Fundamentos de la Termodinámica Industrial: Transferencia de Calor y Medición de Temperatura

Conceptos Fundamentales de Calor y Temperatura

1. Equilibrio Térmico

El Equilibrio Térmico se alcanza cuando dos cuerpos que inicialmente poseen temperaturas diferentes intercambian energía hasta que sus temperaturas se igualan. Por ejemplo: si ponemos hierro a 80 ºC con agua a 15 ºC, el hierro cede calor (se enfría) y el agua absorbe calor (se calienta), hasta que se transfiere toda la energía térmica y sus temperaturas finales son idénticas.

2. La Subjetividad de la Sensación Térmica

Diferentes personas pueden experimentar sensaciones térmicas distintas, ya que las nociones de caliente y frío dependen de las sensaciones que nos proporcionan nuestros sentidos. Para ilustrarlo podemos realizar la siguiente experiencia: con ayuda de un termómetro, colocamos tres recipientes con agua a diferentes temperaturas:

• Recipiente 1: 0 ºC.
• Recipiente 2: 10 ºC.
• Recipiente 3: 25 ºC.

3. Cambios de Estado de la Materia

Los cambios de estado se clasifican según el intercambio de calor:

Cambios Progresivos (Absorción de Calor)

Se producen cuando se suministra calor a un cuerpo:

• Fusión: Sólido a Líquido.
• Vaporización: Líquido a Gas.
• Sublimación: Sólido a Gas.

Cambios Regresivos (Desprendimiento de Calor)

Se realizan con desprendimiento de calor por parte del cuerpo:

• Condensación: Gas a Líquido.
• Solidificación: Líquido a Sólido.
• Sublimación Regresiva (o Deposición): Gas a Sólido.

Ciclo de estados: Sólido (Fusión) Líquido (Vaporización) Gas; Gas (Condensación) Líquido (Solidificación) Sólido; Sólido (Sublimación) Gas (Sublimación Regresiva) Sólido.

5. El Termómetro y la Medición de Temperatura

El termómetro es el instrumento utilizado para medir la temperatura. Su funcionamiento se basa en el efecto que produce la variación de la temperatura en alguna característica física de un cuerpo, como por ejemplo:

• La variación de volumen de un líquido.
• La presión de un gas.
• La resistencia eléctrica de un conductor.

Los termómetros más comunes están basados en la dilatación o contracción que sufre un líquido contenido en su interior.

Mecanismos de Transferencia de Calor

6. Conducción

Es el mecanismo mediante el cual se propaga el calor a través de los sólidos, debido al contacto directo entre partículas, sin transporte de materia.

7. Convección

Es el mecanismo mediante el cual se propaga el calor en los fluidos (líquidos y gases), debido al movimiento de las masas calientes dentro del fluido.

8. Radiación

Es el mecanismo de transmisión de calor que ocurre sin que participe un medio material, propagándose a través de ondas electromagnéticas (como el calor del sol).

9. Conductores y Aislantes Térmicos

A) Conductores Térmicos

Son materiales que conducen bien el calor de un punto a otro. En general, todos los metales, como el oro, la plata, el hierro, etc., son buenos conductores del calor. Los materiales conductores producen sensaciones intensas de frío o calor al tocarlos, debido a que en estos materiales el intercambio de energía se produce a gran velocidad.

B) Aislantes Térmicos

Son materiales que no conducen bien el calor. Suelen ser porosos o fibrosos, con aire en su interior, como la madera o el plástico. El aire es un excelente aislante. Ello explica la eficacia que tienen, por ejemplo, la ropa de lana y las ventanas con doble cristal para evitar la transmisión de calor por conducción.

10. Receptores de la Sensación Térmica (Termorreceptores)

A) Corpúsculos de Ruffini (Detección de Calor)

Detectan sensaciones de calor. Se hallan en la zona profunda de la piel y son estimulados por temperaturas superiores a la de la piel. Abundan en la cara.

B) Corpúsculos de Krause (Detección de Frío)

Detectan sensaciones de frío. Son más abundantes que los de Ruffini (hay unos 260 000 extendidos por todo el cuerpo). Por ello, las personas somos más sensibles al frío que al calor. Abundan en la espalda, parte del cuerpo más sensible al frío.