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Transferencia de Calor · OpenStax Vol. 2

Términos, Ecuaciones y Constantes

Referencia de términos clave, ecuaciones fundamentales, factores de conversión y constantes de física utilizadas en el estudio de transferencia de calor y termodinámica. Ver en OpenStax

1. Términos clave

calor
Energía transferida únicamente por una diferencia de temperatura.
calor de fusión
Energía por unidad de masa necesaria para que una sustancia pase de la fase sólida a la líquida (o que se libera al pasar de líquida a sólida).
calor de sublimación
Energía por unidad de masa necesaria para que una sustancia pase de la fase sólida a la fase vapor.
calor de vaporización
Energía por unidad de masa necesaria para que una sustancia pase de la fase líquida a la fase vapor.
calor específico
Cantidad de calor necesaria para cambiar la temperatura de 1,00 kg de una sustancia en 1,00 °C. También llamada capacidad de calor específico.
caloría (cal)
Energía necesaria para cambiar la temperatura de 1,00 g de agua en 1,00 °C.
calorimetría
Estudio de la transferencia de calor dentro de un recipiente impermeable al calor.
calorímetro
Recipiente que impide transferencia de calor hacia dentro o hacia fuera.
cero absoluto
Temperatura a la que la energía cinética promedio de las moléculas es cero.
coeficiente de calor latente
Término general para los calores de fusión, vaporización y sublimación.
coeficiente de dilatación lineal
α\alpha: propiedad del material que da el cambio de longitud, por unidad de longitud, por cada cambio de 1 °C en la temperatura.
coeficiente de expansión volumétrica
β\beta: similar a α\alpha, pero da el cambio de volumen, por unidad de volumen, por cada cambio de 1 °C en la temperatura.
conducción
Transferencia de calor a través de materia estacionaria por contacto físico.
conductividad térmica
Propiedad de un material que describe su capacidad para conducir calor.
convección
Transferencia de calor por el movimiento macroscópico del fluido.
diagrama de fase
Gráfico de presión vs. temperatura de una sustancia determinada, que muestra a qué presiones y temperaturas se producen sus fases.
dilatación térmica
Cambio de tamaño o volumen de un objeto con el cambio de temperatura.
efecto invernadero
Calentamiento de la Tierra debido a gases como CO₂ y metano que absorben radiación infrarroja de la superficie terrestre y la diseminan en todas las direcciones, enviando parte de ella de regreso a la Tierra.
emisividad
Medida de lo bien que irradia un objeto (e = 1 cuerpo negro ideal; e = 0 reflector perfecto).
equilibrio térmico
Condición en la que el calor ya no fluye entre dos objetos en contacto; ambos tienen la misma temperatura.
equivalente mecánico del calor
Trabajo necesario para producir los mismos efectos que la transferencia de calor.
escala Celsius
Escala de temperatura en la que el punto de congelación del agua es 0 °C y el punto de ebullición es 100 °C.
escala de temperatura absoluta
Escala, como la kelvin, cuyo punto cero es el cero absoluto.
escala Fahrenheit
Escala de temperatura en la que el punto de congelación del agua es 32 °F y el punto de ebullición es 212 °F.
escala kelvin (K)
Escala de temperatura en la que 0 K es la temperatura más baja posible (cero absoluto).
kilocaloría (kcal)
Energía necesaria para cambiar la temperatura de 1,00 kg de agua entre 14,5 °C y 15,5 °C.
ley cero de termodinámica
Si dos objetos están en equilibrio térmico y un tercer objeto está en equilibrio térmico con uno de ellos, también está en equilibrio térmico con el otro.
ley de Stefan-Boltzmann
P=σAeT4P = \sigma A e T^4donde σ=5,67×10−8 J/(s⋅m2⋅K4)\sigma = 5,67 \times 10^{-8} \text{ J}/(\text{s}\cdot\text{m}^2\cdot\text{K}^4), AA = superficie, TT = temperatura absoluta, ee = emisividad.
presión crítica
Presión en el punto crítico.
presión de vapor
Presión a la que un gas coexiste con su fase sólida o líquida.
punto crítico
Combinación de temperatura y presión por encima de la cual las fases líquida y gaseosa son indistinguibles.
punto triple
Presión y temperatura a las que una sustancia existe en equilibrio como sólido, líquido y gas.
radiación
Energía transferida por ondas electromagnéticas directamente como consecuencia de una diferencia de temperatura.
sublimación
Cambio de fase de sólido a gas.
temperatura
Cantidad medida por un termómetro que refleja la energía mecánica de las moléculas de un sistema.
temperatura crítica
Temperatura en el punto crítico.
tensión térmica
Estrés causado por contracción o dilatación térmica.
transferencia de calor
Movimiento de energía de un lugar o material a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura.
vapor
Gas a una temperatura inferior a la de ebullición.

2. Ecuaciones clave

ConceptoEcuación
Dilatación térmica lineal
ΔL=αLΔT\Delta L = \alpha L \Delta T
Dilatación térmica en dos dimensiones
ΔA=2αAΔT\Delta A = 2\alpha A \Delta T
Dilatación térmica en tres dimensiones
ΔV=βVΔT\Delta V = \beta V \Delta T
Transferencia de calor (sensible)
Q=mcΔTQ = mc\Delta T
Transferencia de calor en calorímetro
Qfrıˊo+Qcaliente=0Q_{\text{frío}} + Q_{\text{caliente}} = 0
Calor por fusión / congelación
Q=mLfQ = mL_f
Calor por evaporación / condensación
Q=mLvQ = mL_v
Tasa de conducción
P=kA(Th−Tc)dP = \frac{kA(T_h - T_c)}{d}
Tasa neta de radiación
Pneta=σeA(T24−T14)P_{\text{neta}} = \sigma e A (T_2^4 - T_1^4)

3. Factores de conversión

Tabla B1 — Longitud

CantidadEquivalencia
1 metro102 cm=10−3 km=39,37 in=3,281 ft10^2 \text{ cm} = 10^{-3} \text{ km} = 39,37 \text{ in} = 3,281 \text{ ft}
1 centímetro10−2 m=0,3937 in10^{-2} \text{ m} = 0,3937 \text{ in}
1 kilómetro103 m=0,6214 mi10^3 \text{ m} = 0,6214 \text{ mi}
1 pulgada2,540 cm2,540 \text{ cm}
1 pie0,3048 m=30,48 cm=12 in0,3048 \text{ m} = 30,48 \text{ cm} = 12 \text{ in}
1 milla1 609 m=1,609 km=5 280 ft1\,609 \text{ m} = 1,609 \text{ km} = 5\,280 \text{ ft}
1 ångström10−10 m10^{-10} \text{ m}
1 fermi10−15 m10^{-15} \text{ m}

Tabla B2 — Tiempo

CantidadEquivalencia
1 minuto60 s
1 hora3 600 s = 60 min
1 día86 400 s = 1 440 min = 24 h
1 año365,25 días

Tabla B3 — Velocidad

Cantidadm/scm/sft/smi/h
1 m/s110210^23,2812,237
1 cm/s10−210^{-2}1——
1 ft/s0,304830,4810,6818
1 mi/h0,447044,701,4671

Tabla B4 — Masa

CantidadEquivalencia
1 kilogramo103 g10^3 \text{ g}
1 gramo10−3 kg10^{-3} \text{ kg}
1 slug14,59 kg14,59 \text{ kg}
1 tonelada métrica1 000 kg1\,000 \text{ kg}

Tabla B5 — Fuerza

CantidadNdinalb
1 newton110510^50,2248
1 dina10−510^{-5}1—
1 libra4,448—1

Tabla B6 — Presión

CantidadEquivalencia
1 pascal1 Pa1 \text{ Pa}
1 dina/cm²10−1 Pa10^{-1} \text{ Pa}
1 atmósfera1 atm=76 cmHg=14,70 lb/in2=1,013×105 Pa1 \text{ atm} = 76 \text{ cmHg} = 14,70 \text{ lb/in}^2 = 1,013 \times 10^5 \text{ Pa}
1 bar105 Pa10^5 \text{ Pa}
1 torr1 mmHg1 \text{ mmHg}

Tabla B7 — Trabajo, energía y calor

CantidadEquivalencia
1 julio (J)107 erg=0,7376 ft⋅lb=0,2389 cal10^7 \text{ erg} = 0,7376 \text{ ft}\cdot\text{lb} = 0,2389 \text{ cal}
1 erg10−7 J10^{-7} \text{ J}
1 pie-libra (ft·lb)1,356 J=0,3239 cal1,356 \text{ J} = 0,3239 \text{ cal}
1 caloría (cal)4,186 J=3,088 ft⋅lb4,186 \text{ J} = 3,088 \text{ ft}\cdot\text{lb}

4. Constantes fundamentales (Tabla C1)

Valores CODATA 2006. Los números entre paréntesis representan las incertidumbres de los dos últimos dígitos.

CantidadSímboloValor
Unidad de masa atómicauu1,6605×10−27 kg=931,494 MeV/c21,6605 \times 10^{-27} \text{ kg} = 931,494 \text{ MeV/c}^2
Número de AvogadroNAN_A6,02214076×1023 mol−16,02214076 \times 10^{23} \text{ mol}^{-1}
Magnetón de BohrμB\mu_B9,27401×10−24 J/T9,27401 \times 10^{-24} \text{ J/T}
Radio de Bohra0a_05,29177×10−11 m5,29177 \times 10^{-11} \text{ m}
Constante de BoltzmannkBk_B1,380649×10−23 J/K1,380649 \times 10^{-23} \text{ J/K}
Longitud de onda ComptonλC\lambda_C2,42631×10−12 m2,42631 \times 10^{-12} \text{ m}
Constante de Coulombkek_e8,98755×109 N⋅m2/C28,98755 \times 10^9 \text{ N}\cdot\text{m}^2\text{/C}^2
Masa del electrónmem_e9,10938×10−31 kg=0,511 MeV/c29,10938 \times 10^{-31} \text{ kg} = 0,511 \text{ MeV/c}^2
Carga elementalee1,602176634×10−19 C1,602176634 \times 10^{-19} \text{ C}
Constante universal de gasesRR8,31447 J/(mol⋅K)8,31447 \text{ J/(mol}\cdot\text{K)}
Constante gravitacionalGG6,67428×10−11 N⋅m2/kg26,67428 \times 10^{-11} \text{ N}\cdot\text{m}^2\text{/kg}^2
Masa del neutrónmnm_n1,67493×10−27 kg=939,565 MeV/c21,67493 \times 10^{-27} \text{ kg} = 939,565 \text{ MeV/c}^2
Permeabilidad del espacio libreμ0\mu_04π×10−7 T⋅m/A4\pi \times 10^{-7} \text{ T}\cdot\text{m/A}
Permitividad del espacio libreε0\varepsilon_08,85419×10−12 C2/(N⋅m2)8,85419 \times 10^{-12} \text{ C}^2\text{/(N}\cdot\text{m}^2\text{)}
Constante de Planckhh6,62607015×10−34 J⋅s6,62607015 \times 10^{-34} \text{ J}\cdot\text{s}
Constante reducida de Planckℏ\hbar1,05457182×10−34 J⋅s1,05457182 \times 10^{-34} \text{ J}\cdot\text{s}
Masa del protónmpm_p1,67262×10−27 kg=938,272 MeV/c21,67262 \times 10^{-27} \text{ kg} = 938,272 \text{ MeV/c}^2
Constante de RydbergRHR_H1,09737×107 m−11,09737 \times 10^7 \text{ m}^{-1}
Velocidad de la luz en el vacíocc2,99792458×108 m/s2,99792458 \times 10^8 \text{ m/s}
Constante de Stefan-Boltzmannσ\sigma5,67×10−8 J/(s⋅m2⋅K4)5,67 \times 10^{-8} \text{ J/(s}\cdot\text{m}^2\cdot\text{K}^4\text{)}

Combinaciones útiles

h⋅ch\cdot c
12 400 eV⋅A˚=1 240 eV⋅nm=1 240 MeV⋅fm12\,400 \text{ eV}\cdot\text{\AA} = 1\,240 \text{ eV}\cdot\text{nm} = 1\,240 \text{ MeV}\cdot\text{fm}
ℏ⋅c\hbar\cdot c
1 973 eV⋅A˚=197,3 eV⋅nm=197,3 MeV⋅fm1\,973 \text{ eV}\cdot\text{\AA} = 197,3 \text{ eV}\cdot\text{nm} = 197,3 \text{ MeV}\cdot\text{fm}
ke⋅e2k_e \cdot e^2
14,40 eV⋅A˚=1,440 eV⋅nm=1,440 MeV⋅fm14,40 \text{ eV}\cdot\text{\AA} = 1,440 \text{ eV}\cdot\text{nm} = 1,440 \text{ MeV}\cdot\text{fm}
kB⋅T (T=300 K)k_B \cdot T \text{ (}T = 300 \text{ K)}
0,02585 eV0,02585 \text{ eV}

5. Referencias originales

Moebs, William; Ling, Samuel J.; Sanny, Jeff. Física universitaria volumen 2. OpenStax, 2021. CC BY-NC-SA 4.0.

Cap. 1: Términos claveCap. 1: Ecuaciones claveB: Factores de conversiónC: Constantes fundamentales