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Física de un tronco de leña ardiendo

Según mis conocimientos, el calor no es más que el resultado de las vibraciones de los átomos y las moléculas. Supongo que esto significa que al calentar un gas o un líquido, estamos aumentando la velocidad a la que vibra el recipiente de este gas o líquido, impartiendo así a las moléculas una cierta cantidad de energía.

¿Cómo funcionaría esto en caso de un tronco ardiendo en la chimenea? ¿Vibra y calienta las moléculas de la habitación? ¿O está liberando fotones altamente energéticos que hacen el bombardeo necesario? ¿Qué ocurre exactamente cuando encendemos un fuego?

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JRT Puntos 97

Lo más importante que hay que saber sobre la combustión de un tronco de madera (o de cualquier cosa) es que no es la madera la que arde. La combustión se produce en los gases liberados por la madera al reaccionar con la atmósfera. Por eso es necesario un poco de calor para que la madera arda en primer lugar. Si observas la combustión con atención, verás que las moléculas de gas desprendidas por la madera caliente reaccionan con las moléculas de oxígeno del aire. La reacción produce energía y la energía se arrastra al aumentar la velocidad de la reacción produce (principalmente CO $_2$ y el agua).

Así que, como resultado de la combustión, ahora tenemos moléculas del producto de la reacción moviéndose en direcciones aleatorias a muy alta velocidad, y por supuesto esto es exactamente lo que entendemos por un gas caliente. Hay tres cosas que pueden suceder a nuestras moléculas de gas en movimiento rápido:

  1. Golpean la madera y provocan vibraciones en su superficie, es decir, la calientan transfiriendo su energía cinética a los átomos/moléculas de la madera. Este calentamiento es necesario para que la madera siga emitiendo gases y mantenga la llama.

  2. los productos de la reacción, que se mueven rápidamente, chocan con otras moléculas de aire y les transfieren energía, por lo que calientan el aire alrededor de la llama. Esto, junto con algunas corrientes de convención útiles, es el principal mecanismo para calentar el aire de la habitación y, en última instancia, a ti, a las paredes de la habitación, etc.

  3. los productos de la reacción, que se mueven rápidamente, chocan con las partículas de carbono de la llama y las calientan hasta el punto de que brillan. Esto es lo que da el color amarillo que asociamos a las llamas. Una llama limpia, por ejemplo el hidrógeno que arde en el oxígeno, es prácticamente incolora.

Podrías señalar que no he mencionado el calor radiante que se siente en las manos y la cara cuando te enfrentas al fuego. El calor radiante no proviene de la llama, o al menos sólo una parte muy pequeña proviene directamente de la llama. El calor proviene de la madera, la rejilla, la chimenea y todo lo sólido que esté cerca de la llama, porque esos sólidos han sido calentados por las moléculas del producto de la reacción que se mueven rápidamente. Esta es la radiación de cuerpo negro mencionada por Luboš Motl en su respuesta (que no puedo mejorar, así que no voy a intentarlo). Quizá valga la pena añadir que la radiación de cuerpo negro surge porque las partículas, electrones y núcleos, de un sólido están cargadas, por lo que al vibrar emiten radiación electromagnética. Así es como las vibraciones mecánicas se convierten en ondas electromagnéticas (infrarrojas).

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Nick Puntos 583

Ambos. A la temperatura $T$ (temperatura absoluta en kelvins), cada "grado de libertad" lleva una cantidad de energía igual a $kT/2$ en promedio. Por grado de libertad se entiende una coordenada cartesiana de un átomo -u otra partícula efectivamente "libre"- o una coordenada angular de un objeto en rotación cuyas rotaciones pueden distinguirse realmente del resto.

En el caso de los gases, esta energía se almacena principalmente en la energía cinética de las moléculas individuales (o átomos). Cuanto más caliente está el gas, más se mueven, $mv^2/2\sim kT$ en promedio. En el caso de los líquidos, es similar, salvo que las moléculas chocan constantemente con otras. En el caso de los sólidos, la energía se almacena en las vibraciones de los átomos o las moléculas, pero éstas vibran sobre todo en las proximidades de las posiciones prescritas, como una especie de osciladores armónicos.

En el mismo momento, a la temperatura $T$ todos los objetos -sólidos, líquidos, gases, etc. - también irradian (un gran número de) fotones y cualquier otra radiación correspondiente a esta temperatura. Bueno, eso es cierto para los cuerpos negros: la emisividad puede verse afectada por una función dependiente de la frecuencia para los cuerpos "coloridos" o "brillantes" o "reflectantes".

Siempre que la energía se almacene sólo en una de las vibraciones o radiaciones de los tipos enumerados anteriormente (o cualquier otra forma de energía que pueda tener un sistema), significa que el sistema no está en equilibrio térmico, pero hará todo lo posible para alcanzar el equilibrio, por lo que la energía (calor) se desviará de los grados de libertad que llevan mayor energía que otros, hacia estos otros.

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Cinaed Simson Puntos 20

Los árboles vienen del aire. El oxígeno tiene una gran infinidad de carbono. El fuego es sol almacenado.

Feynman sobre la ciencia del fuego

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Mark Rovetta Puntos 2721

El calor se transferirá desde el contenido caliente de la chimenea a la habitación fría mediante tres mecanismos de transferencia de calor: conducción, radiación y convección.

Creo que hasta ahora sólo se han mencionado las dos primeras: conducción y radiación.

La mayor parte del calentamiento de la habitación por el fuego se puede lograr por el aire caliente que se mueve y se mezcla con el aire más frío de la habitación.

Las mejores chimeneas se construyen con conductos que envuelven los lados calientes del hogar para aprovechar al máximo esta ventaja.

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Andris Puntos 93

La mayor parte de la piel recibe directamente los fotones radiados, que se perciben como calor.

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