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Conducción térmica
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El transporte de calor consiste en dos procesos que se alternan. Por un lado, está la conducción a través de un medio y, por el otro, la transmisión de calor de un medio a otro.
El transporte a través de un medio implica la transferencia de calor al medio, seguida de la conducción a través del mismo y, finalmente, la transmisión del calor fuera del medio. En medios más complejos, se deben considerar múltiples etapas de conducción y transmisión entre diferentes medios. Si el calor se genera o se absorbe en uno de los medios, se toma en cuenta la conducción desde o hacia esa fuente o sumidero de calor.
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Mecanismo de conducción de calor
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Para comprender como se conduce calor en un solido o liquido debemos imaginar que este esta compuesto por particulas (atomos o moleculas) que interactuan y la fuerza que ejercen mutuamente se puede modelar como la generada por un resorte. Dentro de este contexto el calor se puede entender como la energia que tienen las particulas y que se evidencia como osicilacioens. Si los extremos de un cuerpo estan expuestos a distintas temperaturas las respectivas oscilaciones seran de distinta amplitud:
Conducción
Las particulas que oscilan comienzan via las fuerzas que las ligan a propagar la oscilación y con ello la correspondiente energía y temperatura. Con el tiempo toda la cadena presentara oscilacioens que seran mas intensas en el extremo a una temperatura mayor (por ejemplo la temperatura en la superficie interior ($T_{is}$)) y menor en el otro extremo (por ejemplo la temperatura en la superficie exterior ($T_{es}$)).
De esta forma la energía, y con ello el calor, se propaga en función de la diferencia de temperatura en el conductor ($\Delta T_0$) que es:
| $ \Delta T_0 = T_{is} - T_{es} $ |
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Dependencia de la geometría y el material
Nota
Uno de los factores clave que determina cuánto calor puede ser conducido a través de un sólido o líquido es su sección transversal, es decir, la cantidad de cadenas de átomos disponibles. Cuantas más de estas cadenas tengamos, mayor será nuestra capacidad de transporte de calor.
Sin embargo, la longitud de las cadenas puede ser contraproducente. A medida que la cadena de resortes se vuelve más larga, nuestra capacidad de transmitir calor disminuye, ya que más átomos deben modificar su amplitud de oscilación.
Si representamos esto con la sección ($S$) y el largo del conductor ($L$), el diagrama adquirirá la siguiente forma:
Finalmente, la capacidad de los medios y del material para transportar el calor, que se describen mediante la conductividad térmica ($\lambda$), explica cómo el calor se desplaza ante la diferencia de temperatura ($\Delta T$) transportanto la calor transportado ($dQ$) en la variación de tiempo ($dt$):
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Conducción de calor
Cita
La conducción de calor fue modelada por primera vez por Jean Baptiste Joseph Fourier [1], quien estableció que la tasa de flujo de calor ($q$), definido mediante la calor transportado ($dQ$), la variación de tiempo ($dt$) y la sección ($S$), se expresa a través de:
| $ q \equiv \displaystyle\frac{1}{ S }\displaystyle\frac{ dQ }{ dt }$ |
Esta teoría también se relaciona con la sección ($S$), el largo del conductor ($L$), la diferencia de temperatura en el conductor ($\Delta T_0$) y la conductividad térmica ($\lambda$), como se muestra en:
| $ q = \displaystyle\frac{ \lambda }{ L } \Delta T_0 $ |
y se ilustra mediante el siguiente diagrama:
[1] "Théorie Analytique de la Chaleur" (La Teoría Analítica del Calor), Jean Baptiste Joseph Fourier, 1822.
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