Por Lee Johnson - Actualizado el 30 de agosto de 2022
Los cálculos de transferencia de calor son un elemento básico en física e ingeniería. Saber cuánto tiempo se tarda en elevar la temperatura de un objeto en una cantidad determinada requiere sólo unos pocos datos clave:la capacidad calorífica específica del material, su masa, el cambio de temperatura deseado y la potencia de la fuente de calor. A continuación, explicamos los pasos utilizando agua y plomo como ejemplos ilustrativos.
Primero calcule la energía térmica necesaria:Q =mcΔT , donde m es masa, c es la capacidad calorífica específica, y ΔT es el cambio de temperatura. Luego determine el tiempo de calentamiento:t =Q ÷ P , con P la potencia en vatios.
El cambio de temperatura es simplemente la diferencia entre la temperatura final y la inicial:
ΔT =T_final – T_inicial
Por ejemplo, calentar una sustancia de 10°C a 50°C produce ΔT=40°C. Debido a que un cambio de 1°C equivale a un cambio de 1K, puedes trabajar en cualquier unidad.
Cada material tiene una capacidad calorífica específica característica que indica cuánta energía se requiere para elevar 1 kg de ese material en 1 K. Los valores comunes (Jkg⁻¹K⁻¹) incluyen:
Para este tutorial usaremos agua (c=4186Jkg⁻¹K⁻¹) y plomo (c=128Jkg⁻¹K⁻¹).
Con m en kilogramos, c en Jkg⁻¹K⁻¹ y ΔT en K, la energía térmica es:
Q =mcΔT
Ejemplo de agua:1 kg × 4186 J kg⁻¹K⁻¹ × 40 K =167 440 J =167,44 kJ.
Ejemplo principal:10 kg × 128 J kg⁻¹K⁻¹ × 40 K =51 200 J =51,2 kJ.
Observe que, debido a que el calor específico del plomo es menor, se necesita menos energía para elevar su temperatura en la misma cantidad.
La potencia (P) es la tasa de entrega de energía (1W=1Js⁻¹). El tiempo de calentamiento se obtiene de:
t =Q ÷ P
Usando un hervidor de agua de 2 kW (2000 W):
t =167.440J ÷ 2.000Js⁻¹ ≈ 83,7s.
Para el bloque de plomo de 10 kg a la misma potencia:
t =51.200J ÷ 2.000Js⁻¹ ≈ 25,6s.
El plomo se calienta más rápidamente debido a su menor capacidad calorífica específica.
Estas sencillas fórmulas te permiten predecir los tiempos de calentamiento de cualquier material:simplemente ingresa los valores apropiados.
