El Tamiz

Si no eres parte de la solución eres parte del precipitado

[Termodinámica I] Conducción, convección y radiación

Nuestra primera introducción a la Termodinámica nos ha llevado a describir los sistemas termodinámicos, a explicar el concepto de temperatura, el de equilibrio térmico y las consecuencias de su desequilibrio y, finalmente, los estados de agregación y los cambios de fase. Como espero que recuerdes, al hablar del desequilibrio térmico, llegamos a la conclusión de que ese desequilibrio produce una transferencia de energía térmica, el calor, y mencionamos una manera básica en la que se transfiere la energía térmica. Hoy nos fijaremos más cuidadosamente en cómo se produce esa transferencia, hablando sobre los tres mecanismos fundamentales de transmisión de energía térmica: conducción, convección y radiación.

Por cierto, antes de seguir, repito mi aviso perenne en esta serie: está muy bien que aprendas términos comunes en Termodinámica, como los tres con los que acaba el párrafo anterior y a los que nos dedicaremos hoy, pero no olvides que, como todos los demás, son maneras de dividir las cosas en compartimentos, con lo que idealizan el mundo y no todo se ajusta exactamente a un concepto u otro. Sé que es repetitivo, pero me parece necesario decirlo antes de soltar una retahíla de nombres que pueden sonar grandilocuentes, pero no deberían intimidarte.

Las buenas noticias son que este artículo es, en gran parte, la consecuencia lógica de los dos anteriores: si comprendiste el concepto de calor y, tras el absurdo ejemplo de las personas en una fiesta, te quedaron claras las diferencias fundamentales entre sólido, líquido y gas, simplemente hará falta que razonemos juntos y tendremos casi todo el artículo de hoy listo y asimilado. ¿Preparado? Pues vamos con ello.


Conducción

Si recuerdas el artículo acerca del calor, allí hablamos de cómo, inevitablemente, si dos sistemas diferentes tenían temperaturas distintas –o dos partes de un mismo sistema, ya que la propia definición de sistema es arbitraria–, se tendía al equilibrio térmico de manera lógica. Las partículas que se movían más deprisa empujaban a las más lentas y al revés, pero las más lentas recibían más energía de la que perdían, con lo que la energía cinética se transfería, al final y de manera neta, de las más rápidas –partes más calientes– a las más lentas –partes más frías–. ¿Te acuerdas de los generosos dadivitas? No voy a repetir todo esto en detalle, porque creo que a estas alturas está superado.

Bien: aquello de lo que hablamos entonces, aunque no le dimos un nombre, era la transferencia por conducción, es decir, debido a la interacción directa entre partículas (moléculas, átomos, lo que sea). Es una consecuencia directa de la naturaleza de la temperatura a nivel microscópico como energía cinética de cada molécula. Y, ahora que sabes cómo suele denominarse a ese fenómeno, y puesto que el mecanismo básico ya lo describimos hace tiempo, entremos en los detalles, que son muchas veces lo más interesante de todo.

Para empezar, como puedes comprender, la conducción no es igual de eficaz en todas las circunstancias, sino que depende de varios factores. Comprender cuáles son es muy útil cuando queremos influir sobre ella, ya sea para hacerla más rápida (por ejemplo, si tenemos calor y queremos enfriarnos) o más lenta (si vamos a dormir en el campo y no queremos pasar frío), más allá de la propia curiosidad científica. Hablaremos aquí de los tres factores más importantes que afectan a la conducción.

El primero de los factores de los que depende la eficacia de la conducción, como debería resultar lógico, es de la diferencia de temperatura. De hecho, ya hemos puesto de manifiesto este hecho de manera práctica en el Desafío 3 de los dadivitas: puesto que la energía que transfiere una partícula al chocar es tanto mayor cuanto más rápido se mueve, si dos sistemas tienen temperaturas muy diferentes, la energía se transferirá muy rápido entre ellos, pues cada choque supondrá una transmisión de energía enorme.

Por el contrario, si ambos sistemas tienen temperaturas muy parecidas, cada partícula proporcionará más o menos la misma energía por choque de la que recibe a su vez, con lo que el cambio neto será lento. No quiero detenerme demasiado en este primer factor, puesto que ya lo hemos mencionado y es –creo– sencillo de asimilar. Si ponemos en contacto dos ladrillos a temperaturas diferentes, en el caso de arriba hay una transferencia más suave de energía, y en el de abajo, debido a la mayor diferencia de temperatura, una transferencia más violenta (he intentado representar la diferencia con el tamaño de la flecha y el texto):

Efecto de la temperatura sobre la conducción

El segundo factor también es bastante intuitivo: la superficie de contacto. Puesto que el calor se transfiere al chocar partículas, cuantas más partículas choquen cada segundo, más rápido se producirá la transferencia. Si ponemos en contacto dos ladrillos a temperaturas distintas, en el caso de abajo habrá más partículas interaccionando que en el de arriba, con lo que la transmisión será más rápida y las temperaturas se igualarán antes:

Efecto de la superficie sobre la conducción

Observa la diferencia esencial entre estos dos factores, aunque el efecto sea una conducción más o menos rápida: si la diferencia de temperatura entre los ladrillos es mayor, habrá una mayor transmisión neta de energía en cada choque, mientras que si la superficie de contacto es mayor, habrá un mayor número de choques. Naturalmente, es posible combinar ambos factores (una gran diferencia de temperatura y una gran superficie de contacto) para producir un efecto combinado (una gran transmisión de energía por cada choque y un gran número de choques).

Es importante comprender esto porque, a menudo, no es posible controlar la diferencia de temperatura, pero sí la superficie de contacto. Por ejemplo, cuando tenemos frío, nos acurrucamos, minimizando la superficie de contacto con nuestro entorno, mientras que si tenemos calor extendemos las extremidades lo más posible para –inconscientemente– hacer que interaccionen el mayor número posible de moléculas de nuestro cuerpo con el exterior. Entender el efecto de la superficie sobre el flujo térmico es importante, por poner otro ejemplo, para diseñar sistemas de refrigeración; estoy convencido de que, si piensas sobre ello ahora que comprendes el fundamento, encontrarás multitud de situaciones en las que, sin saber física, nos comportamos de la manera más eficaz para maximizar o minimizar el flujo térmico a través de la superficie de contacto.

Fraccionamiento y cambio de temperatura

Una consecuencia inmediata de lo que acabamos de ver es el hecho de que no cambia de temperatura igual de rápido una hamburguesa de 200 gramos que dos hamburguesas de 100 gramos. La razón es que, aunque la cantidad de carne sea la misma, la superficie de contacto con el entorno, a través de la cual las hamburguesas pierden energía térmica según se enfrían, es mayor en el caso de dos hamburguesas de 100 gramos que de una de 200 gramos.

De ahí que, cuando queremos enfriar algo, intentemos fraccionarlo y dispersarlo lo más posible: para aumentar la superficie de interacción con el entorno, de modo que muchas partículas estén transfiriendo energía a la vez y el proceso sea lo más rápido posible. Y también de ahí que, si queremos hacer lo contrario, cuanto menos fraccionamiento, mejor.

Finalmente, el tercer factor es el más sutil pero creo que también te resultará intuitivo; se trata de la naturaleza de los sistemas. La cuestión está en que, en algunos cuerpos, las partículas están muy cerca unas de otras y muy íntimamente unidas; dado que la conducción se basa en la interacción entre ellas, cuanto más unidas y más cercanas están las partículas que componen un sistema, mayor es el número de interacciones y, por lo tanto, más rápida la transferencia de energía térmica. La capacidad de una sustancia de transmitir energía térmica por conducción se denomina conductividad térmica y, cuanto mayor sea, más eficaz es la conducción a través de esa sustancia.

Aquí nos viene de perlas la analogía con la fiesta que utilizamos en el artículo anterior para explicar los estados de agregación. Los sólidos son, en general, excelentes conductores del calor, puesto que las partículas que los componen son muchas y muy “sociables”: hay un enorme número de choques entre ellas para un volumen determinado. Los líquidos son algo peores, dado que suelen ser menos densos y, además, los lazos entre partículas son menos intensos. Y los gases, esos “aislados sociales”, son terribles en cuanto a la conducción se refiere, puesto que tienen una densidad baja en general, y además las interacciones son relativamente débiles comparadas con la velocidad de las partículas. De ahí que la conductividad, prácticamente siempre, sea mayor en los sólidos que en los líquidos, y en éstos que en los gases.

Podría parecer entonces que los únicos sistemas en los que la transmisión de energía térmica es eficaz es en los sólidos densos, pero esto no es así. Irónicamente, la relativa libertad de movimiento de los fluidos les proporciona una ventaja respecto a los sólidos que, aunque no suele compensar completamente la mala conductividad de los fluidos, hace que la transferencia de calor sea muchísimo mayor de lo que sería sin esa libertad de movimiento… pero es que los fluidos hacen trampa.


Convección

Para comprender en qué consiste esa “trampa”, imagina una multitud de dadivitas en una habitación. Los dadivitas cerca de un extremo de la sala tienen mucho dinero cada uno (en términos termodinámicos, alta temperatura), mientras que los del otro extremo tienen poco dinero; en el dibujo hemos representado los dadivitas “pobres” en azul, y los “ricos” en amarillo. Si estuviéramos hablando de moléculas, la parte izquierda de la habitación estaría fría, y la de la derecha, caliente:

Convección 1

Mediante la conducción, para lograr igualar la situación, tendríamos que esperar a que cada dadivita fuera interaccionando con los que tiene cerca, dando y recibiendo dinero, de modo que el dinero se fuera transmitiendo, de dadivita a dadivita, hasta estar más o menos repartido por toda la habitación. Esto, como hemos dicho antes, sería un proceso bastante eficaz si se trata de un sistema buen conductor térmico –en términos dadivitas, si las criaturas se pasan el dinero rápidamente unas a otras–, pero no si se trata de un fluido con pocos dadivitas y que no interaccionan a menudo.

Pero hay otra manera de homogeneizar la situación que no requiere de intercambios de dinero. Si los dadivitas pueden moverse libremente por la habitación, como las moléculas de un fluido, no habrá más que esperar a que vayan mezclándose en sus movimientos aleatorios por la sala, hasta que la estadística siga su curso y haya más o menos la misma cantidad de dadivitas “ricos” que “pobres” en cada parte de la habitación. Recuerda, por cierto, que en el dibujo hay pocos dadivitas, pero en cualquier sistema termodinámico macroscópico, como el aire de una habitación, hay una infinidad de partículas, con lo que, como dijimos al empezar el bloque, la estadística funciona estupendamente bien. Al pasar un rato, tendríamos esto:

Convección 2

La habitación termina, igual que hubiera sucedido mediante la conducción, sin extremos de temperatura en ambos lados, pero no porque haya habido un trasvase directo de energía térmica entre partículas (o de dinero entre dadivitas), sino por el propio movimiento de las partículas. Pero, para que esto funcione, claro está, hace falta que exista esa libertad de movimiento, algo que sólo sucede, por definición, en los fluidos.

Y eso es precisamente la convección: la transmisión de energía térmica en un fluido mediante el movimiento del propio fluido. Cuanto mayor sea la libertad de movimiento, más eficaz será la convección, con lo que funciona excelentemente en un gas, algo peor en un líquido y horriblemente mal en un sólido –de hecho, en un sólido ideal no funciona en absoluto porque no existe libertad de movimiento–. No olvides tampoco que, en los dibujos de arriba, hemos ignorado la conducción y supuesto que sólo se produce movimiento de los dadivitas, pero en los fluidos también hay conducción, además de convección: simplemente se trata de una conducción no demasiado eficaz en general.

¡Ojo! Hay más de un significado de “convección”

Se trata de una sutileza, pero dependiendo de la disciplina de que se trate, la palabra convección significa cosas muy similares pero no exactamente iguales. A lo largo de este artículo, como sucede en general en textos de Termodinámica, la palabra significa un modo específico de transmisión de energía térmica, por el movimiento de un fluido.

Sin embargo, en Mecánica de fluidos, la palabra convección no tiene por qué involucrar diferentes temperaturas ni transferencia de energía térmica, sino que se refiere al movimiento de un fluido en general. Puedes pensar en ello como, en un caso, el movimiento en sí, y en el otro una de las posibles consecuencias de ese movimiento. O, si te ayuda, puedes considerar que en Termodinámica, cuando decimos convección lo que queremos decir realmente es transmisión de energía térmica debida a la convección del fluido, si estuviéramos hablando en términos de Mecánica.

Si la convección simplemente funcionara como hemos dicho arriba –por el movimiento aleatorio de “mezcla” de las propias partículas que componen el sistema– seguiría siendo un proceso muy lento y, de hecho, a veces sucede exactamente así y no se gana mucha eficacia respecto a la conducción pura. Pero muchas otras veces la convección se produce “a lo bestia”, con movimientos masivos dentro del fluido que pueden notarse muy fácilmente. Para distinguir un proceso del otro, suele denominarse difusión al movimiento aleatorio que hemos descrito antes, y advección al movimiento masivo. Pero ¿qué puede producir un movimiento masivo en un fluido?

Como puedes comprender, no es el objetivo de este bloque estudiar Mecánica de fluidos –ya lo haremos en el que le corresponda–, pero creo que nuestra experiencia cotidiana es suficiente para entender el proceso básico. Para empezar, es posible mezclar un fluido de manera masiva simplemente forzando la situación; en el ejemplo de la habitación de antes, utilizando un ventilador que mezcle el aire frío con el caliente. En ese caso, suele decirse que estamos produciendo una convección forzada.

Pero muchas veces ni siquiera hace falta que hagamos nada forzadamente. Imagina, por ejemplo, el agua de una olla que está al fuego. Tenemos, por un lado, nuestro sistema termodinámico, el agua, que al ser un fluido es un conductor térmico relativamente malo pero la convección es bastante eficaz en él. Y tenemos, por otro lado, un reservorio térmico, el foco a temperatura más o menos constante que es la base de la olla (que mantiene esa alta temperatura gracias al fogón que tiene debajo).

Nuestra agua recibe energía térmica todo el tiempo… pero no por todas partes, sino por debajo. Eso significa que el agua del fondo de la olla recibe energía térmica por conducción desde el metal del fondo; al calentarse, las moléculas de agua del fondo se mueve más deprisa y el agua se expande, disminuyendo su densidad: el agua fría de arriba, comparativamente más densa, se hunde, y el agua caliente, menos densa, asciende. Como consecuencia, se produce un movimiento de gran parte del fluido que mezcla las partes frías con las calientes, y hace muchísimo más rápida la transmisión de energía térmica en el agua.

La convección de este tipo es la razón, por ejemplo, de que los aires acondicionados normalmente expulsen aire frío cerca del techo de las habitaciones: si lo hicieran por el suelo, se formaría simplemente una capa de aire frío a tus pies, que no transmitiría muy eficazmente la energía térmica hacia arriba, ya que la conducción en el aire es patética y la difusión es, por definición, lenta. Sin embargo, al estar cerca del techo y ser aire frío y denso, desciende y es reemplazado por el aire más cálido cerca del suelo, con lo que la habitación entera “se mueve” y se va enfriando más eficazmente. Lo contrario pasa, naturalmente, con chimeneas o calefacciones. Una vez más, si piensas sobre muchos fenómenos de la vida cotidiana una vez has entendido esto, verás que está por todas partes.

Brisas

Uno de los ejemplos más clásicos e interesantes de transmisión de calor por convección es el de las brisas. En este cuadrito no vamos a entrar en detalle en el asunto, pero sí a describir brevemente el fenómeno en términos de este artículo.

Imagina que estás en la playa, en verano, mirando hacia el mar, y el día es muy caluroso. Por razones de las que hablaremos más adelante en Termodinámica, aunque tanto la tierra como el mar se calientan al sol, la tierra lo hace más rápidamente que el mar, con lo que cuando miras al mar tienes una masa de agua más fría delante de tus ojos, y una masa terrestre más caliente a tu espalda.

Como consecuencia, el aire tras de ti se calienta por debajo como el de la olla con agua de arriba, se expande y asciende, mientras que el aire frío frente a ti es más denso y tiende a descender. Como consecuencia, el “hueco” dejado a tu espalda por el aire ascendente es rellenado por el aire frío frente a ti, que a su vez es reemplazado por el aire que tiene encima, etc. Lo que se forma entonces es una célula de convección, y el aire fresco procedente del mar sopla contra tu cara:

Brisa 1
Imagen original de Jesús Gómez Fernández, publicada bajo Creative Commons Attribution-Sharealike License 3.0.

Cuando se hace de noche pasa lo contrario: una vez más, la tierra se enfría más rápidamente que el mar, con lo que el aire sobre el mar está más cálido que en tierra, se expande y eleva, es reemplazado por el que hay a tu espalda más frío, etc. Con lo que la brisa viene desde tierra adentro contra tu espalda y hacia el mar:

Brisa 2
Imagen original de Jesús Gómez Fernández, publicada bajo Creative Commons Attribution-Sharealike License 3.0.

Hay muchos otros ejemplos de células de convección en la naturaleza, pero si entiendes éste, no tendrás problemas con los otros. Eso sí, hay una parte de la explicación que tendrá que esperar, para tener más detalle, a que hablemos de otras magnitudes termodinámicas, como la presión, el volumen o la capacidad calorífica de las sustancias.

Podrías pensar que hemos terminado, y que no hay más formas de transmitir energía térmica: o bien se pasa energía directamente de unas partículas a otras, o bien se mueven las propias partículas… pero hay un tercer mecanismo, sin el que ni tú ni yo estaríamos vivos. Ese tercer mecanismo, aunque parezca imposible, no requiere ni de una cosa ni de otra, y desgraciadamente entenderlo en profundidad se escapa al alcance de este bloque; pero, desde luego, lo explicaremos aunque sea en términos básicos, porque es esencial. Se trata de la transmisión por radiación.


Radiación

De entre las muchas y curiosas propiedades de la materia, hay una extraña e interesantísima: tanto que a ella dedicaremos algún día, en un bloque de Electricidad, un artículo específico. Esa propiedad es el hecho de que cualquier carga eléctrica acelerada emite radiación electromagnética, el tipo de ondas al que pertenecen las de radio, los infrarrojos, la luz, la radiación ultravioleta, etc.

Dicho de otro modo: si algo tiene carga eléctrica y su velocidad cambia –pasa de estar parado a moverse o al revés, cambia de dirección en su movimiento, o cualquier otra modificación en su velocidad–, inevitablemente, sin vuelta de hoja, pierde parte de su energía en forma de radiación electromagnética. En términos de nuestros generosos y sufridos dadivitas, la situación es la siguiente: cualquier dadivita que cambia de velocidad en cualquier modo, debido a los nervios causados por el “empujón”, lanza parte de su dinero en todas direcciones y se vuelve un poquito más pobre. No pueden elegir, es algo inconsciente e inevitable, sueltan billetes sin pensarlo si se encuentran en situación de cambio de velocidad.

Aunque estas ondas electromagnéticas generadas por cargas que sufren algún tipo de aceleración son fascinantes en sí mismas, tienen multitud de aplicaciones –y peligros– y merecen un bloque entero, lo que más nos interesa ahora es algo en lo que tal vez hayas pensado ya. Las partículas que componen la materia, ya sean moléculas, iones, átomos o lo que sea, contienen cargas eléctricas. Hasta aquí, evidente, ¿no?

Pues entonces, pensemos juntos; si hemos establecido ya, al hablar del concepto de temperatura, que las partículas de cualquier sistema termodinámico siempre se encuentran oscilando, vibrando alrededor de sus posiciones de equilibrio o, si se trata de un fluido, moviéndose alocadamente y chocando unas con otras… en cualquier sistema físico hay multitud de cargas eléctricas que sufren aceleraciones todo el tiempo.

Piensa que “aceleración” significa cualquier empujón, cualquier cambio de velocidad en su valor numérico o en su dirección: un giro, un acelerón, un frenazo… y eso está sucediendo todo el tiempo, a la miríada de partículas que componen cualquier cuerpo macroscópico. Luego, si tenemos partículas con carga eléctrica que sufren aceleraciones todo el rato, no hay otra conclusión posible: esas partículas están emitiendo radiación todo el tiempo y perdiendo energía continuamente a consecuencia de ello.

En términos de dadivitas, los pobres dadivitas no pueden elegir no moverse, porque están dándose golpes unos a otros todo el rato, y cada golpe y empujón hace que suelten dinero en todas direcciones y pierdan así parte de su dinero. ¿Significa esto que los dadivitas, inevitablemente, sean más y más pobres todo el tiempo? ¡No, porque nos falta hablar de la “vuelta de la tortilla”, la otra propiedad interesante de la materia y la radiación!

Igual que las partículas, cuando sufren “empujones”, emiten radiación, cuando absorben radiación sufren empujones. De modo que nuestros dadivitas, al ponerse nerviosos, sueltan dinero en todas direcciones… pero, al estar rodeados de otros dadivitas en la misma situación, también están recibiendo dinero procedente de los otros. Como consecuencia, se mueven más deprisa, ¡lo que hace que suelten dinero de nuevo!

¿De qué depende entonces que cada dadivita vaya ganando dinero, perdiéndolo o se quede como al principio? Pues, como sucedía en el caso de la conducción, depende de quién tiene más dinero para empezar. Si eres un dadivita pobretón rodeado de ricachones, te moverás sólo ligeramente; como consecuencia, perderás poco dinero debido a la escasa violencia de tus movimientos. Tus compañeros de alrededor, al ser “ricos”, se mueven muy violentamente, sueltan billetes a diestro y siniestro, y tú te llenas los bolsillos cada vez más, porque ganas más de lo que pierdes. Pero, ¡ah, infelice!, al ser rico te mueves más deprisa, con lo que pierdes dinero más rápido y, tarde o temprano, igualas tu dinero –es decir, tu temperatura– con tu entorno.

Como ves, si miras al suelo y el aire que te rodea, puede parecer que no está sucediendo nada; pero el suelo está emitiendo radiación que recibe el aire, y el aire emite radiación que recibe el suelo, y si ambos están en equilibrio térmico no es porque no estén pasando muchas cosas, sino porque están dando más o menos la misma energía que reciben. De hecho, si lo piensas un momento, verás que entre el suelo y el aire sobre él se está produciendo transferencia por conducción, por convección –aunque sólo sea por difusión– y por radiación, todo al mismo tiempo.

Pero Pedro, puedes estar pensando tal vez, esta explicación de los dadivitas soltando y recibiendo dinero es casi exacta a la que diste al hablar inicialmente del desequilibrio térmico y la conducción. ¿Qué diferencia hay entonces entre una y la otra? Pues hay una diferencia absolutamente fundamental, la que hace que estés vivo para poder hacer preguntas como ésa.

Esa diferencia es la siguiente: en la conducción hay transferencia de energía cuando las partículas chocan. Pero la transferencia por radiación es a distancia. De hecho, es a cualquier distancia, siempre que no haya nada que absorba esa energía por el camino, y puede producirse a través del vacío, ya que a la radiación electromagnética no le hace la menor falta un medio material por el que propagarse.

Considera lo tremendo de este hecho: un miserable ión puede vibrar en el Sol, emitir por lo tanto radiación, y esa radiación puede viajar ciento cincuenta millones de kilómetros por el vacío interplanetario y luego la atmósfera terrestre para llegar a tu cabeza, ser absorbida por una molécula y calentar con ello tu testa. Y esa radiación, emitida constantemente por nuestra estrella –cuyas partículas se mueven con una violencia tan tremenda que emiten una cantidad de radiación brutal, tanto que la vemos brillar desde aquí– es la que permite la vida en nuestro planeta.

Puedes pensar, por tanto, en la conducción como una transferencia directa de dinero entre dadivitas que se encuentran, del uno al otro y viceversa. Sin embargo, la radiación es lanzar dinero al vacío, al infinito en todas direcciones… y que luego, otros dadivitas se encuentren con ese dinero y se lo metan en el bolsillo. Tal vez el efecto final sea parecido, pero la radiación puede lograr cosas que la conducción no puede. Esto también significa, por supuesto, que gran parte de la radiación emitida puede alejarse hacia el infinito sin que nadie, jamás, la absorba.

De hecho, aunque la radiación no es un fenómeno tan eficaz como los otros dos, sí es endiabladamente difícil de detener: como todo está hecho de cosas cargadas que sufren empujones, es dificilísimo no perder energía por radiación constantemente. El truco está, naturalmente, en intentar equilibrar esa pérdida rodeándose de cosas que emitan radiación de vuelta, si es posible. Pero con las ideas fundamentales de este artículo, al nivel de este bloque introductorio, vamos sobrados.


Ideas clave

Para seguir con la serie con el cinturón de seguridad abrochado, es preciso que te hayan quedado claros los siguientes conceptos:

  • Existen tres mecanismos básicos de transmisión de energía térmica: conducción, convección y radiación.

  • La conducción se debe a la transferencia de energía directa por choques entre partículas.

  • La eficacia de una sustancia para conducir el calor se denomina conductividad térmica.

  • Los sólidos tienen mayor conductividad que los líquidos, y éstos que los gases, fundamentalmente por la diferencia de densidad.

  • La convección es la transferencia de energía térmica debida al movimiento de un fluido.

  • Si la convección es a nivel microscópico y aleatorio, se denomina difusión, y si es masiva y perceptible a nivel macroscópico, advección.

  • Los gases transmiten por convección mejor que los líquidos, y éstos que los sólidos, fundamentalmente por la diferencia de libertad de movimiento.

  • La radiación es la transmisión indirecta de energía térmica debida a la emisión y absorción de ondas electromagnéticas por las cargas que constituyen la materia.

  • La radiación es capaz de llegar a enormes distancias y se transmite incluso a través del vacío.


Hasta la próxima…

El experimento de hoy es, una vez más, fácil de realizar en casa con un mínimo de materiales; y, una vez más, me parece una buena manera de introducir la ciencia a los pequeños de la casa. Desde luego, si eres tan infantil como yo, disfrutarás igual que ellos al hacerlo, pero no se lo digas a nadie.

Experimento 2: ¡Advección hasta el infinito y más allá!

Material necesario: Una bolsita de infusión –té, manzanilla, etc.–, un mechero o cerilla.

Instrucciones: Desmonta completamente la bolsita, quitándole la grapa, la cuerda, el trocito de cartón, y el contenido de la bolsa (el té, manzanilla o lo que sea). Sólo te interesa quedarte con la bolsita en sí, que una vez desgrapada debería ser un cilindro hecho de un papel muy fino.

Coloca el cilindro de pie sobre una mesa, con cuidado de que mantenga bien el equilibrio –si luego se cae, la cosa no funciona–. Enciende el mechero o cerilla. Aquí viene la parte delicada: prende fuego al cilindro por abajo, tan cerca de la base como sea posible y de manera lo más uniforme posible, por toda la base, no sólo por un lado, o el cilindro se caerá al perder masa por un lado más que por el otro.

Las llamas de la base calientan el aire dentro y alrededor del cilindro; el aire caliente asciende… y, como la bolsita pesa muy poco, es levantada por el aire ascendente como si fuera un cohete (hasta que se consume completamente, claro).

Opcionalmente, después del experimento cuéntaselo a amigos y familiares, exclamando que has construido “un cohete de advección”. Observa entonces cómo tu interlocutor trata de alejarse de ti sin hacer movimientos bruscos y, a partir de entonces, no te coge más el teléfono.

Termodinámica

39 comentarios

De: Kent Mentolado
2010-09-16 18:39:24

Excelente artículo, deja claras muchas cosas sobre las que hay muchas ideas erroneas. Enhorabuena maestro!

Respecto a que la diferencia de temperatura de los sistemas afecta a la cantidad de energia intercambiada... No lo veo tan obvio, es una pregunta que llevaba rondando mi cabeza hace tiempo y no la veía nada clara :) ¿Esto es cierto para todas las partículas? Supongo que en última instancia depende de si la particla da un porcentaje de su energia (eg, 10%) o existe un limite máximo (eg, 10 unidades de energia como máximo). En el segundo caso, pasado cierto punto no importaría la diferencia de temperatura, puesto que habría un límite máximo a la velocidad de la transmisión del calor. ¿Tiene algún limite la cantidad de energia transferida por conducción?

Y en un plano más práctico... quiere decir que si meto un vaso de agua caliente en el congelador, este se congela antes que uno de agua fria?


De: Kent Mentolado
2010-09-16 18:44:39

Por cierto, aquí hay un video donde se puede ver la realización del experimento, aunque en este caso lo encienden por arriba. En este caso hay que esperar hasta que arda casi toda la bolsa, lo que vuela es solo la parte de abajo con sus cenizas. Supongo que en el caso de Pedro la bolsa entera saldrá volando.

http://www.youtube.com/watch?v=TKF3OKxwM8g

Por cierto, creo que habría que incluir una advertencia al experimento: como resultado final, vas a tener una llama volando descontrolada por la habitación. Aunque se consuma en un par de segundos, asegúrate de no tener nada cerca que pueda quemarse.


De: Juan Carlos Giler
2010-09-16 20:26:08

Excelente artículo, una gran continuación del artículo previo.


De: Rober
2010-09-16 23:52:32

¡¡ Magnífico !! Me ha encantado la forma de terminar con el sol y su radiación como fuente de vida.

Leyendo el artículo me ha surgido la duda ¿de dónde viene la palabra "convección"? y buscandolo he econtrado (gracias, Google) esta página con la etimología ... ¡¡ sorpresa !! .. de un buen puñado de términos de Termodinámica:

http://webserver.dmt.upm.es/~isidoro/bk3/Etimologias.htm

Según dice, "convección" viene de "convectio", es decir, "con el movimiento".

Jo, no era tan difícil de inferir, pero la facilidad de buscar en internet me ha vuelto un poco vago.

"Conducción" viene de "ducere" (traer, llevar) y aquí veo más compleja la etimología.

Y "radiación" dice que viene de "radius" (varita, recta ¿naciente?) Digo yo que "radiación" vendrá del elemento "Radio" que según wikipedia, viene de "radius=rayo".


De: yomismo
2010-09-17 08:28:07

Opcionalmente, después del experimento cuéntaselo a amigos y familiares, exclamando que has construido “un cohete de advección”. Observa entonces cómo tu interlocutor trata de alejarse de ti sin hacer movimientos bruscos y, a partir de entonces, no te coge más el teléfono.

Lo mejor del articulo sin desmerecer al resto. Una sonrisa para todo el dia.


De: keme
2010-09-17 10:34:59

@Rober: "Digo yo que “radiación” vendrá del elemento “Radio” "

Más bien es al revés, creo que al radio se le llamó así porque emite radiación.


De: J
2010-09-17 12:19:54

Kent:

el vaso de agua calienet no se congelará antes, sino después, pero eso no es porque lo que dice Pedro sea mentira. Veámoslo paso a paso. El agua se congela cuando está a 0º. El congelador está a -10º o algo así, y además, debido al motor del frigorífico, es capaz de mantener esa temperatura por más energía que le entregue el vaso.

Supongamos ahora que metes un vaso de agua "caliente" a 10º. Supongamos que cada minuto, la temperatura del agua del vaso baja en proporción a la diferencia entre el agua y el congelador. Supongamos que lo hace en la mitad de esa diferencia (esta proporción depende, tal y como ha explicado Pedro, de la superficie de contacto, pero supongamos de momento que es 1/4 de la diferencia).

En el primer minuto la diferencia es 10-(-10) = 20. Así que el agua baja 20/4 = 5º (1). El agua baja 5º. Ya está a 5º. En el siguiente minuto, 5-(-10)=15. 15/4 =~ 4. El agua está a 1º (un poco más, por el redeondeo). En el tercer minuto: 1-(-10)=11. 11/4 = 3. El agua está a -2º ya ya está congelada (2).

Resumiendo. Para agua inicialmente a10º:

·0: 10º

·1: baja 5º hasta 5º

·2: baja 4º hasta 1º

·3: baja 3º hasta -2º ¡Congelada en 3 minutos!

Ahora lo mismo para un vaso de agua a 90º. El primer minuto, 90-(-10)=100. 100/4 = 25. Baja 25º y se pone a 65º. El segundo minuto: 65-(-10)=75. 75/4 =~19. Baja 19º y se pona a 56º. Continúo en una tabla:

·0: 90º

·1: baja 25º hasta 65º.

·2: baja 19º hasta 56º.

·3: baja 17º hasta 39º.

·4: baja 12º hasta 27º.

·5: baja 9º hasta 19º.

·6: baja 7º hasta 12º.

·7: baja 6º hasta 6º.

·8: baja 4º hasta 2º.

·9: baja 3º hasta -1º. ¡Congelada en 9 minutos!

Como ves, cuando la diferencia es mayor, baja más rápido, pero eso no quiere decir que se congele antes, porque al ir bajando la diferencia se va reduciendo y el ritmo de descenso también.

(1) Nótese que en principio la temperatura del congelador también subirá, pero tal y como hemos dicho, el motor eléctrico del frigorífico es muy bueno y es capaz de, consumiendo electricidad, mantener el congelador siempre a -10º.

(2) En realidad, debido al coste del cambio de fase que contaba Pedro en el anterior artículo, en este último minuto a lo mejor aún no ocurre eso, pero supongamos que el coste de ese cambio de fase es despreciable.


De: Antonio E.
2010-09-17 13:30:55

@J: Estás obviando precisamente el efecto de la convección. y que el cambio de fase no es instantáneo. A mayor temperatura inicial , mayor el movimiento de las moléculas de agua, mayor transmisión de calor por convección y mayor velocidad de enfriamiento. Por otro lado el cambio de fase no es instantaneo, como vimos en la anterior entrega y su coste dista de ser despreciable y como lo que medimos se trata de temperatura media, pueden existir zonas congeladas junto zonas líquidas donde se siga produciendo la convección, acelerando el proceso de congelación. Por ello me parecería plausible que un volumen agua a 12 grados se congele antes que el mismo volumen de agua a 10 º C, en según qué congelador.
Un saludo.
PD: Gracias , Pedro, por tu blog.


De: Dhemios
2010-09-17 16:53:03

Excelente artículo. Ha sido verdaderamente clarificador.

Por otro lado, en el apartado BLOQUES de la seccion http://eltamiz.com/series/ del tamiz, pone "o lo serán, cuando haya más, porque ahora mismo sólo hay un bloque", lo cual quedo obsoleto en cuanto empezaste Termodinámica I. Tal vez quieras cambiarlo. =)


De: Pedro
2010-09-17 17:49:24

Gracias, Dhemios, acabo de cambiarlo :)


De: kikito
2010-09-17 19:32:35

El calor del efecto Joule es debido a la radiación entonces?


De: Pedro
2010-09-17 19:44:08

El efecto Joule aumenta la temperatura del conductor: cómo se transfiere eso luego suele ser una mezcla de los tres mecanismos, no sólo radiación.


De: J
2010-09-17 20:17:49

Antonio E.: obvio la convección, y la radiación, y el cambio de fase, y el efecto de las mareas, y la presión a que se encuentran, y la superficie del líquido, y hasta obvio el hecho de que pueda convertirse milagrosamente en vino ;-) porque solo estoy respondiendo a Kent, que preguntaba si el hecho de que la transferencia fuera más rápida implicaba que se congelaba antes. Y la respuesta es no. Cuando la diferencia es mayor, la transferencia es muy rápida, pero según la diferencia se reduce, la velocidad de transferencia se reduce también. Así que si todas las demás variables son las mismas, la respuesta es no.

Por lo tanto, en cuanto a que "me parecería plausible que un volumen agua a 12 grados se congele antes que el mismo volumen de agua a 10 º C"... a menos que venga Carnot en persona a explicármelo, no me lo creo: un volumen de agua a 10 grados tardará X segundos (X>0) en congelarse. Un volumen de agua a 12 grados tardará Y segundos (Y>0) en alcanzar los 10 grados, y luego otros X segundos en congelarse. Es obvio que X+Y>X, a menos que Y sea 0.

OJO: manteniendo todas las demás condiciones constantes. Si alguna más cambia, es que estás observando dos efectos a la vez. Ejemplo: te vas a Siberia (-60º). Coges un vaso de agua "del tiempo" (es decir, a 15-20 grados que puedas tener en casa). Lo sacas a la calle, y tarda unos minutos en congelarse.

Ahora pones agua a hervir. Cuando está hirviendo, sales a la calle y tiras el agua al aire. Se congela ipso facto. Mira http://www.youtube.com/watch?v=4JXyc8pa84I

¿Quiero eso decir que el agua hirviendo se congela antes? No, es que estás cambiando el experimento.

En el primer experimento, la superficie de contacto entre el agua tibia y el aire frío es únicamente el vaso más la boca del vaso. En el segundo experimento, el agua se dispersa por el aire, y la superficie de contacto agua-aire es enorme.


De: Antonio E.
2010-09-18 04:53:16

Carnot no, pero si vale un señor de Tanzania:

efecto Mpemba inglés http://en.wikipedia.org/wiki/Mpemba_effect
efecto Mpemba español http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Mpemba

En el efecto interviene la convección e incluso es mas acusado de lo que pensaba: no 12º y 10 º sino que se maximiza a 35º y 5º, aunque descontando la evaporación, que parece como hacer trampa, será menos...

Espero que mi aportación se acoja sin acritud. Un saludo.


De: Pedro
2010-09-18 09:16:46

Antonio, antes de nada, no espero acritud por ninguna parte, y estoy seguro de que lo de Carnot era un toque de humor, no de mala leche. Ya me temía por tu comentario anterior que lo que decías era por Mpemba, que es algo muy interesante pero, en mi opinión, algo que hay que entender después de tener bien asetnado el proceso normal que describe J. Por su pregunta, creo que Kent no lo había entendido bien, con lo que mi recomendación, Kent, es que comprendas primero la transferencia de energía proporcional a la temperatura, con la gráfica de los dadivitas y la explicación de J. Y luego, cuando la base esté clara y tengas ganas de más, leas sobre el efecto Mpemba :)


De: J
2010-09-18 18:23:55

¡Por supuesto que era un toque de humor! Difícilmente va a venir Carnot :-PP Un señor de Tanzania también me sirve ;-) Como Pedro es un señor muy ocupado que no puede estar respondiendo a todas nuestras preguntas, ahora invoco a Carnot, a Arthur C. Clarke,...

Acritud ninguna. Ójala todos los artículos de este foro provocaran estas discusiones (1). El único miedo que me da es que el nivel que pretende darle Pedro al artículo es de iniciación, no de avanzados. Es como si en una clase de física de 6º de primaria, en que están contando las 3 leyes de Newton, dos alumnos se ponen a discutir sobre la relatividad, y acaban confundiendo a los demás compañeros sobre si F=m·a o no lo es..

En cualquier caso, no conocía ese efecto, y en realidad, tras leerme el artículo de la Wikipedia no estoy seguro de entenderlo del todo (por lo que he leído, no soy el único); el artículo español parece menos completo, pero mejor explicado. Por lo tanto, Antonio, me quito el sombrero: creí que no habías entendido la explicación del artículo de Pedro (y por eso te daba esa explicación) y veo que en realidad es que eso ya lo tenías superado y buscabas una explicación más profunda (que yo no podía darte, porque no sé lo suficiente). Mis disculpas.

(1) Parafraseando al maestro: "una discusión sobre política en que no os insultáis: ¿Quiénes sois y qué habéis hecho con Internet?"


De: Alfonso
2010-09-20 10:21:27

Hola:

Hice una pregunta en otro artículo pero creo que en este artículo se amolda mejor. ¿Como mantiene la radiación el principio de aumento de entropía? Vamos, que un foco frío puede dar mas energía a un foco caliente si focalizamos la radiación con espejos (a fin de cuentas la radiación es luz).

En fin, que no me queda claro. Un saludo.


De: Antonio E.
2010-09-20 14:58:57

Me expresé mal, Lo que quería decir es que que mis comentarios iban sin acritud. Aquí el que se tiene que quitar el sombrero soy yo ;).

Este tipo de efectos que parecen contrarios a la intuición y que se explican analizando los factores que intervienen, los encuentro muy interesantes. Por ejemplo, la paradoja de los bienes Giffen en economía, o la sorpresa final de "La vuelta al mundo en 80 días"...

Un admirador, un amigo, un esclavo, un siervo :)


De: Kartoffel
2010-09-26 18:46:00

Técnicamente, es cierto que un vaso de agua más caliente que otro se "enfría más rápidamente": pierde más calor por unidad de tiempo y su temperatura desciende a mayor velocidad (en el mismo instante de tiempo). Otra cosa diferente es si el vaso caliente llegará a una temperatura determinada antes que el frío, lo que generalmente o en un modelo simplificado va a ser falso (el caso del efecto Mpemba no lo conozco).

Un ejemplo gráfico: supongamos dos vasos con 100 mL de agua (100g) cerrados con papel albal (por ejemplo) para que no haya intercambio de materia con el aire. Uno está a 15ºC, el otro a 40ºC. Supongamos que la naturaleza del vaso, el papel albal, etc, ocasiona que por cada Kelvin que haya de diferencia entre la temperatura del vaso y la del aire, se establezca un flujo de calor de 2 vatios (dos julios cada segundo) desde lo caliente hasta lo frío. Las temperaturas seguirán esta evolución:

http://i.imgur.com/qdXye.png

Si obviamos los tramos en los que alguno de los dos vasos se está congelando (puesto que en ese momento la temperatura no varía, sólo varía la cantidad de hielo y la de masa), el vaso caliente "se enfría" a mayor velocidad (esto es, pierde más K cada segundo) que el frío, pero el frío siempre va por delante: tanto el punto en que comienza a congelarse como el punto en que termina de congelarse van antes que los puntos respectivos del "vaso caliente".

Otra forma de verlo es darse cuenta de que el vaso de 40ºC tiene que "llegar" primero a los 15ºC y seguir (tras este momento) la misma evolución que el vaso de 15ºC siguió desde el principio. Luego siempre va a ir con un retraso temporal fijo.


De: Kartoffel
2010-09-26 18:55:39

Bueno, en realidad veo que esto lo había dicho J en el comentario 7: http://eltamiz.com/2010/09/16/termodinamica-i-conduccion-conveccion-y-radiacion/comment-page-1/#comment-81689


De: chapu77
2010-10-04 22:55:51

El razonamiento de J es el siguiente.. si los cambios de temperaturas son continuos (logica) podemos decir que el vaso caliente a 20 C esta mas lejos en el tiempo que el que esta 5 grados C. Ya que si o si tiene que primero llegar a 5 antes de llegar a 0 grados. Y desde los 5 grados tarda lo mismo que otro que arranca desde los 5 grados directamente.
Es decir t(de 20 a 5) + t(de 5 a 0) mientras que el otro vaso solo tarda t(de 5 a 0)


De: chapu77
2010-10-04 22:57:03

Me olvidaba.. excelente serie!


De: J
2010-10-05 07:08:12

chapu: eso es lo que yo argumentaba, porque solo estoy teniendo en cuenta la conducción, que es por lo que preguntaba Kent. Lo cual no invalida el argumento que daba AntonioE, ya que el efecto Mpemba tiene en cuenta otras cosas (aunque por lo que leí, ¡no estaban claras cuáles! Probablemente al menos convección).


De: Toms
2010-10-11 14:24:08

Felicidades por el artículo, muy esclarecedor.

Un par de cosillas.

Un objeto cualquiera, por ejemplo una piedra, está constantemente perdiendo energía electromagnética, ¿por qué no se queda sin energía, porque recoge del entorno?

En el párrafo 6º de la radiación dices:

"¡No, porque nos falta hablar de la “vuelta de la tortilla”, la otra propiedad interesante de la materia y la radiación!

¿A qué propiedad te refieres?

Igual me he perdido en la explicación.

Un saludo.


De: Pedro
2010-10-11 14:36:20

Toms,


  1. Sí :)


  2. Es lo que dice el párrafo siguiente: "Igual que las partículas, cuando sufren “empujones”, emiten radiación, cuando absorben radiación sufren empujones."



De: Toms
2010-10-11 17:01:00

Entendido. Muchísimas gracias.


De: Daniel Amarilla
2010-10-22 11:47:40

En general todos los temas desarrollados en "EL Tamiz" son para mi, interesantes y educativos,y resulta casi increíble aceptar que exista alguien que procura dar algo de lo que tiene a los demás de una manera por así decir"desinteresada".
Muchas gracias y sigan adelante.
Atte.
Daniel Amarilla-Asunción-Paraguay


De: J
2010-11-18 13:00:28

Me he encontrado por ahí, buscando otra cosa, el "agua sobreenfriada" y me he acordado de nuestra discusión sobre congelaciones. Al parecer, bajo determinadas circunstancias que no alcanzo a comprender, se puede enfriar el agua por debajo de su punto de congelación, sin que se solidifique. Luego, en cuanto la perturbas, se congela rápidamente.

Por lo visto ha llegado a ocurrir en sótanos muy fríos. Un señor baja al sótano, ve agua en él. El agua está sobreenfriada. En cuanto la toca, se solidifica, atrapándole los pies allí, hasta que llegan los bomberos a sacarle.

Incluso parece que unos tipos lograron congelar el agua ¡calentándola! Por lo visto, si ya está sobreenfriada, al calentarla se rompe el equilibrio que la mantenía líquida y se congela.

Acojonante. Ya solo falta que me digan que los electrones pueden atravesar paredes por algún tipo de efecto túnel o que la teoría de la gravitación universal es falsa. ;-)

http://es.wikipedia.org/wiki/Granizo

http://en.wikipedia.org/wiki/Supercooled


De: Gres
2010-12-12 06:59:52

Me gusta mucho la forma en la que explicas, si hubieran como tu más profesores de física, seria genial!

"Observa entonces cómo tu interlocutor trata de alejarse de ti sin hacer movimientos bruscos"

Jeje


De: Freddy
2011-12-22 18:29:24

Hola J, escribo más de un año después a tu comentario sobre agua superenfriada.

Además del efecto termodinámico (el agua pura a presión atmosférica congela a 0C) hay que tener en cuenta el efecto cinético, una especie de "resistencia al cambio". En ausencia de perturbaciones, impurezas sólidas, etc, se puede tener agua líquida por debajo del punto de congelación, porque el cambio de estado se da más fácilmente en inhomogeneidades del sistema (en los bordes por ejemplo) o si un agente externo modifica el sistema. Un caso similar , por ejemplo, es el del grafito y diamante: el diamante es termodinámicamente menos estable que el grafito (se dice que es metaestable), y se debería convertir espontáneamente en grafito, pero esta conversión es extremadamente lenta; lo cual, por otra parte, es un alivio, porque si te has gastado una pasta en un diamante lo que menos quieres es que al día siguiente se haya convertido en una mina de lápiz...

Otro ejemplo similar es lo que creo que muchos habréis hecho en prácitcas en el instituto: poner piedra pómez al agua para que hierva. La multitud de irregularidades que introduce la piedra pómez, que es muy porosa, provoca que la ebullición sea suave. Sin piedra pómez, se pueden producir sobrecalentamientos y ebulliciones no controladas más peligrosas.


De: Pip
2012-05-06 00:41:04

Hace tiempo tengo una duda muy grande y me encantaria que me ayuden a resolverla... Por que cuando calentamos agua en la pava electrica esta se enfria mas rapido que si la hubiesemos calentado en una pava al fuego? En otras palabras, el agua calentada electricamente se enfria mas rapido que aquella que calentamos en la hornalla? A que se debe? Una adquiere menos energia que la otra?
Muchas gracias


De: hhhhhhh
2012-06-30 18:47:51

tontos


De: marisol
2012-07-12 21:46:09

no me ayudan en nada


De: marisol
2012-07-12 21:46:29

no me ayudan en nada


De: Pepe
2012-07-30 17:30:24

Tengo la misma duda que se plantea en el mensaje anterior: "Pip | 06/05/2012 at 00:41"
¿Alguno tiene una respuesta a esto?

Desde ya, Muchas Gracias!


De:
2012-08-30 18:12:43

en rialidad que importa si somos mas ricos o mas pobre .si al final todos tenemos la misma necesidad, un princio y un final.


De:
2012-08-30 18:13:02

en rialidad que importa si somos mas ricos o mas pobre .si al final todos tenemos la misma necesidad, un princio y un final.


De: Fernando
2012-12-22 08:19:17

Hola Pedro, enhorabuena por este pedazo de web. Quería hacerte una consulta, en el cero absoluto hay ausencia de radiactividad, los átomos dejan de vibrar, por lo tanto ¿Emitiría algún color? El color es longitud de onda visible que irradian los cuerpos, no se muy bien como son estas relaciones. Gracias.


De:
2013-09-19 19:54

Genial, me parece un artículo excelente. Estudio 1º Bto de ciencias puras y quiero hacer física, pero mi profesor de física comete muchos errores en clase y no sabe responder a mis preguntas, así que esto me ha servido para tener las cosas claras de una vez. Gracias. Por cierto, ¿podrías solucionarme una duda?: ¿Por qué un cuerpo "quema"? ¿Porque al moverse sus partículas tan rápido chocan contra las tuyas y te duele? ¿Porque tus partículas se empiezan a separar? Gracias por todo.

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