¿Podría una vela, en teoría, derretir hierro?

Question

La pregunta del título es bastante ilustrativa. Supongo que la verdadera pregunta sería:

¿El calor es acumulativo?

Ponga un ejemplo:

Si tengo una vela encendida justo debajo de una barra de hierro, asumiendo que la vela permanecerá encendida indefinidamente, y que la tasa de pérdida de calor es inferior a la tasa de obtención de calor. ¿Alcanzará la barra finalmente la temperatura necesaria para que se derrita?

Si la respuesta es no :

Una vez que la barra de hierro alcanzó la máxima temperatura a la que la vela puede llegar. ¿A dónde va toda la energía (calor) después?

EDITAR:

La pregunta "¿el calor es acumulativo?" puede ser ignorado ya que está fuera de lugar y es engañoso. A pesar de que la respuesta es "sí", no significa que la respuesta a la pregunta general sea también "sí".

El punto no es si es realmente posible derretir el hierro con una vela. Hierro y vela son meras partes de la ilustración, sus propiedades son irrelevantes.

Una mejor redacción de la pregunta principal sería:

¿Podría un objeto calefactor contenido en un sistema perfectamente cerrado empujar la temperatura del sistema por encima de su propia temperatura?

Answer 1

No. La vela sólo puede transferir calor a la plancha mientras la vela esté más caliente que la plancha. La temperatura de una llama depende en gran medida de los productos químicos que se queman. Una vela típica arde a unos $1400\ ^{\circ}\mathrm{C}$ . El hierro se funde a $1538\ ^{\circ}\mathrm{C}$ . Así, la plancha dejaría de calentarse a $1400\ ^{\circ}\mathrm{C}$ y no se derrita.

Sin embargo, no estás tan lejos. Probablemente podrías encontrar una vela más caliente de lo normal (¿mezclar serrín en la cera, tal vez?) y utilizarla para fundir un trocito de hierro, como la punta de una aguja de hierro. También podrías encontrar una aleación de hierro que se funda a una temperatura más baja.

Tenga en cuenta que la temperatura de equilibrio será menor que la temperatura de la vela, ya que el hierro pierde calor al medio ambiente a través de procesos como la radiación, como se menciona en otras respuestas (ver Respuesta de @Lelouch ). Estas pérdidas pueden reducirse haciendo cosas como encerrar el sistema en una caja aislada brillante para reflejar el calor radiado.

Answer 2

Intentaré una explicación sencilla. Supongamos que inicialmente no hay transiciones de fase. Al calentar un cuerpo, su temperatura aumenta y éste irradia energía al espacio circundante según $$P = A\varepsilon \sigma T^4$$ ( $\sigma$ es la constante de Stefan Boltzman, $A$ es la superficie, $T$ es la temperatura, $\varepsilon$ es la emisividad).

Obviamente, $P$ aumenta a medida que $T$ aumenta. Entonces, si antes de que la barra alcance su punto de fusión, $P$ se hace igual a la potencia de entrada (de la llama), no habrá un flujo neto de energía a través de la interfaz de la barra circundante (porque si lo hubiera, $P$ sería mayor que la potencia de entrada, y se perdería más energía de la que se ganaría, volviendo al punto de equilibrio estable). En este punto, fíjate en que la temperatura es constante, porque cualquier energía suministrada por la vela es emitida de forma equivalente por el cuerpo (una especie de equilibrio dinámico). Por supuesto, esto sólo es posible si la barra no se funde antes de alcanzar esta temperatura.

Answer 3

¿El calor es acumulativo?

Esta es una pregunta un poco ambigua, pero sí es "acumulativa". Si se pone un poco de calor en algo, se mantendrá caliente, a menos que se saque ese calor. Poner 10 unidades de calor a la vez es lo mismo que poner 1 unidad 10 veces, suponiendo de nuevo que puedas mantener el calor aislado en el objeto.

La analogía es un cubo con agujeros. El calor es como el agua que pones, la temperatura es el nivel del agua. No importa si pones el agua de una sola vez, o en pequeños trozos, pero en cuanto pones un poco de agua, empieza a filtrarse. Así que si no te das prisa, es posible que nunca pongas suficiente agua, y cuanta más agua haya en el cubo, más rápido se filtrará.

¿Puedo fundir el hierro con una vela?

Probablemente no. Creo que el mayor problema es que el calor fluye de las cosas calientes a las frías. Si la plancha alcanza la misma temperatura que el gas que sale de la llama, no recibirá más calor. Si su temperatura objetivo (el punto de fusión) está realmente por debajo de ésta, se atascará.

En efecto, el punto de fusión del hierro es de unos 1600C. La llama de una vela de cera alcanza un punto máximo de 1500C, pero se trata de una pequeña zona en el centro: la temperatura media es de 1000C.

Podrías resolver este problema utilizando una vela exótica hecha de materiales inusuales. Por ejemplo, la termita arde lo suficientemente caliente como para fundir el acero, los sopletes de acetileno pueden llegar a 3500C. Pero cuando dices vela supongo que te refieres a una vela de cera, y no a una "vela" de termita.

Incluso con una vela que arde en caliente, sigue existiendo el problema del pequeño flujo de calor. Usted dice:

la tasa de pérdida de calor es inferior a la tasa de obtención de calor

Claro, pero es más fácil decirlo que hacerlo. Si tuvieras una plancha mágica que nunca pierde calor, vale, pero en la vida real la plancha caliente calentará el aire de la habitación (la vela no arde en el vacío), el aire caliente flotará y, en efecto, acabarás calentando toda la habitación porque todo está en contacto térmico. Eso es pedirle mucho a una vela, pero si de alguna manera tuvieras una vela con un combustible infinito y la tuvieras ardiendo indefinidamente, entonces eventualmente podrías calentar toda la habitación por encima del punto de fusión del hierro (tiene que estar por encima porque la fusión en sí misma requiere un cierto aporte de calor), y sí, se derretiría - pero ahora estamos hablando de una vela muy extraordinaria. Por no hablar de que la masa de dicha vela podría actuar como disipador térmico, o podría prender en la tormenta de fuego de la habitación, así que hay toda una serie de problemas prácticos.

En conclusión, ¿qué tipo de vela se necesita para fundir el hierro? Se necesita:

• Un fuego más caliente que 1500C.
• Un entorno aislado que puede llegar a esta temperatura y mantenerse en ella.
• Una vela lo suficientemente grande como para garantizar que la tasa de pérdida de calor sea siempre menor que la de ganancia (recuerda que la pérdida de calor es más rápida cuando la diferencia de temperatura es mayor).

Este tipo de dispositivo se llama fragua.

Answer 4

Otras respuestas son correctas sobre una plancha bar Pero es posible quemar hierro con la llama de una vela, en la forma correcta. En particular, es bien sabido que la lana de acero se quema fácilmente de forma autosuficiente. Pero como es principalmente hierro - sólo alrededor del 0,1% de carbono en masa - y aparentemente hierro la lana también funcionará significa que el hierro sí arde.

Una diferencia con respecto a una barra es la superficie proporcionalmente mayor, que permite una mayor interacción con el aire y, por tanto, una combustión más completa. Tenga en cuenta que hay una diferencia entre fundiendo y ardiente No es necesario fundir algo antes de quemarlo, y las cosas pueden seguir ardiendo incluso después de haberse fundido.

Otra diferencia es la menor masa térmica del elemento calentado. Básicamente, los filamentos no transportan el calor con la suficiente rapidez como para impedir que la superficie se caliente lo suficiente como para reaccionar con el aire.

Por supuesto, @Criggie señala que el polvo de hierro también se quemará . De hecho, muchos materiales que normalmente no consideramos inflamables (la harina, por ejemplo) arderá cuando se convierta en polvo .

Answer 5

La barra tiene, dependiendo de su composición, una temperatura específica a la que primero se volverá plástica, y luego una temperatura más alta a la que finalmente se fundirá.

Si se sigue introduciendo calor en la barra, utilizando, por ejemplo, 100 velas similares, entonces, dependiendo de la capacidad calorífica específica del metal, (es decir, la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura en 1 °C), la barra puede fundirse, si se le proporciona suficiente calor.

La capacidad calorífica específica del aluminio sólido (0,904 J/g/°C) es diferente de la capacidad calorífica específica del hierro sólido (0,449 J/g/°C). Esto significa que se necesitaría casi el doble de calor para aumentar la temperatura de una determinada masa de aluminio en 1°C en comparación con la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de la misma masa de hierro en 1°C.

Esta es una idea aproximada de cómo el calor, aumentando a lo largo de la línea inferior, aumenta la temperatura, y las líneas horizontales son las temperaturas a las que se produce un cambio de fase.

El calor es una forma de energía, cuando la barra se calienta, y la vela se quema, la energía térmica contenida en la barra se perderá en el aire circundante, hasta que todo en el sistema esté a la misma temperatura.

Hay una excepción a esta idea, llamada transición de fase. Digamos que se sigue poniendo calor en un sólido barra, entonces justo en el punto en que pasa a la forma líquida, se puede poner calor, sin aumentar la temperatura.

La energía térmica de las velas se destina temporalmente a romper los enlaces químicos que permiten que un sólido se convierta en líquido. Después, el metal líquido seguirá subiendo de temperatura mientras se siga aportando calor.