¿Cuál es exactamente la diferencia entre radiación, conducción y convección?

Question

Ok, así que en todas partes que he leído, escucho que la diferencia principal es el requisito de un medio. Pero por ejemplo, si tomamos el caso del calor 'irradiando' desde un hierro al rojo vivo, ¿no es eso realmente convección y no radiación? Quiero decir, ¿no es la diferencia de temperatura entre el aire circundante y el hierro lo que hace que el aire gane calor?

Answer 1

Prácticamente a todo lo que indicaste en tu pregunta, "no".

Que la convección requiera un medio no es la principal diferencia, simplemente es el aspecto más obvio de lo que es un mecanismo fundamentalmente diferente para transferir energía. La convección es la transferencia de energía por movimiento de un medio, mientras que la radiación es la transferencia de energía mediante, bueno, radiación térmica. La conducción también requiere un medio, pero, nuevamente, es un mecanismo fundamentalmente diferente al de la convección o la radiación; en este caso es la transferencia de energía a través de un medio.

Desafortunadamente, las analogías son difíciles, pero si puedes visualizar las partículas involucradas, ayudaría. Piensa en el hierro rojo caliente que mencionaste. A nivel molecular, el material está emitiendo muchas fotones (por eso está brillando de rojo). La creación de estos fotones requiere energía; energía del calor del hierro. Estos fotones salen del hierro, atraviesan el entorno y eventualmente chocan con algún otro objeto donde son absorbidos y depositan su energía. Esta es la transferencia de calor radiante. Si esa energía se deposita en tu retina o en un CCD (como en una cámara digital), se forma una imagen con el tiempo. Así es como funcionan las gafas de visión nocturna infrarroja y funcionarían igual de bien en un alto vacío como aquí en la tierra.

En la conducción, el siguiente ejemplo más simple, no hay generación de fotones (los nerds de la física me perdonarán por simplificar). Los átomos individuales en el objeto están vibrando con energía térmica. A medida que cada átomo gana energía de sus vecinos más energéticos, también cede energía a aquellos menos energéticos. Con el tiempo, el calor "viaja" a través del objeto.

En la convección, las moléculas de gas cerca del objeto ganan energía, al igual que en el caso de la conducción, pero esas mismas moléculas que ganaron energía luego se desplazan a través del entorno a alguna otra ubicación donde luego liberan su energía térmica.

En resumen:

• radiación = fotones generados y absorbidos
• conducción = moléculas excitando a sus vecinos sucesivamente
• convección = moléculas calentadas como en la conducción, pero luego se desplazan a otra ubicación

Answer 2

Voy a tratar de explicarlo en palabras simples.

Cada cuerpo que tiene una temperatura por encima de 0 Kelvin emite (es decir, irradia) un poco de calor en forma de ondas. (¡Así que incluso nosotros irradiamos!) Por supuesto, la cantidad de esta radiación depende de la temperatura, por lo que cuanto mayor sea la temperatura del cuerpo, más calor emite. Ahora, dado que esta energía térmica viaja en forma de ondas, no necesariamente requiere ningún medio para viajar. Por lo tanto, puede viajar en cualquier / ningún medio.

Voy a tratar de explicar la convección usando un ejemplo simple.

Considera un vaso de agua que se calienta desde abajo. El agua en la región inferior se calienta, se vuelve más ligera, y por lo tanto sube hacia arriba. Ahora la región de agua (relativamente) más fría en la parte superior desciende y comienza a calentarse. Luego, nuevamente se calienta y sube cuando se vuelve más ligera que el agua (previamente calentada) en la parte superior, pero esta vez se calienta más que el agua en la parte superior. Este proceso continúa y eventualmente cada molécula de agua se calienta.

Como puedes ver, en este proceso, el movimiento de las partículas lleva al calentamiento de todo el cuerpo (agua, en este caso) - las más cálidas se alejan de la fuente de calor para que las más frías recojan el calor.

Entonces, está claro que la convección requiere un medio (específicamente, un medio no sólido). A diferencia de la radiación, si no hay un medio cerca de la fuente, no puede perder su calor simplemente mediante convección. (Por supuesto, puede perderlo a través de la radiación).

Vamos al caso de calentamiento de una barra de hierro.

Lo que dijiste es en parte correcto, que la convección es uno de los modos de transferencia de calor aquí. Pero, también lo es la radiación. Recuerda que la barra de hierro está demasiado caliente en comparación con la temperatura ambiente y por lo tanto irradiará mucho calor. De hecho, el calor es tanto que la barra brilla de rojo brillante. (Si conoces un poco sobre el espectro electromagnético, sabrías que cuando la emisión de un cuerpo también incluye el espectro visible, realmente podemos ver (parte de) el espectro de emisión).

En realidad, los 3 modos de transferencia de calor ocurren simultáneamente.

(Incluso en el ejemplo del vaso anterior, las moléculas de agua, (junto con la convección) emiten calor en forma de radiación, ya que tienen una temperatura distinta de cero. También transfieren calor por colisiones a otras moléculas de agua, lo que se conoce como conducción. Sin embargo, en ese ejemplo, la convección fue el modo de transferencia de calor más dominante).

Si deseas conocer la diferencia exacta entre estos modos de transferencia, quizás necesites seguir un curso de ingeniería a nivel intermedio.

Answer 3

Número. La luz (como puedes ver --- ¡está al rojo vivo! --- y la luz infrarroja que no puedes ver) sale de la superficie metálica y llega directamente a tu piel/termómetro, y lo haría así incluso sin aire.

Answer 4

Las respuestas dadas ya explican las diferencias entre los procesos por los cuales el calor se transfiere de un cuerpo a otro pero también hay diferencias en su importancia relativa en situaciones particulares.

Un radiador de calefacción central emite calor pero la convección es un proceso más importante una vez que el aire se calienta y antes de eso la conducción a través del metal del que está hecho el radiador es el proceso dominante.

En temperaturas muy bajas, la radiación es el proceso dominante porque la mayoría de las sustancias son sólidos y son muy malos conductores de calor.

En temperaturas muy altas, la radiación es el proceso dominante.

Por lo tanto, la temperatura es un factor que puede determinar cuál proceso es el más importante.

Tu hierro al rojo vivo es un buen ejemplo en el sentido de que si pones tu mano cerca de él puedes "sentir" la radiación y debido a que la temperatura del hierro es relativamente alta, habrá mucha radiación (principalmente infrarroja) emitida desde él pero también habrá una pérdida debido a la convección.

Identificar y luego cuantificar qué proceso es el más importante a menudo es muy difícil.
Después de que una bombilla ha estado encendida por un período de tiempo, el envoltorio de vidrio se calienta pero los procesos por los cuales se calienta son bastante complejos.
Prueba lo siguiente.
Elige una bombilla accesible que no haya estado encendida por algún tiempo.
Coloca tus manos alrededor de la bombilla sin tocarla realmente.
Enciende la bombilla y luego después de unos segundos apágala.
Sentirás la sensación de calor debido a la radiación emitida por el filamento calentado pero si ahora tocas el envoltorio de vidrio seguirá estando frío.
Así que la radiación es muy importante particularmente ya que eso es en parte luz pero la mayoría de la transferencia de energía desde el filamento es en el infrarrojo.