Conducción, convección y radiación
Lo que vas a aprender
- Describir la conducción, la convección y la radiación como tres formas en que el calor pasa de un cuerpo a otro.
- Identificar la forma de transferencia de calor que predomina en situaciones de la casa.
- Distinguir los materiales conductores de los aislantes térmicos y explicar para qué se usa cada uno.
- Interpretar experimentos sencillos con datos inventados, para decir qué material deja pasar más calor y qué color absorbe más radiación.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
Las ollas son de metal, pero sus mangos son de plástico o de madera. El congelador de muchas neveras está arriba y no abajo. En tierra caliente la gente prefiere la ropa clara, y el tinto se conserva caliente en un termo durante horas. Nada de eso es casualidad: cada decisión aprovecha o frena una de las tres formas en que el calor pasa de un cuerpo a otro.
En las lecciones anteriores viste que el calor es energía que pasa del cuerpo más caliente al más frío. Ahora vas a ver cómo hace ese camino: tocando, moviéndose con un líquido o un gas, o viajando por el espacio sin necesitar nada. Saberlo te sirve para elegir materiales, ahorrar energía en la casa y entender por qué una cobija abriga.
Antes de empezar necesitas recordar la fórmula $Q = m\cdot c\cdot\Delta T$ y que el calor siempre pasa del cuerpo más caliente al más frío.
Explicación
Conducción: de partícula en partícula
Agarra una cuchara metálica que está dentro de una sopa caliente: al rato el mango también está caliente, aunque nunca tocó la sopa. Las partículas de la punta, que se agitan más, chocan con sus vecinas y les pasan parte de su movimiento; esas chocan con las siguientes, y así la energía avanza por la cuchara sin que el metal se mueva de sitio. Esa forma de pasar el calor se llama conducción. Pasa sobre todo en los sólidos, pero también en los líquidos y los gases quietos (en ellos es muy lenta), y entre dos cuerpos que se tocan, como tu mano y el mango de la olla.
No todos los materiales conducen igual. Los metales son buenos conductores: por eso las ollas son de aluminio o de acero, para que el calor de la estufa llegue rápido a la comida. La madera, el plástico, el icopor, la lana y el aire quieto son aislantes térmicos: dejan pasar muy poco calor. Por eso los mangos son de plástico o de madera, y por eso una nevera tiene paredes rellenas de espuma.
Muchos aislantes funcionan porque atrapan aire en pequeños huecos: el icopor, la lana, las plumas de una chaqueta. Una cobija no te da calor: tu cuerpo es el que está más caliente, y la cobija frena el calor que sale de ti hacia el aire de la noche.
Los conductores también explican una sensación que engaña. Si pisas descalzo una baldosa y luego un tapete del mismo cuarto, la baldosa se siente más fría, aunque los dos están a la misma temperatura. La baldosa conduce mejor y se lleva más rápido el calor de tu pie; tu piel nota esa pérdida y la interpreta como «frío».
Convección: el calor que viaja con el fluido
En un líquido o en un gas el calor tiene otro camino. Cuando calientas una olla de agua, el agua del fondo se calienta primero, se dilata y queda menos densa que el agua de arriba. Entonces sube, y el agua más fría de arriba baja a ocupar su lugar, donde a su vez se calienta. Se forma una corriente que da vueltas por la olla y reparte el calor. Esa forma de pasar el calor, en la que el propio fluido se mueve y lleva la energía, se llama convección.
Con el aire pasa lo mismo. En un cuarto cerrado, el aire caliente se acumula cerca del techo. En la nevera, el congelador va arriba para que el aire que enfría, más denso, baje por sí solo hacia los estantes, mientras el aire que se calentó con los alimentos sube. Las brisas, las nubes y muchos movimientos del aire en la atmósfera también son convección.
Radiación: el calor que no necesita materia
Entre el Sol y la Tierra no hay aire ni ninguna otra cosa: casi todo es espacio vacío. Sin embargo, su energía llega y te calienta la piel. No puede ser por conducción ni por convección, que necesitan materia. Llega por radiación: ondas que viajan aun en el vacío, parecidas a la luz, y que al ser absorbidas por un cuerpo lo calientan.
Todos los cuerpos emiten radiación, y emiten más cuanto más calientes están. Por eso sientes en la cara el calor de un fogón o de una plancha aunque no los toques. Las superficies oscuras y opacas absorben más radiación que las claras o brillantes, que reflejan buena parte. Por eso la ropa clara es más fresca al sol, y un carro negro se pone más caliente que uno blanco.
Las tres a la vez
En la vida real las tres formas suelen trabajar juntas. En una olla al fuego, el calor atraviesa el fondo de metal por conducción, se reparte en el agua por convección, y el fogón y la olla caliente emiten radiación hacia la cocina. Un termo está diseñado para frenar las tres: entre sus dos paredes hay un espacio casi vacío, que frena la conducción y la convección, y las paredes son plateadas para reflejar la radiación.
Fíjate, por último, en un error de lenguaje. En la nevera no «entra el frío» a la comida: la comida está más caliente que el aire de adentro y es ella la que cede calor. El calor siempre va del cuerpo más caliente al más frío, por cualquiera de los tres caminos.
Ejemplo resuelto
El experimento de los tres vasos
En un experimento con datos inventados, se ponen 200 g de agua a 80 °C en tres vasos del mismo tamaño, uno de metal, uno de vidrio y uno de icopor, tapados igual. A los 30 minutos el agua está a 52 °C en el de metal, a 60 °C en el de vidrio y a 74 °C en el de icopor. ¿Cuál material es el mejor aislante, y por qué?
Ver la solución paso a paso
Primero se mira qué es igual en los tres vasos: la misma agua, a la misma temperatura, con la misma tapa y durante el mismo tiempo. Lo único que cambia es el material de las paredes.
El calor pasa del agua caliente al aire del salón, que está más frío, a través de las paredes del vaso: eso es conducción.
El agua que más se enfrió fue la del vaso de metal: el metal es buen conductor y dejó salir el calor más rápido. La del vaso de vidrio quedó en medio.
El agua del vaso de icopor fue la que quedó más caliente: el icopor tiene aire atrapado, que conduce muy mal, y frenó el paso del calor.
Respuesta: El icopor es el mejor aislante de los tres: con él, el agua fue la que menos se enfrió. El metal es el mejor conductor.
Cuánto bajó la temperatura del agua en cada vaso en los 30 minutos del experimento inventado: 28 °C en el de metal, 20 °C en el de vidrio y 6 °C en el de icopor.
Ejemplo resuelto
Dos latas al sol
En otro experimento con datos inventados, se ponen al sol dos latas iguales con 300 g de agua a 20 °C, una pintada de negro y otra de blanco. Al cabo de tres horas, el agua de la lata negra está a 45 °C y la de la blanca a 31 °C. ¿Por qué se calentó más el agua de la lata negra?
Ver la solución paso a paso
Las dos latas son iguales, tienen la misma agua y estuvieron el mismo tiempo al sol: lo único distinto es el color de la pintura.
La energía llega del Sol por radiación: atraviesa el espacio y el aire sin que nada la lleve, hasta la superficie de la lata.
Una superficie oscura absorbe la mayor parte de esa radiación; una blanca refleja buena parte. La pintura negra le pasó más energía al metal y al agua.
Dentro de cada lata, el calor pasa del metal al agua por conducción y el agua se mezcla por convección; eso es igual en las dos. La diferencia la hizo el color.
Respuesta: La lata negra absorbió más radiación del Sol que la blanca, que reflejó buena parte; por eso su agua llegó a una temperatura más alta.
Práctica
En un ensayo inventado se dejan una hora un termo y una olla de aluminio destapada, los dos con agua muy caliente. ¿Por qué el agua del termo se enfría mucho menos?
El termo no produce energía: frena su salida. Entre sus dos paredes casi no hay aire, así que el calor no pasa por conducción ni por convección, y el plateado refleja la radiación hacia adentro. El frío no es algo que entre.
La olla de aluminio destapada del mismo ensayo pierde calor por más de un camino. ¿Cuál descripción es la correcta?
El aluminio es un muy buen conductor y deja salir el calor por las paredes; sin tapa, el aire que toca el agua se calienta, sube y se lleva energía por convección. También hay algo de radiación, pero no es el único camino.
¿De qué material conviene hacer el mango de una olla, y por qué?
El mango tiene que frenar el calor que viene de la olla: por eso se hace de un aislante, como la madera o el plástico. Los metales son buenos conductores y calentarían la mano.
Dos botellas iguales con agua se dejan toda la mañana al sol, una envuelta en tela negra y otra en tela blanca. ¿Qué se espera al final?
Las dos reciben la misma radiación del Sol, pero la tela negra absorbe la mayor parte y la blanca refleja mucha. Por eso el agua de la botella negra termina más caliente. La tela frena algo la conducción, pero no impide que la radiación caliente la botella.
Entre el Sol y la Tierra casi no hay materia. ¿Cómo llega entonces el calor del Sol hasta nosotros?
La conducción y la convección necesitan materia, y en el espacio casi no hay. La radiación son ondas que viajan aun en el vacío: así llega la energía del Sol.
En un cuarto cerrado al mediodía, el termómetro que está cerca del techo marca más que el que está cerca del piso. ¿Qué lo explica?
Al calentarse, el aire se dilata, queda menos denso y sube; el más frío baja. Esas corrientes de convección dejan el aire más caliente cerca del techo.
¿Por qué el congelador de muchas neveras va en la parte de arriba?
El aire que enfría el congelador se vuelve más denso y baja; el más caliente de los estantes sube hasta el congelador. Esa corriente de convección enfría toda la nevera. El frío no sube: lo que se mueve es el aire.
Una baldosa y un tapete llevan horas en el mismo cuarto. Al pisarlos descalzo, la baldosa se siente más fría. ¿Por qué?
Después de horas en el mismo cuarto, los dos están a la temperatura del cuarto. La baldosa es mejor conductora que el tapete, que tiene aire atrapado entre sus fibras: saca calor del pie más rápido, y eso se siente como frío.
En una olla con agua sobre la estufa, ¿qué forma de transferencia reparte el calor desde el agua del fondo hasta el agua de arriba?
En un líquido, la parte caliente se dilata, queda menos densa y sube; la fría baja a ocupar su lugar. Esa corriente es la convección. La conducción sí ocurre en el fondo metálico de la olla, y el frío no es algo que se mueva.
¿Por qué abriga una chaqueta de lana o de plumas?
La chaqueta no produce energía: el que está más caliente es el cuerpo. El aire atrapado entre las fibras o las plumas es un aislante y hace que el calor salga mucho más despacio. El frío no es algo que entre.
Reto
¿Conducción, convección o radiación?
Lleva cada situación a la forma de transferencia de calor que más se nota en ella. Pregúntate: ¿se tocan?, ¿se mueve un líquido o un gas?, ¿llega sin tocar y sin aire que se mueva?
Reto
Completa el experimento de la lata.
Elige la palabra que completa cada espacio. Piensa en cómo llega la energía del Sol y en qué hace el color.
Reto
El crucigrama del calor que viaja.
Lee cada pista y escribe la palabra. No lleva tildes.
Cierre
En resumen
El calor pasa de un cuerpo a otro de tres formas, siempre del más caliente al más frío.
En la conducción el calor pasa de partícula en partícula, sin que el material se mueva; los metales conducen bien y el icopor, la madera, la lana y el aire quieto son aislantes.
En la convección un líquido o un gas caliente sube y el frío baja, y esas corrientes reparten el calor.
La radiación no necesita materia; las superficies oscuras la absorben más que las claras o brillantes.
Un aislante no da calor ni «deja afuera el frío»; frena el paso del calor, como hace el termo con las tres formas.
Vocabulario
- Conducción
Paso de calor a través de un material, o entre dos cuerpos que se tocan, por los choques entre partículas vecinas, sin que el material se desplace.
- Convección
Paso de calor en un líquido o un gas porque la parte caliente sube y la fría baja, y se forman corrientes que llevan la energía.
- Radiación térmica
Paso de calor por medio de ondas que no necesitan materia para viajar, como la energía que llega del Sol.
- Conductor térmico
Material que deja pasar el calor con facilidad, como los metales.
- Aislante térmico
Material que deja pasar muy poco calor, como el icopor, la madera, la lana o el aire quieto.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Muestre una olla y pregunte por qué el mango no es de metal, y por qué el congelador de muchas neveras está arriba.
- Explicación · 15 min — Las tres formas con ejemplos de la casa; conductores y aislantes. Resuelva en el tablero el experimento de los tres vasos y comente la gráfica de barras.
- Práctica · 20 min — Preguntas en parejas. Las canastas se pueden proyectar y discutir en grupo: pida que justifiquen cada elección.
- Cierre · 5 min — Pida que expliquen cómo frena un termo las tres formas de transferencia.
Preguntas para el salón
- Si una baldosa y un tapete están a la misma temperatura, ¿por qué la baldosa se siente más fría?
- ¿Cómo llega a la Tierra la energía del Sol, si en el espacio casi no hay materia?
- ¿Una cobija da calor? ¿Qué hace, entonces?
Errores típicos
- Decir que el frío entra a la comida o a la casa. Pida que digan qué cuerpo está más caliente y hacia dónde va el calor; el frío no es algo que se mueva.
- Creer que un abrigo o una cobija producen calor. Pregunte qué temperatura tendría una cobija guardada en un armario: la misma del cuarto. Es el cuerpo el que está más caliente.
- Confundir conducción y convección en los líquidos. Pregunte si el agua se mueve. Si el fluido se desplaza y lleva la energía, es convección.
- Pensar que la radiación solo viene del Sol. Pida que acerquen la mano de lado, sin tocarla, a una taza caliente: todos los cuerpos emiten radiación, más cuanto más calientes. Por encima de la taza no sirve, porque ahí se siente sobre todo el aire caliente y el vapor que suben por convección.
Tarea sugerida
Recorrer la cocina de la casa y anotar tres objetos que usen un conductor y tres que usen un aislante, diciendo para qué sirve cada uno y qué forma de transferencia de calor aprovechan o frenan.