Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

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Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)


La transferencia de calor es un aspecto esencial de la termodinámica, una rama de la física que trata de la relación entre el calor y otras formas de energía. En nuestra vida diaria, la transferencia de calor ocurre a nuestro alrededor, determinando cómo sentimos los cambios de temperatura y cómo funcionan dispositivos como motores y refrigeradores. Los tres mecanismos principales para transferir calor son la conducción, la convección y la radiación. Profundicemos en cada uno de estos procesos para entenderlos mejor utilizando un lenguaje sencillo y ejemplos.

Conductividad

La conducción es el proceso en el cual la energía térmica se transfiere a través de una sustancia sin movimiento. Es la forma principal en que el calor se transfiere a través de sólidos. Cuando colocas una cuchara de metal en una taza de café caliente, el calor del café viaja a través de la cuchara de metal hacia tu mano por conducción.

Para proporcionar una comprensión visual de la conducción, imagina lo siguiente:

++++++++++++ Café (caliente) ++++++++++++
,
,
*cuchara de metal*
,
,
(tu mano)

En este escenario, el calor fluye desde el área caliente (el café) a través de la cuchara hacia el área fría (tu mano). Las moléculas del café caliente tienen mucha energía. Cuando colisionan con las moléculas de la cuchara metálica, transfieren parte de esta energía a las moléculas de la cuchara. Este proceso continúa desde la cuchara hacia tu mano, aumentando la temperatura de cada parte a lo largo del camino.

La tasa de transferencia de calor conductiva puede describirse matemáticamente por la ley de Fourier:

Q = -k * A * (dT / dx)
Q = -k * A * (dT / dx)

Donde:

  • Q es la transferencia de calor por unidad de tiempo.
  • k es la conductividad térmica del material.
  • A es el área de sección transversal a través del cual fluye el calor.
  • dT es la diferencia de temperatura entre los dos extremos.
  • dx es el grosor del material.

Los materiales que son buenos conductores de calor (como los metales) tienen alta conductividad térmica. Los aislantes como la madera tienen baja conductividad térmica, lo que los hace malos conductores de calor.

Convección

La convección es el método de transferencia de calor por el movimiento de fluidos a través de un fluido (líquido o gas). Cuando calientas una olla de agua en la estufa, el quemador calienta primero la capa inferior de agua. Esta agua se vuelve menos densa y asciende, haciendo que el agua más fría ocupe su lugar en un ciclo conocido como corriente de convección.

Imagina el siguiente proceso de convección en el agua:

,
| . . . * calor * . . | }
,
,
| VV` VV` . . . |
|(agua fría) `(agua caliente)`|
,

En esta visualización, las flechas muestran el movimiento de las moléculas de agua. A medida que se aplica calor desde abajo, se forma un ciclo: el agua caliente asciende a la parte superior mientras que el agua fría desciende al fondo, donde se calienta, se vuelve menos densa y asciende nuevamente.

La tasa de transferencia de calor en convección puede describirse a menudo por la ley de enfriamiento de Newton:

Q = h * A * (T_s - T_f)
Q = h * A * (T_s - T_f)

Donde:

  • Q es la transferencia de calor por unidad de tiempo.
  • h es el coeficiente de transferencia de calor por convección.
  • A es el área de la superficie del objeto.
  • T_s es la temperatura de la superficie.
  • T_f es la temperatura del fluido lejos de la superficie.

Radiación

La radiación es la transferencia de calor a través de ondas electromagnéticas. A diferencia de la conducción y la convección, la radiación no requiere un medio, lo que significa que puede ocurrir incluso a través del vacío del espacio. Así es como la energía del sol llega a la Tierra.

Un ejemplo cotidiano de radiación es sentir calor cuando sales en un día soleado. El calor que sientes viaja desde el sol hacia el espacio.

Imagina la siguiente configuración:

[Sol] ---- ondas EM ----> [Tierra]
(Fuente) (Receptor)

El sol emite calor en forma de radiación electromagnética y este calor viaja a través del espacio hacia la Tierra. La energía emitida puede calentar superficies, algunas de las cuales pueden convertirse en energía térmica.

La cantidad de calor transferido por radiación puede calcularse usando la ley de Stefan-Boltzmann:

Q = ε * σ * A * (T^4)
Q = ε * σ * A * (T^4)

Donde:

  • Q es la transferencia de calor por unidad de tiempo.
  • ε es la emisividad del objeto, que es una medida de cuán efectivamente emite radiación térmica.
  • σ es la constante de Stefan–Boltzmann (5.67 × 10^-8 W/m²K⁴).
  • A es el área de la superficie del objeto.
  • T es la temperatura absoluta del objeto en Kelvin.

Ensamblaje de sistema de transferencia de calor

En muchos escenarios del mundo real, estos tres modos de transferencia de calor no están separados. A menudo ocurren simultáneamente y pueden afectarse entre sí. Por ejemplo, en una habitación caliente, la conducción a través de las paredes, la convección debido al movimiento del aire y la radiación desde una chimenea, todos contribuyen a la temperatura general de la habitación.

Toma el ejemplo de una taza de café caliente. Cuando la colocas sobre la mesa, se enfría a través de tres mecanismos:

  • Conducción: El calor se conduce a través de las paredes de la taza hacia la superficie exterior.
  • Convección: El movimiento de aire alrededor de la taza lleva el calor lejos de la superficie de la taza.
  • Radiación: La taza emite energía de calor como radiación infrarroja hacia el entorno circundante.

Aplicaciones en el mundo real

Entender la transferencia de calor es importante para muchos campos, incluyendo la ingeniería, la meteorología, la ciencia ambiental y la arquitectura. Veamos algunas aplicaciones:

  • Ingeniería: En motores automotrices, el calor debe transferirse eficientemente desde el bloque del motor para evitar el sobrecalentamiento. Esto se hace a través de una combinación de conducción (a través del cuerpo metálico del motor), convección (a través del refrigerante) y radiación (desde superficies calientes del motor).
  • Arquitectura: Los materiales de aislamiento en edificios utilizan los principios de transferencia de calor. Los buenos aislantes trabajan para mantener los edificios cálidos en invierno y frescos en verano al reducir la conducción, la convección y la radiación.
  • Meteorología: Las corrientes de convección atmosférica son responsables de los patrones climáticos, los vientos alisios y las tormentas. Entender estas corrientes es importante para la previsión meteorológica.

Conclusión

La transferencia de calor por conducción, convección y radiación involucra conceptos fundamentales que son esenciales en el campo de la termodinámica. Al estudiar estos procesos, podemos entender mejor los fenómenos físicos, mejorar la tecnología y mejorar nuestra capacidad de manipular nuestro entorno para comodidad y eficiencia.

Ya sea diseñando nuevos materiales o prediciendo cambios físicos en nuestro entorno, una comprensión más profunda de estos mecanismos permite a científicos e ingenieros aplicarlos de maneras innovadoras que impactan profundamente nuestro mundo.


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Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)

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