¿Cómo es posible que haga más calor dentro del coche que fuera?

La Ley de la Termodinámica dice que dos cuerpos eventualmente tendrán temperaturas iguales. ¿Cómo es posible que cuando dejas tu coche al sol, haga más calor dentro del coche que fuera? ¿Por qué el coche no está a la misma temperatura que el exterior, como debería estar según la Ley?

Esa ley es válida cuando no hay fuentes de calor. Para un auto dejado al sol, ese no es el caso.
¿Qué quieres decir? ¿Quieres decir que el asfalto lo está calentando a través de los neumáticos? ¿Qué sucede si dejo el auto sobre el césped? Aún hace más calor que afuera.
Tendrá la misma temperatura que el exterior, eventualmente
Las leyes de la termodinámica aseguran que haya una temperatura máxima posible que el automóvil pueda alcanzar, pero está relacionada con la temperatura de la corona solar más que con la temperatura del aire.
O, en términos simples, su automóvil funciona como un invernadero. Las piezas del interior se calientan con el sol, pero el intercambio de calor se hace más lento debido a la envoltura del automóvil (carrocería, ventanas, etc.). Los parabrisas laminados que reflejan parte de la radiación térmica solar en lugar de dejarla pasar son una de las explicaciones más visibles de esto.
Pregunta reformulada: ¿Por qué el interior de mi olla en una estufa con fuego está más caliente que el exterior? Ahora la pregunta parece muy tonta.

Respuestas (4)

La ley de la termodinámica dice que dos cuerpos eventualmente tendrán temperaturas iguales.

Esa no es una Ley absoluta. Hay condiciones, y una de esas condiciones involucra la entrada de energía a los cuerpos. Si esta Ley fuera absoluta, entonces el Sol estaría a la misma temperatura que el universo, unos 2,7 K, porque el universo es mucho más grande que el Sol. Pero el Sol tiene un convertidor/fuente de energía interna que eleva su temperatura local.

El interior de un automóvil cerrado a la luz del sol será más alto debido al efecto invernadero. El cristal del coche es transparente a la luz visible, por lo que la energía es absorbida por el interior del coche (asientos, salpicadero y suelo) aumentando su temperatura. Esos artículos luego emiten radiación infrarroja y el vidrio es bastante opaco a esa radiación y la energía permanece en el automóvil. Así que entra más energía en el vaso de la que se escapa del vaso.

Debido a que la cajuela/maletero no tiene una abertura de vidrio para dejar entrar la radiación, generalmente se mantendrá un poco más fresco que el compartimiento de pasajeros. Cualquiera que sea la radiación que recibe la tapa del maletero, se refleja y se irradia de manera bastante eficiente. Eso no quiere decir que no se caliente, pero no llega a lo mismo que el habitáculo.

@bodacydo: en otras palabras, eventualmente la potencia de entrada será igual a la potencia de salida. En este caso, la energía (luz visible) ingresa (se absorbe) de manera muy eficiente. Pero la salida de energía (infrarrojos centrados en aproximadamente 10 um) no se irradia de manera eficiente. Entonces, el interior debe calentarse bastante antes de que la potencia radiada sea igual a la potencia absorbida.
@Bill N. Hay una pregunta que he tenido durante bastante tiempo y esta pregunta vuelve a surgir. Si coloco un parasol en el parabrisas dentro del auto, el hecho de que la superficie del parabrisas sea metálica o negra hace una gran diferencia, ¿no es así? si es negro se emitirán más infrarrojos por lo que ese tipo de persianas serán inútiles las metálicas emitirán menos infrarrojos manteniendo así el coche más fresco que sin ellas. ¿Es correcta esa suposición o la luz que entra al coche tiene tanto infrarrojo como la que emiten los asientos, salpicadero, etc...?
@YoMismo Los tonos brillantes del parabrisas de color claro (plateado o blanco) reflejarán la luz visible hacia afuera del vidrio en lugar de absorberla. El problema no es tanto la cantidad o la tasa de IR que ingresa, sino la potencia total absorbida por el interior, elevando su temperatura, lo que resulta en más energía atrapada. Si puede reflejar la energía, eso ayuda a mantener el interior más fresco.
@YoMismo, el color claro de tu parasol vence el efecto invernadero. La mayor parte de la energía de la radiación solar está en longitudes de onda cortas que pasan a través del vidrio. La mayor parte de la energía en la radiación del cuerpo negro de un tablero caliente o tapicería caliente está en longitudes de onda más largas que están bloqueadas por el vidrio. Un tono de color claro refleja gran parte de la radiación de onda corta a través del vidrio antes de que pueda ser absorbida dentro del automóvil.
La convección tiene un efecto mayor que la radiación, como se puede demostrar bajando las ventanillas o incluso abriéndolas un poco.
Como @Michael señala, el efecto que impulsa la calefacción del automóvil es el mismo que el que impulsa los invernaderos reales. Atrapando el aire y evitando la convección. Esto es diferente del efecto invernadero, es decir. La calefacción del coche no es principalmente que la luz en algunas longitudes de onda se transmita mejor que en otras.
Si las longitudes de onda IR se transmitieran a través del vidrio tan eficientemente como las visibles, entonces el interior no se calentaría tanto. La diferencia en la longitud de onda ES la razón principal. Estoy de acuerdo, si permite la ventilación, puede mantener el automóvil a la temperatura del aire, por lo que es ambos/y, no uno u otro. Pero el efecto de transmisión de longitud de onda es extremadamente importante en este fenómeno.
Así que estás diciendo que debería esperar en el maletero...
@NeilG No, deberías empezar a andar en motocicleta.
@BillN Llego muy tarde a la fiesta. Pero me gustaría confirmar los comentarios anteriores: la prevención de la convección es, de hecho, la razón principal por la que se calienta el interior del automóvil. La diferencia en la longitud de onda no es específica de los automóviles. Las superficies abiertas absorberán la luz visible y también emitirán luz IR, la razón por la que no se calentarán tanto como el interior del automóvil es la presencia de convección.
@Milan ¿Por qué el aire se calienta? NO porque absorba la luz visible, ni siquiera la infrarroja, sino porque está en contacto con las superficies más cálidas. Las superficies permanecen calientes y continúan calentándose porque el IR no se emite a través del vidrio de manera efectiva. Retire el aire y el interior aún se calentará y permanecerá caliente. El aire se calienta simplemente porque entra en equilibrio con las superficies sólidas que absorben la radiación principalmente visible.
@BillN No. Las superficies permanecen calientes porque están en contacto con las superficies más cálidas y porque el calor no se transporta por convección. Meteorology Today, 12ª edición, página 45: "Los estudios han demostrado que el aire caliente dentro de un invernadero es causado más por la incapacidad del aire para circular y mezclarse con el aire exterior más frío que por la energía infrarroja atrapada".

Si bien respeto las otras respuestas buenas y completas, creo que puedo darle una explicación simple a su pregunta exacta.

Como mencionas en tu pregunta, two bodies eventually will have equal temperaturescuando está en contacto térmico. "Eventualmente" es la clave. Si se eleva la temperatura de un cuerpo, los cuerpos eventualmente encontrarán una nueva temperatura de equilibrio.

Pero esta ley no impide el aumento de temperatura de un cuerpo por una fuente externa. Sólo dice lo que sucede a partir de entonces. Mientras se agregue energía constantemente, esta igualdad de temperatura que buscas nunca se alcanza.

  • La primera ley de la termodinámica es la ley de conservación de la energía que explica el aumento de temperatura.

Δ tu = q − W

El sol agrega calor q al coche a través de la radiación. No se hace ningún trabajo W = 0 . Así, la energía interna tu debe subir (correspondiente a un aumento de la temperatura).

La temperatura estable final que alcanza el automóvil en un día soleado dependerá tanto del intercambio de calor con el aire exterior como de la radiación entrante (así como la saliente). Todo esto se equilibra en algún punto, al aumentar la temperatura hasta que el calor que sale del automóvil cada segundo es igual al calor que ingresa al automóvil cada segundo. La temperatura no será constante hasta que se alcance este estado de equilibrio.

La ley cero dice algo muy diferente. Dice que si A y B están en equilibrio térmico y B y C están en equilibrio térmico, entonces A y C están en equilibrio térmico. Dado que se toma como premisa que estas cosas están en equilibrio térmico, no se deduce que eventualmente lleguen a estar en equilibrio térmico.
Incluso después de su edición, lo convierte en ley en el siguiente párrafo. No es una ley, es el resultado de un análisis que solo se cumple cuando se cumple una gran cantidad de condiciones, es fácil hacer que los objetos en contacto tengan diferentes temperaturas incluso durante un período prolongado e incluso puede tener un flujo de energía caliente. al frío y hacer que el frío se enfríe más dado que las capacidades de calor negativas son extremadamente comunes en los sistemas ligados gravitacionalmente, las capas exteriores de nuestro sol tendrán una capacidad de calor negativa cuando llegue a una etapa de gigante roja. Conocer los conceptos erróneos de alguien es esencial, pero aprobarlos como una ley no lo es.

El aire tiene una conductividad y capacidad térmica muy bajas, en la mayoría de los casos en el exterior, el principal contribuyente al intercambio térmico (y por lo tanto a la percepción de la temperatura) es la radiación (ley de Stefan, cada objeto irradia luz en todo el espectro, con cuerpos más fríos dando la mayor parte de en infrarrojo, más caliente es más visible rojo (brasas de carbón, hierro caliente), luego amarillo, blanco, blanco azulado cuando hace más calor). En este caso, el automóvil recibe un flujo de alta energía del sol (absorbiendo la mayor parte), por lo que se calienta muy rápidamente. Es como sentarse cerca del fuego: el aire entre usted y el fuego es frío, pero el fuego aún puede quemarlo.

Hablando termodinámicamente, el automóvil está expuesto al aire exterior (débilmente acoplado, transferencia lenta), el suelo caliente, el cielo (a una temperatura de radiación generalmente más baja que el aire ambiente, posiblemente bajo cero, si no está nublado) y el sol en ~ Temperatura de 6000K (fuerte afluencia, pero solo desde una dirección muy específica). Así que tienes (radiación solar térmica) + (una muy poca radiación del cielo) - (pérdidas de radiación del coche) - (conducción, convección a través del aire). En un día soleado, la temperatura sube bastante, antes de que las pérdidas superen la afluencia.

El intercambio radiativo es más importante de lo que la mayoría de la gente cree. ¿Sabes que en invierno, puedes necesitar un suéter en el interior a 25 grados, pero en verano, una camiseta a 18 grados es suficiente? Eso es porque el aire caliente no ayuda si las paredes están frías y no dan tanta radiación térmica. Del mismo modo, un día soleado en invierno es muy frío porque en lugar de nubes relativamente cálidas, tienes un cielo "transparente" que casi no da radiación térmica. Esa es en realidad la única forma en que la tierra se está enfriando (y es sustancial, solo vea qué tan rápido baja la temperatura cuando se pone el sol). En una noche fría de invierno, la superficie puede enfriarse por debajo de la temperatura del aire debido a las pérdidas radiativas y, de hecho, puede congelar agua en un espejo reflectante debajo del cielo abierto, incluso si la temperatura ambiente es >0.

Entonces, para concluir... para cada objeto para el que está calculando el balance de temperatura, debe considerar todos los objetos con los que está en contacto térmico. Eso no es solo contacto físico, cada objeto que está en la línea de visión está intercambiando calor a través de la radiación (y en el aire, eso es más importante que el contacto directo con el aire). Incluso en el vacío, donde el intercambio directo no es posible, cada objeto eventualmente alcanzará la temperatura promedio de los objetos que lo rodean (con los objetos que ocupan más área angular contribuyendo más).

De hecho, así es como puedes calcular la temperatura del sol simplemente midiendo su tamaño en el cielo.

A ver... el sol tiene un diámetro angular en el cielo de medio grado aproximadamente. Eso significa que de lleno 4 π área esférica de todo el cielo alrededor de la tierra, ocupa π ( 0.5 π / 180 ) 2 (la tierra está perdiendo calor por todos lados en 4 π , pero recibiendo sólo del sol). La ley de Stefan establece que el flujo térmico va como T 4 , por lo que la temperatura de la tierra será la media T 4 del cielo, así

T mi 4 = T S 4 π ( 0.25 π / 180 ) 2 4 π = 4.76 × 10 − 6 T S 4
Si la temperatura media de la Tierra es 290 k (más o menos), entonces la superficie del sol es T S ≈ T mi / ( 4.76 × 10 − 6 ) 1 / 4 ≈ 6200 k . Bastante impresionante, considerando que no necesitábamos ninguna entrada numérica o constantes naturales, excepto el diámetro angular del sol, que podemos medir con el pulgar de una mano extendida.

Tal vez me desvié un poco del tema, pero espero haber aclarado las cosas.

" en la mayoría de los casos en el exterior, el principal factor que contribuye al intercambio térmico (y por lo tanto a la percepción de la temperatura) es la radiación " ¿Cita? Según tengo entendido, la convección es mucho más importante siempre que esté dentro de la atmósfera.
Esa es en realidad la única forma en que la tierra se está enfriando (y es sustancial, solo vea qué tan rápido baja la temperatura cuando se pone el sol). Los desiertos son un buen ejemplo: puede hacer mucho calor durante el día y la temperatura desciende a bajo cero (°C) durante la noche.
@Taemyr La convección solo funciona si la atmósfera está fuera del equilibrio termodinámico (atmósfera adiabática, caída de ~1 grado por cada 100 m de altura). Si el suelo está muy caliente, obtienes columnas de aire ascendentes (que usan las águilas), que disipan el calor en una atmósfera más alta (posiblemente comenzando tormentas eléctricas). Pero eso no cambia el hecho de que estás perdiendo 300 − 400 W / metro 2 ¡Solo con radiación!
@orion Dado que el interior del automóvil es más cálido que el exterior, no tiene equilibrio termodinámico.
Estaba hablando de las condiciones exteriores. Para el automóvil, quise decir que la radiación entrante es el principal contribuyente para la calefacción. Sin embargo, el enfriamiento de un automóvil también se debe principalmente a la radiación. Usted obtiene 1400 W / metro 2 del sol en incidencia perpendicular (probablemente la mitad en longitudes moderadas) y un automóvil en 70 ∘ C está perdiendo 785 W / metro 2 con su propia radiación! Por supuesto, también recibe radiación del ambiente: el suelo calentado, un poco del cielo, pero los números sugieren que la radiación es la mayor contribución tanto en el enfriamiento como en el calentamiento.
Mirando los números para el enfriamiento por convección, diría que la convección proporciona aproximadamente la mitad o menos del enfriamiento. En condiciones de viento, la convección ayuda más. Los números más comunes para los coeficientes de transferencia de calor por convección varían ( 5 − 20 W / metro 2 / k ) por lo que para un 70 ∘ coche, puede estar en algún lugar en el rango 200 − 800 W / metro 2 .

¿Quizás por las mismas razones que el calentamiento de los invernaderos? Si las ventanas están descubiertas, la luz solar aumenta la energía en el interior, aislando el aire caliente dentro de la estructura para que el calor no se pierda por convección . [De Wikipedia]

Es una pena que esta respuesta tan precisa sea tan rechazada. por ejemplo, Robert Wood había demostrado experimentalmente a principios del siglo pasado que los invernaderos mantienen el calor en su interior no porque atrapen la radiación IR, sino porque evitan que escape el aire caliente del interior. Reemplazar una ventana de vidrio por una ventana transparente también en IR no provoca cambios notables. +1
@LLlAMnYP. Gracias, pero fue algo autoinfligido ya que no distinguí entre el efecto en invernaderos y el efecto invernadero en la publicación original. :)
¿Cómo es posible que haga más calor dentro del coche que fuera?
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