Transferencia de calor: Conducción

El calor solamente se transfiere entre dos o más sólidos y es el resultado de la energía cinética molecular. Supongamos que se ponen en contacto dos cuerpos a diferentes temperaturas, el cuerpo más caliente es el portador de las moléculas más veloces y durante el contacto, parte de este movimiento lo cede al que está a una temperatura más baja.

Transcurrido un tiempo determinado, las moléculas de ambos cuerpos se moverán con la misma velocidad, puesto que las moléculas más rápidas transfieren parte de su energía a las más lentas, logrando un equilibrio. Éste es el equilibrio térmico. Profundicemos en esta brillante temática.

La ecuación

La ecuación para determinar la velocidad del flujo de calor en un material con diferencia de temperatura por conducción seria:

dQ/dt = kA(T1-T2)/d

Donde:

• dQ/dt : es la velocidad del flujo de calor
• k : La conductividad térmica (mientras mayor es este valor, el material será mejor conductor de calor)
• A : El área superficial, que es perpendicular al la dirección en que fluye el calor
• d : Es el grosor del material
• T1-T2 : Son las temperaturas en los extremos del material

Ver también: ¿Qué es la convección?

Finalidades de la ecuación

Esta ecuación describe la velocidad del flujo para un solo bloque o material, pero existe infinidad de uniones para el diseño con materiales de diferentes conductividades térmicas. Aunque esta diferencia es muy pequeña para los diferentes conductores, es necesario considerar que aquellos que son aislantes, también son pésimos conductores y no conducen el calor.

Los aislantes poseen pocos electrones y estos se mueven libremente, convirtiéndolos en pobres conductores del calor. Por otro lado, los metales tienen muchos electrones que permanecen separados de las moléculas y átomos, lo que los convierte en excelentes conductores de calor. De este modo, decimos entonces que los materiales se se pueden distinguir en conductores y aislantes.

Ver también: ¿Por qué los metales son buenos conductores de electricidad?

Una condición interesante que es importante mencionar es que con el cambio de fase, las sustancias pierden conductividad, puesto que sus moléculas no pueden interactuar a distancia e intercambiar su energía cinética molecular.

En la fase sólida, las moléculas se encuentran muy cerca las unas de las otras y esto permite el intercambio mutuo de energía. Sin embargo, en el estado líquido, las moléculas están bastante separadas y el intercambio de energía resulta deficiente.

Por último, en la fase gaseosa, las moléculas están aún más separadas y ya no interactúan por un medio estático. Es la razón por la cual su mecanismo de transferencia recibe el nombre de convección. 

La conductividad en los sólidos (metales) es útil cuando necesitamos calentar materiales, pero al transferir calor desde un depósito de alta temperatura, para realizar un trabajo necesario, resultan pérdidas de energía de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica. En tal caso, esta es la razón por la que siempre existe el depósito de baja temperatura.

Ver también: La segunda ley de la termodinámica

En una máquina térmica en donde el calor se transfiere hacia la estructura interna de la máquina por conducción y pasa al medio ambiente por convección, ya no llega a transformar todo el calor en trabajo útil y resulta en energía que se pierde. El medio ambiente es el deposito de baja temperatura.

Complejo, pero sumamente útil e interesante. ¿No es así? ¿Qué opinas? ¿Te gustaría incluir algún aporte? Pues recuerda que puedes hacerlo debajo, sobre el pie de página, en la sección de comentarios.