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Unidad IV
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Unidad IV. Calor y Temperatura
4.1 Diferencia entre calor y temperatura
Calor.- Fenómeno físico que eleva la temperatura y dilata, funde, volatiliza o descompone un cuerpo. El
calor de un cuerpo es la suma de la energía cinética de todas sus moléculas.
El tema del calor constituye la rama de la Física que se ocupa de los movimientos de las moléculas, ya sean de un gas, un líquido o un sólido. Al aplicar calor a un cuerpo, éste aumenta su energía. Pero existe una diferencia sustancial entre la energía térmica que posee un cuerpo y su temperatura.
El calor no se puede ver ni pesar, pero sí sentir, y puede determinarse la cantidad de calor que gana o pierde un cuerpo por medio de su temperatura ya que, cuando un cuerpo absorbe calor, su temperatura aumenta; y por el contrario, cuando un cuerpo cede calor, su temperatura baja; esta relación de calor y temperatura se da mientras no haya un cambio de estado, debido a que en este momento la temperatura permanece constante.
El calor fluye entre los cuerpos, de manera natural, de uno con mayor temperatura a otro de menor temperatura, hasta que ambos llegan a un punto de equilibrio.
La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de calor o frío, por lo general
un objeto más "caliente" tendrá una temperatura mayor. Físicamente es una magnitud escalar
dada por una función creciente del grado de agitación de las partículas de los materiales. A mayor
agitación, mayor temperatura. Así, en la escala microscópica, la temperatura se define como el promedio de la energía de los movimientos de una partícula individual por grado de libertad.
En el caso de un sólido, los movimientos en cuestión resultan ser las vibraciones de las partículas en sus sitios dentro del sólido. En el caso de un gas ideal monoatómico se trata de los movimientos
traslacionales de sus partículas (para los gases multiatómicos los movimientos rotacional y vibracional deben tomarse en cuenta también).
Multitud de propiedades fisicoquímicas de los materiales o las sustancias varían en función de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su estado (gaseoso, líquido, sólido, plasma...), su volumen, la solubilidad, la presión de vapor o la conductividad eléctrica. Así mismo es uno de los factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar las reacciones químicas.
La temperatura se mide con termómetros, los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una
43 43 En el Sistema Internacional de unidades, la unidad de temperatura es el kelvin. Sin embargo, fuera del ámbito científico el uso de otras escalas de temperatura es común, el uso de la escala Celsius (o centígrada), y, en los países anglosajones, la escala Fahrenheit. También existe la escala Rankine (°R) que establece su punto de referencia en el mismo punto de la escala Kelvin, es la escala utilizada en el Sistema Inglés Absoluto. Una diferencia de temperatura de un
kelvin equivale a una diferencia de un grado centígrado.
4.2 Escalas de Temperaturas
No se ha comprobado la existencia de un límite superior para las temperaturas, pero sí parece haber un límite inferior. Se ha establecido el cero absoluto en los -459,67 grados Fahrenheit, o -273,15 grados Celsius, punto donde las moléculas y átomos de una sustancia tienen la mínima energía posible.
La superficie del planeta Plutón tiene una temperatura de aproximadamente -350 grados Fahrenheit, o -210 grados Celsius. En 1965, los astrónomos descubrieron que la temperatura de la inmensidad del espacio exterior era de aproximadamente -455 grados Fahrenheit, o -270 grados Celsius, solo 3 grados por encima del cero absoluto en la escala Celsius. Se cree que la temperatura del Sol, situada al otro extremo, es de unos 15 millones de grados Celsius. Pero en las estrellas más grandes que el Sol, y algunas son miles de veces mayores, las temperaturas son probablemente muy superiores.
¿Cuáles son las oscilaciones térmicas en la Tierra? La escala es bastante reducida. El 21 de julio
de 1983 se registró en la Antártida una temperatura de -128,6 grados Fahrenheit, es decir -89,2 grados Celsius. El 13 de septiembre de 1922, en El Azizia, Tripolitania, al norte de África, se alcanzó un récord de temperatura extremadamente alta, 136 grados Fahrenheit, o 58 grados Celsius. Aun así,
pocas personas han tenido que soportar temperaturas tan extremas.
4.2.1 Escala centígrada
Nombre actual de la denominada temperatura Celsius. En la escala Celsius se atribuye el valor 0º C a la temperatura del hielo fundente (punto de hielo), y el valor 100º C al punto de ebullición del agua a la presión normal. Su magnitud es igual al kelvin.
4.2.2 Escala Fahrenheit
El grado Fahrenheit (representado como °F) es la unidad de temperatura propuesta por Gabriel Fahrenheit en 1754, cuya escala fija el cero y el cien en las temperaturas de congelación y
evaporación del cloruro amónico en agua. El método de definición es similar al utilizado para el
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4.2.3 Escalas absolutas
Las escalas absolutas expresan la temperatura de tal forma que su valor cero, es equivalente al estado ideal de las moléculas de esa porción de materia en estado estático o con energía cinética nula.
4.2.3.1 Kelvin
El kelvin es la unidad de temperatura de la escala creada por William Thomson en el año 1848, sobre la base del grado Celsius, estableciendo el punto cero en el cero absoluto (−273,15 °C) y conservando la misma dimensión. William Thomson, quién más tarde sería Lord Kelvin, a sus 24 años
introdujo la escala de temperatura termodinámica, y la unidad fue nombrada en su honor. Se toma como la unidad de temperatura en el Sistema Internacional de Unidades y se corresponde a una fracción de 1/273,16 partes de la temperatura del punto triple del agua. Se representa con la letra "K", y nunca "ºK". Además, su nombre no es el de "grado kelvin" sino simplemente "kelvin"; no se dice "19 grados Kelvin" sino "19 kelvin" o "19 K".
Coincidiendo el incremento en un grado Celsius con el de un Kelvin, su importancia radica en el 0 de la escala: a la temperatura de 0 K se la denomina cero absoluto y corresponde al punto en el que las moléculas y átomos de un sistema tienen la mínima energía térmica posible. Ningún sistema macroscópico puede tener una temperatura inferior. A la temperatura medida en Kelvin se le llama "temperatura absoluta", y es la escala de temperaturas que se usa en ciencia, especialmente en trabajos de física o química.
4.2.3.2 Rankine
Se denomina Rankine a la escala de temperatura que se define midiendo en grados Fahrenheit sobre el cero absoluto, por lo que carece de valores negativos. Esta escala fue propuesta por el físico e
ingeniero escocés William Rankine en 1859.
El grado Rankine tiene su punto de cero absoluto a −459,67°F y los intervalos de grado son idénticos al intervalo de grado Fahrenheit. La relación entre la temperatura en grados Rankine (R) y la
temperatura correspondiente en grados (°F) Fahrenheit es: T(R) = T(ºF) + 459,67
T(ºF) = T(R) - 459,67
Cero Rankine (0 R) equivalen a −273,15 °C ó 0 K. Usado comúnmente en EE.UU como medida de temperatura termodinámica. Aunque en la comunidad científica las medidas son efectuadas en Sistema Internacional de Unidades, por tanto la temperatura es medida en Kelvin (K).
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4.2.4 Conversión de escalas de temperatura
Para la conversión de unidades de temperatura se utilizan las fórmulas que aparecen abajo, que son las que utilizaremos para fines de nuestros cálculos. Se ensayarán ejemplos en clase acerca de cómo manejar estas fórmulas, es importante tener conocimientos de álgebra elemental para trabajar con ellas.
T[ºC] = (T[ºF] - 32 )· 59 T[K] = T[ºC] + 273.15 T[K] = (T[ºF] + 459,67 )· 59
T(R) = T(ºF) + 459,67
4.3 Dilatación de los cuerpos
La experiencia muestra que los sólidos se dilatan cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían. La dilatación y la contracción ocurren en tres dimensiones: largo, ancho y alto.
A la variación en las dimensiones de un sólido causada por calentamiento (se dilata) o enfriamiento (se contrae) se denomina dilatación térmica.
La dilatación de los sólidos con el aumento de la temperatura ocurre porque aumenta la energía térmica y esto hace que aumente las vibraciones de los átomos y moléculas que forman el cuerpo, haciendo que pase a posiciones de equilibrio más alejadas que las originales. Este alejamiento mayor de los
átomos y de las moléculas del sólido produce su dilatación en todas las direcciones.
4.3.1 Dilatación lineal
Es aquella en la que predomina la variación en una dimensión de un cuerpo, es decir: el largo.
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4.3.2 Aplicación y resolución de problemas
Los problemas se verán en clase y por tanto será notas tomadas en la misma clase.
4.3.3 Dilatación superficial
Es aquella en la que predomina la variación en dos dimensiones de un cuerpo, es decir: el largo y
el ancho.
4.3.4 Aplicación y resolución de problemas
Los problemas se verán en clase y por tanto será notas tomadas en la misma clase.
4.3.5 Dilatación volumétrica
Es aquella en la que predomina la variación en tres dimensiones de un cuerpo, es decir: el largo,
el ancho y el alto.
4.3.6 Aplicación y resolución de problemas
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4.4 Unidades para medir el calor
El calor es una forma de la energía. El calor es la energía transferida entre dos sistemas debido a la diferencia de temperatura que existe entre ellos.
Las unidades más comunes utilizadas para medir el calor son: calorías, BTU (unidad térmica
británica) y los Joules.
4.4.1 Caloría
La definición oficial describe la caloría como: la cantidad de energía necesaria para elevar la
temperatura de un gramo de agua destilada de 14,5ºC a 15,5 grados Celsius a nivel del mar (una atmósfera de presión).
La energía que los seres vivos necesitan se obtiene de los macronutrientes y se mide en kilocalorías (miles de calorías). La notación en química-física de la caloría es cal (con c
minúscula) y de la kilocaloría kcal. Pero en biología, medicina y nutrición se emplea la abreviación Cal (con C mayúscula) que viene a indicar la equivalencia siguiente:
1 kcal = 1 Cal = 1000 cal = 4.186 kJ = 4186 J
4.4.2 Kilocaloría
Una kilocaloria (abreviada como kcal) es igual a 1000 cal. Una kilocaloría es equivalente a 4.186 kJ (kilojoule).
4.4.3 Equivalente mecánico del calor
En el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación entre la unidad de energía joule y la unidad de calor caloría.
Mediante esta experiencia simulada, se pretende poner de manifiesto la gran cantidad de energía que es necesaria transformar en calor para elevar apreciablemente la temperatura de un volumen pequeño de agua.
Un recipiente aislado térmicamente contiene una cierta cantidad de agua, con un termómetro para medir su temperatura, un eje con unas paletas que se ponen en movimiento por la acción de una pesa, tal como se muestra en la figura 4.4.3-1.
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Figura 4.4.3-1
La versión original del experimento, consta de dos pesas iguales que cuelgan simétricamente del eje.
La pesa, que se mueve con velocidad prácticamente constante, pierde energía potencial. Como consecuencia, el agua agitada por las paletas se calienta debido a la fricción.
Si el bloque de masa M desciende una altura h, la energía potencial disminuye en Mgh, y ésta es la energía que se utiliza para calentar el agua (se desprecian otras pérdidas).
Joule encontró que la disminución de energía potencial es proporcional al incremento de temperatura del agua. La constante de proporcionalidad (el calor específico de agua) es igual a 4.186 J/(g ºC). Por tanto, 4.186 J de energía mecánica aumentan la temperatura de 1g de agua en 1º C. Se define la caloría como 4.186 J sin referencia a la sustancia que se está calentando.
1 cal=4.186 J
4.4.4 BTU
Unidad de energía inglesa. Abreviatura de British Thermal Unit. Se usa principalmente en los Estados Unidos. Ocasionalmente también se puede encontrar en documentación o equipos antiguos de origen británico.
En la mayor parte de los ámbitos de la técnica y la física ha sido sustituida por el Joule (J), que es la correspondiente unidad del sistema internacional.
49 49 Una BTU equivale aproximadamente:
• 252.00 calorías • 1055.05 Joules
Una BTU representa la cantidad de energía que se requiere para elevar un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua en condiciones atmosféricas normales.
4.5 Calor específico y capacidad calorífica
Cuando se quiere que un cuerpo incremente su temperatura en un grado Celsius, la cantidad de calor que debe suministrarse varía dependiendo de la naturaleza de dicho cuerpo.
Los factores que permiten cuantificar la cantidad de calor absorbido o cedido por un cuerpo son: su masa, sus temperaturas inicial y final y su propiedad llamada calor específico.
El calor específico o más formalmente la capacidad calorífica específica de una sustancia es una magnitud física que indica la capacidad de un material para almacenar energía interna en forma de calor. De manera formal es la energía necesaria para incrementar en una unidad de
temperatura una cantidad de sustancia; usando el SI es la cantidad de Joules de energía necesaria para elevar en un 1 K la temperatura de 1 kg de masa. Se la representa por lo general con la letra c o Ce. La capacidad calorífica de un cuerpo es razón de la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo en un proceso cualquiera por su cambio de temperatura correspondiente. En una forma menos formal es la energía necesaria para aumentar 1 K su temperatura, (usando el SI).
Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor.
Es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende de la cantidad de material en el objeto, por ejemplo, la capacidad calorífica del agua de una piscina olímpica será mayor que la de de una cucharadita.
La capacidad calorífica no debe ser confundida con la capacidad calorífica específica o calor
específico, el cual es la propiedad intensiva que se refiere a la capacidad de un cuerpo para almacenar
calor, y es la razón de la capacidad calorífica entre la masa del objeto. El calor específico es una propiedad característica de las sustancias y depende de las mismas variables que la capacidad calorífica.
La relación matemática de esos tres factores da la igualdad: 𝑸 = 𝒎 · 𝒄𝒆· (𝑻𝒇− 𝑻𝒊)
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Q = calor ganado o cedido (cal) m = masa del cuerpo (g)
𝒄𝒆= calor específico (cal/g°C) 𝑻𝒇= temperatura final (°C)
𝑻𝒊= temperatura inicial (°C)
4.5.1 Definiciones
El calor específico o más formalmente la capacidad calorífica específica de una sustancia es una magnitud física que indica la capacidad de un material para almacenar energía interna en forma de
calor. De manera formal es la energía necesaria para incrementar en una unidad de
temperatura una cantidad de sustancia; usando el SI es la cantidad de joules de energía necesaria para elevar en un 1 K la temperatura de 1 kg de masa. Se la representa por lo general con la letra c o Ce.
4.5.2 Aplicación y resolución de problemas
Ejemplo:
¿Cuál es el calor absorbido por 100 gramos de plomo cuando su temperatura es elevada de 20 ºC a 250º C? El calor específico del plomo es 0.031 cal/g ºC.
Datos Q = ? m = 100 g Ce = 0.031 cal/g°C 𝑻𝒇= 250°C 𝑻𝒊= 20°C Sustitución Q = (100g)(0.031cal/g°C)(250°C - 20°C) Q = (100g)(0.031cal/g°C)(230°C) Fórmula Resultado Q = 713 cal
4.6 Calor latente
Latente en latín quiere decir escondido, y se llama así porque, al no cambiar la temperatura
durante el cambio de estado, a pesar de añadir calor, éste se quedaba escondido. La idea proviene de
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4.6.1 Definición
Calor latente o calor de cambio de estado, es la energía absorbida por las sustancias al cambiar de
estado, de sólido a líquido (calor latente de fusión) o de líquido a gaseoso (calor latente de vaporización). Al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se devuelve la misma cantidad de energía.
Fórmula:
Q = m·λ
Q = Calor absorbido (cal) m = masa (g)
λ = Calor latente (cal/g)
4.6.2 Aplicación y resolución de problemas
Los problemas se verán en clase y por tanto será notas tomadas en clase.
4.7 Formas de propagación del calor
Cuando nos preguntamos acerca de la propagación del calor, en realidad lo que queremos saber es cómo se propaga la energía desde los cuerpos calientes a los fríos. Decir “propagación del calor” es una forma de hablar, lo que en realidad se propaga es la energía, que es lo que poseen los
cuerpos.
Existen tres maneras en las que la energía térmica se propaga de unos cuerpos a otros:
conducción, convección y radiación.
4.7.1 Conducción
La conducción es el paso de energía entre dos cuerpos en contacto que están a diferente temperatura, sin que exista transporte de materia.
Es el caso de una cazuela, que según va calentándose transmite energía a la cuchara y de ahí a la mano. Los cuerpos que conducen la energía con rapidez se llaman buenos conductores del calor (metales) y los que la transmiten con lentitud, malos conductores del calor (plástico, etc.).
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4.7.2 Convección
La convección es una forma de propagación de la energía que se produce en los líquidos y en los gases.
Es lo que suele ocurrir cuando calentamos un líquido: las zonas calientes son más ligeras que las zonas frías (debido a que se han dilatado y tienen menor densidad), así, la materia más caliente asciende mientras que la más fría desciende, formando corrientes de convección.
4.7.3 Radiación
La radiación es la propagación de la energía a través del espacio vacío, sin requerir presencia de materia.
Así es como el Sol, que está mucho más caliente que los planetas y el espacio de alrededor, nos transmite su energía y nos calienta.
