. En otros, el efecto buscado es justo el contrario, y se
desea minimizar el efecto de la conducción, para lo que se emplean materiales de
baja conductividad térmica, vacíos intermedios, y se disponen en configuraciones
con poca área de contacto.
Tabla de Conductividades Térmicas
Material λ
Material
λ
Material λ
Acero
47-58
Corcho
0,04-0,30 Mercurio 83,7
Agua
0,58
Estaño
64,0
Aire
0,02
Fibra de vidrio
0,03-0,07 Níquel
52,3
Alcohol
0,16
Glicerina
0,29
Oro
308,2
Alpaca
29,1
Hierro
1,7
Parafina 0,21
Aluminio 209,3
Ladrillo
0,80
Plata
Amianto 0,04
Ladrillo refractario 0,47-1,05 Plomo
35,0
Bronce
116-186
Latón
81-116
0,6-1,0
Cinc
106-140
Litio
301,2
Cobre
372,1-385,2 Madera
Mica
Vidrio
0,35
406,1-418,7
0,13
La tabla que se muestra se refiere a la capacidad de ciertos materiales para
transmitir el calor. El coeficiente de conductividad térmica (K) representa la
cantidad de calor necesario por m2, para que atravesando durante la unidad de
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tiempo, 1 m2 de material homogéneo obtenga una diferencia de 1 °C de
temperatura entre las dos caras. La conductividad térmica se expresa en unidades
de W/m·K (J/s · m · °C).
Es un mecanismo molecular de transferencia de calor que ocurre por la excitación
de las moléculas. Se presenta en todos los estados de la materia pero predomina
en los sólidos.
2.- Aprendizajes Esperados
a) De acuerdo al programa de estudios
2.1.- Criterios de Evaluación
a) Investigar la conducción del calor en metales en relación con el material
3.-Materiales
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
j)
k)
l)
1 Serie de 3 varillas para la conducción del calor.
2 Bases de soporte
3 Varillas de soporte, 50 cm
2 Mordazas dobles
2 Pinzas universales
2 Termómetros
2 Tapones, 1 perforación.
1 Probeta graduada, 100ml
1 Mechero
Cerillas
Agua
Trapos
4.- Actividades
4.1.- Procedimiento
1. Construya el sistema que propone la Figura N° 1.
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Figura N° 1
2. Preparación experimental de la experiencia.
a)
Construir el montaje de soporte de la Figura N° 1. Fijar las mordazas dobles
y pinzas universales.
b) Sujetar los tubos con las varillas de conducción de cobre y aluminio.
c) Igualar las alturas de las varillas. Separación lateral casi 2 mm.
d) Introducir en cada tubo 20 ml de agua aprox. (altura del agua en el tubo 11
cm, ver Figura N° 2).
Figura N° 2
e)
Introducir los termómetros en los tapones y ponerlos sobre los tubos, de la
forma indicada en la Figura N° 1.
f) Bajar los termómetros hasta que el deposito del liquido termométrico este
completamente dentro del liquido.
g) Toma de datos: Prepare el Cuadro N° 1.
3.
Desarrollo de la experiencia para obtener los valores de interés:
a) Anote la temperatura inicial T1 en el Cuadro N° 1.
b) Prenda el mechero.
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c) Anote la temperatura final T2 para el tubo con varilla de cobre en el Cuadro
N° 1.
d) Apague el mechero cuando se haya llegado a la temperatura final dada T2 en
el tubo con la varilla de cobre. Tenga precaución. Las varillas metálicas
están calientes.
e) Anote la temperatura final, que se mide en el tubo con la varilla de aluminio.
f) Evacue el agua y repita el experimento con la combinación de cobre/acero.
al momento de terminar la experiencia.Tenga precaución. Revise que la llave
de paso de gas se encuentre bien cerrada al momento de terminar la
experiencia.
4.2.- Cálculo y Resultados
Cuadro N° 1
Material
Temperatura
Inicial T1
Temperatura
Final T2
Cobre
Variación de la Temperatura
∆T = T2 - T1
10 K
Aluminio
Cobre
10 K
Acero
a) Calcule la variación de temperatura para el aluminio y el acero y colóquela
en el Cuadro N° 1.
b) A todos los metales se ha suministrado la misma cantidad de calor durante
el experimento. ¿Por qué la variación de la temperatura es diferente?
_____________________________________________________________
_
c) Ordene los metales y anote:
Buen conductor de
calor___________________________________________
Mal conductor de calor
___________________________________________
d) Exprese este resultado en números:
T Aluminio=_____=_____
T Cobre =_____=_____
T Acero
T Cobre
=_____=_____
=_____=_____
5.- Bibliografía
1. R. Serway, Vol. I, Física, Editorial Mc Graw – Hill, 2005
2. Termodinámica, Tomo I, Yunus A. Cengel – Michael A. Boles, Editorial Mc
Graw – Hill, 1999
3. Termodinámica Técnica Fundamental, M.W. Zemanzky – H.C. Van Ness,
Editorial Aguilar S.A., España, 1980
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