PDF superior ENERGÍA (III) CALOR Y TEMPERATURA

Aunque la temperatura (en una u otra escala) se mide des- de hace mucho tiempo (ver termómetro de Galileo), no fue hasta finales del s. XIX cuando se consiguió dar una expli- cación de su naturaleza gracias al desarrollo de la Física Estadística, la cual aplica los métodos matemáticos de esta ciencia (la estadística) para estudiar las propiedades obser- vables (presión, temperatura…) de un sistema formado por un número muy elevado de partículas (átomos o molécu- las).

El  concepto  de  temperatura  nos  es  muy  familiar  en  nuestro  quehacer  diario.  Siempre  escuchamos  frases  como  ¡tengo  frio!  o  ¡tengo  calor!  Sin  embargo,  definir  exactamente  el  concepto  de  temperatura  no  es  una  tarea  fácil.  Algunas  referencias  que  muy  probablemente  manejemos  es  que  el  agua se congela a 0 °C y que ebulle o hierve a los 100 °C. Pero  ¿cómo podremos definir exactamente a la temperatura?  Como  sabemos  la  materia  puede  encontrarse  en  diferentes  fases  (líquido  sólido  o  gas,  Fig.  1.3),  la  diferencia  entre  un  estado y otro depende del arreglo molecular que varía desde  menor orden en el estado gaseoso hasta un mayor orden en el  estado sólido. 

• El Universo está hecho de materia y energía. La materia está compuesta de átomos y moléculas y la energía hace que los átomos y las moléculas estén en constante movimiento , rotando alrededor de si mismas, vibrando o chocándose unas con otras. El movimiento

partículas vibran con respecto a su posición de equilibrio con mayor velocidad a medida que aumentamos la temperatura del sólido. Cuando nos aproximamos a la temperatura de Fusión, al suministrar energía en forma de calor, las partículas se agitan con más fuerza y pueden adquirir la energía suficiente como para contrarrestar las fuerzas de cohesión que las mantienen unidas a sus compañeros, de esta forma la estructura rígida y compacta empieza a desmoronarse adquiriendo las partículas cierta libertad de movimiento, es decir, adquiriendo propiedades de líquido.

Experimentar los fenómenos de físicos de trabajo y energía, potencia, mecánica de fluidos, temperatura y calor. Debatir las características de trabajo y energía, po[r]

La cantidad de calor (Q) se mide por los efectos observables que produce, el más palpable de los cuales es la elevación de temperatura del cuerpo que recibe la energía. Si un gramo de agua recibe una cantidad de calor (Q) de modo que cambia su temperatura de 14.5°C a 15.5°C se llama a esta cantidad de calor, caloría, que es la unidad calor del sistema CGS. La kilocaloría se define análogamente para un kilogramo de agua, siendo la unidad de calor del sistema MKS.

Diferencias existentes entre calor y temperatura: El calor siempre se refiere a una energía en tránsito de un cuerpo a otro; la temperatura no es energía, sino una magnitud física que nos sirve para medir el nivel de energía interna que tiene un cuerpo. La unidad utilizada en el SI es el Kelvin (K). También se puede medir en Celsius (ºC) y en Farenheit (F).

• Energía interna: E I = mAC P AT, es la energía asociada a la temperatura de un objeto. En los procesos de cálculo sólo se tiene en cuenta esta energía cuando se produce una variación de temperatura, por lo cual se habla de variación de energía interna: E I = mAC P AT, siendo C P el calor específico del material (el calor que hay que darle a 1 g de sustancia para que aumente su temperatura 1º C)

Sobre el gas que hay en el interior de un cilindro se puede variar su presión, su temperatura y su volumen. Y en la transformación el gas puede recibir o perder calor, realizar o absorber un trabajo o bien variar su energía interna debido a un aumento de temperatura. Según el principio de conservación de la energía, el aumento de energía interna del gas se produce porque ha recibido calor o trabajo:

Inicialmente el enfoque dado será para objetos macroscópicos y luego adoptaremos una perspectiva microscópica, la de los átomos y moléculas, y observaremos que la descripción macroscópica y microscópica están fuertemente ligadas. Todo ello nos servirá para el estudio de las transformaciones de energía, que implican calor, trabajo mecánico y otras formas de energía, y la relación de estas transformaciones con las propiedades de la materia.

El cambio de energía interna del sistema es igual a la energía que intercambia con el entorno mediante calor (debido a una diferencia de temperatura entre el sistema y el entorno) más la que intercambia con el entorno mediante trabajo (bien porque el sistema realice trabajo sobre el

Según narran los antiguos historiadores, en el año 212 a. C., a petición del rey Herón, Arquímedes quemó las naves romanas que sitiaban la ciudad de Siracusa. Para llevar a cabo tal hazaña, Arquímedes utilizó varios espejos planos o tal vez escudos reflejantes que en conjunto formaban un gran espejo cóncavo, pues en esa época ya se utilizaban espejos pulidos de plata y cobre para concentrar la luz del Sol. Un espejo cóncavo sería, por ejemplo, el que tiene el faro de un automóvil. Este tipo de espejo, cuando posee la forma de un paraboloide de revolución, tiene la propiedad de que todos los rayos luminosos que inciden sobre él desde cualquier dirección se concentran en un punto: el foco del espejo. De esta forma, mediante la concentración de la energía de los rayos solares se logra alcanzar altas temperaturas y, quizá, como Arquímedes, incendiar grandes objetos. También Euclides, en sus trabajos de óptica, menciona que es posible obtener temperaturas elevadas mediante un espejo cóncavo, y Filón de Bizancio aprovechó el calor del Sol en un termoscopio (antecedente del termómetro), que consiste en un termómetro rudimentario, que indica la diferencia de temperatura sin precisar su magnitud.

5. Cuando a un sólido se le aporta calor, sus partículas aumen- tan su vibración, hasta el punto de que llegan a perder las posiciones fijas que ocupan unas respecto a otras y pasan al estado líquido, en el que se deslizan unas respecto a otras. Los gases poseen una gran energía interna, de forma que sus partículas se mueven libremente. Cuando un gas cede calor, disminuye la energía interna y se mueven más len- tamente, hasta el punto de que no pueden vencer la atrac- ción entre ellas y pasan al estado líquido.

Hay una importante norma general que se cumple en todos los cambios de estado: Durante los cambios de estado el calor recibido o perdido no se emplea en variar la temperatura sino en alterar la estructura interna del cuerpo. La temperatura a la que se produce un cambio de estado depende de factores como la presión exterior o la pureza de la sustancia implicada. En las llamadas “ollas a presión” se supera ampliamente la presión atmosférica, con lo que la temperatura de ebullición es sensiblemente mayor a los 100ºC, permitiendo que los alimentos se cocinen antes. Otro caso totalmente diferente es el de las medidas en previsión de heladas. En tales casos se vierte sal que, al disolverse en el agua, hace bajar su punto de fusión.

Si queremos entender qué significa la temperatura a nivel molecular debemos recordar que la temperatura es la energía media de las moléculas que componen una sustancia. Los átomos y las moléculas no siempre se mueven a la misma velocidad. Esto significa que hay un rango de energías entre ellas. En un gas, por ejemplo, las moléculas se mueven en direcciones aleatorias y a diferentes velocidades - algunas se mueven rápido y otras más lentamente. A veces estas moléculas colisionan entre si. Cuando esto tiene lugar las moléculas que se mueven más deprisa transfieren parte de su energía a las que se mueven más despacio, haciendo que la más rápidas se ralenticen y las más lentas se aceleren. Si ponemos más energía en el sistema, la velocidad media de las moléculas se incrementa, lo que hace que se produzca energía térmica o calor. Por lo tanto, temperaturas altas corresponden a sustancias que tienen un movimiento medio molecular mayor. Nosotros, por supuesto, no podemos sentir ni medir el movimiento de cada molécula, solo el movimiento medio de todas ellas.

El calor es energía térmica que pasa de un cuerpo a otro, es decir, los cuerpos ganan o pierden calor. Por ejemplo: si introducimos un trozo de hierro a 80 ºC (caliente) en un cazo con agua a 15 ºC (agua fría), el hierro se enfriará y el agua se calentará. El calor habrá pasa- do del hierro, que estaba a más temperatura, al agua, que estaba a menos temperatura.

El calor es una forma de energía en tránsito entre dos sistemas que se encuentran a diferente temperatura. Esta idea es muy importante ya que permite explicar varios fenómenos de la vida diaria. Por ejemplo, si estás descalzo y colocas un pie sobre un tapete y otro sobre el mosaico, sientes que el tapete está ―caliente‖, mientras que el piso está ―frío‖. ¿El tapete y el piso tienen diferente calor?, ¿tienen diferente temperatura?, ¿tienen diferente energía interna?

Todo sistema, a una determinada presión y temperatura posee una energía, llamada Energía Interna (U). Por intercambio de calor o de trabajo, la energía interna de un sistema[r]

Braun [5] investigó el consumo de energía de un edificio variando las condiciones de operación del equipo de aire acondicionado bajo diferentes escenarios de operación. Se utilizó el control dinámico como estrategia de ahorro de energía en edificios mediante la variación interna de la temperatura y el periodo de enfriamiento previo a la ocupación del edificio. La principal aportación fue que mediante curvas del comportamiento energético se demostró que el control dinámico de la temperatura es una estrategia de ahorro en el consumo de energía. Stoecker et al [12], realizaron un estudio de reducción de picos de la demanda eléctrica debida al equipo de aire acondicionado, variando la temperatura interna del espacio dentro de un rango de confort. Para tal efecto se utilizaron termostatos con diferentes rangos en los límites de la temperatura de encendido y apagado. La ganancia térmica al edificio fue simulada mediante el uso de potenciómetros que aportaron calor en un perfil triangular en el tiempo, o cual no representa necesariamente la realidad. Se demostró que la variación de la temperatura interna de un espacio acondicionado reduce el pico en la demanda de refrigeración.

Durante el ejercicio se produce calor en el organismo por el aumento en el gasto de energía de los músculos, por lo que enseguida aumenta la temperatura central en la sangre y el hip[r]