CALOR, TEMPERATURA Y TRANSMISIÓN DE CALOR
Temario bomberos: Naturaleza del fuego
1. Diferencia entre calor y temperatura.
2. La transmisión de calor.
2.1 Transmisión de calor por conducción.
2.2 Transmisión de calor por convección.
2.3 Transmisión de calor por radiación.
2.4 Contacto directo de la llama.
2. La transmisión de calor.
2.1 Transmisión de calor por conducción.
2.2 Transmisión de calor por convección.
2.3 Transmisión de calor por radiación.
2.4 Contacto directo de la llama.
1. DIFERENCIA ENTRE CALOR Y TEMPERATURA
Para no confundir el calor con la temperatura, vamos a dar unos ejemplos:
Supongamos que dentro de una habitación existe una pieza de metal y otra de madera; las dos están a la misma temperatura (t) de la habitación. Sin embargo, si tómanos la pieza de metal, notaremos una sensación de frío, de más frío que si tocamos la pieza de madera.
Dispongamos dos recipientes con distintas cantidades de agua. Calentamos ambos hasta que el agua alcanza una temperatura de 30º C. El agua de los dos recipientes tendrá por tanto la misma temperatura, sin embargo el recipiente con mas cantidad de agua habrá necesitado más cantidad de calor para alcanzar esos grados.
" Calor y temperatura son conceptos diferentes "
Dispongamos ahora de una jarra de agua caliente (temperatura alta) y de una jarra de agua helada (temperatura baja). Mezclamos el agua de las jarras. La temperatura más alta cede calor a la de temperatura más baja, hasta que todo el conjunto queda con la misma.
LA TEMPERATURA: indica el nivel de calor (no la cantidad pues este depende también de la masa) de los cuerpos.
CALOR: Para los profesionales lo más importante es el calor. No existe una definición concreta, pero si se saben los efectos e importancia a la hora de hablar del fuego.
El calor, o energía térmica, se transmite por tres mecanismos diferentes:
Decimos que el calor alcanza el extremo frío de la barra por conducción a lo largo o a través de la sustancia que lo forma. Las moléculas del extremo caliente aumentan la violencia de su vibración si se eleva la temperatura de dicho extremo. Entonces, cuando chocan con sus vecinas que se mueven más lentamente, parte de su energía cinética es compartida con ellas, que la transmite a su vez a las situadas más lejos de la llama.
Por consiguiente, la energía de la agitación térmica se transmite a lo largo de la barra de una molécula a otra, si bien cada molécula permanece en su posición inicial.
Es bien sabido que los metales son buenos conductores de la electricidad y asimismo buenos conductores del calor. La aptitud de los metales para conducir la corriente eléctrica es debida al hecho de que en su interior haya electrones llamados libres, esto es, electrones que se han desprendido de los átomos de donde procedían.
Los electrones libres toman parte también en la propagación del calor y son causa de que los metales vean tan buenos conductores de aquel; en efecto, lo mismo que las moléculas, participan en el proceso de transmitir la energía térmica de las partes más calientes a las más frías del metal.
La conducción del calor puede únicamente tener lugar cuando las distintas partes del cuerpo se encuentran a temperaturas diferentes, y la dirección de flujo calorífico es siempre de los puntos de mayor a los de menor temperatura.
A veces la definición de igualdad o desigualdad de temperaturas se basa en el fenómeno del flujo calorífico; esto es, si el calor pasa de un cuerpo a otro cuanto ambos se encuentran en contacto, la temperatura del primero es, por definición, mayor que la del segundo, y si no hay paso de calor del uno al otro, sus temperaturas son iguales.
Experimentalmente se ha encontrado que: la cantidad de calor que atraviesa una superficie es directamente proporcional a dicha superficie y a la diferencia de temperaturas, e inversamente proporcional al espesor.
La constancia de proporcionalidad es el coeficiente de conductividad térmica del material, K.
Cuanto mayor sea la conductividad térmica, K, tanto mayor será la cantidad de calor que pase por unidad de tiempo, si los demás factores permanecen iguales.
Una sustancia para la cual K es grande es un buen conductor, mientras que si K es pequeño, el material es un mal conductor o un buen aislante.
No hay ninguna sustancia que sea conductor perfecto (K = 1) o aislante perfecto (K = 0).
La tabla 7, en la que figuran algunos valores típicos de la conductividad térmica, demuestra que los metales forman un grupo que tiene mucha mayor conductividad térmica que los no metales.
Para que tenga lugar la transmisión de calor por conducción, es imprescindible la presencia de materia, ya que como se ha indicado anteriormente, el calor se transmite por las vibraciones de las moléculas.
Cuanto mayor es el grado de disgregación de la materia, menor es la conducción de calor, que se transmite mejor en los sólidos que en los líquidos, y en éstos mejor que en los gases.
"En el vacío absoluto el calor no se transmite por conducción"
Son ejemplos de estos la estufa de aire caliente y el sistema de calefacción por agua caliente.
Si la sustancia no es obligada a moverse por un ventilador o una bomba, el proceso se denomina convención natural o libre.
Para comprender esto último, consideremos un tubo en U como el representado en la siguiente figura:
En (a) el agua está a la misma temperatura en ambas ramas del tubo en U y, por consiguiente, alcanza el mismo nivel en cada una.
En (b) se ha calentado la rama derecha del tubo en U.
El agua en esta rama se dilata y, por consiguiente, siendo de menor densidad, se necesita una columna de más longitud para equilibrar la presión producida por el agua fría de la columna izquierda. Podemos abrir ahora la espita, y el agua pasará desde la parte superior de la columna caliente a la columna fría.
Esto aumentará la presión en el fondo de la U del lado de agua caliente, por lo cual en el fondo de la U el agua es forzada a pasar del lado frío al lado caliente y sustraemos calor del lado frío, la circulación se mantiene por sí misma.
El resultado, en definitiva, es una propagación continua de calor del lado caliente al f río. En el sistema doméstico usual de calefacción por agua caliente, el lado frío corresponde a los radiadores y el lado caliente a la caldera.
La teoría matemática de la convección del calor es muy complicada y no existe ninguna ecuación sencilla para la convección, como la que hay para la conducción. Esto es debido al hecho de que el calor ganado o perdido por una superficie a determinada temperatura, en contacto con un fluido a otra temperatura distinta, depende de muchas circunstancias, a saber:
1. De que la superficie sea plana o curva.
2. De que sea horizontal o vertical.
3. De que el fluido en contacto con la superficie sea un líquido o un gas.
4. De la densidad, viscosidad, calor específico y conductividad térmica del fluido.
5. De que la velocidad del fluido sea suficientemente pequeña para producir un régimen laminar o lo bastante grande para originar un régimen turbulento.
6. De si tiene lugar evaporación, condensación o formación de películas.
"La expresión radiación se refiere a la emisión continua de energía desde la superficie de todos los cuerpos"
Esta energía se denomina energía radiante y se encuentra en forma de ondas electromagnéticas que se propagan con la velocidad de la luz y se transmiten a través del vacío lo mismo que a través del aire. (En realidad mejor que en el aire, puesto que son absorbidas por éste en cierta proporción. Cuando inciden sobre un cuerpo que no es transparente a ellas, como la superficie de la mano o las paredes de la habitación, son absorbidas y su energía es transformada en calor.
La energía radiante emitida por una superficie por unidad de tiempo y por unidad de área, depende de la naturaleza de la superficie y de su temperatura. A bajas temperaturas, la radiación por unidad de tiempo es pequeña y la energía radiante es casi toda ella de longitud de onda relativamente grande.
Cuando la temperatura aumenta, la radiación por segundo, crece muy rápidamente, siendo proporcional a la cuarta potencia de la temperatura; por ejemplo, un bloque de cobre a una temperatura de 100'C (373'K) irradia aproximadamente 300.000 ergios/seg., o sea, 0,03 w por cada centímetro cuadrado de su superficie.
A la temperatura de 500ºC (773'K) emite aproximadamente 0,54 w por centímetro cuadrado, y a 1000ºC (1273'K) irradia alrededor de 4 w/cm2. Esta cantidad es 130 veces mayor que la emitida a la temperatura de 100ºC.
Para cada una de estas temperaturas, la energía radiante emitida es una mezcla de ondas de distintas longitudes.
A la temperatura de 100ºC, la más intensa de estas ondas, tiene una longitud de 5 x 10 cm, aproximadamente; para longitudes de onda mayores o menores que este valor, la intensidad disminuye.
Es evidente que esta cantidad de energía radiada por segundo aumenta rápidamente con la temperatura, y también que la longitud de onda correspondiente a la onda más intensa se desplaza hacia la izquierda, o sea hacia las longitudes de onda más cortas al elevarse la temperatura.
A una temperatura de 300ºC, toda la energía radiante emitida por un cuerpo es transportada prácticamente por ondas de más longitud que la correspondiente a la luz roja. Tales ondas se denominan infrarrojas, por corresponder a frecuencias inferiores al rojo.
Cuando una sustancia se calienta hasta emitir vapores inflamables, estos pueden entrar en combustión y así sucesivamente.
Supongamos que dentro de una habitación existe una pieza de metal y otra de madera; las dos están a la misma temperatura (t) de la habitación. Sin embargo, si tómanos la pieza de metal, notaremos una sensación de frío, de más frío que si tocamos la pieza de madera.
Dispongamos dos recipientes con distintas cantidades de agua. Calentamos ambos hasta que el agua alcanza una temperatura de 30º C. El agua de los dos recipientes tendrá por tanto la misma temperatura, sin embargo el recipiente con mas cantidad de agua habrá necesitado más cantidad de calor para alcanzar esos grados.
Dispongamos ahora de una jarra de agua caliente (temperatura alta) y de una jarra de agua helada (temperatura baja). Mezclamos el agua de las jarras. La temperatura más alta cede calor a la de temperatura más baja, hasta que todo el conjunto queda con la misma.
LA TEMPERATURA: indica el nivel de calor (no la cantidad pues este depende también de la masa) de los cuerpos.
CALOR: Para los profesionales lo más importante es el calor. No existe una definición concreta, pero si se saben los efectos e importancia a la hora de hablar del fuego.
2. LA TRANSMISIÓN DE CALOR
En el estudio del fuego, es muy importante que sepamos como actúa el calor y como se transmite, dado que es la causa predominante de los incendios y expansión de los mismos.El calor, o energía térmica, se transmite por tres mecanismos diferentes:
- conducción
- convección
- radiación
Transmisión de calor por conducción: Ley de Fourier
Si un extremo de una barra metálica se coloca en una llama mientras el otro se sostiene con la mano, se observará que esta parte de la barra se va calentando cada vez más, aunque no está en contacto directo con la llama.
Por consiguiente, la energía de la agitación térmica se transmite a lo largo de la barra de una molécula a otra, si bien cada molécula permanece en su posición inicial.
Es bien sabido que los metales son buenos conductores de la electricidad y asimismo buenos conductores del calor. La aptitud de los metales para conducir la corriente eléctrica es debida al hecho de que en su interior haya electrones llamados libres, esto es, electrones que se han desprendido de los átomos de donde procedían.
Los electrones libres toman parte también en la propagación del calor y son causa de que los metales vean tan buenos conductores de aquel; en efecto, lo mismo que las moléculas, participan en el proceso de transmitir la energía térmica de las partes más calientes a las más frías del metal.
La conducción del calor puede únicamente tener lugar cuando las distintas partes del cuerpo se encuentran a temperaturas diferentes, y la dirección de flujo calorífico es siempre de los puntos de mayor a los de menor temperatura.
A veces la definición de igualdad o desigualdad de temperaturas se basa en el fenómeno del flujo calorífico; esto es, si el calor pasa de un cuerpo a otro cuanto ambos se encuentran en contacto, la temperatura del primero es, por definición, mayor que la del segundo, y si no hay paso de calor del uno al otro, sus temperaturas son iguales.
Experimentalmente se ha encontrado que: la cantidad de calor que atraviesa una superficie es directamente proporcional a dicha superficie y a la diferencia de temperaturas, e inversamente proporcional al espesor.
La constancia de proporcionalidad es el coeficiente de conductividad térmica del material, K.
Cuanto mayor sea la conductividad térmica, K, tanto mayor será la cantidad de calor que pase por unidad de tiempo, si los demás factores permanecen iguales.
Una sustancia para la cual K es grande es un buen conductor, mientras que si K es pequeño, el material es un mal conductor o un buen aislante.
No hay ninguna sustancia que sea conductor perfecto (K = 1) o aislante perfecto (K = 0).
La tabla 7, en la que figuran algunos valores típicos de la conductividad térmica, demuestra que los metales forman un grupo que tiene mucha mayor conductividad térmica que los no metales.
Para que tenga lugar la transmisión de calor por conducción, es imprescindible la presencia de materia, ya que como se ha indicado anteriormente, el calor se transmite por las vibraciones de las moléculas.
Cuanto mayor es el grado de disgregación de la materia, menor es la conducción de calor, que se transmite mejor en los sólidos que en los líquidos, y en éstos mejor que en los gases.
Transmisión de calor por convección: Ley de enfriamiento de Newton
La expresión convección se aplica a la propagación del calor de un lugar a otro por un movimiento real de la sustancia caliente.Son ejemplos de estos la estufa de aire caliente y el sistema de calefacción por agua caliente.
Si la sustancia no es obligada a moverse por un ventilador o una bomba, el proceso se denomina convención natural o libre.
Para comprender esto último, consideremos un tubo en U como el representado en la siguiente figura:
En (b) se ha calentado la rama derecha del tubo en U.
El agua en esta rama se dilata y, por consiguiente, siendo de menor densidad, se necesita una columna de más longitud para equilibrar la presión producida por el agua fría de la columna izquierda. Podemos abrir ahora la espita, y el agua pasará desde la parte superior de la columna caliente a la columna fría.
Esto aumentará la presión en el fondo de la U del lado de agua caliente, por lo cual en el fondo de la U el agua es forzada a pasar del lado frío al lado caliente y sustraemos calor del lado frío, la circulación se mantiene por sí misma.
El resultado, en definitiva, es una propagación continua de calor del lado caliente al f río. En el sistema doméstico usual de calefacción por agua caliente, el lado frío corresponde a los radiadores y el lado caliente a la caldera.
La teoría matemática de la convección del calor es muy complicada y no existe ninguna ecuación sencilla para la convección, como la que hay para la conducción. Esto es debido al hecho de que el calor ganado o perdido por una superficie a determinada temperatura, en contacto con un fluido a otra temperatura distinta, depende de muchas circunstancias, a saber:
1. De que la superficie sea plana o curva.
2. De que sea horizontal o vertical.
3. De que el fluido en contacto con la superficie sea un líquido o un gas.
4. De la densidad, viscosidad, calor específico y conductividad térmica del fluido.
5. De que la velocidad del fluido sea suficientemente pequeña para producir un régimen laminar o lo bastante grande para originar un régimen turbulento.
6. De si tiene lugar evaporación, condensación o formación de películas.
Transmisión de calor por radiación: Ley de Stefan-Boltzmann
Cuando colocamos la mano en contacto directo con un radiador de calefacción de agua caliente o vapor, el calor alcanza la mano por conducción, a través de las paredes de radiador. Si la mano se mantiene ahora encima del radiador, pero no en contacto con él, el calor alcanza la mano por medio de un movimiento de convecci6n hacía arriba de las corrientes de aire. Si se coloca la mano a un lado del radiador todavía se calienta, aunque no está en la trayectoria de las corrientes de convección. La energía llega ahora a la mano por radiación.Esta energía se denomina energía radiante y se encuentra en forma de ondas electromagnéticas que se propagan con la velocidad de la luz y se transmiten a través del vacío lo mismo que a través del aire. (En realidad mejor que en el aire, puesto que son absorbidas por éste en cierta proporción. Cuando inciden sobre un cuerpo que no es transparente a ellas, como la superficie de la mano o las paredes de la habitación, son absorbidas y su energía es transformada en calor.
La energía radiante emitida por una superficie por unidad de tiempo y por unidad de área, depende de la naturaleza de la superficie y de su temperatura. A bajas temperaturas, la radiación por unidad de tiempo es pequeña y la energía radiante es casi toda ella de longitud de onda relativamente grande.
Cuando la temperatura aumenta, la radiación por segundo, crece muy rápidamente, siendo proporcional a la cuarta potencia de la temperatura; por ejemplo, un bloque de cobre a una temperatura de 100'C (373'K) irradia aproximadamente 300.000 ergios/seg., o sea, 0,03 w por cada centímetro cuadrado de su superficie.
A la temperatura de 500ºC (773'K) emite aproximadamente 0,54 w por centímetro cuadrado, y a 1000ºC (1273'K) irradia alrededor de 4 w/cm2. Esta cantidad es 130 veces mayor que la emitida a la temperatura de 100ºC.
Para cada una de estas temperaturas, la energía radiante emitida es una mezcla de ondas de distintas longitudes.
A la temperatura de 100ºC, la más intensa de estas ondas, tiene una longitud de 5 x 10 cm, aproximadamente; para longitudes de onda mayores o menores que este valor, la intensidad disminuye.
Es evidente que esta cantidad de energía radiada por segundo aumenta rápidamente con la temperatura, y también que la longitud de onda correspondiente a la onda más intensa se desplaza hacia la izquierda, o sea hacia las longitudes de onda más cortas al elevarse la temperatura.
A una temperatura de 300ºC, toda la energía radiante emitida por un cuerpo es transportada prácticamente por ondas de más longitud que la correspondiente a la luz roja. Tales ondas se denominan infrarrojas, por corresponder a frecuencias inferiores al rojo.
Contacto directo de la llama
El calor también es transmitido por contacto con la llama.Cuando una sustancia se calienta hasta emitir vapores inflamables, estos pueden entrar en combustión y así sucesivamente.
