Introducción a la transferencia de calor
Mientras que la energía interna se refiere a la energía total de todas las moléculas dentro del objeto, el calor es la cantidad de energía que fluye de un cuerpo a otro de forma espontánea debido a su diferencia de temperatura. El calor es una forma de energía, pero es energía en tránsito . El calor no es una propiedad de un sistema. Sin embargo, la transferencia de energía como calor ocurre a nivel molecular como resultado de una diferencia de temperatura .
Considere un bloque de metal a alta temperatura, que consiste en átomos que oscilan intensamente alrededor de sus posiciones promedio. A bajas temperaturas , los átomos continúan oscilando, pero con menos intensidad . Si un bloque de metal más caliente se pone en contacto con un bloque más frío, los átomos que oscilan intensamente en el borde del bloque más caliente emiten su energía cinética a los átomos menos oscilantes en el borde del bloque frío. En este caso, hay una transferencia de energía entre estos dos bloques y el calor fluye del bloque más caliente al más frío por estas vibraciones aleatorias.
Además, como con el trabajo, es importante distinguir entre el calor agregado a un sistema de su entorno y el calor eliminado de un sistema a su entorno. Q es positivo para el calor agregado al sistema, por lo que si el calor sale del sistema, Q es negativo. Debido a que W en la ecuación es el trabajo realizado por el sistema, entonces si el trabajo se realiza en el sistema, W será negativo y E int aumentará.
El símbolo q a veces se usa para indicar el calor agregado o eliminado de un sistema por unidad de masa . Es igual al calor total (Q) agregado o eliminado dividido por la masa (m).
Distinguir temperatura, calor y energía interna
Usando la teoría cinética, se puede hacer una distinción clara entre estas tres propiedades.
- La temperatura está relacionada con las energías cinéticas de las moléculas de un material. Es la energía cinética promedio de las moléculas individuales.
- La energía interna se refiere a la energía total de todas las moléculas dentro del objeto. Es una propiedad extensa , por lo tanto, cuando dos lingotes de acero de masa igual pueden tener la misma temperatura, pero dos de ellos tienen el doble de energía interna que uno.
- Finalmente, el calor es la cantidad de energía que fluye de un cuerpo a otro de forma espontánea debido a su diferencia de temperatura.
Debe agregarse, cuando existe una diferencia de temperatura , el calor fluye espontáneamente del sistema más cálido al sistema más frío . Por lo tanto, si un cubo de acero de 5 kg a 100 ° C se pone en contacto con un cubo de acero de 500 kg a 20 ° C, el calor fluye desde el cubo a 300 ° C al cubo a 20 ° C, aunque la energía interna del cubo de 20 ° C es mucho mayor porque hay mucho más.
Un concepto particularmente importante es el equilibrio termodinámico . En general, cuando dos objetos se ponen en contacto térmico , el calor fluirá entre ellos hasta que se equilibren entre sí.
Densidad de flujo de calor – Flujo térmico
La tasa de transferencia de calor por unidad de área normal a la dirección de transferencia de calor se denomina flujo de calor . A veces también se conoce como densidad de flujo de calor . En SI sus unidades son vatios por metro cuadrado ( Wm −2 ). Tiene una dirección y una magnitud, por lo que es una cantidad vectorial. El flujo de calor promedio se expresa como:
donde A es el área de transferencia de calor. La unidad de flujo de calor en unidades inglesas es Btu / h · ft 2 . Tenga en cuenta que el flujo de calor puede variar con el tiempo, así como la posición en una superficie.
En los reactores nucleares, las limitaciones del flujo de calor local son de la mayor importancia para la seguridad del reactor . Como el combustible nuclear consiste en barras de combustible, el flujo de calor se define en unidades de W / cm (densidad de flujo de calor lineal local) o kW / barra (potencia por barra de combustible).
Ver también: densidad de flujo de calor
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