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Calor

En física, calor, simbolizado cerca Q, es energía transferido a partir de un cuerpo o sistema a otros debido a una diferencia adentro temperatura.^[1][2] En termodinámica, la cantidad TdS se utiliza como medida representativa del calor, que es temperatura absoluta de un objeto se multiplicó por la cantidad diferenciada de un sistema entropía medido en límite del objeto. El calor puede fluir espontáneamente de un objeto con una temperatura alta a un objeto con una temperatura más baja. La transferencia del calor a partir de un objeto a otro objeto con una temperatura igual o más alta puede suceder solamente con la ayuda de a pompa de calor. Cuerpos de alta temperatura, de los cuales dé lugar a menudo a altos índices traspaso térmico, puede ser creado cerca reacciones químicas (por ejemplo el quemarse), reacciones nucleares (por ejemplo fusión el ocurrir dentro de Sol), electromágnetico disipación (como adentro estufas eléctricas), o mecánico disipación (por ejemplo fricción). El calor se puede transferir entre los objetos cerca radiación, conducción y convección. Temperatura se utiliza como medida de la energía interna o entalpia, ése es el nivel del movimiento elemental que da lugar a traspaso térmico. El calor se puede transferir solamente entre los objetos, o las áreas dentro de un objeto, con diversas temperaturas (según lo dado por ley del zeroth de la termodinámica), y entonces, en ausencia del trabajo, solamente en la dirección del cuerpo más frío (según segunda ley de la termodinámica). La temperatura y la fase de una sustancia conforme a traspaso térmico se determinan cerca calor latente y capacidad de calor. Un término relacionado es energía termal, definido libremente como la energía de un cuerpo que aumenta con su temperatura.

Contenido 1 Descripción 1.1 Energía termal 2 Historia 3 Notación 3.1 Entropía 4 Definiciones 5 Termodinámica 5.1 Energía interna 5.2 Capacidad de calor 5.3 Cambios de la fase 6 Mecanismos del traspaso térmico 6.1 Conducción 6.2 Convección 6.3 Radiación 6.4 Otros mecanismos del traspaso térmico 7 Disipación de calor 8 Referencias 9 Vea también 10 Acoplamientos externos

Descripción

primera ley de la termodinámica estados esos la energía de a sistema cerrado se conserva. Por lo tanto, para cambiar la energía de un sistema, la energía se debe transferir a o desde el sistema. El calor y el trabajo son los únicos dos mecanismos por los cuales la energía se puede transferir a o desde una masa del control. El calor es la transferencia de la energía causada por la diferencia de la temperatura. La unidad para la cantidad de energía transferida por el calor en Sistema de las unidades internacional SI es julio (j), aunque Unidad termal británica y caloría todavía se utilizan de vez en cuando en los Estados Unidos. La unidad para el índice del traspaso térmico es vatio (W = J/s).

El traspaso térmico es una función de la trayectoria (cantidad de proceso), en comparación con una función del punto (cantidad del estado). Caudales caloríficos entre los sistemas que no están en equilibrio termal con uno a; fluye espontáneamente de las áreas del colmo temperatura a las áreas de la baja temperatura. Cuando dos cuerpos de diversa temperatura entran en el contacto termal, intercambiarán energía interna hasta que se igualan sus temperaturas; es decir, hasta que alcanzan equilibrio termal. El adjetivo caliente se utiliza como un término relativo comparar la temperatura del objeto a la de los alrededores (o a la de la persona que usa el término). El calor del término se utiliza para describir el flujo de la energía. En ausencia de las interacciones del trabajo, el calor que se transfiere a los extremos de un objeto para arriba que consiguen almacenados en el objeto bajo la forma de energía interna.

Calor específico se define como la cantidad de energía de la cual tiene que ser transferido a o desde una unidad masa o topo de una sustancia para cambiar su temperatura por una grado. El calor específico es una característica, que significa que depende de la sustancia bajo la consideración y su estado según lo especificado por sus características. Combustibles, cuando está quemado, lance mucha de la energía en los vínculos químicos de sus moléculas. Sobre cambiar a partir de una fase a otra, una sustancia pura lanza o absorbe calor sin su cambiar de la temperatura. La cantidad de traspaso térmico durante un cambio de la fase se conoce como calor latente y depende sobre todo de la sustancia y de su estado.

Energía termal

Vea el artículo principal: Energía termal

Energía termal es un término confundido a menudo con el del calor. Libremente hablando, cuando el calor se agrega a a sistema termodinámico sus aumentos termales de la energía y cuando el calor se retira sus disminuciones termales de la energía. En este punto de vista, los objetos que son calientes se refieren como estando en la posesión de una cantidad grande de energía termal, mientras que los objetos fríos poseen poca energía termal. La energía termal entonces a menudo se define equivocadamente como siendo sinónimo para el calor de la palabra. Éste, sin embargo, no es el caso: un objeto no puede poseer calor, sino solamente energía. El término “energía termal” cuando está utilizado en la conversación no se utiliza a menudo en un sentido terminantemente correcto, sino es más probable ser utilizado solamente como palabra descriptiva. En la física y termodinámica, “calor” de las palabras, “energía interna”, “trabajo”, "entalpia“(contenido de calor),”entropía“, “externo fuerzas“, etc., que que se puede definir exactamente, es decir. sin recurso a los movimientos y a las vibraciones atómicos internos, tienda para ser preferido y utilizó más a menudo que el término “energía termal”, que es difícil de definir.

Historia

Artículo principal: historia del calor.

En historia de la ciencia, historia del calor remonta sus orígenes del primeros hominids para hacer fuego y para especular en su operación y significado al día moderno físicos de la partícula quiénes estudian la naturaleza secundario-atómica del calor. En fin, el fenómeno del calor y de su definición se desarrolló de teorías mythological de fuego, al calor, a los pinguis del terra, phlogiston, a aire del fuego, a calórico, a teoría del calor, a equivalente mecánico del calor, a termodinámica (llamado a veces energética) a termodinámica. La historia del calor, entonces, es un precursor para los progresos y las teorías en historia de la termodinámica.

Notación

La cantidad total de energía transferida con traspaso térmico se abrevia convencionalmente como Q. La convención convencional de la muestra es ésa cuando un cuerpo lanza calor en sus alrededores, Q < 0 (-); cuando un cuerpo absorbe calor de sus alrededores, Q > 0 (+). Tarifa del traspaso térmico, o el flujo del calor por tiempo de la unidad, se denota cerca:

.

Se mide adentro vatios. Flujo del calor se define como índice del traspaso térmico por área seccionada transversalmente de la unidad, y se denota q, dando por resultado unidades de vatios por el metro cuadrado, aunque convenciones levemente diversas de la notación pueden ser utilizadas.

Entropía

En 1854, físico alemán Rudolf Clausius definió teorema en segundo lugar fundamental ( segunda ley de la termodinámica) en el mecánico teoría del calor (termodinámica): “si dos transformaciones que, sin hacer necesario ningún otro cambio permanente, pueden substituir mutuamente uno otro, se llamen equivalente, entonces las generaciones de la cantidad de calor Q de trabajo en la temperatura T, tiene equivalencia-valor:"^[3][4]

En 1865, él vino definir este cociente como entropía simbolizado cerca S, tales que, para un sistema cerrado, inmóvil:

y así, por la reducción, cantidades de calor δQ ( diferencial inexacto) se definen como cantidades de TdS ( diferencial exacto):

Es decir la función de la entropía S facilita la cuantificación y la medida del calor atraviesa a límite termodinámico.

Definiciones

En términos modernos, el calor se define sucinto como energía en tránsito. Físico escocés Maxwell del vendedor de James, en su obra clásica 1871 Teoría del calor, era uno del primer para declarar una definición moderna del “calor”. En fin, el maxwell contorneó cuatro estipulaciones en la definición del calor. Uno, es “algo que se puede transferir a partir de un cuerpo a otro”, según segunda ley de la termodinámica. Dos, puede ser hablado como de “cantidad mensurable”, y ser tratado así matemáticamente como otras cantidades mensurables. Tres, “puede no trátese como sustancia”; para él puede ser transformado en algo que no es una sustancia, e.g. trabajo mecánico. Pasado, es “una de las formas de energía”. Similar tales definiciones modernas, sucintas del calor son como sigue:

• En un sentido termodinámico, calor nunca se mira como siendo almacenado dentro de un cuerpo. Como trabajo, existe solamente como energía en tránsito a partir de un cuerpo a otro; en terminología termodinámica, entre un sistema y sus alrededores. Cuando la energía bajo la forma de calor se agrega a un sistema, se almacena no como calor, sino como la energía cinética y potencial de los átomos y de las moléculas que componen el sistema.^[2]

• El sustantivo calor es definido solamente durante el proceso de la transferencia de energía por la conducción o la radiación.^[5]

• Calor se define como cualquier flujo espontáneo de la energía a partir de un objeto a otro, causado por una diferencia en temperatura entre dos objetos.^[6]

• Calor puede ser definido como energía en tránsito de un objeto de alta temperatura a un objeto de la bajo-temperatura.^[7]

• Calor pues una interacción entre dos cerró sistemas sin el intercambio del trabajo es una interacción pura del calor cuando los dos sistemas, aislados inicialmente y en un equilibrio estable, se ponen en contacto. La energía intercambiada entre los dos sistemas entonces se llama calor.^[8]

• Calor es una forma de energía poseída por una sustancia en virtud del movimiento vibratorio, es decir. energía cinética, de sus moléculas o átomos.^[9]

• Calor es la transferencia de la energía entre las sustancias de diversas temperaturas.

Termodinámica

Energía interna

El calor se relaciona con energía interna U del sistema y trabajo W hecho por el sistema por primera ley de la termodinámica:

cuál significa que la energía del sistema puede cambiar vía trabajo o vía caudales caloríficos a través del límite del sistema termodinámico. Más detalladamente, Energía interna es la suma de todas las formas microscópicas de energía de un sistema. Se relaciona con la estructura molecular y el grado de actividad molecular y puede ser visto como la suma de las energías cinéticas y potenciales de las moléculas; abarca los tipos siguientes de energías:^[10]

Tipo	Composición de Energía interna (u)
Energía sensible	la porción de energía interna de un sistema asociado a las energías cinéticas (traducción, rotación, y vibración moleculares; traducción y vuelta del electrón; y vuelta nuclear) de las moléculas.
Energía latente	la energía interna se asoció a fase de un sistema.
Energía química	la energía interna se asoció a enlaces atómicos en una molécula.
Energía nuclear	la enorme cantidad de energía se asoció a enlaces fuertes dentro del núcleo del átomo sí mismo.
Interacciones de la energía	esos tipos de energías no almacenadas en el sistema (e.g. traspaso térmico, transferencia total, y trabajo), pero que se reconocen en límite del sistema pues lo cruzan, que representa aumentos o pérdidas por un sistema durante un proceso.
Energía termal	la suma de formas sensibles y latentes de energía interna.

La transferencia del calor a un gas ideal en la presión constante aumenta la energía interna y realiza el trabajo del límite (es decir. permite que un volumen del control de gas llegue a ser más grande o más pequeño), con tal que el volumen no se obligue. El volver a primera ley ecuación y separación del término del trabajo en dos tipos, “trabajo del límite” y “otro” (e.g. el trabajo del eje se realizó por un ventilador del compresor), rinde el siguiente:

Esta cantidad combinada ΔU + W_boundary es entalpia, H, uno de potenciales termodinámicos. Ambo entalpia, H, y energía interna, U sea funciones del estado. Las funciones del estado vuelven a sus valores iniciales sobre la terminación de cada ciclo en procesos cíclicos tales como el de a motor de calor. En cambio, ni unos ni otros Q ni W son las características de un sistema y no necesitan sumar a cero excedente los pasos de un ciclo. La expresión infinitesimal para el calor, δQ, formas diferencial inexacto para los procesos que implican el trabajo. Sin embargo, para los procesos que no implican ningún cambio en volumen, campo magnético aplicado, u otros parámetros externos, δQ, formas diferencial exacto. Asimismo, para los procesos adibáticos (ningún traspaso térmico), la expresión para el trabajo forma diferencial exacto, pero para los procesos que implican la transferencia del calor forma diferencial inexacto.

Capacidad de calor

Para un sistema compresible simple tal como un gas ideal dentro de un pistón, los cambios en entalpia y la energía interna se pueden relacionar con capacidad de calor en la presión y el volumen constantes, respectivamente. Obligado para tener volumen constante, el calor, Q, requerido para cambiar su temperatura de una temperatura inicial, T₀, a una temperatura final, T_f se da cerca:

Quitando el constreñimiento y permitir del volumen que el sistema se amplíe o contraiga en la presión constante:

Para las sustancias incompresibles, por ejemplo sólidos y líquidos, la distinción entre los dos tipos de capacidad de calor desaparece, pues no se realiza ningún trabajo. La capacidad de calor es cantidad extensa y como tal es dependiente en el número de moléculas en el sistema. Puede ser representado como el producto de la masa, m , y capacidad de calor específica, según:

o es dependiente en el número de topos y la capacidad de calor molar, según:

Las capacidades de calor molares y específicas son dependientes sobre los grados de libertad internos del sistema y no en cualquier característica externa tal como volumen y número de moléculas.

El específico calienta de los gases monatomic (e.g., helio) es casi constante con temperatura. Los gases diatómicos tales como hidrógeno todavía exhiben una cierta dependencia de la temperatura, y los gases triatomic (e.g., bióxido de carbono) más.

En líquidos en las temperaturas suficientemente bajas, los efectos del quántum llegan a ser significativos. Un ejemplo es el comportamiento de bosons por ejemplo helium-4. Para tales sustancias, el comportamiento de la capacidad de calor con temperatura es discontinuo en Condensación de Bose-Einstein punto.

El comportamiento del quántum de sólidos es caracterizado adecuadamente por Debye modelo. En las temperaturas bien debajo de la temperatura característica de Debye de un enrejado sólido, su calor específico será proporcional al cubo de la temperatura absoluta. Para los metales a baja temperatura, un segundo término es necesario explicar el comportamiento de los electrones de la conducción, un ejemplo de Estadística de Fermi-Dirac.

Cambios de la fase

El punto que hierve de agua, en nivel del mar y la presión atmosférica normal y la temperatura, estarán siempre en el °C casi 100, no importa cómo se agrega mucho calor. El calor adicional cambia la fase del agua de líquido en vapor de agua. El calor agregado para cambiar la fase de una sustancia de esta manera reputa “ocultado” y se llama así calor latente (de Latino latere el significar “mentir ocultado”). El calor latente es el calor por la masa de la unidad necesaria para cambiar el estado de una sustancia dada, o:

y

Observe que, como la presión aumenta, L subidas levemente. Aquí, M_o es la cantidad de masa inicialmente en la nueva fase, y M es la cantidad de masa que termine para arriba en la nueva fase. También,L no depende generalmente de la cantidad de masa que cambie fase, así que la ecuación puede ser escrita normalmente:

Q = LΔm.

A veces L puede ser time-dependent si la presión y el volumen están cambiando con tiempo, para poder escribir el integral como:

Mecanismos del traspaso térmico

Artículo principal: Traspaso térmico

El calor tiende para moverse desde una región de alta temperatura a una región a baja temperatura. Este traspaso térmico puede ocurrir por los mecanismos de conducción y radiación. En ingeniería, el término transferencia del calor de convección se utiliza describir los efectos combinados del flujo de la conducción y del líquido y se mira como tercer mecanismo del traspaso térmico.

Conducción

Conducción son los medios más significativos del traspaso térmico en un sólido. En una escala microscópica, la conducción ocurre como átomos calientes, rápidamente de mudanzas o que vibran y moléculas obre recíprocamente con los átomos vecinos y las moléculas, transfiriendo algo de su energía (calor) a estos átomos vecinos. En aisladores el flujo del calor se lleva casi enteramente cerca phonon vibraciones.

El “líquido del electrón” de a conductor el sólido metálico conduce casi todo el flujo del calor a través del sólido. El flujo del Phonon todavía está presente, pero lleva menos el de 1% de la energía. Los electrones también conducen corriente eléctrica a través de los sólidos conductores, y termal y conductividades eléctricas de la mayoría metales tenga cociente casi igual. Un buen conductor eléctrico, por ejemplo cobre, generalmente también conduce calor bien. Efecto de Peltier-Seebeck exhibe la propensión de electrones de conducir calor a través de un sólido eléctricamente conductor. La termoelectricidad es causado por la relación entre los electrones, los flujos del calor y las corrientes eléctricas.

Convección

Convección está generalmente la forma dominante de traspaso térmico en líquidos y gases. Esto es un término usado para caracterizar los efectos combinados del flujo de la conducción y del líquido. En la convección, entalpia la transferencia ocurre al lado del movimiento de las porciones calientes o frías del líquido junto con traspaso térmico por la conducción. Un aumento en temperatura produce comúnmente una reducción en densidad. Por lo tanto, cuando el agua se calienta en una estufa, la agua caliente del fondo de la cacerola se levanta, desplazando el líquido más denso más frío que cae. El mezclarse y resultado de la conducción eventual en una densidad e incluso una temperatura casi homogenous. Dos tipos de convección son comúnmente distinguidos, convección libre, en que la gravedad y flotabilidad fuerza la impulsión el movimiento flúido, y convección forzada, donde se utiliza un ventilador, el agitador, u otros medios de mover el líquido. Boyante la convección es debido a los efectos de la gravedad, y por lo tanto no ocurre adentro microgravity ambientes.

Radiación

Radiación es la única forma de traspaso térmico que puede ocurrir en ausencia de cualquier forma de medio; así es los únicos medios del traspaso térmico con a vacío. La radiación termal es un resultado directo de los movimientos de átomos y de moléculas en un material. Puesto que estos átomos y moléculas se componen de partículas cargadas (protones y electrones), sus movimientos dan lugar a la emisión de radiación electromágnetica, que lleva energía lejos de la superficie. Al mismo tiempo, la superficie es bombardeada constantemente por la radiación de los alrededores, dando por resultado la transferencia de la energía a la superficie. Puesto que la cantidad de radiación emitida aumenta con el aumento de temperatura, una transferencia neta de la energía de temperaturas más altas a temperaturas más bajas resulta.

La energía que a cuerpo negro emite en las varias frecuencias se describe cerca Ley de Planck. Para cualquier temperatura dada, hay una frecuencia f_máximo en cuál emitió la energía es un máximo. Ley de la dislocación de Wien, y el hecho de que la frecuencia de la luz es inverso proporcional a su longitud de onda en vacío, significa que la frecuencia máxima f_máximo es proporcional a la temperatura absoluta T del cuerpo negro. La fotosfera del sol, en una temperatura de aproximadamente 6000 K, emite la radiación principalmente en la porción visible del espectro. La atmósfera de la tierra es en parte transparente a la luz visible, y la luz que alcanza la superficie de la tierra se absorbe o se refleja. La superficie de la tierra emite la radiación absorbida, aproximando el comportamiento de un cuerpo negro en 300 K con el pico espectral en f_máximo. En estas frecuencias más bajas, la atmósfera es en gran parte opaca y la radiación de la superficie de la tierra es absorbida o dispersada por la atmósfera. Aunque una cierta radiación se escapa en espacio, es absorbida y re-emitida posteriormente por los gases atmosféricos. Es esta selectividad espectral de la atmósfera que es responsable del planetario efecto del invernadero.

La casa común lightbulb tiene un espectro el traslapar de los espectros del blackbody del sol y de la tierra. Una porción de los fotones emitidos por un filamento de la bombilla del tungsteno en 3000K esté en el espectro visible. Sin embargo, la mayor parte de la energía se asocia a los fotones de longitudes de onda más largas; éstos no ayudarán a una persona a ver, sino calor inmóvil de la transferencia al ambiente, como puede ser deducido empírico observando un lightbulb incandescente de la casa. Siempre que se emita y después se absorba la radiación del EM, se transfiere el calor. Este principio se utiliza adentro hornos de microonda, corte del laser, y Retiro del pelo del RF.

Otros mecanismos del traspaso térmico

• Calor latente: La transferencia del calor a través de un cambio físico en el medio tal como agua-a-hielo o agua-a-vapor implica energía significativa y se explota en muchas maneras: motor de vapor, refrigerador etc. (véase calor latente de la fusión)
• Pipas de calor: Usando la acción latente del calor y del tubo capilar para mover calor, las pipas de calor pueden llevar muchas veces ḿas calor como una barra de cobre similar-clasificada. Inventado originalmente para el uso adentro satélites, están comenzando a tener usos adentro ordenadores personales.

Disipación de calor

En climas fríos, las casas con sus sistemas de calefacción forman sistemas disipantes. A pesar de esfuerzos de aislar tales casas para reducir pérdidas de calor a sus exteriores, el calor considerable se pierde, o se disipa, de ellos, que pueden hacer sus interiores incómodo fresco o frío. Para la comodidad de sus habitantes, el interior de una casa se debe mantener fuera de equilibrio termal con sus alrededores externos. En efecto, las residencias domésticas son oasis del calor en un mar de frío y el gradiente termal entre el interior y el exterior es a menudo absolutamente escarpado. Esto puede conducir a los problemas por ejemplo condensación y bosquejos incómodos (bosquejos) que, si la izquierda unaddressed, pueden causar daño estructural a la característica. Esta es la razón por la cual las técnicas modernas del aislamiento se requieren para reducir pérdida de calor.

En tal casa, a termóstato es un dispositivo capaz de comenzar el sistema de calefacción cuando el interior de la casa cae debajo de una temperatura del sistema, y de parar eso se ha alcanzado el mismo sistema cuando otro (más alto) fije la temperatura. Así el termóstato controla el flujo de la energía en la casa, esa energía que es disipada eventual al exterior.

Referencias

Vea también

Efecto del ángulo del sol en clima Muerte del calor del universo Ecuación del calor Traspaso térmico Cambiador de calor

Coeficiente del traspaso térmico Energía interna Calefacción del choque Temperatura Termómetro Sensor del flujo del calor

Acoplamientos externos

• Calor del plasma en 2 gigakelvins - Artículo acerca extremadamente de la temperatura alta generada por los científicos (Foxnews.com)
• Calor y termodinámica - Universidad de estado de Georgia
• Correlaciones para la transferencia del calor de convección - Recursos en línea de ChE
• Una introducción a la definición cuantitativa y análisis del calor escrito para los estudiantes de la High School secundaria