¿Explicación intuitiva de por qué la tasa de transferencia de energía depende de la diferencia de energía entre dos materiales?

Creo que será útil pensar en términos de la cinética de las partículas constituyentes. Cuando un objeto está a una temperatura más alta, la energía cinética de sus constituyentes es mayor. Están más en movimiento en comparación con los que tienen una temperatura más baja.

Ahora, si hay un objeto de alta temperatura en contacto con uno de temperatura más baja, habrá transferencia de energía cinética en la interfaz. La energía se transferirá en ambas direcciones excepto que la transferencia neta será de mayor a menor. Esto se debe a que hay más formas de transferir la energía de lo superior a lo inferior. Pero a medida que la diferencia de temperatura disminuye, la tasa de transferencia de alta a baja y de baja a alta se está cerrando. Hasta que alcanzan el equilibrio donde la transferencia de energía de ambos lados ahora es igual. Por lo tanto, no habrá más transferencia neta de calor en promedio.

Sabes que la temperatura está relacionada con la energía cinética microscópica de los átomos y moléculas que componen un material. Para simplificar, supongamos que los dos materiales consisten en gases ideales monoatómicos, uno de los cuales tiene una temperatura más alta que el otro. Entonces, la temperatura de los dos gases es una medida de la energía cinética promedio de los átomos del gas, que a su vez depende de la velocidad de los átomos.

Si los dos gases se ponen en contacto entre sí, en la interfaz, las colisiones entre los átomos de mayor velocidad del gas de mayor temperatura con los átomos de menor velocidad del gas de menor temperatura transferirán energía cinética a los átomos de menor velocidad. Esos átomos, a su vez, se moverán hacia la mayor parte del gas y chocarán con otros aumentando su velocidad. Finalmente, cuando se alcanza el equilibrio térmico, los dos gases alcanzan una temperatura intermedia común.

La rapidez con la que aumenta la temperatura en el gas de temperatura más baja dependerá de la rapidez con que los átomos en la interfaz se muevan hacia la mayor parte del gas y colisionen con otros átomos aumentando la energía cinética general. En igualdad de condiciones, esa penetración será más rápida cuanto mayor sea la velocidad de los átomos después de chocar con los átomos más energéticos del gas de temperatura más alta en la interfaz. Esa velocidad será mayor cuanto mayor sea la velocidad de los átomos de gas de alta temperatura, que a su vez aumenta con la temperatura del gas.

En pocas palabras: cuanto mayor es la diferencia de temperatura, más rápidamente se transfiere la energía al interior del material de temperatura más baja y más rápido aumenta su temperatura. Para obtener más información sobre la temperatura, le sugiero que consulte el sitio web de Hiperfísica.

Espero que esto ayude.

La temperatura es (para simplificarlo un poco), la energía promedio de las moléculas, y cuanta más energía tiene cada molécula, más puede transferir cuando entra en contacto con las moléculas en el otro objeto. Entonces cada objeto le da calor al otro proporcional a la temperatura. La transferencia neta de calor es la diferencia entre la cantidad de energía que el objeto caliente le da al frío, en comparación con la cantidad que el frío le da al caliente, que es proporcional a la diferencia de temperatura.

Imagina dos amigos que cada día dan el 10% de su dinero total al otro. Dado que el 10 % del dinero del amigo más rico será una cantidad mayor en términos absolutos que el 10 % del dinero del amigo más pobre, el cambio neto en el dinero del amigo más pobre será positivo y será proporcional a la diferencia en su dinero. Si R es el dinero del amigo más rico y P es el del más pobre, entonces el amigo más pobre perderá 0,1P pero ganará 0,1R, para un cambio total de 0,1R-0,1P. Podemos factorizar el 0.1 y obtener 0.1(RP).

Esto se aplica a la conducción. Por radiación, la transferencia de calor es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura, por lo que la transferencia neta viene dada por la diferencia en la cuarta potencia de sus temperaturas.

Una forma intuitiva de pensar en el calor es como una pista de patinadores borrachos que visten trajes de sumo perfectamente elásticos . Están patinando en direcciones aleatorias, con la única advertencia de que siempre patinan en línea recta hasta que chocan contra algo, momento en el que rebotan como bolas de billar. Los patinadores tienen una distribución aleatoria de velocidades, pero la velocidad promedio es la "temperatura" del material.

Si tiene un grupo A con una "temperatura" pausada de 5 mph (apenas por encima de la velocidad de caminata) que entra en contacto con el grupo B cuya "temperatura" es de 6 mph, al principio será difícil saber la diferencia de temperatura con sólo una inspección visual de los grupos. Después de todo, para empezar, todos se acercan a la misma velocidad. Sin embargo, los patinadores de sumo con mayor velocidad del grupo B eventualmente comenzarán a rebotar hacia los patinadores del grupo A, transfiriendo parte de su mayor energía. Pero debido a que el delta es pequeño, tomará mucho tiempo para que las velocidades promedio cambien mucho.

Ahora, imagine el grupo C con una temperatura de 20 mph. Estos patinadores están drogados con metanfetamina y patinan tan duro como pueden. Cuando chocan con el grupo A, rápidamente entregarán una gran descarga de energía a los patinadores letárgicos. En mucho menos tiempo, la energía adicional del grupo C se distribuirá a los miembros más lentos del grupo A, elevando sus velocidades promedio. Más importante aún, cada colisión entre un patinador rápido y uno lento producirá un cambio promedio mucho mayor en ambas velocidades, y esta transferencia molecular de impulso es lo que define el "flujo de calor".