tareas

1. RASPA
CAPITULO II
CONCEPTOS BÀSICOS

2. PROPIEDADES FÍSICAS DELAGUA
El agua es una sustancia inodora, incolora,
insípida y transparente, con características
especiales en cuanto a sus propiedades físicas.
•Sólido
•Liquido
•Gaseoso

3. Densidad del Agua (ρ).
Esta se define como la relación que existe entre la masa por unidad de
volumen (kg/m3), su valor se toma como uno, cuando en realidad es de
0.9999, y esta alcanza su estimación máxima cerca de los 4°C a presión
normal.
3
L
M
volumen
masa



Algunos valores de densidad:
680 kg/m3 gasolina
13580 kg/m3 mercurio
1000 kg/m3 agua destilada
1027 kg/m3 agua de mar
¿Cuánto pesan 20 litros de gasolina?
¿20 litros de gasolina = 20 kilos de gasolina?
Expansión del agua… que
problemas trae?

4. El calor específico es una magnitud física que se define como la cantidad
de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o
sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o
grado Celsius). En general, el valor del calor específico depende de dicha
temperatura inicial. Se la representa con la letra c (minúscula).
En forma análoga, se define la capacidad calorífica como la cantidad de
calor que hay que suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar
su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). Se la representa
con la letra C (mayúscula).
Por lo tanto, el calor específico es la capacidad calorífica específica, esto
es donde es la masa de la sustancia.
Gasolina 2.22 kJ·kg−1·K−1
Cobre 0.2835 kJ·kg−1·K−1
Agua líquida a 25 ºC 4.1813
kJ·kg−1·K−1
Pero… ¿qué
significan esos
números?

5. Punto de Ebullición y Congelación. El punto de
ebullición, se considera a la temperatura en la cual
el agua pasa de estado líquido al de vapor, en ese
momento la presión de vapor del agua es igual a la
presión atmosférica.
El punto de congelación, es la temperatura a la cual
el agua pasa de estado liquido a sólido, es decir se
solidifica, en el caso del agua, el punto de
congelación corresponde a la misma temperatura
(0°C a una atmósfera de presion) que el punto de
fusión (cambio del estado solido a liquido).

6. Imaginemos una burbuja de cristal en la que se ha realizado el vacío y que se
mantiene a una temperatura constante; si introducimos una cierta cantidad de
líquido en su interior éste se evaporará rápidamente al principio hasta que se
alcance el equilibrio entre ambas fases.
Inicialmente sólo se produce la evaporación ya que no hay vapor; sin embargo a
medida que la cantidad de vapor aumenta y por tanto la presión en el interior de la
ampolla, se va incrementando también la velocidad de condensación, hasta que
transcurrido un cierto tiempo ambas velocidades se igualan. Llegados a este punto
se habrá alcanzado la presión máxima posible en la ampolla (presión de vapor o de
saturación) que no podrá superarse salvo que se incremente la temperatura.
Presión de vapor
temperatura Mm de Hg. Milibares gr / cm2
0 4.58 6.11 6.23
5 6.54 8.72 8.89
10 9.20 12.27 12.51
15 12.78 17.04 17.38
20 17.53 23.37. 23.83

7. Calor Latente de Solidificación (fusión). Esta se define como la
cantidad de calor requerido para convertir un gramo de hielo en agua
líquida, permaneciendo constante la temperatura, cuando un gramo
de agua líquida se congela libera el calor latente de fusión. Lo
anterior explica porque las precipitaciones climáticas alcanzan una
temperatura inferior a O°C, las gotas formadas, pueden permanecer
líquidas o se transformen en pequeñísimas partículas de hielo.
Calor Latente de Vaporización. Esta propiedad considera a la
cantidad de calor requerido para convertir un gramo de agua a un
gramo de vapor de agua a la misma temperatura (139 calorías), la
característica puede atribuirse a la tenacidad del enlace de hidrógeno
y es de vital importancia considerarlo en el enfriamiento de las
plantas, el calor latente hace que el agua sea un regulador
sorprendente

8. Fuerza Adhesiva. Debido a su naturaleza polar, el agua
es atraída por muchas otras substancias que son adheridas
por ella, la celulosa, el almidón y las proteínas de tejidos
vivientes son muestra clara de esta atracción entre
moléculas distintas (agua y otras moléculas) por lo que es
muy importante en el movimiento del agua en las plantas

9. ¿Porqué el agua moja?
La razón por la cual el Agua moja se debe a la existencia de dos fuerzas:
“fuerzas de cohesión” que son las fuerzas que tienen unidas a las partículas de agua
(H2O) y las “fuerzas de adherencia” que son aquellas que se manifiestan cuando
las moléculas de agua entran en contacto con otra superficie. cuando las fuerzas de
cohesión son menores que las de adherencia, el liquido “moja” (agua) y
lógicamente, cuando son mayores las de cohesión el liquido no mojara (como por
ejemplo el mercurio).
La cohesión es la fuerza que mantiene unidas las partículas de un cuerpo. En los
sólidos la cohesión es mayor y en los líquidos menor. Igual, dentro de cada estado
varían las fuerzas (si un sólido tiene mucha cohesión se dice que es duro, si no, es
blando, ejemplo el carbón grafito de las minas de lápices y cualquier metal) el metal
no escribe y el lápiz si debido a ese concepto.
Volviendo al agua, la cohesión existente entre sus partículas es muy baja, debido a
eso cuando entra en contacto con otro cuerpo sus moléculas van quedando
“pegadas” a ese cuerpo y van produciendo el efecto que conocemos como “mojar”.

10. Tensión Superficial. Esta característica se puede definir como la fuerza
de atracción entre moléculas que presenta la existencia de una película en
la superficie de los líquidos, esta se mide en dinas/cm, debido a la causa
del enlace de hidrógeno, las moléculas del agua son fuertemente atraídas
entre sí mismas, de esta manera el agua tiene una fuerza de presión muy
peculiar. El agua, a excepción del mercurio, tiene la mayor tensión
superficial de todos los líquidos comunes, lo que le permite ascender por
capilaridad en un tubo de vidrio de 0.03 mm de diámetro a una altura de
150 cm

12. Sustancia Temperatura o C Viscosidad gr./cm./seg.
Agua O 1.7910 x 10 -2
Agua 10 1 .3077 x 10 -2
Agua 20 1 .0050 x 10 -2
Agua 25 0.8950 x 10 -2
Agua 50 0.5490 x 10 -2
Agua 100 0.2338 x 10 -2
Bencéno 25 06490 x 10 -2
Kerosén 25 0.3450 x 10 -2
Aceite (máquina) 25 0.92
Aceite (recino) 25 6.20
Viscosidad. La viscosidad de un líquido se considera a la
resistencia que presenta a fluir como resultado de la interacción o
cohesión de sus moléculas, la viscosidad es inversamente
proporcional a la temperatura de un líquido, el contenido de
solutos disueltos influye en la variación de la viscosidad (), ésta
se expresa en gramos por centímetro por segundo (gr/cm/seg.),
como se indican en el siguiente cuadro.
Variación de la Viscosidad de los Fluidos con la Temperatura.

13. Conductividad Térmica. Este factor se define como la capacidad que
tiene una substancia para transferir calor de una molécula a otra, también
se considera como la cantidad de calor transmitido a través de una
substancia por unidad de sección transversal, por unidad de gradiente de
temperatura por segundo, se expresa en calorías por segundo, centímetro
y gradiente de temperatura en grados centígrados (cal/seg. Cm °C).
Resistencia Eléctrica. La resistencia eléctrica (Re), es la oposición que
presenta un conductor metálico o eléctrico de 1 cm de largo y 1 cm-2 de
área transversal al peso de la corriente eléctrica, se expresa en ohm por
centímetro, algunos ejemplos de resistencia eléctrica (Re) se tiene los
siguientes compuestos:
Agua = 9.1 x 106 ohm / cm a 18 °C.
Hielo = 3 x 107 ohm / cm
Cuarzo = 1 x 108 ohm / cm

14. Conductividad Eléctrica. Este parámetro se considera lo inverso de
la resistencia eléctrica, se expresa en mho por centímetro, es
importante señalar que esta unidad de medida es grande y por ello la
mayoría de las soluciones tienen una conductividad menor, bajo
estas circunstancias se han escogido subunidades menores que
permiten una localización del punto decimal mas adecuado.
De esta forma la unidad Ce x 10-3 se representa en milimhos por
centímetro y es una unidad muy practica en análisis sobre salinidad,
por otra parte la Ce x 10-6 sirve para expresar la conductividad en
micromhos / cm, siendo esta la unidad que más se utiliza para
expresar la conductividad eléctrica del agua, como lo señala el
Servicio de Conservación de Suelos de los Estados Unidos.

15. Entre los mecanismos que explican la capacidad de las
especies vegetales para tolerar el estrés salino existe el
ajuste osmótico (1). El ajuste osmótico es el término
utilizado para definir la disminución del potencial
osmótico celular en las plantas superiores como resultado
de la acumulación activa de solutos en respuesta a una
situación estresante por déficit hídrico (2) o salino (3).
Cuando se realiza el ajuste osmótico, en la mayoría de las
especies vegetales, las plantas aseguran la realización de
la fotosíntesis y la respiración (4). Cuando la turgencia
celular se mantiene en aquellos genotipos que ajustan
osmóticamente en comparación con aquellos que no lo
hacen, continúa la elongación celular y teóricamente se
obtiene una mayor área foliar, mayor crecimiento de
raíces, menor resistencia estomática y mejor rendimiento
agrícola (2).

17. PROPIEDADES QUIMICAS DEL AGUA
(Para consultar por parte del alumno)

18. 2.- Vapor de agua en la atmósfera.
La atmósfera terrestre contiene cantidades variables de agua en
forma de vapor. La mayor parte se encuentra en los cinco
primeros kilómetros del aire, dentro de la troposfera, y procede de
diversas fuentes terrestres gracias al fenómeno de la evaporación
el cual es ayudado por el calor solar y la temperatura propia de la
Tierra.
La evaporación es el paso de una sustancia líquida al estado de
vapor. Este proceso se realiza solamente en la superficie del
líquido y a cualquier temperatura aunque, en igualdad de
condiciones, este fenómeno es acelerado cuanto mayor es la
temperatura reinante.

19. El vapor de agua que se encuentra en la atmósfera proviene,
principalmente, de la evaporación de los mares. Este proceso es
facilitado por las olas que se abaten contra las rocas y
acantilados de las costas, pulverizándose el agua y elevándose
en el aire minúsculas gotas que, al evaporarse, dejan en libertad
microscópicos núcleos de sal, los cuales flotan constantemente
en la atmósfera y contribuyen a la formación de las
precipitaciones

21. a.- Aire atmosférico.
El aire que rodea la superficie terrestre se llama atmósfera. La
atmósfera es una mezcla de gases que rodea el planeta y que
mantiene unida a él debido a la fuerza de gravedad que la tierra
ejerce sobre ella. Proporciona las sustancias gaseosas
necesarias para que se lleven acabo procesos vitales como la
respiración y la fotosíntesis. El aire atmosférico además
experimenta constantes compresiones y expansiones, de acuerdo
a la altitud y a las condiciones de temperatura. Estas condiciones
determinan los cambios del estado del tiempo como son las
lluvias y los vientos. En la atmósfera ocurren todos estos
fenómenos meteorológicos determinantes del clima de una
región. Otro de los factores que determinan la importancia de la
atmósfera lo constituye la mezcla de gases presente en ella,
que al tener capacidad para absorber calor, controla las
vibraciones bruscas de temperatura. Sin la atmósfera, la tierra
sería un planeta incapaz de mantener la vida.

22. PROPIEDADES DEL AIRE
La composición del aire es variable y depende de la altitud. A
nivel del mar, el aire seco está compuesto por los siguientes
gases: Nitrógeno, 78,03 %, Oxígeno 20,90%, Argón 0,03%, el
0,04% restante lo constituyen el Dióxido de Carbono y el vapor
del agua, más otros gases en menor proporción.
Vemos que los gases más abundantes en la atmósfera terrestre
son el Nitrógeno y el Oxígeno y podemos agregar que el Dióxido
de Carbono y el vapor de agua son los gases más importantes
para la vida.
Las propiedades del aire que se manifiestan por su composición
son:

23. El aire es materia
Tiene masa y ocupa un volumen determinado.
El aire ejerce presión en todas direcciones
Dicha presión se llama presión atmosférica y que para un lugar
concreto depende de la altitud, temperatura y cercanía con el
amar
El aire es fuente de Oxígeno
Posibilita la respiración de los seres vivos y mantiene la
composición de cualquier sustancia combustible

24. El aire es fuente de muchos gases esenciales para la vida
El Dióxido de Carbono, el Nitrógeno y el agua gaseosa, junto al
Oxígeno, se ciclan constantemente en la biosfera. Por ejemplo,
los seres vivos toman el Oxígeno del aire al respirar y liberan
Dióxido de Carbono, que absorben las plantas verdes en la
fotosíntesis para seguir entregando nuevamente Oxígeno al aire.
El aire actúa como filtro de la radiación ultravioleta
proveniente del sol
La capa de aire que se encuentra a unos 30 Km. de altura sobre
la superficie terrestre, nos protege de las radiaciones dañinas
gracias al elemento gaseoso llamado Ozono cuyas moléculas se
forman a partir de tres átomos de Oxígeno.

25. UTILIDAD DEL AIRE
La actividad humana está estrechamente relacionada con la utilización del aire
para los más diversos fines:
El aire es un medio para realizar todo tipo de combustiones
La combustión permite el funcionamiento de maquinarias, la utilización y
transformación de la energía calórica y la producción de multitud de materiales
útiles.
El aire es un elemento utilizado para el funcionamiento de maquinarias
que facilitan la vida y tareas del hombre
Cabe destacar la fabricación de bombas aspirantes que sirven para extraer,
elevar e impulsar el agua u otro líquido en una dirección determinada.
Estas máquinas se utilizan para elevar el agua de los pozos y abastecer a las
localidades que no cuentan con un sistema de cañerías de agua potable. El
principio del funcionamiento de estas bombas se basa en las diferencias de
presión del aire presente en secciones vecinas al lugar de instalación.

26. EL EFECTO INVERNADERO
En nuestra ciudad estamos viviendo en pleno lo que se ha conocido como
efecto invernadero.
Un invernadero es un recinto limitado por una superficie transparente (vidrio,
plástico) en la que el calor puede penetrar, pero no escapar, lo que provoca un
aumento de la temperatura en el interior del recinto.
Los gases presentes en la atmósfera tienen la capacidad de permitir el paso de
la radiación solar haciendo que la tierra se caliente. En forma natural, la tierra,
a su vez, emite o libera el calor excedente hacia la atmósfera.
Sin embargo, en los últimos tiempos ha aumentado la cantidad de gas Dióxido
de Carbono en la atmósfera. Este hecho se ha producido, básicamente, por el
uso excesivo de combustibles fósiles como el petróleo o el carbón y por la tala
indiscriminada de bosques. Así, el Dióxido de Carbono en la atmósfera actúa
del mismo modo de las superficies transparentes de un invernadero: deja pasar
el calor del sol hacia la tierra, pero impide el paso al exterior. Como
consecuencia del fenómeno, la temperatura de la tierra están en lento pero
continuo aumento.

27. VAPOR DE AGUA
Proporciona al aire la humedad necesaria para la formación de nubes lluvia y
nieve, que una vez en la tierra, es aprovechada por plantas y animales. El
vapor de agua en la atmósfera varía según la cercanía del mar y la distancia
desde el suelo, puesto que la presencia de este gas en el aire se debe a la
evaporación de las aguas que componen la hidrosfera.
OZONO
La molécula del Oxígeno es biatómica CO2 pero posee una forma acotrópica
cuya molécula está formada por tres átomos de Oxígeno. El Ozono (O3). La
alotropía es un fenómeno por el cual un elemento puede presentarse en
diferentes estados, ya sea porque difieren en su estructura atómica o por
diferencias moleculares. En los estados alotrópicos es posible la
transformación de una variedad a otra. Generalmente tienen propiedades
diferentes. El Ozono se encuentra en la atmósfera, dependiendo su cantidad
de las distintas capas atmosféricas en que se encuentre. Es importante señalar
que se halla en grandes cantidades en el campo ya que es producido por la
fotosíntesis de las plantas. También se puede encontrar en el aire después de
las tormentas y en lugares donde están situados equipos eléctricos porque se
forma por descargas eléctricas en contacto con el Oxígeno del aire.

28. Leyes de los gases

29. LEY DE BOYLE-MARIOTTE
En 1660 Robert Boyle encontró una relación inversa entre la presión y el volumen de un
gas cuando su temperatura se mantiene constante
La expresión matemática de la ley de Boyle indica que el producto de la presión de un
gas por su volumen es constante:
PV= K
P1V1= P2V2
Como muestra la figura 1, Cuando se somete un gas a una presión de 4 atmósferas el
volumen del gas disminuye. Por lo tanto, A mayor presión menor volumen.
En la figura 2, se observa que cuando se disminuye la presión a 1 atmósfera, el volumen
aumenta, debido a que los gases son compresibles. Por lo tanto A menor presión Mayor
volumen.
Figura 1. Gas sometido a presión de 4 atmosferas. Figura 2. Gas sometido a
presión de 1 atmósfera.
1. Se desea comprimir 10
litros de oxígeno, a
temperatura ambiente y una
presión de 30 kPa, hasta un
volumen de 500 mL. ¿Qué
presión en atmósferas hay
que aplicar?
1 Kilopascal = 0.00986923267 Atm

30. LEY DE CHARLES
En 1787, el físico frances J. Charles propuso por primera vez la relación proporcional
entre el volumen y la temperatura de los gases a presión constante.
Charles fue el inventor del globo aerostático de hidrógeno. como no publicó los
resultados de sus investigaciones sobre gases, se atribuye también esta ley a gay-
Lussac, quien comprobó el fenómeno en 1802.
A presión constante, el volumen se dobla cuando la temperatura absoluta se duplica.
Como se aprecia en la figura 1. A presión constante el volumen de un gas aumenta al
aumentar la temperatura absoluta.
Figura 1. A presión constante el volumen de un gas aumenta con la temperatura.
La expresión matemática de la ley de Charles es.
V/T= k'
k' es una constante.
EJERCICIO
Un globo con volumen de 4 L a 25o C reduce su volumen a 3.68 L cuando se introduce
un buen rato en el refrigerador. ¿A qué temperatura está el refrigerador?
V1/T1= V2/T2
Se despeja T2
T2= T1 ( V2/V1)
298K ( 3.68 L/ 4 L) = 274.1 K
274.1K= 1o C
V1/T1 = V2/T2

31. LEY DE GAY LUSSAC
La presión y la temperatura absoluta de un gas a volumen constante, guardan una relación proporcional.
Esta relación fue determinada originalmente por G. Amonton, quien en 1703 fabricó un termómetro de gas
basado en este principio. No obstante, por los estudios que realizó Gay-Lussac en 1802, la ley lleva su nombre.
La figura 1. ilustra la ley de Gay-Lussac. En un recipiente rígido, a volumen constante, la presión se dobla al
duplicar la temperatura absoluta.
Figura. 1.
La expresión matemática de esta ley es:
P/T=K``
P1/T1= P2/T2
EJERCICIO
Una lata vacía de aerosol de 200 mL contiene gas a 585 mm de Hg y a 20o C ¿Cual es la presión que se genera
en su interior cuando se incinera en una fogata a 700o C?
Datos
T1= 20o C +273= 293o K
P1= 585 mmHg
T2= 700o C + 273 = 973o K
P2= ?
P1/T1= P2/T2
Despejando
P2= P1(T2/T1)
P2= 585 mmHg (973o K/293o K)= 1943 mmHg

32. LEY GENERAL DEL ESTADO GASEOSO (COMBINADA)
La ley general del estado gaseoso es una combinación
de las leyes de Boyle, Charles y Gay-Lussac.
P1V1/T1 = P2V2/T2

33. Ley de Dalton
Establece que la presión de una mezcla de gases, que no reaccionan
químicamente, es igual a la suma de las presiones parciales que ejercería cada
uno de ellos si sólo uno ocupase todo el volumen de la mezcla, sin variar
la temperatura. La ley de Dalton es muy útil cuando deseamos determinar la
presión total de una mezcla

40. La humedad relativa (H.R.) se define como el porcentaje (%) de vapor de agua que
tiene una masa de aire en un momento determinado. Es la relación entre la
humedad que tiene, y la máxima que podría tener a esa temperatura. Se expresa en
tanto por cien, por ejemplo un 80% de vapor. Se calcula nediante una proporción:
Humedad relativa / 100 = gramos de agua que contiene / cantidad máxima de agua
en gramos
Humedad relativa = humedad absoluta. 100 / humedad de saturación
La H.R.indica la capacidad del aire para absorber agua. Una humedad relativa baja
indica que el aire aún puede absorber humedad. Por ejemplo, si la humedad relativa
es del 70 %, significa que el aire aún puede absorber hasta un 30% más de vapor de
agua.
La H.R. nos da un índice de lo confortable que es el aire para nosotros (sensación
térmica). Si es baja, el vapor de agua que exudan nuestros poros se evapora y nos
sentimos bien. Si es alta, el sudor se vuelve pegajoso y queda sobre la piel.

42. Lo más interesante para el clima es conocer la humedad relativa:
una masa de aire saturada, o cercana a la saturación (con alta
humedad relativa) es una masa de aire húmeda y las plantas
pueden aprovechar mejor el agua ya que a través de sus hojas se
evapora en menor cantidad.

44. Temperatura de bulbo seco (T). La temperatura de bulbo seco, es la verdadera temperatura del
aire húmedo y con frecuencia se la denomina sólo temperatura del aire; es la temperatura del
aire que marca un termómetro común.
Temperatura de punto de rocío (Td). La temperatura de punto de rocío, es la temperatura a la
cual el aire húmedo no saturado se satura, es decir, cuándo el vapor agua a condensarse, por un
proceso de enfriamiento, mientras que la presión y la razón de humedad se mantienen
constantes.
Presión de vapor (Pv). La presión de vapor, es la presión parcial que ejercen las moléculas de
vapor de agua presentes en el aire húmedo. Cuando el aire está totalmente saturado de vapor
de agua, su presión de vapor se denomina presión de vapor saturado (Pvs).
Relación de mezcla (W). La razón de humedad del aire, se define como la relación entre la masa
de vapor de agua y la masa de aire seco en un volumen dado de mezcla. Algunos autores
confunden los términos razón de humedad y humedad absoluta; la humedad absoluta,
denominada también densidad del vapor de agua, es la relación entre la masa de vapor de agua
y el volumen que ocupa la mezcla de aire seco y vapor de agua.
Humedad relativa (f). La humedad relativa del aire, se define como la razón entre la presión de
vapor de agua en un momento dado (Pv) y la presión de vapor de agua cuando el aire está
saturado de humedad (Pvs), a la misma temperatura. La humedad relativa se puede expresar
como decimal o como porcentaje.

45. Tarea: ¿Cómo es que se llega a obtener la humedad
relativa, la temperatura de rocío, la relación de
mezcla, la presión de vapor y la presión de vapor de
saturación (todos estos parámetros de humedad)?

46. Ecuaciones generales de transporte
a.- Transporte de calor
b.- Transporte de masa

47. Transporte de calor

49. Veamos ahora más a fondo las tasas de transferencia de
energía. En la cocina, usamos una olla de metal o vidrio para
tener buena transferencia de calor de la estufa a lo que
cocinamos, pero el refrigerador está aislado con un material
que evita que fluya calor hacia la comida que está en el
interior. ¿Cómo describimos la diferencia entre estos dos
materiales?
Los tres mecanismos de transferencia de calor son
conducción, convección y radiación. Hay conducción dentro
de un cuerpo o entre dos cuerpos que están en contacto. La
convección depende del movimiento de una masa de una
región del espacio a otra. La radiación es transferencia de
calor por radiación electromagnética, como la luz del Sol, sin
que tenga que haber materia en el espacio entre los
cuerpos.

50. Conducción
En el nivel atómico, los átomos de las regiones más calientes tienen más
energía cinética, en promedio, que sus vecinos más fríos, así que
empujan a sus vecinos, transfiriéndoles algo de su energía. Los vecinos
empujan a otros vecinos, continuando así a través del material. Los
átomos en sí no se mueven de una región del material a otra, pero su
energía sí.
Sólo hay transferencia de calor entre regiones que están a diferente
temperatura, y la dirección de flujo siempre es de la temperatura más
alta a la más baja. La figura de la izquierda muestra una varilla de
material conductor con área transversal A y longitud L. El extremo
izquierdo de la varilla se mantiene a una temperatura TH, y el derecho, a
una temperatura menor TC, así que fluye calor de izquierda a derecha.
Los costados de la varilla están cubiertos con un aislante ideal, así que
no hay transferencia de calor por los lados.

51. H= Corriente de calor en conducción
Q = Calor
t = Tiempo
L = Largo
TH = Temperatura mayor
TC = Temperatura menor
k = Conductividad térmica
A = Área
Si se transfiere una cantidad de calor dQ por la varilla en un tiempo dt,
la tasa de flujo de calor es dQ/dt. Llamamos a ésta la corriente de calor,
denotada por H. Es decir, H = dQ/dt. Se observa experimentalmente
que la corriente de calor es proporcional al área transversal A de la
varilla y a la diferencia de temperatura (TH-TC), e inversamente
proporcional a la longitud de la varilla L. Introduciendo una constante
de proporcionalidad k llamada conductividad térmica del material,
tenemos:

52. La cantidad (TH-TC)/L es la diferencia de temperatura por
unidad de longitud, llamada gradiente de temperatura. El
valor numérico de k depende del material de la varilla. Los
materiales con k grande son buenos conductores del calor;
aquellos con k pequeña son conductores o aislantes
deficientes. La ecuación también da la corriente de calor
que pasa a través de una plancha, o por cualquier cuerpo
homogéneo con área transversal A uniforme y
perpendicular a la dirección de flujo; L es la longitud de la
trayectoria de flujo del calor. Las unidades de corriente de
calor H son unidades de energía por tiempo, es decir,
potencia; la unidad SI de corriente de calor es el watt (1 W =
1 J/s). Podemos determinar las unidades de k despejándola
de la ecuación. Verifique que las unidades sean W/m · K. En
la tabla se dan algunos valores de k.

54. Convección
La convección es transferencia de calor por movimiento de una masa de fluido
de una región del espacio a otra. Como ejemplos conocidos tenemos los
sistemas de calefacción domésticos de aire caliente y de agua caliente, el
sistema de enfriamiento de un motor de combustión y el flujo de sangre en el
cuerpo. Si el fluido circula impulsado por un ventilador o bomba, el proceso se
llama convección forzada; si el flujo se debe a diferencias de densidad
causadas por expansión térmica, como el ascenso de aire caliente, el proceso
se llama convección natural o convección libre. La convección libre en la
atmósfera desempeña un papel dominante en la determinación del estado del
tiempo, y la convección en los océanos es un mecanismo importante de
transferencia global de calor. En una escala menor, los halcones que planean y
los pilotos de planeadores, aprovechan las corrientes térmicas que suben del
suelo caliente. El mecanismo de transferencia de calor más importante dentro
del cuerpo humano (necesario para mantener una temperatura casi constante
en diversos entornos) es la convección forzada de sangre, bombeada por el
corazón. La transferencia de calor convectiva es un proceso muy complejo, y
no puede describirse con una ecuación simple. Veamos algunos hechos
experimentales:

55. •La corriente de calor causada por convección es directamente
proporcional al área superficial. Esto explica las áreas superficiales
grandes de los radiadores y las aletas de enfriamiento.
•La viscosidad de los fluidos frena la convección natural cerca de una
superficie estacionaria, formando una película superficial que, en una
superficie vertical, suele tener el mismo valor aislante que tiene 1,3 cm
de madera terciada (valor R = 0,7). La convección forzada reduce el
espesor de esta película, aumentando la tasa de transferencia de calor.
Esto explica el “factor de congelación”: nos enfriamos más
rápidamente en un viento frío que en aire tranquilo a la misma
temperatura.
•La corriente de calor causada por convección es aproximadamente
proporcional a la potencia 5 de la diferencia de temperatura entre la
superficie y el cuerpo 4 principal del fluido.

56. Ley de enfriamiento de Newton
La ley del enfriamiento de Newton o enfriamiento newtoniano
establece que la tasa de pérdida de calor de un cuerpo es
proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y sus
alrededores. Fue determinado experimentalmente por Isaac
Newton analizando el proceso de enfriamiento y para él la
velocidad de enfriamiento de un cuerpo cálido en un ambiente
más frío Tm, cuya temperatura es T, es proporcional a la
diferencia entre la temperatura instantánea del cuerpo y la del
ambiente. Cuando la diferencia de temperaturas entre un cuerpo
y su medio ambiente no es demasiado grande, el calor
transferido en la unidad de tiempo hacia el cuerpo o desde el
cuerpo por conducción, convección y radiación es
aproximadamente proporcional a la diferencia de temperatura
entre el cuerpo y el medio externo.

57. A = Área del cuerpo
α = Coeficiente de intercambio de calor,
depende de la forma geométrica del
cuerpo.
T = Temperatura del cuerpo en un tiempo t
Ta = Temperatura ambiente
Q = Calor transferido
m = Masa
Ce = Calor específico
t = Tiempo
T0 = Temperatura inicial del cuerpo

58. Radiación
La radiación es la transferencia de calor por ondas electromagnéticas como la luz
visible, el infrarrojo y la radiación ultravioleta. Todos hemos sentido el calor de la
radiación solar y el intenso calor de un asador de carbón, o las brasas de una
chimenea. Casi todo el calor de estos cuerpos tan calientes no nos llega por
conducción ni por convección en el aire intermedio, sino por radiación. Habría esta
transferencia de calor aunque sólo hubiera vacío entre nosotros y la fuente de calor.

59. Todo cuerpo, aun a temperaturas ordinarias, emite energía en forma
de radiación electromagnética. A temperaturas ordinarias, digamos
20 °C, casi toda la energía se transporta en ondas de infrarrojo con
longitudes de onda mucho mayores que las de la luz visible. Al
aumentar la temperatura, las longitudes de onda se desplazan hacia
valores mucho menores. A 800 °C, un cuerpo emite suficiente
radiación visible para convertirse en objeto luminoso “al rojo vivo”,
aunque aun a esta temperatura la mayoría de la energía se transporta
en ondas de infrarrojo. A 3000 °C, la temperatura de un filamento de
bombilla incandescente, la radiación contiene suficiente luz visible
para que el cuerpo se vea “al rojo blanco”.

60. La tasa de radiación de energía de una superficie es
proporcional a su área superficial A, y aumenta
rápidamente con la temperatura, según la cuarta potencia
de la temperatura absoluta (Kelvin). La tasa también
depende de la naturaleza de la superficie; esta
dependencia se describe con una cantidad e llamada
emisividad: un número adimensional entre 0 y 1 que
representa la relación entre la tasa de radiación de una
superficie dada y la de un área igual de una superficie
radiante ideal a la misma temperatura. La emisividad
también depende un poco de la temperatura. Así, la
corriente de calor H= dQ/dt debida a radiación de un área
superficial A con emisividad e a la temperatura
absoluta T se puede expresar como (Zemasky, 2016):

61. H = Tasa de radiación
A = Área
e = Coeficiente de emisividad
T = Temperatura del cuerpo
Ts = Temperatura ambiente
Hnet= Tasa neta de radiación
σ = Constante de Stefan-Boltzmann
Constante de Stefan-Boltzmann

73. Es común observar que siempre que existe una falta de
equilibrio de un producto en un medio, la naturaleza tiende a
redistribuirlo hasta que se establece un “equilibrio” o
“igualdad”. Con frecuencia, a esta tendencia se le menciona
como la fuerza impulsora, mecanismo que se encuentra
detrás de muchos fenómenos de transporte que ocurren en
forma natural.
b.- Transporte de masa

74. Si se define la cantidad de un producto por unidad de
volumen como la concentración del mismo, puede decirse
que el flujo de un producto siempre se presenta en la
dirección de la concentración decreciente; es decir, desde la
región de alta concentración hacia la de baja concentración
(figura 14-1). El producto sencillamente se escurre en el curso
de la redistribución y, de este modo, el flujo es un proceso de
difusión. La razón del flujo de un producto es proporcional al
gradiente de concentración, dC/dx (el cual representa el
cambio en la concentración C por unidad de longitud en la
dirección x del flujo) y al área A normal a la dirección de ese
flujo, y se expresa como

76. Aquí, la constante de proporcionalidad kdif es el coeficiente de
difusión del medio, el cual es una medida de la rapidez con la que
se difunde un producto en ese medio; se tiene también el signo
negativo para hacer que el flujo en la dirección positiva sea una
cantidad positiva (nótese que dC/dx es una cantidad negativa, ya
que la concentración decrece en la dirección del flujo). Puede ser
que el lector recuerde que la ley de Fourier de la conducción del
calor, la ley de Ohm de la conducción eléctrica y la ley de Newton
de la viscosidad tienen la forma de la ecuación

78. La fuerza impulsora
para la transferencia de
calor es la diferencia de
temperatura.
Como contraste, la
fuerza impulsora para la
transferencia de masa
es la diferencia de
concentración.