¿Por qué la transferencia de calor es muy lenta en comparación con la transferencia de sonido en los sólidos?

Question

Si caliento un barra de hierro de un metro de largo en un extremo, el calor tarda varios segundos en llegar al otro extremo, mientras que el sonido tarda fracciones de segundo. ¿Por qué es así?

Answer 1

Aquí está por qué.

En el caso de la propagación del sonido, las vibraciones de las moléculas en el interior están orientadas en la misma dirección, y por lo tanto se propagan como una onda a la velocidad del sonido en el sólido.

El traslado de calor, en cambio, es difusivo - las vibraciones de todas las moléculas en el interior están en direcciones aleatorias y por lo tanto no se propagan a través del sólido como una onda coherente. El transporte difusivo es inherentemente lento en los sólidos, mucho más lento que la velocidad del sonido.

Answer 2

Si golpeas un extremo de una varilla, empujas los átomos de hierro en ese extremo. Los enlaces entre átomos son como resortes rígidos. Empujar un átomo comprime el resorte y empuja al siguiente átomo. Esto continúa a través de las capas. Debido a que los resortes son muy rígidos, hay poco retraso entre el movimiento de una capa y la siguiente. La velocidad del sonido es alta.

Después de que el pulso de sonido pase, los átomos regresan a su posición inicial con poco cambio en su movimiento térmico aleatorio. Esto es muy parecido a tirar una roca en un estanque. A medida que la ola pasa, el agua gira con mayor energía. Pero la energía viaja con la ola. A medida que la ola pasa, los átomos vuelven a la normalidad.

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Los átomos vibran en un movimiento aleatorio alrededor de una posición de equilibrio. Un átomo sacude a sus vecinos, quienes sacuden a sus vecinos. Un átomo puede empujar, jalar o tirar hacia los lados a sus vecinos. En un instante dado, algunos átomos tienen más energía, otros menos. Un átomo con energía por encima del promedio probablemente chocará con vecinos con menos energía. Lo más probable es que los átomos por encima de la media perderán energía y los vecinos ganarán. En equilibrio, todos los átomos vibran con igual energía en promedio. La temperatura es la misma en todas partes.

Las interacciones entre un átomo y sus vecinos ocurren a la velocidad del sonido. Pero esto no significa que la energía de un átomo por encima del promedio se propague a través de la varilla en la dirección en la que el átomo empuja. La energía añadida a un átomo depende de cómo todos sus vecinos empujan o tiran de él. Pueden agregar energía a un átomo de alta energía. Típicamente, el exceso de energía de un átomo de alta energía tiende a esparcirse entre sus vecinos. Si uno de esos vecinos termina con alta energía, típicamente la compartirá con todos sus vecinos. El camino de la energía en la varilla es una caminata aleatoria.

En equilibrio, la energía camina en todas direcciones por igual. Tanto va a la izquierda como a la derecha. En promedio, no va a ninguna parte.

Si pones un extremo de la varilla en contacto con un objeto caliente, los átomos en el extremo están en contacto con átomos que vibran con más energía. Estos tienen más energía para compartir que sus vecinos más fríos. Más energía camina aleatoriamente hacia los átomos más fríos que aleatoriamente camina de regreso. El resultado es que el calor se propaga hacia arriba por la varilla a la velocidad de una caminata aleatoria.

Answer 3

La explicación principal es que la Energía Sonora no se almacena, mientras que la Energía Térmica se almacena.

Cuando hacemos que la corriente fluya a través de un cable, los electrones generalmente no se almacenan a lo largo del cable, por lo tanto, el flujo es comparable a la velocidad de la luz.

Cuando hacemos que la Luz (o el Calor) pase a través del vacío, los Fotones (o Ondas Electromagnéticas) no se almacenan en ese vacío, por lo tanto, el flujo es muy rápido.

Cuando la Energía Térmica fluye a través de una varilla de metal, esa Energía se almacenará a lo largo de esa varilla. Por lo tanto, el flujo es bastante lento.
Cada pequeño volumen se calentará suavemente y luego pasará gradualmente el calor.
¡Muy lento!

Cuando la Energía Sonora fluye a través de una varilla de metal, esa Energía/vibración no se almacenará a lo largo de esa varilla. Por lo tanto, el flujo es bastante rápido.
Cada pequeño volumen obtendrá rápidamente la Energía/vibración y luego la pasará rápidamente.
¡Muy rápido!

Ocurren fenómenos similares donde "pasar sin almacenar" es más rápido mientras que "transportar mientras se almacena" es más lento.

Answer 4

El calor y el sonido se transfieren a través de vibraciones en un material, y ambos se transfieren a la velocidad del sonido. El error que estás cometiendo es que estás comparando la velocidad del sonido (en m/s) con la velocidad a la que se calienta un extremo de una varilla (°C/s). Las unidades son diferentes: ¿qué velocidad de calentamiento (°C/s) necesitas ser "más" que una velocidad dada (m/s)? Estos no son directamente comparables.

Si te estás preguntando por qué la varilla no alcanza el equilibrio térmico tan rápido como la velocidad del sonido, entonces es porque las vibraciones que transportan calor se dispersan por defectos en el material. Por lo tanto, la distancia efectiva que estas vibraciones deben recorrer para llegar al otro extremo es mucho, mucho mayor que la longitud de la varilla. Si no fuera por esto, tendrías una conductividad térmica prácticamente infinita.

Además de esto, el calor también fluirá en sentido contrario ya que el extremo frío también tendrá vibraciones térmicas: por eso la velocidad de calentamiento (en °C/s) está relacionada con la diferencia de temperatura entre los extremos caliente y frío de la varilla.

Por otro lado, el sonido es transportado principalmente por vibraciones de gran longitud de onda que dispersan menos. Estas también existen en el transporte de calor, pero sus bajas frecuencias significan que transportan mucha menos energía, por lo que contribuyen relativamente poco al calentamiento del otro extremo.

Todo esto ignora las contribuciones de los electrones, que son importantes en los metales. Pero incluso ahí, la idea básica es la misma.

Answer 5

Esto se suma (con suerte) a la respuesta de Prem, que es una explicación clara y buena.

Cuando se aplica "calor" a una barra que conduce el calor (alta, baja u otra), la energía calorífica "entra en la barra y provoca que los átomos se exciten térmicamente. Esto requiere un flujo de energía, que se almacena como vibración molecular, y el aumento y la propagación de la temperatura dependen de la masa térmica y la conductividad térmica del material. La energía calorífica se almacena y se transferirá a lo largo de la barra a una velocidad y provocando un aumento de la temperatura que depende de las propiedades mencionadas anteriormente. La energía calorífica puede salir por los lados de la barra por convección y radiación. A su vez, estas dependen (de manera simplista) en el caso de la convección del efecto de la capa límite, las propiedades superficiales y las propiedades del fluido circundante, y en el caso de la radiación en la 4ª potencia de la temperatura y la emisividad de la superficie. Si tomamos todos estos efectos juntos (y algunos otros), obtenemos un modelo de propagación de la temperatura. Si alguno de estos modelos "simplemente sucediera" a ser diferente (por ejemplo, la radiación cambiando con potencias de la temperatura de quinta o tercera, entonces estaríamos tratando con "otra Física" y el mundo funcionaría de manera diferente a como lo hace ahora.

La transferencia de sonido también depende de modelos y parámetros, pero no son los mismos mecanismos que para la temperatura. En el caso de la transferencia de sonido, el efecto principal es la compresión mecánica que provoca una onda física que se transfiere al material adyacente. Así como los efectos de la capa límite no afectan (principalmente) a la radiación y no esperamos que la convección siga los efectos de la temperatura a la cuarta potencia, también la física de lo que sucede es relevante para los mecanismos involucrados. Hay almacenamiento de energía, pero debido a las propiedades de tensión, módulo de elasticidad, densidad y mucho más, y de efectos resonantes (que pueden ser extremadamente significativos) basados en la topografía de las barras, la "transmisión del sonido" la energía almacenada tiende a transferirse principalmente en una onda de compresión, con leyes mecánicas bastante diferentes de las leyes de transmisión térmica. Es decir, hay muchas leyes físicas en funcionamiento en un cuerpo y vemos algunas de ellas manifestadas bajo algunas formas de excitación, y otro conjunto (posiblemente superpuesto) con otra excitación. Aquí no vemos que la barra se derrita o se vaporice o gire rápidamente, como podría suceder con otras o más excitaciones extremas.

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*Las leyes físicas pueden llevar a resultados interesantes.
Tengo una pequeña lámina de metal con algunos agujeros cortados en ella, tal vez una placa rectangular de 400 x 250 mm de grosor de 3 o 4 mm con algunos agujeros de 25 a 50 mm espaciados al azar, el producto de algún proceso pasado desconocido. Cuando se arroja sobre una superficie dura, este es el objeto MÁS RUIDOSO que he conocido. Emite un "clang" tan fuerte que es muy doloroso para mis oídos envejecidos y aquellos con excelente oído a menudo exclamarán por el dolor y criticarán mi estupidez al demostrarles mi sorprendente juguete. No sé qué propiedades lo hacen un excelente generador de sonido. Nada más se le acerca. Simplemente, las diversas "leyes" en funcionamiento se han optimizado para hacer un ruidoso.