Radiación, calor y hornos (II): Electrones, calor y temperatura

(Viene de Radiación, calor y hornos (I): Queremos calentar las cosas )

Continuemos con los hornos eléctricos actuales, en particular lo que utilizan resistencias eléctricas y veremos rápidamente en qué se basa su funcionamiento.

Cuando los electrones intentan pasar a través de un material se pueden encontrar las siguientes situaciones:

1- Pueden pasar sin, prácticamente, resistencia alguna (materiales superconductores).

2- Pueden pasar con una resistencia reducida (materiales conductores: oro, plata, cobre)

3- Les cuesta trabajo trabajo pasar, pero lo hacen (materiales que no son tan buenos como conductores: acero inoxidable, plomo, estaño)

4- A veces pasan, a veces no pasan (Semiconductores, los materiales indecisos. Esta propiedad es justamente la que los hace idóneos para fabricar componentes electrónicos).

5- No pueden pasar (materiales aislantes: plásticos, madera, cemento).

Las resistencias de los hornos (la más típica hecha de una aleación de 80% de Níquel y 20% de Cromo llamada Nicrom) pertenecen al tercer caso. Veamos los casos extremos, el 1 y el 5. En el caso 1, los materiales superconductores forman una especie de autopistas donde los electrones pasan sin encontrar obstáculos, por tanto, los choques de los electrones con las moléculas son mínimos:

Fig. 1. Autopista de electrones. Si esto fuera un material superconductor, los electrones pasan por las zonas oscuras sin chocar con las moléculas (puntos negros entre zonas luminosas). Por eso van rapidito.

En el caso 5 (aislantes) los electrones se encontrarían esto:

Fig. 2. Hasta aquí llegaron los electrones. (Derechos reservados Warner Bros.)

  

Esto significa que en un material aislante, los electrones no pasan a través del material. Así de simple.

En el caso 3 (materiales con pobre conducción) los electrones se encuentran más o menos la siguiente situación:

Fig. 3. Los electrones intentan llegar al otro lado. Suerte con eso.

Los electrones pueden ir de un sitio a otro, pero chocando continuamente con las moléculas del material. Y aquí está la clave:

Cuando los electrones chocan con las moléculas, les transfieren energía de movimiento. Esto significa que las moléculas del material aumentan su movimiento (puede ser lineal, circular o vibracional). Pensemos en lo siguiente:

  Si hacemos el promedio de la velocidad de movimiento de estas moléculas ¿cuando es mayor el promedio, antes o después de los choques?

Correcto: Es mayor DESPUÉS de los choques. Justamente esta medida (la velocidad promedio de las moléculas) es la que asociamos con la TEMPERATURA, por tanto, lo que hemos visto es un AUMENTO de la temperatura. A este mecanismo de aumento de la temperatura se le conoce como Efecto Joule. Luego, como la resistencia está en contacto con aire o agua, el choque de las moléculas del material con las del fluido hace el mismo efecto. Esto es la transmisión de calor por contacto directo.

Muy importante: Es muy común la confusión entre los términos “calor” y “temperatura”. En lenguaje coloquial los usamos como sinónimos pero en realidad no lo son: Como se mencionó anteriormente, la temperatura viene a ser EL PROMEDIO de la velocidad de las moléculas del objeto, y para medirla usamos un termómetro. En cambio, el calor es una forma de energía y lo sabemos porque las energías son capaces de realizar Trabajo u otras transformaciones como las químicas. En Física, el Trabajo se define como la Fuerza requerida para desplazar un objeto una cierta distancia. En el caso que la Fuerza y la distancia tengan la misma dirección y sentido el Trabajo se calcula mediante la fórmula:

Trabajo = Fuerza · distancia

Y digo las energías porque conocemos de muchos tipos: mecánicas (potencial gravitacional, potencial elástica, cinética, etc.), eléctricas, magnéticas, químicas, etc. Todas ellas medibles. Los profesionales que usan el calor y la temperatura lo deben tener claro o se pueden encontrar sorpresas desagradables (¿eh, señores cocineros que preguntan por la temperatura que alcanzan los hornos pero no por el calor que pueden transferir a los alimentos?).

Nota posmoderna importante: los chakras, el chi o qui, la energía espiritual, etc. NO se consideran actualmente como energía física porque NO hay manera de medirlas (ni directa ni indirectamente), y por tanto,  no se puede saber cual es el Trabajo que producen. Desde hace tiempo que mucha gente confunde las analogías o símiles que se hacen a manera de licencia poética (un recurso literario) tipo “el alma es COMO una mariposa” y luego mucha gente se acaba creyendo que “el alma ES una mariposa”. A partir de aquí se derivan muchos problemas como las pseudociencias, sus derivados como las pseudoterapias y la pseudoeducación. Ojo amiguito, que no te engañen.

Fig 4. Esta sí es una energía del chi. Del canal Hazlo tu mismo en youtube (en portugués)

Regresemos a nuestra programación habitual: Cuando el fluido caliente toca a la comida, vuelve a ocurrir el mismo efecto y entonces la comida se calienta. La transmisión del calor desde la resistencia hasta la comida usando el fluido como intermediario es un caso de “Transmisión de calor por convección”.

2a Conclusión: La temperatura de un objeto aumenta porque hay objetos más calientes que él que le transmiten calor por contacto directo o por convección. El calor, de manera natural, pasa de los objetos más calientes hacia otros más fríos.

Serie: Radiación, calor y hornos

Radiación, calor y hornos (I): Queremos calentar las cosas

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Radiación, calor y hornos (III): Radiación electromagnética

Radiación,calor y hornos (IV): Calor por radiación y hornos de Infrarrojos

Radiación, calor y hornos (V): El horno de microondas