Física - Termodinámica

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Apunte de termodinámica: Experimento Dewar. Convección. Transmisión. Coeficiente de conductibilidad. Radiación.

Energía

Experimento Dewar

En 1892 el escocés James Dewar desarrolló un recipiente especial para el trabajo en bajas temperaturas. Necesitaba mantener la temperatura de los líquidos que utilizaba en sus experimentos. Entonces observó de qué manera eran calentados esos líquidos e intentó hacer un vaso que no sólo los contuviera, sino que además los aislara de la temperatura externa.

Tomó en cuenta las tres formas en que un cuerpo puede ceder el calor a otro,y con ingenio creó el que luego pasaría a llamarse vaso Dewar.

Para evitar el cambio de temperatura por convección,bastaba con tener un frasco cerrado. Eso ya se sabía.

El siguiente problema era limitar el intercambio de calor por transmisión del material del recipiente. Cualquier material con que se fabricara traería ese problema, porque toda materia transmite la energía térmica aunque sea un poco.

¿Y si hiciera un vaso de NADA? Era una buena idea, la "nada" no transmite el calor. Dewar pensó cómo lograrlo. Imaginó dos vasos, uno dentro de otro y sellado en los bordes. En el espacio entre los vasos se aplicaría el vacío. Esto es lo más parecido a tener un vaso de NADA. Y así lo hizo.

Pero quedaba un último problema: las radiaciones atraviesan el vacío, y alguna radiación externa podía calentar la muestra contenida en el vaso.

¿Cómo solucionarlo? Esta vez a James Dewar se le ocurrió espejar las dos paredes de manera que las radiaciones entrantes como salientes, sean reflejadas en vez de absorbidas por el recipiente.

Así creado, el vaso Dewar le sirvió para realizar experimentos con bajas temperaturas.

Actualmente estos excelentes aislantes térmicos se venden popularmente. Hablamos del termo con que tomamos mate, en el que guardamos café e incluso bebidas frías, no gaseosas por supuesto, dado que la presión los haría estallar.

Es notable ver que una invención aparentemente ingenua como el termo necesitó de mucho ingenio y conocimiento de la termodinámica y las radiaciones.

Convección

Cuando un gas (por ejemplo el aire) se calienta, se vuelve más ligero, menos denso y esto hace que se eleve respecto de los mismos gases a menor temperatura. Se produce entonces un movimiento que transporta energía térmica. Es lo que llamamos convección. La convección es la responsable de los vientos, las corrientes de aire hogareñas e incluso de las corrientes oceánicas, ya que también se verifica un cambio en la densidad del agua debido a la temperatura.

Transmisión

Cuando hablamos de temperatura, conviene hacernos la idea de que hablamos de un promedio de la agitación de las moléculas. Más agitación cuanto mayor es la temperatura. Esta vibración es transmitida a las moléculas contiguas en un gas, o a los átomos vecinos en un sólido. Entonces la energía que recibe una parte del cuerpo o del gas, se va transmitiendo y disipando.

Visto desde la óptica cotidiana es lo que sucede al ir calentándose una cuchara sumergida en el café. Lentamente, el mango que no está tocando el líquido, se calienta también por transmisión. Cada átomo de la cuchara en la parte sumergida comienza a vibrar más violentamente,transmitiendo esta vibración a los átomos más alejados, los de la otra punta de la cuchara.

¿Pero por qué no sucede lo mismo con una cuchara de madera? Bueno, es que cada sustancia transporta energía térmica a su propia velocidad. El índice que mide esto se llama coeficiente de conductibilidad. Cuanto más alto el valor del coeficiente, más rápido transporta la energía. Se dice que estamos ante un buen conductor del calor. Es el caso de los metales y de nuestra primera cucharita.

Si el coeficiente es cercano a cero, se trata de un aislante térmico, por ejemplo el telgopor, el agua, el vidrio, la madera, y especialmente el aire, el mejor aislante térmico que tenemos a mano.

El aire como aislante térmico se usa en muchas formas. El doble vidrio con aire en medio es una buena solución aislante del frío. Las plumas de las aves guardan mucho aire intermedio, ofreciendo un buen reparo ante las inclemencias del tiempo. También nuestro cuerpo conoce este secreto; cuando tenemos frío y se nos eriza la piel, los vellos retienen una fina capa de aire caliente cerca de la piel, evitando que el viento la arrastre, logrando mantener así un poco del calor generado.

Radiación

La radiación electromagnética (luz visible, infrarrojos, ultravioletas, etc.) puede desplazarse por el vacío y a la vez transporta energía. Es por eso que se puede perder temperatura por radiación.

¿Sabés por qué las noches despejadas de invierno llegan a ser más frías que las nubladas? Porque el calor acumulado por la tierra se pierde en el espacio por las radiaciones. De otra forma quedarían retenidas por las nubes por la misma razón que el efecto invernadero retiene el calor de la Tierra.

La radiación emitida por un cuerpo depende de la temperatura del mismo y de la superficie que expone.

Cuanto más caliente un cuerpo, más irradia, y las radiaciones son más energéticas.

Un cuerpo caliente comienza a irradiar en infrarrojo (radiación de energía muy baja); si aumenta su temperatura agregará a su emisión las ondas de color rojo, un poco más energéticas. Eso es lo que conocemos como « ponerse al rojo vivo ».

Si la temperatura continúa incrementándose, se seguirán añadiendo más colores hasta conformar la emisión de luz blanca. Es el caso del color blanco del hierro fundido, y por supuesto de la luz del Sol.