calor y temperatura

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incorporados al lenguaje popular y que raramente incorporados al lenguaje popular y que raramente so

son n ututiililizazadodos s de de ununa a foformrma a cicienenttífífiicacamementntee co

corrrrecectta. a. FFrereccueuentntememenentte e se se lle e ututililiziza a cocommoo sinónimos. Ese es el error que se comete al afirmar sinónimos. Ese es el error que se comete al afirmar que la temperatura "mide el calor que hace", o que la temperatura "mide el calor que hace", o cuando de una persona que tiene fiebre se dice cuando de una persona que tiene fiebre se dice que "tiene calor", etc.

que "tiene calor", etc. Ot

Otraras s vevececes s el el cacalolor r se se ididenentitififica ca cocon n alalgúgúnn ingrediente material de los cuerpos. Por eso se ingrediente material de los cuerpos. Por eso se cierran las ventanas "para que no se vaya el calor", cierran las ventanas "para que no se vaya el calor", o las calorías se utilizan como medida del aporte o las calorías se utilizan como medida del aporte no

no dedeseseabable le de de mamateteriria, a, "l"lo o quque e enengorgordada", ", popor r pa

partrte e de de lolos s alalimimenentotos s a a lalas s pepersrsononas as quque e loloss ingieren.

ingieren.

En esta separata se tratara sobre los fenómenos térmicos y caloríficos más En esta separata se tratara sobre los fenómenos térmicos y caloríficos más el

elememententalaleses, , defdefininieiendndo o lolos s coconcncepeptotos s fufundandamementntalales es quque e pepermrmititenen de

descscriribibir r ttanantto o cocorrrrececttaamementnte e a a eeststos os fefennómómenenos os cocomo mo rerealalizizaar r predicciones cuantitativas acerca de su desarrollo.

predicciones cuantitativas acerca de su desarrollo.

Inicialmente el enfoque dado será para objetos macroscópicos y luego Inicialmente el enfoque dado será para objetos macroscópicos y luego adoptaremos una perspectiva microscópica, la de los átomos y moléculas, adoptaremos una perspectiva microscópica, la de los átomos y moléculas, y observaremos que la descripción macroscópica y microscópica están y observaremos que la descripción macroscópica y microscópica están ffueuertrtememeentnte e lligigadadasas. . ToToddo o elello lo nonos s seservrviirá rá pparara a eel l esestutudidio o de de lalass transformaciones de energía, que implican calor, trabajo mecánico y otras transformaciones de energía, que implican calor, trabajo mecánico y otras fo

formrmas as de de enenerergígía, a, y y la la rerelalacición ón de de esestatas s ttraransnsfoformrmacacioionenes s cocon n lalass propiedades de la materia.

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TEMPERATURA TEMPERATURA

N

Nuueessttrra a prpriimmeerra a aapproroxxiimmaacciióón n aal l ccoonncceeptpto o ddee temperatura, es a través de la sensación de caliente o temperatura, es a través de la sensación de caliente o frío que sentimos al tocar un objeto. Esta sensación frío que sentimos al tocar un objeto. Esta sensación nos permite distinguir entre un cuerpo caliente y otro nos permite distinguir entre un cuerpo caliente y otro frío.

frío.

La magnitud física que nos dice que tan caliente o frío La magnitud física que nos dice que tan caliente o frío es

esta ta un un obobjejeto to rerespspececto to a a ciciererta ta rerefefererencncia ia es es lala Temperatura

Temperatura

El concepto de temperatura se deriva de la idea de El concepto de temperatura se deriva de la idea de medir el calentamiento o frialdad de los cuerpos y de la medir el calentamiento o frialdad de los cuerpos y de la observación de que el suministro o extracción de calor, observación de que el suministro o extracción de calor, bajo ciertas condiciones, implica una variación de la bajo ciertas condiciones, implica una variación de la temperatura.

temperatura.

El calor fluye del cuerpo más caliente al más frío hasta El calor fluye del cuerpo más caliente al más frío hasta

que sus temperaturas se igualan, por tanto, los términos de temperatura y que sus temperaturas se igualan, por tanto, los términos de temperatura y calor, aunque relacionados entre sí, se refieren a conceptos diferentes. La calor, aunque relacionados entre sí, se refieren a conceptos diferentes. La temperatura es una propiedad de los cuerpos y el calor es un flujo de temperatura es una propiedad de los cuerpos y el calor es un flujo de energía entre cuerpos que tienen diferente temperatura.

energía entre cuerpos que tienen diferente temperatura.

Cotidianamente observamos que un cuerpo caliente tal como una olla de Cotidianamente observamos que un cuerpo caliente tal como una olla de agua hirviendo, se enfría en un tiempo Δt al entrar en contacto con la agua hirviendo, se enfría en un tiempo Δt al entrar en contacto con la atmósfera, del mismo modo un cubo de hielo se derrite en contacto con la atmósfera, del mismo modo un cubo de hielo se derrite en contacto con la misma atmósfera. Esta experiencia nos enseña que

misma atmósfera. Esta experiencia nos enseña que la tendencia natural dela tendencia natural de los cuerpos en contacto, es alcanzar la misma temperatura.

los cuerpos en contacto, es alcanzar la misma temperatura.

De

De esta esta forma forma es es fácil fácil darse darse cuenta cuenta que que los los procesos procesos de de calentamiento calentamiento oo enfriamiento, se deben a un intercambio energético entre cuerpos puestos enfriamiento, se deben a un intercambio energético entre cuerpos puestos en

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equilibrio térmico. La energía neta cedida de un cuerpo a otro d

equilibrio térmico. La energía neta cedida de un cuerpo a otro debido a unaebido a una diferencia de temperaturas se denomina calor.

diferencia de temperaturas se denomina calor. Se defin

Se define el equilie el equilibrio térbrio térmico commico como o el estadel estado que alcanzo que alcanzan dos o masan dos o mas cuerpos en contacto térmico, cuando sus temperaturas se igualan

cuerpos en contacto térmico, cuando sus temperaturas se igualan Podemos definir entonces a la temperatura como

Podemos definir entonces a la temperatura como aquella propiedad deaquella propiedad de un cuerpo, que en forma espontánea, se pone en equilibrio térmico un cuerpo, que en forma espontánea, se pone en equilibrio térmico con

con otro cuerpo cotro cuerpo cuando es puando es puesto en conuesto en contacto térmico con tacto térmico con él.él.

PRINCIPIO CERO DE LA

PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINÁMICTERMODINÁMICAA

C

Cuauandndo o dodos s cucuererpopos s esesttán án en en eeququililibibririo o ttérérmmicico o titienenen en lla a mmisismmaa temperatura. Este hecho aparentemente poco importante, dio lugar a que temperatura. Este hecho aparentemente poco importante, dio lugar a que en forma tardía fuera enunciada una ley llamada principio cero de la en forma tardía fuera enunciada una ley llamada principio cero de la termodinámica, el cual dice que:

termodinámica, el cual dice que:

“Si dos cuerpos distintos están en equilibrio térmico con uno tercero, “Si dos cuerpos distintos están en equilibrio térmico con uno tercero, también tienen que estar en equilibrio térmico

también tienen que estar en equilibrio térmico entre sí”entre sí”

La Ley Cero se cumple en La Ley Cero se cumple en si

siststememas as tetermrmododininámámicicosos en equilibrio y define una en equilibrio y define una pprrooppiieeddaad d llllaammaaddaa te

tempmperaeratutura. ra. La La igigualualdadadd de

de la la tetempmpererataturura a es es ununaa ccoonnddiicciióón n nneecceessaarriia a yy suficiente para el equilibrio suficiente para el equilibrio

Q

Q1313 = 0= 0

T

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MEDICIÓN DE LA

MEDICIÓN DE LA TEMPERATURATEMPERATURA

La sensación térmica no es una buena referencia La sensación térmica no es una buena referencia para medir la temperatura de un cuerpo, porque para medir la temperatura de un cuerpo, porque puede resultar engañosa. Por ejemplo, si tocamos puede resultar engañosa. Por ejemplo, si tocamos un trozo de metal y luego uno de madera, el de un trozo de metal y luego uno de madera, el de metal nos parecerá mas frío, a pesar que los dos metal nos parecerá mas frío, a pesar que los dos pueden estar a la misma temperatura.

pueden estar a la misma temperatura.

En lugar de medir la temperatura con el tacto, se En lugar de medir la temperatura con el tacto, se ddeebbe e mmeeddiir r lla a tteemmppeerraattuurra a dde e lloos s ccuueerrppooss co

compmparáarándndolola a cocon n la la tetempmpererataturura a de de un un cucuererpopo pa

patrtrón ón cucuya temya tempeperaratutura ra sesea a fifijaja, , cocononocicidada, , yy fácilmente reproducible. Esta sustancia patrón suele fácilmente reproducible. Esta sustancia patrón suele

ser una cierta cantidad de agua en su punto de congelación ó ebullición. ser una cierta cantidad de agua en su punto de congelación ó ebullición.

Para medi

Para medir la temperar la temperatura es nectura es necesario esario determdeterminar inar el

el vavalolor r de de la la tetempmpererataturura a papara ra pupuntntos os fifijojos s dede referencia (temperatura del agua congelándose o referencia (temperatura del agua congelándose o hirviendo). y establecer una escala de temperaturas. hirviendo). y establecer una escala de temperaturas. P

Paarra a hhaacceer r mmáás s sseenncciilllla a lla a ttaarreeaa, , eexxiisstteenn instrumentos para medir temperatura que basa su instrumentos para medir temperatura que basa su fu

funcncioionnamamiienentto o en en alalgugunanas s prpropopiiededadades es de de llaa materia como:

materia como:



 Variación del volumen en los líquidos al Variación del volumen en los líquidos al variar la temperaturavariar la temperatura 

 Variación de la longitud de los Variación de la longitud de los metales al variar la temperaturametales al variar la temperatura 

 Variación de la resistencia en las sustancias al variar la temperaturaVariación de la resistencia en las sustancias al variar la temperatura 

 Variación de la presión en los gases al variar la temperaturaVariación de la presión en los gases al variar la temperatura 

 Variación del color al variar la temperaturaVariación del color al variar la temperatura

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ESCALAS DE TEMPERATURA

U

Unna a eessccaalla a sse e ddeeffiinnee dando valores a los puntos dando valores a los puntos fifijojos s de de rerefefererencnciia a de de llaa su

suststanancicia a papatrtrón ón elelegegidida,a, estableciendo con esto una estableciendo con esto una uunniiddaad d dde e mmeeddiidda a y y uunn cceerro o rreellaattiivvoo. . EEssttaa ssuussttaanncciia a ppaattrróón n ees s eell agua, elegida por ser una agua, elegida por ser una ssuussttaanncciia a aammplpliiaammeennttee disponible y cuyos puntos disponible y cuyos puntos de congelación y ebullición de congelación y ebullición a

a lla a pprreessiióón n dde e 11 atm

atmósfósferaera, , tomtomadoados s comcomoo pu

puntntos os de de rerefefererencnciaia, , sosonn cceerrccaannoos s a a llaass tempe

temperaturaraturas s comúncomúnmentemente m

maanneejjaaddaas s een n lla a vviiddaa diaria.

diaria.

La escala centígrada o Celsius, ideada por el astrónomo sueco Anders La escala centígrada o Celsius, ideada por el astrónomo sueco Anders Celsius y utilizada en casi todo el mundo, asigna un valor 0 °C al punto de Celsius y utilizada en casi todo el mundo, asigna un valor 0 °C al punto de congelación del agua pura y 100 °C a su punto de ebullición. De esta congelación del agua pura y 100 °C a su punto de ebullición. De esta forma, la unidad de medida de temperatura en esta escala (el °C) es la forma, la unidad de medida de temperatura en esta escala (el °C) es la 1/100 parte de la diferencia de temperaturas entre el punto de congelación 1/100 parte de la diferencia de temperaturas entre el punto de congelación y el punto de ebullición del

y el punto de ebullición del agua.agua. O

Ottrra a eessccaalla a dde e tteemmppeerraattuurraa, , ttooddaavvíía a eemmpplleeaadda a een n lloos s ppaaíísseess anglosajones, fue diseñada por el físico alemán Gabriel Daniel Fahrenheit. anglosajones, fue diseñada por el físico alemán Gabriel Daniel Fahrenheit. Según esta escala el 0 °C corresponde a 32 °F y los 100 °C corresponden Según esta escala el 0 °C corresponde a 32 °F y los 100 °C corresponden a 212 °F. De esta forma, la unidad de medida de la temperatura en esta a 212 °F. De esta forma, la unidad de medida de la temperatura en esta escala (el °F), es la 1/180 parte de la diferencia de temperaturas entre el escala (el °F), es la 1/180 parte de la diferencia de temperaturas entre el punto de congelación y el punto de ebullición del agua.

punto de congelación y el punto de ebullición del agua. El

El SiSiststemema a InInteternarnaciciononal al esestatablblecece e la la esescacala la KeKelvlvin in cocomo mo esescalcala a dede medida de la temperatura, propuesta por el matemático y físico británico medida de la temperatura, propuesta por el matemático y físico británico William Thomson, lord Kelvin. En esta escala, el cero absoluto (cero William Thomson, lord Kelvin. En esta escala, el cero absoluto (cero kelvin) corresponde a -273,15 °C y una diferencia de un kelvin equivale a kelvin) corresponde a -273,15 °C y una diferencia de un kelvin equivale a una diferencia de un grado en la escala centígrada.

una diferencia de un grado en la escala centígrada.

Se puede convertir una temperatura, de una escala a otra, conociendo la Se puede convertir una temperatura, de una escala a otra, conociendo la equivalencia de temperaturas para los puntos fijos de referencia y usando equivalencia de temperaturas para los puntos fijos de referencia y usando la siguiente expresión:

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TERMÓMETROS

Los Termómetros son instrumentos empleados para Los Termómetros son instrumentos empleados para medir la temperatura. Los cambios de

medir la temperatura. Los cambios de temperatura setemperatura se miden a partir de cambios en las propiedades de una miden a partir de cambios en las propiedades de una sus

sustantancia cia llallamadmadaa “susta“sustancia ncia termotermométrimétrica” ca” . . PPoor r

ejemplo, en un termómetro de mercurio, la sustancia ejemplo, en un termómetro de mercurio, la sustancia termométrica es el mercurio, y se mide la dilatación termométrica es el mercurio, y se mide la dilatación de la columna de mercurio que está relacionada con de la columna de mercurio que está relacionada con el cambio de temperatura.

el cambio de temperatura.

El termómetro de mercurio es el más utilizado, y está El termómetro de mercurio es el más utilizado, y está formado por un capilar de vidrio de diámetro uniforme formado por un capilar de vidrio de diámetro uniforme comunicado por un extremo con una ampolla llena de comunicado por un extremo con una ampolla llena de mercurio. El conjunto está sellado para mantener un mercurio. El conjunto está sellado para mantener un vacío parcial en el capilar. Cuando la temperatura vacío parcial en el capilar. Cuando la temperatura aumenta, el mercurio se dilata y asciende por el aumenta, el mercurio se dilata y asciende por el capilar..

capilar..

Los modernos termómetros de alcohol y mercurio fueron inventados por el Los modernos termómetros de alcohol y mercurio fueron inventados por el físico alemán Daniel Gabriel Fahrenheit, quien también propuso la primera físico alemán Daniel Gabriel Fahrenheit, quien también propuso la primera escala de temperaturas que lleva su nombre.

escala de temperaturas que lleva su nombre.

Temperatura Absoluta Un termómetro de alcohol y Temperatura Absoluta Un termómetro de alcohol y un

un tetermrmómómetetro ro de de memercurcuririo o auaunqnque ue cocoinincicidadan n alal medir la temperatura del punto de congelación y el medir la temperatura del punto de congelación y el de ebullición del agua, difieren al medir cualquier de ebullición del agua, difieren al medir cualquier tteemmppeerraattuurra a iinntteerrmmeeddiiaa. . DDeeppeennddiieennddo o ddeell te

termrmómómetetro ro y y de de la la esescacala la de de tetempmpererataturura a ququee uuttiilliiccee, , lloos s vvaallooreres s de de lla a tteemmppeerarattuura ra qquue e uunn de

detetermrmininadado o tetermrmómómetetro ro pupuedede e memedidir r papara ra unun mismo fenómeno, son diferentes

mismo fenómeno, son diferentes

Sin embargo, es posible definir una escala de temperatura independiente Sin embargo, es posible definir una escala de temperatura independiente de la sustancia que se utilice y que refleje con mayor cercanía el concepto de la sustancia que se utilice y que refleje con mayor cercanía el concepto de temperatura como medida de la energía de las partículas. Esta es la de temperatura como medida de la energía de las partículas. Esta es la escala absoluta de temperatura, en la cual existe un cero absoluto por escala absoluta de temperatura, en la cual existe un cero absoluto por debajo del cual no existe ninguna temperatura y corresponde a un estado debajo del cual no existe ninguna temperatura y corresponde a un estado en el cual la energía de las partículas, átomos o moléculas, es mínima. en el cual la energía de las partículas, átomos o moléculas, es mínima. Para medir en esta escala de temperaturas se utiliza un termómetro de gas Para medir en esta escala de temperaturas se utiliza un termómetro de gas a volumen constante , el cual utiliza un gas

a volumen constante , el cual utiliza un gas en un estado particular llamadoen un estado particular llamado gas ideal. En esta escala, se le asigna al estado en el cual coexisten: el gas ideal. En esta escala, se le asigna al estado en el cual coexisten: el agua líquida, el hielo y el vapor de

agua líquida, el hielo y el vapor de agua, llamado punto triple del agua, unaagua, llamado punto triple del agua, una temperatura igual a 273,16. La razón de esto se debe a que este estado temperatura igual a 273,16. La razón de esto se debe a que este estado

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Cancel Anytime. 130 130 120 120 110 110 100 100 90 90 80 80 70 70 60 60 50 50 40 40 30 30 20 20 10 10 10 10 20 20 30 30 --T T

internacional de medidas. El tamaño de un kelvin es igual al tamaño de un internacional de medidas. El tamaño de un kelvin es igual al tamaño de un grado centígrado .

grado centígrado .

DILATACIÓN

Lo

Los s camcambibios os de de tetempmpererataturura a pupuededen en afafecectatar r de de foforma rma imimpoportrtanante te lalass propi

propiedades de los edades de los materimateriales. La dilataciales. La dilatación es ón es el aumento del tamaño deel aumento del tamaño de los materiales por efecto del aumento de temperatura, en particular de los materiales por efecto del aumento de temperatura, en particular de cuerpos sólidos y líquidos, ya que los gases tienen un comportamiento cuerpos sólidos y líquidos, ya que los gases tienen un comportamiento muy especial que se estudia aparte.

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Dilatación Lineal Dilatación Lineal

Para un

Para un sólido sólido en fen forma de orma de barra lbarra larga, arga, el auel aumento mento en en su su longitud longitud estáestá determinado experimentalmente por su coeficiente de dilatación lineal ( determinado experimentalmente por su coeficiente de dilatación lineal (α α ),),

que es el cambio relativo de longitud por unidad de temperatura. que es el cambio relativo de longitud por unidad de temperatura.

T T L L L L ∆ ∆ ∆ ∆ = = α α _•• 11 0 0 :: ]] K K // 1 1 C C //ºº 1 1 [[ ==

De la expresión anterior se obtiene la longitud final de la barra mediante la De la expresión anterior se obtiene la longitud final de la barra mediante la siguiente ecuación: siguiente ecuación: )) 1 1 (( 0 0 T T L L L L_f_f == ++αα∆∆ Do

Donde nde LL00 es la longitud inicial de la barra, Les la longitud inicial de la barra, Lf f es la longitud final, α es eles la longitud final, α es el

coeficiente de dilatación lineal, y

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Los valores de los coeficientes de dilatación para algunos materiales se Los valores de los coeficientes de dilatación para algunos materiales se encuentran en la siguiente tabla:

encuentran en la siguiente tabla:

COEFICIENTES DE DILATACIÓN PARA

COEFICIENTES DE DILATACIÓN PARA ALGUNOS MATERIALESALGUNOS MATERIALES (Valores promedios entre 0 y 100 °C)

(Valores promedios entre 0 y 100 °C)

S

SUUSSTTAANNCCIIAA CCOOEEFFIICCIIEENNTTE E DDEE DILATACIÓN LINEAL (/ ºC) DILATACIÓN LINEAL (/ ºC) Porcelana Porcelana ₃₃ _×_× ₁₀₁₀−−66 Vidrio Vidrio _{4 – 9}_{4 – 9} _×_× ₁₀₁₀−−66 Acero o Acero o Hierro Hierro 1212 ×× 1010 − −66 Oro Oro ₁₄₁₄ _×_× ₁₀₁₀−−66 Cobre Cobre ₁₇₁₇ _×_× ₁₀₁₀−−66 Latón Latón ₁₈₁₈ _×_× ₁₀₁₀−−66 Aluminio Aluminio ₂₄₂₄ _×_× ₁₀₁₀−−66 Cinc Cinc ₂₉₂₉ _×_× ₁₀₁₀−−66 D

De e lla a ttaabbllaa, , eel l ccooeeffiicciieenntte e dde e ddiillaattaacciióón n lliinneeaal l ddeel l aacceerro o ees s ddee 12 × 10

12 × 10−−₆₆

/°C, por lo que sí se calienta un grado una barra de acero de 1 m, /°C, por lo que sí se calienta un grado una barra de acero de 1 m, se dilatará 0,012 mm. Esto puede parecer muy poco, pero el efecto es se dilatará 0,012 mm. Esto puede parecer muy poco, pero el efecto es proporcional, por lo que una viga de acero de 10 m calentada 20 grados se proporcional, por lo que una viga de acero de 10 m calentada 20 grados se dilata 2,4 mm, una cantidad que ya debe tenerse en cuenta en trabajos de dilata 2,4 mm, una cantidad que ya debe tenerse en cuenta en trabajos de ingeniería.

ingeniería.

Dilatación Superficial Dilatación Superficial

También se puede hablar de coeficiente de dilatación superficial de un También se puede hablar de coeficiente de dilatación superficial de un sólido, cuando dos de sus dimensiones son mucho mayores que la tercera, sólido, cuando dos de sus dimensiones son mucho mayores que la tercera,

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Dilatación Volumétrica Dilatación Volumétrica

Cuando

Cuando las las tres dimensitres dimensiones del ones del cuerpo cuerpo son ison importantes, mportantes, se pude se pude definir definir el coeficiente de dilatación volumétrica. Donde el cálculo del volumen final el coeficiente de dilatación volumétrica. Donde el cálculo del volumen final se puede hacer con:

se puede hacer con: V V f f == V V 00(1 (1 + + עעΔΔT T ) donde) donde γ γ ==33αα es el coeficiente dees el coeficiente de

dilatación volumétrica, dilatación volumétrica,

CALOR

Es el proceso por el cual la energía se

Es el proceso por el cual la energía se transfiere de un objeto a otro debidotransfiere de un objeto a otro debido a una diferencia de temperatura entre ambos cuerpos

a una diferencia de temperatura entre ambos cuerpos

Es común (aunque erróneo) pensar que la materia contiene calor. La Es común (aunque erróneo) pensar que la materia contiene calor. La materia contiene energía en diversas formas, pero no contiene calor. El materia contiene energía en diversas formas, pero no contiene calor. El calor es el flujo de energía de un cuerpo de mayor temperatura a otro de calor es el flujo de energía de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Llamamos energía térmica a la

menor temperatura. Llamamos energía térmica a la energía resultante delenergía resultante del flujo de calor, aunque el término más adecuado es el de energía interna. flujo de calor, aunque el término más adecuado es el de energía interna. Cuando fluye calor entre dos objetos o sustancias que están en contacto, Cuando fluye calor entre dos objetos o sustancias que están en contacto, se dice que los objetos o sustancias están en contacto térmico. Si existe se dice que los objetos o sustancias están en contacto térmico. Si existe contacto térmico,

contacto térmico, el calor fel calor fluye de la luye de la sustancia de msustancia de mayor temperatura ayor temperatura a laa la sustancia cuya temperatura es más baja.

sustancia cuya temperatura es más baja. El

El cacalolor r no no flfluyuye e nenececesasaririamamenente te de de ununa a susuststanancicia a cocon n mámás s enenerergígíaa

o o Δ ΔTT==TT- T- T o o Δ ΔV=V=V- VV- V

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los mecanismos por los que se transfiere energía, y que puede causar los los mecanismos por los que se transfiere energía, y que puede causar los mismos efectos que el trabajo.

mismos efectos que el trabajo.

Joule observó que al hacer girar una rueda de paletas en un recipiente Joule observó que al hacer girar una rueda de paletas en un recipiente ce

cerrrradado o cocontnteeninienendo do agaguaua, , la la tetemmpeperaratturura a de de esestta a se se eleleveva, a, y y elel incremento de temperatura es proporcional al

incremento de temperatura es proporcional al trabajo realizadotrabajo realizado

U

Unniiddaaddees s ddee calor

calor

LLa a ccaannttiiddaad d ddee ca

calolor r se se exexprpresesaa een n llaas s mmiissmmaass un

uniidadadedes s qque ue llaa eenneerrggíía a y y eell tra

trababajojo, , es es dedecicir,r, een n jjoouullee. . OOttrraa uunniiddaad d ees s llaa ca

caloloríría, a, dedefifininidada com

como o la la cacantntididadad de calor necesaria de calor necesaria ppaarra a eelleevvaar r llaa te

tempmperaeratutura ra de de 11 gramo de agua a gramo de agua a 1

1 aattmmóóssffeerra a ddee pprreessiióón n ddeessddee 14,5 °C a 15,5 °C. 14,5 °C a 15,5 °C. LLa a eenneerrggííaa m meeccáánniicca a ssee puede convertir en puede convertir en calor, por ejemplo calor, por ejemplo a

a ttrraavvéés s ddeell ro

rozazammieientnto, o, y y elel tra

trababajo jo memecácáninicoco nneecceessaarriio o ppaarraa

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ne

nececesasaririo o eexpxpreresasarlrla a popor r ununididad ad de de mmasasa, a, cocon n el el nonommbrbre e dde e ccalor alor específico específico ((c c ).). T T m m Q Q m m C C c c ∆ ∆ = = = = :: [[JJ//kkg g KK]]

Hay que observar que comúnmente se usa las unidades [kJ/kg K]. Hay que observar que comúnmente se usa las unidades [kJ/kg K]. De la exp

De la expresión resión anterior se panterior se puede calcular el uede calcular el calor cedido o calor cedido o absorbido por absorbido por un cuerpo con la ecuación:

un cuerpo con la ecuación:

T T m mcc Q Q == ∆∆

La siguiente tabla muestra los calores es

La siguiente tabla muestra los calores específicos de varias sustanciaspecíficos de varias sustancias.. CALOR ESPECÍFICO DE ALGUNOS SÓLIDOS Y LÍQUIDOS (A 25 °C) CALOR ESPECÍFICO DE ALGUNOS SÓLIDOS Y LÍQUIDOS (A 25 °C)

S SUUSSTTAANNCCIIAA kkJJ//kkg g KK A Aiirree 11,,0011 A Alluummiinniioo 00,,9900 A Allccoohhool l eettíílliiccoo 22,,4455 O Orroo 00,,1133 G Grraanniittoo 00,,8800 H Hiieerrrroo 00,,4455 Aceite de Aceite de oliva oliva 2,002,00 P Pllaattaa 00,,2244

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Calorímetro típico Calorímetro típico

Cuando se coloca dos o más sustancias en un calorímetro, la energía Cuando se coloca dos o más sustancias en un calorímetro, la energía térmica dentro del recipiente se mantiene constante.

térmica dentro del recipiente se mantiene constante.

0 0 = = ∑ ∑QQii Donde:Donde: QQii ==mmii ccii ( ( T T f f −−T T 00ii ) ) yy ii T

T ₀₀ _{es la temperatura inicial de}_{es la temperatura inicial de}

los cuerpos. los cuerpos.

CALOR LATENTE CALOR LATENTE

Ad

Adememás ás de de lolos s prprococesesos os de de trtranansmsmisisióión n de de cacalolor r quque e auaumementntan an oo disminuyen la temperatura de los cuerpos, la transmisión de calor también disminuyen la temperatura de los cuerpos, la transmisión de calor también puede producir cambios de fase, como la fusión del hielo o la ebullición del puede producir cambios de fase, como la fusión del hielo o la ebullición del agua.

agua.

FUSION

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Cancel Anytime. A Acceettoonnaa 5566 M Meettaannooll 6655 E Ettaannooll 7788 A Agguuaa 110000 00 G Glliicceerriinnaa 229900 1188 M Meerrccuurriioo 335577 C Ciinncc 990077 442200 P Plloommoo 11 774400 332288 E Essttaaññoo 22 226600 223322 A

Alluummiinniioo 22 446677 666600 C Coobbrree 22 556677 11 008833 H Hiieerrrroo 22 775500 11 553355 T Tiittaanniioo 33 228877 11 666600 V

Vaannaaddiioo 33 338800 11 889900 V

Voollffrraammiioo 55 666600 33 441100 La cantidad de calor

La cantidad de calor QQ necesaria para producir un cambio de fase por necesaria para producir un cambio de fase por

unidad de masa, se llama calor latente (

unidad de masa, se llama calor latente (LL), y existen calores latentes de), y existen calores latentes de

sublimación, fusión y vaporización. sublimación, fusión y vaporización.

m m Q Q L L == :: [[JJ//kkgg]]

Si suministramos calor a una sustancia sólida en su punto de fusión, la Si suministramos calor a una sustancia sólida en su punto de fusión, la temperatura de la sustancia permanecerá constante hasta la licuación temperatura de la sustancia permanecerá constante hasta la licuación total, ya que el calor entregado sólo aporta la energía necesaria para que total, ya que el calor entregado sólo aporta la energía necesaria para que las moléculas de la sustancia venzan sus fuerzas de cohesión y se las moléculas de la sustancia venzan sus fuerzas de cohesión y se

95 95 98 98 114 114 39 39

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Cancel Anytime.

Cancel Anytime. N Niittrróóggeennoo --220099,,9977 2255,,55xx110033 --119955,,88 220011xx110033 O Oxxiiggeennoo --221188,,7799 1133,,88xx110033 --118833,,00 221133xx110033 M Meerrccuurriioo --3399 1111,,88xx110033 335577 227722xx110033 A Agguuaa 00,,0000 333344xx110033 110000,,0000 22225566xx110033 A Azzuuffrree 111199 3388,,11xx110033 444444,,6600 332266xx110033 P Plloommoo 227733,,33 2244,,44xx110033 11775500 887711xx110033 P Pllaatta a 996600,,8800 8888..33xx110033 22119933 22333366xx110033 O Orroo 11006633,,0000 6644,,55xx110033 22666600 11557788xx110033 C Coobbrree 11008833 113344xx110033 11118877 55006699xx110033

La temperatura de fusión de una sustancia pura puede definirse como la La temperatura de fusión de una sustancia pura puede definirse como la temperatura a la que coexisten en equilibrio, partes sólidas y líquidas de temperatura a la que coexisten en equilibrio, partes sólidas y líquidas de dicha sustancia. Igualmente, la temperatura de ebullición de una sustancia dicha sustancia. Igualmente, la temperatura de ebullición de una sustancia pura puede definirse como la temperatura a la que coexisten en equilibrio, pura puede definirse como la temperatura a la que coexisten en equilibrio, partes líquidas y de vapor de dicha sustancia.

partes líquidas y de vapor de dicha sustancia.

Por ejemplo, si se hierve agua en un recipiente abierto a la presión de una Por ejemplo, si se hierve agua en un recipiente abierto a la presión de una atmósfera, la temperatura no aumenta por encima de los 100 °C por atmósfera, la temperatura no aumenta por encima de los 100 °C por mucho calor que se suministre. El calor que absorbe la sustancia sin mucho calor que se suministre. El calor que absorbe la sustancia sin cambiar su temperatura, no se pierde, sino que se emplea en transformar cambiar su temperatura, no se pierde, sino que se emplea en transformar el agua en vapor y se almacena como energía interna. Cuando el vapor se el agua en vapor y se almacena como energía interna. Cuando el vapor se condensa para formar agua, esta energía vuelve a liberarse.

condensa para formar agua, esta energía vuelve a liberarse.

Del mismo modo, si se suministra calor a una masa de hielo de agua a Del mismo modo, si se suministra calor a una masa de hielo de agua a unauna atmósfera y 0 °C, su temperatura no cambia hasta que se funde todo el atmósfera y 0 °C, su temperatura no cambia hasta que se funde todo el

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Gráfica Calor vs Temperatura de 1 g de agua Gráfica Calor vs Temperatura de 1 g de agua

Para fundir 1 g de hielo se necesitan 333 joule, y para convertir 1 g de Para fundir 1 g de hielo se necesitan 333 joule, y para convertir 1 g de agua en vapor a 100 °C, hacen falta 2 260 joule. La figura 10.10 muestra el agua en vapor a 100 °C, hacen falta 2 260 joule. La figura 10.10 muestra el proceso de cambio de fase de una sustancia pura en donde se aprecia la proceso de cambio de fase de una sustancia pura en donde se aprecia la variación de la temperatura en función del calor entregado a la sustancia. variación de la temperatura en función del calor entregado a la sustancia.

EJEMPLO EJEMPLO

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La conducción requiere contacto físico entre los cuerpos o las partes de un La conducción requiere contacto físico entre los cuerpos o las partes de un cuerpo que intercambian calor, pero en la radiación no hace falta que los cuerpo que intercambian calor, pero en la radiación no hace falta que los cuerpos estén en contacto, ni que haya materia entre ellos.

cuerpos estén en contacto, ni que haya materia entre ellos.

La convección es un mecanismo especial que requiere el movimiento de La convección es un mecanismo especial que requiere el movimiento de un líquido o un gas, en contacto con un cuerpo de temperatura diferente. un líquido o un gas, en contacto con un cuerpo de temperatura diferente. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de ellos predomine sobre los otros dos, por ejemplo, el ocurrir que uno de ellos predomine sobre los otros dos, por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una olla sobre una cocina de gas se calienta en conducción, el agua de una olla sobre una cocina de gas se calienta en ggrraan n mmeeddiidda a ppoor r ccoonnvveecccciióónn, , y y lla a TTiieerrrra a rreecciibbe e ccaalloor r ddeel l SSooll exclusivamente por radiación.

exclusivamente por radiación.

CONDUCCIÓN

La única forma de transferencia de calor en los sólidos, es la conducción. La única forma de transferencia de calor en los sólidos, es la conducción. Si se calienta el extremo de una varilla metálica de forma que aumente su Si se calienta el extremo de una varilla metálica de forma que aumente su ttemempeperaratturura, a, el el ccalalor or se se ttraransnsmmitite e hahaststa a el el exextrtrememo o mmás ás frfrío ío popor r conducción.

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Cancel Anytime. x x L L T T T T T T X X T T (( ))== ₁₁ ++ (( 22 −− 11)) Donde

Donde T T 22 es una temperatura conocida, a una distanciaes una temperatura conocida, a una distancia LL del cuerpodel cuerpo

caliente. caliente. T T11 TT22 L L X X TT Flujo de calor en

Flujo de calor en régimen estacionariorégimen estacionario

CONVECCIÓN

Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un ga

gas, s, es es ccasasi i seseguguro ro quque e se se prprooduducicirá rá momovivimimienentto o dedel l ffluluiidodo. . EEststee movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra, por un proceso movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra, por un proceso llamado convección.

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constante de Stefan-Boltzmann en honor a dos físicos austriacos, Joseph constante de Stefan-Boltzmann en honor a dos físicos austriacos, Joseph St

Stefefan an y y LuLudwdwig ig BoBoltltzmzmanann, n, quque e en en 181879 79 y y 181884 84 rerespspecectitivavamementnte,e, descubrieron esta proporcionalidad entre el poder emisor de un cuerpo y descubrieron esta proporcionalidad entre el poder emisor de un cuerpo y su temperatura.

su temperatura.

De esta forma, el calor transferido por radiación, por unidad de tiempo, se De esta forma, el calor transferido por radiación, por unidad de tiempo, se puede calcular como:

puede calcular como:

4 4 T T A A e e t t Q Q H H == σσ ∆ ∆ = = Donde

Donde ee es es un un fafactctor or dedenonomiminanadodo emisividad,emisividad, quque e dedepependnde e de de lalass

características del material y

características del material y _σ_σ₌₌₅₅_,,₆₇₆₇ _x_x₁₀₁₀−−88 _W_W _//_m_m22_K_K44

Se muestra en la figura 7.14 que los cuerpos oscuros absorben mayor Se muestra en la figura 7.14 que los cuerpos oscuros absorben mayor radiación debido precisamente a esta característica.

radiación debido precisamente a esta característica.

Según la ley de Planck, todas las sustancias emiten energía radiante sólo Según la ley de Planck, todas las sustancias emiten energía radiante sólo por el hecho de tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto por el hecho de tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es

mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida.la cantidad de energía emitida. Ad

Adememás ás de de ememititir ir raradidiacacióión, n, totodadas s lalas s susuststanancicias as soson n cacapapaceces s dede absorberla, por eso, un cubito de hielo que en él vació emite energía absorberla, por eso, un cubito de hielo que en él vació emite energía

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A

A) ) FFVVVVF F BB) ) VVVVVVV V CC) ) VVFFVVVV DD) ) FFFFVF VF E) E) FFFFVVVV

2.

2. Una plancha metálica cuadrada de 2,5 m de lado, tiene un agujeroUna plancha metálica cuadrada de 2,5 m de lado, tiene un agujero central de

central de ππ /4 /4 mm22 de área. Si el agujero experimenta un incremento dede área. Si el agujero experimenta un incremento de

área de 0,001

área de 0,001 ππ mm22 debido a un incremento de la temperatura de ladebido a un incremento de la temperatura de la

plancha de 100 °C, calcule el incremento de la longitud del lado de la plancha de 100 °C, calcule el incremento de la longitud del lado de la plancha en mm.

plancha en mm. A

A) ) 22,,5 5 BB) ) 33,,5 5 CC) ) 44,,00 DD) ) 5,0 5,0 E) E) 7,07,0

3.

3. Una bola de hierro de 6 cm de diámetro se encuentra sobre el agujeroUna bola de hierro de 6 cm de diámetro se encuentra sobre el agujero central de una plancha horizontal de bronce, y no puede pasar por el central de una plancha horizontal de bronce, y no puede pasar por el agujero debido a que su diámetro es 0,01 mm más grande que el diámetro agujero debido a que su diámetro es 0,01 mm más grande que el diámetro del agujero. Si la temperatura inicial es de 30 °C, ¿a qué temperatura hay del agujero. Si la temperatura inicial es de 30 °C, ¿a qué temperatura hay que calentar el conjunto bola plancha para que para que la bola pase que calentar el conjunto bola plancha para que para que la bola pase ajuntada por el agujero?

ajuntada por el agujero? A

A) ) 3344 BB) ) 4444 CC) ) 554 4 DD) ) 6644 EE) ) 7744

4.

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7.

7. Dos cilindros de 1 mDos cilindros de 1 m33 cada uno , contienen gas ideal a temperaturacada uno , contienen gas ideal a temperatura aammbbiieenntte e (3(3000 0 KK) ) y y eessttáánn

unidos por un tubo en forma unidos por un tubo en forma de U parcialmente lleno con de U parcialmente lleno con un líquido (

un líquido ( = constante == constante =

1100000 0 kkgg//mm33₎₎ _ccoom_mo_{o ssee}

muestra en la figura. Si se muestra en la figura. Si se el

eleveva la la a tetempmpererataturura da delel cilindro

cilindro IIII a 360 K, el nivel dela 360 K, el nivel del líquido en las ramas del tubo líquido en las ramas del tubo en

en U U se se ininvivierertete. . ¿C¿Cuáuántntasas moles hay en el cilindro

moles hay en el cilindro IIII ?. Considere que el volumen del tubo en U es?. Considere que el volumen del tubo en U es mu

muy y ppeqequeueñño o en en cocompmpararacaciión ón cocon n el el vovollumumen en de de llos os cicililindndroros,s, considere

considere R R = (25/3) J/mol K= (25/3) J/mol K

A) A) 4,4 4,4 B) B) 4,8 4,8 C) C) 4,0 4,0 D) D) 4,2 4,2 E) E) 4,64,6 Figura Figura10.2710.27 1 0 1 0 c c mm