Ejercicios: Transmisión del calor: conducción, convección y radiación

Usted deja una cuchara metálica dentro de la sopa caliente y, al cabo de un rato, el mango también está caliente aunque no toca el líquido, como se muestra en la figura.

¿Cómo se llama el mecanismo por el que el calor ha viajado a lo largo de la cuchara? Explíquelo brevemente.

El Sol calienta la Tierra a pesar de que entre ambos hay unos $150$ millones de kilómetros de espacio vacío, como se muestra en la figura.

¿Qué mecanismo de transmisión del calor hace posible que nos llegue su energía? ¿Por qué no pueden ser los otros dos?

Al encender el radiador, el aire del cuarto se va calentando poco a poco, empezando por el aire situado junto al radiador, que asciende hacia el techo, como se muestra en la figura.

¿Qué mecanismo reparte el calor por el aire del cuarto? Descríbalo.

Clasifique estos materiales en buenos conductores del calor o aislantes térmicos, y justifique su elección:

1. a) Un sartén de aluminio.
2. b) El mango de madera del sartén.
3. c) Un suéter de lana.
4. d) Una cuchara de acero.
5. e) Un tapón de corcho.

¿Por qué las cazuelas y los sartenes llevan el mango de madera o de plástico en vez de ser de una sola pieza de metal? Explíquelo con lo que sabe sobre la conducción del calor.

En la playa, a mediodía, se nota una brisa que sopla del mar hacia la arena: el aire situado sobre la arena caliente sube y el aire más fresco del mar viene a ocupar su lugar, como se muestra en la figura.

¿Qué mecanismo de transmisión del calor está actuando? Explíquelo.

Un día frío pero soleado de invierno usted se pone al sol y nota calor en la cara, aunque el aire sigue frío. ¿Por qué mecanismo le llega ese calor? ¿Necesita aire para viajar?

Complete las frases con el nombre del mecanismo que falta:

1. a) En la $\dots$ el calor se transmite por contacto directo, sin que la materia se desplace.
2. b) En la $\dots$ el calor viaja con el movimiento de un fluido, como el aire o el agua.
3. c) En la $\dots$ el calor viaja sin necesidad de materia, como ocurre con la energía del Sol.

Cuando hornea una pizza intervienen los tres mecanismos de transmisión del calor. Identifíquelos:

1. a) La resistencia eléctrica incandescente calienta la pizza sin tocarla.
2. b) El aire caliente circula por el interior del horno.
3. c) La bandeja metálica calienta la base de la masa.

Usted toca la pata metálica de su escritorio y después la superficie de madera, y el metal le parece más frío, aunque los dos llevan horas en la misma habitación.

1. a) ¿Están realmente a distinta temperatura?
2. b) Explique la diferencia de sensación usando la conducción del calor.

Sentado frente a una chimenea encendida, usted siente el calor en la cara, mientras el humo y el aire caliente se van por el tiro, como se muestra en la figura.

1. a) ¿Qué mecanismo lo está calentando a usted?
2. b) ¿Qué mecanismo hace subir el aire caliente por la chimenea?

Justifique ambas respuestas.

Con una tostadora en marcha usted hace tres pruebas:

1. a) Pone la mano encima, sin tocarla, y nota que sube aire caliente.
2. b) La pone al lado, sin tocarla, y también nota calor.
3. c) La toca con un dedo y se quema.

Identifique el mecanismo de transmisión del calor que actúa en cada caso.

Las chamarras de plumas abrigan porque las plumas atrapan mucho aire entre ellas.

1. a) ¿Es el aire quieto y atrapado buen o mal conductor del calor?
2. b) Explique por qué ese aire atrapado hace que nuestro cuerpo pierda menos calor.

Una sartén tiene la base de aluminio y el mango de un plástico especial, muy mal conductor del calor, como se muestra en la figura.

Justifique la elección de cada material pensando en qué quiere que haga el calor en cada parte de la sartén.

De día, en la playa, la brisa sopla del mar hacia tierra; de noche suele soplar al revés. Sabiendo que la arena se calienta y se enfría mucho más rápido que el agua del mar, explique las dos situaciones usando las corrientes de convección.

Usted envuelve una lata de refresco fría en un paño de lana grueso y deja otra lata igual sin envolver sobre la mesa de la cocina.

1. a) Prediga cuál de las dos se calentará antes.
2. b) Explique el papel de la lana como aislante térmico: ¿le da calor al refresco o impide que le llegue?

Usted mete un cubito de hielo sujeto con una rejilla en el fondo de un tubo de ensayo lleno de agua y calienta la parte superior del tubo con un mechero hasta que el agua de arriba hierve. El hielo del fondo apenas se derrite, como se aprecia en la figura.

1. a) ¿Qué demuestra el experimento sobre el agua como conductora del calor?
2. b) ¿Por qué la convección no lleva el calor hacia abajo, hasta el hielo?

Una nave espacial se calienta por el Sol y debe deshacerse del exceso de calor, pero está rodeada de vacío, como se muestra en la figura.

1. a) Explique por qué no puede enfriarse por conducción ni por convección.
2. b) ¿Qué mecanismo le queda para perder calor?
3. c) Los paneles de enfriado de las naves son grandes, negros y planos: razone por qué esas características favorecen ese mecanismo.

Usted calienta agua en una olla de acero sobre una cocina de gas, como se muestra en la figura. Describa el viaje del calor desde la llama hasta el agua, identificando el mecanismo que actúa en cada tramo:

1. a) De la llama y los gases calientes al fondo de la olla.
2. b) A través del metal de la olla.
3. c) Desde el fondo de la olla hasta toda el agua.

Usted sirve chocolate caliente en dos tazas: una de acero fino y otra de porcelana gruesa.

1. a) ¿Cuál de las dos le quema más los dedos al agarrarla?
2. b) ¿En cuál se enfría antes el chocolate?
3. c) Justifique ambas predicciones usando la conducción del calor y el espesor y tipo de material de cada taza.

En el baño, descalzo, la baldosa le parece mucho más fría que la alfombra, aunque ambas están a la temperatura de la casa.

1. a) Explique esa diferencia de sensación.
2. b) Prediga qué sentiría si el baño tuviera el piso caliente (piso radiante), a una temperatura mayor que la de su pie: ¿qué material le parecería entonces más caliente al pisarlo?
3. c) Razone la respuesta pensando en quién cede calor a quién y a qué velocidad lo hace.

En invierno, con la calefacción encendida, alguien abre de par en par la ventana para renovar el aire.

1. a) Explique por qué mecanismo se pierde el calor de la habitación al abrir la ventana.
2. b) ¿Qué supone menos pérdida de calor: abrir de par en par durante cinco minutos o dejar la ventana entreabierta toda la mañana? Justifíquelo.
3. c) Proponga una forma de ventilar la habitación perdiendo menos calor y explique por qué funciona.

Los servicios de emergencia envuelven a los accidentados con una manta térmica, una lámina fina y plateada.

1. a) ¿Qué le ocurre a la radiación que emite el cuerpo cuando llega a la cara plateada de la manta?
2. b) El aire que queda entre el cuerpo y la manta apenas puede moverse: ¿cómo ayuda eso a reducir las pérdidas por convección?
3. c) La manta no «da calor», y sin embargo la persona se enfría mucho más despacio. Explíquelo.

Un radiador funciona mejor instalado en la parte baja de la pared que cerca del techo. Observe la figura, que compara las dos instalaciones:

1. a) Explique por qué usando las corrientes de convección.
2. b) ¿Qué le pasaría al aire caliente si el radiador estuviera junto al techo? ¿Se calentaría bien la habitación?
3. c) La posición apenas influye en el calor que el radiador transmite por radiación: ¿sabría decir por qué?