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LA
TEMPERATURA |
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Con frecuencia decimos: "tengo mucho calor", "
tengo frío", "qué calor hace", "hace un frío que
pela". El calor y el frío son sensaciones de nuestro cuerpo, que
están relacionadas con la temperatura ambiente, pero también con otras
cosas como veremos. La idea de frío y calor que usamos cotidianamente no
tienen mucho que ver con los conceptos físicos que estudiaremos en este
tema. Por eso es necesario tener una idea clara de los que es calor o de lo
que es temperatura, que no son lo mismo.
La sensación de frío y calor nos puede confundir
frecuentemente. Por ejemplo, vamos a hacer un pequeño experimento. Coloca
tu mano sobre la libreta, fíjate en lo que sientes. Luego coloca la mano
sobre la mesa, ¿notas lo mismo?. Por último toca con la mano la pata
metálica de la mesa. Seguramente no has sentido lo mismo en los tres casos.
Seguramente no te extraña. pero lo que si te extrañará es saber que la
libreta, la mesa y la pata de la mesa están prácticamente a la misma
temperatura. ¿No te lo crees? Mídela con un termómetro.
¿Por qué tenemos una sensación tan distinta cuando
tocamos diferentes cuerpos que están a la misma temperatura? ¿Nos sirve la
mano para medir temperaturas? Parece que no, está claro.
Nuestro cuerpo siempre está caliente, tenemos una
temperatura media de entre 36º y 37ºC. Cuando tu mano toca un cuerpo
siente algo. Eso que siente en realidad es si pierde calor o si gana calor.
Cuando tocamos la libreta, tocamos el papel, que es un buen aislante del
calor, notamos la libreta caliente porque nuestra mano no pierde calor.
Cuando tocamos la mesa la notamos más fría, porque la mesa conduce mejor
el calor que el papel, nuestro calor se escapa a la mesa, lo que notamos es
la pérdida de calor. Cuando tocamos la pata de la mesa la notamos aún más
fría pues el metal conduce mucho el calor, nuestro calor se escapa fácilmente
a la pata de la mesa. La notamos fría, porque notamos que perdemos calor
con rapidez. Por tanto nuestro sentido del tacto mide más las pérdidas o
ganancias de calor que la temperatura.
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Materiales fríos y materiales cálidos |
También hablamos del frío, pero desde el punto de vista
físico el frío no existe. Lo que existe es el calor, que es una forma de
energía. El frío sólo es una sensación de pérdida de calor. Si perdemos
calor sentimos frío. Por eso cuando tenemos frío nos ponemos más ropa. Lo
que hace la ropa es aislarnos del entorno, haciendo que el calor del cuerpo
no se escape.
¿Qué es entonces la temperatura? Como vimos en el tema 2,
el modelo cinético-molecular de la materia dice que la materia está
formada de partículas materiales. Estas partículas son los átomos, iones
o moléculas que forman la materia. Estás partículas tendrán energía,
que hará que éstas se muevan en los gases o líquidos y que vibren en el
caso de los sólidos. No todas las partículas de un cuerpo tendrán la
misma energía, unas tendrán más y otras tendrán menos, habrá por tanto
una energía media de las partículas de un cuerpo.
La temperatura es proporcional a la energía media de las
partículas de un cuerpo.
Si un cuerpo tiene más temperatura que otro es porque sus
partículas tienen más energía que las partículas del otro. Si estos
cuerpos se ponen en contacto pasa energía de las partículas del cuerpo de
más temperatura a las partículas del cuerpo de menos temperatura. Por eso
decimos que si ponemos en contacto cuerpos de distinta temperatura siempre
pasa calor del cuerpo de más temperatura al cuerpo de menos
temperatura.
El calor es la energía que pasa de los cuerpos de más
temperatura a los cuerpos de menos temperatura.
La energía que tienen los cuerpos se debe a la suma de la
energía de todas las partículas de un cuerpo. Un cuerpo puede tener mucha
energía porque sus partículas tienen mucha energía, y por tanto mucha
temperatura, o porque tiene muchas partículas, y sumando las energías de
todas nos da una cantidad muy grande. La energía de un cuerpo no depende
sólo de la energía de cada partícula, depende también del número de
partículas que tenga.
La energía de un cuerpo es la suma de las energías de
todas sus partículas.
Supongamos dos cuerpos, A y B. El cuerpo A tiene 9 partículas
con energías de valor 4u, y B tiene 6 partículas con energías de valor 9u.
¿Cuál tiene más temperatura? El cuerpo B, pues sus partículas
tienen más energía que las partículas de A.
¿Qué cuerpo tiene más energía? La energía de un cuerpo
es la
suma de las energías de sus partículas, por lo tanto A tiene una energía de 36u
y B una energía de 54u.
En este caso el cuerpo que tiene más temperatura también
tiene más energía acumulada, pero no siempre es así. ¿Qué pasa cuando se ponen en
contacto cuerpos de distintas temperaturas? Las partículas chocan e intercambian
energías, las partículas de más energía ceden parte de esa energía a las partículas de menor
energía, hasta alcanzar el equilibrio térmico. La energía total, 90u, se repartirá entre
las 15 partículas correspondiéndole a cada una una media de 6u de energía.
El cuerpo A que tenía una energía térmica de 36u ahora tiene 54u, y el cuerpo B que
tenía una energía térmica de 54u ahora tiene 36u. Esta energía que pasa de
los cuerpos de más temperatura a los de menos temperatura es el calor. El calor
es una energía en tránsito. No se debe decir: "un cuerpo tiene calor", diremos:
"un
cuerpo tiene energía". Los cuerpos pueden ceder o absorber calor. Si un cuerpo diminuye
su temperatura es porque cede calor, y si un cuerpo aumenta su temperatura es porque absorbe calor. Este
ejemplo puede hacernos pensar que
pasa calor de los cuerpos que tienen más energía a los que tienen menos. Pero
no es ese el criterio para saber como circula el calor, siempre pasa calor
de los cuerpos
que tienen más temperatura a los que tienen menos temperatura. En el siguiente
ejemplo se ve que puede pasar calor de un cuerpo que tiene menos energía, pero más
temperatura, a otro que tiene más energía, pero menos temperatura.
El cuerpo B tiene menos energía que A, pero como tiene más temperatura que A,
pasará calor del cuerpo B al cuerpo A.
Si dos cuerpos en contacto están a distintas
temperaturas siempre pasa calor del cuerpo que está a más temperatura
al que está a menos temperatura, hasta que las temperaturas de los dos
se igualan, en este caso decimos que se alcanza el equilibrio
térmico.
EJERCICIOS
PARA PRACTICAR
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MEDIDA
DE LA TEMPERATURA |
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La medida de la temperatura empezó teniendo relación con
la necesidad de conocer si la temperatura corporal era elevada o no, lo que comúnmente
llamamos tener fiebre. Galileo Galilei (1564-1642) inventa en 1592 el termoscopio,
que consistía en una bola de vidrio de la que salía un largo tubo fino de
vidrio. Servía para medir temperaturas de forma cualitativa ya que carecía de
escala.
Observa en este vídeo como puedes fabricar un
termoscopio.
La temperatura se mide con los termómetros, que están calibrados en diferentes escalas.
Para medir la temperatura usamos los termómetros,
que son aparatos que miden una propiedad que varía con la temperatura.
Por ejemplo la dilatación de los líquidos en los termómetros de alcohol. Para saber más de los termómetros visita: Termómetro
(Wikipedia).
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ESCALAS
TERMOMÉTRICAS |
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Escala Celsius o centígrada. Esta escala se la debemos a Anders Celsius (1701-1744) físico y astrónomo sueco,
que la definió en 1742. Los puntos que se toman como referencia en
esta escala son el punto de fusión del hielo, al que se le asigna un valor de 0ºC,
y el punto de ebullición del agua, al que se le da un valor de 100ºC. Entre estos
dos puntos se reparten 100 divisiones que corresponden cada una a un grado centígrado.
Estos valores son arbitrarios, se pudieron escoger otros. Por cierto sabes aquel
que dice:- ¿A qué temperatura estamos? - A 0ºC, ni frío ni calor. Es un chiste
muy malo, pero pone de manifiesto la confusión que crea el cero allí donde esté. Escala Kelvin o
absoluta. Propone esta escala en el año 1848 William Thomson, Lord Kelvin, (1824-1907)
gran físico y matemático británico. Asigna el cero a la temperatura mínima que puede existir, el cero
absoluto, que equivale a −273,15ºC. Como el grado centígrado equivale al Kelvin,
0ºC son 273,15K y 100ºC son 373,15K. Las
equivalencias son las siguientes: Equivalencia entre la escala
centígrada y la escala Kelvin:
EJERCICIOS
PARA PRACTICAR
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EL
CALOR |
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Ya vimos que el calor es la energía que pasa de los
cuerpos de más temperatura a los de menos temperatura.
Cuando un cuerpo aumenta su temperatura porque otro le
proporciona calor este aumento se debe a varios factores:
- A la masa del cuerpo. Cuanta más masa tenga un cuerpo menos
aumentará su temperatura para una misma cantidad de calor.
- Al tiempo que dure el calentamiento. Cuanto más tiempo esté pasando
calor de un cuerpo a otro mayor será la cantidad de calor que absorbe y
mayor será la temperatura que adquiere.
- Al tipo de sustancia. Para aumentar un grado la temperatura de una
misma masa de diferentes cuerpos se necesitan diferentes cantidades de
calor. Esta característica de los cuerpos se mide con una magnitud que
llamamos calor específico.
El calor específico de un cuerpo es la cantidad de energía
que debemos proporcionar a un kilogramos de masa para que su temperatura aumente
un grado Kelvin. Por tanto el calor específico se mide en J/kg·K
Los valores del calor específico los tenemos tabulados:
| Sustancia |
Calor
específico, c (J/kg K) |
Sustancia |
Calor
específico, c (J/kg K) |
| Agua (liq.) |
4180 |
Oro |
129 |
| Hielo |
2114 |
Plata |
237 |
| Vapor de agua |
2080 |
Mercurio |
139 |
| Etanol |
2440 |
Cobre |
385 |
| Amoníaco (liq.) |
4700 |
Hidrógeno |
14300 |
| Aluminio |
897 |
Nitrógeno |
1040 |
| C (grafito) |
710 |
Oxígeno |
918 |
| Hierro |
450 |
Arena |
835 |
| Plomo |
129 |
Granito |
790 |
Si tenemos un kilogramo de agua y un kilogramo de hierro,
¿cuál necesita más calor para aumentar su temperatura un grado? El agua
necesita 4180J y el hierro 450J, por tanto será el agua. Cuanto mayor sea
el calor específico más calor necesita un cuerpo para aumentar su
temperatura. También podemos decir que cuanto mayor es el calor específico
de un cuerpo más cantidad de energía acumula a cierta temperatura. ¿Que
influencia tendrá esto en el clima de las zonas costeras?
El calor absorbido o cedido por un cuerpo se calcula con la siguiente
ecuación:
Donde (Q) es el calor cedido o absorbido, (m) la masa, (c)
el calor específico , (T) la temperatura final, y (To) la temperatura inicial.
En los problemas de equilibrio térmico, en un sistema
aislado, el calor cedido por un
cuerpo es igual y de signo contrario al que absorbe el otro. El calor que
absorbe un cuerpo es positivo pues la temperatura final es mayor que la inicial,
pero el calor cedido es negativo porque la temperatura final es menor que la
inicial.
EJERCICIOS
PARA PRACTICAR
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LA
PROPAGACIÓN DEL CALOR |
¿Cómo se propaga el calor de unos cuerpos a otros? Hay tres
mecanismos por los cuales el calor se puede transmitir:
- Conducción
- Convección
- Radiación
Transmisión del calor por conducción
La conductividad térmica es la propiedad de los materiales
para conducir el calor. ¿Qué materiales tienen una alta conductividad
térmica? Por experiencia sabemos que los metales tienen una alta
conductividad térmica, el mango de las sartenes o las asas de las tarteras
suelen ser de madera o plástico, que tienen menor conductividad térmica,
para que no nos queme cuando las tocamos.
Los gases suelen tener muy poca conductividad térmica. La
ropa es un buen aislante del calor por el aire que queda entre las fibras de
la misma. Lo mismo ocurre con el pelo de los animales o las plumas de las
aves. Los famosos edredones de plumón deben su poder aislante a la gran
cantidad de aire que contienen este tipo de plumas de ave.
Los metales son buenos conductores del calor debido a los
electrones que se pueden mover libremente en su red cristalina. Estos
electrones transmiten la energía de unas partes a otras del metal con mucha
eficacia. También son la causa de su alta conductividad eléctrica.
En el aire los átomos y moléculas están muy separados, de
ahí su poca conductividad térmica. Sin embargo en los gases y líquidos se
da otra forma de transmisión de calor que veremos a continuación.
Transmisión de calor por convección
Sabemos que las partículas de los fluidos (gases y
líquidos) tienen más movilidad que las partículas de los sólidos. Esta
movilidad permite también que transporten la energía que llevan asociada.
Si unas partículas de un gas o de un líquido tienen más energía que
otras cuando se muevan dentro del gas o del líquido también transportarán
esta energía, hablaremos en este caso de transmisión de calor por
convección.
El transporte por convección se debe a movimiento de las
partículas de un gas o un líquido en el seno de los fluidos. Para que haya
convección tiene que haber movimiento de las partículas. En este caso se
crean lo que se llaman corrientes de convección. El gas o el líquido
caliente al tener menos densidad que los gases o líquidos fríos asciende
creando estas corrientes de convección que transportan calor asociado a
estas partículas.
Si calientas agua en un cazo se observa que enseguida se
producen corrientes en el mismo. Son las corrientes de convección. El
líquido caliente asciende y el líquido frío desciende debido a su
diferente densidad.
En la brisa del mar también encontramos estas corrientes de
convección, que refrescan la costa de día y la templan por la noche.
Transmisión de calor por radiación
El transporte de calor por radiación no necesita de medio
material para su transporte. Es debido a la emisión de energía de un
cuerpo por el hecho de tener temperatura. Todos los cuerpos emiten cierta
cantidad de energía en forma de ondas electromagnéticas en función de la
temperatura que tienen, a mayor temperatura mayor será la emisión de
energía.
Si las temperaturas no son demasiado altas la radiación que
se emite es infrarroja, que tiene importantes efectos caloríficos. En esta
propiedad se basan los radiadores eléctricos que usamos en nuestras casas.
Cuando la temperatura es muy alta la radiación que se emite puede ser
visible. Tiene su aplicación en las bombillas de incandescencia. Cuando
calentamos un metal como el hierro a alta temperatura decimos que se pone al
rojo, el color de la luz que emite es función de la temperatura del mismo,
a mayor temperatura más blanco y luminoso se pone.
La radiación electromagnética se transmite también en el
vacío. Es la forma como nos llega la energía del Sol. Se transmite en línea
recta. Basta que pongamos un obstáculo en su camino para que dejemos de
apreciarla. Ese es el papel que juegan las sombrillas y sombreros que usamos
en nuestras playas. También el sol emite radiación ultravioleta, que es
más penetrante y peligrosa que la radiación infrarroja. Para protegernos
de la misma debemos usar los filtros solares, que crean una capa protectora
en nuestra piel.
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MATERIALES
AISLANTES DEL CALOR |
En la construcción de edificios usamos muchos materiales aislantes del
calor, así las viviendas podrán ser energéticamente más eficaces, evitaremos
pérdidas de calor y ahorraremos dinero.
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¿Qué tipo de material aislante es
mejor? |
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AISLAMIENTO
TÉRMICO EN EDIFICIOS |
Las normativas de eficiencia energética obligan a los edificios de nueva
construcción a cumplir unos parámetros que los harán más eficaces
energéticamente. Los edificios más antiguos pueden mejorar su eficiencia
energética en las obras de rehabilitación.
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Aislamiento térmico de edificios |
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EL
CALOR DILATA LOS CUERPOS |
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El calor dilata los cuerpos. La energía de las moléculas al aumentar la
temperatura hace que se muevan más y se separen entre ellas debido a los
choques que se producen, para entenderlo supón que un grupo de compañeros de
clase se introduce en un circulo pintado en el suelo, de forma que estén muy
juntos y no quede mucho espacio sobrante en el círculo, si los compañeros de
mueven entre ellos les será difícil mantenerse dentro del círculo, y más si
aumentan la velocidad de movimiento, a las moléculas de las sustancias les
pasa lo mismo, con la excepción del agua líquida que es más densa a 4ºC, el
hielo es menos denso que el agua, por eso flota, y permite mantener la vida
debajo de los lagos helados en las zonas de montaña. La
dilatación de los cuerpos también se debe tener en cuenta al diseñar
edificios, colocando juntas de dilatación, o al construir puentes, con
juntas de dilatación entre los tableros del mismo.
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FUENTES
DE ENERGÍA NO RENOVABLES |
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Fuentes de energía no renovables |
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FUENTES
DE ENERGÍA RENOVABLES |
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Fuentes de energía renovables |
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EL
PROBLEMA DE LA ENERGÍA |
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Puede parecer una paradoja que estemos preocupados por un bien, la energía,
que se conserva siempre. Ya vimos como la energía mecánica se iba
transformando poco a poco en formas más degradadas de energía, como la
energía térmica. Por tanto el problema de la energía no es disponer de ella,
sino disponer de energías eficaces para transformarse en otras, energías que
podemos llamar útiles. La energía eléctrica es una de las más útiles, la
podemos transportar y transformar en otras formas de energía de forma muy
eficaz. También el carbón y el petróleo son fuentes eficaces de energía,
pero el ser un bien limitado y el efecto que tiene el CO2 sobre
la atmósfera, propiciando el efecto invernadero y contribuyendo al cambio
climático hacen que tengamos que sustituir estas energías por otras más
sostenibles, como las energías renovables. Pero ojo, estas también tienen
inconvenientes, su alto coste de instalación, el que no siempre estén
disponibles, o el impacto ambiental y paisajístico crean también
dificultades a su uso exclusivo.
Por tanto mientras hagamos esta transición a la
descarbonización la mejor estrategia es ahorrar lo más posible la energía
que usamos. La debemos considerar un bien caro y escaso que debemos usar con
sentidiño, como decimos en Galicia.
¿Qué podemos hacer en la práctica para contribuir a este
ahorro de energía? Seguro que se te ocurren muchas cosas como:
- Apagar las luces que no estemos usando.
- Cambiar las bombillas menos eficaces por iluminación led, que
consume menos.
- Usar las horas de luz diurna para trabajar.
- Desplazarse siempre que se pueda a pie, además es más sano.
- Usar el transporte público.
- Usar siempre que se pueda agua fría, o caliente a baja
temperatura.
- Evitar aparatos que consumen gran cantidad de electricidad,
usar electrodomésticos de clase A.
- Evitar usar patinetes o bicis eléctricas si somos jóvenes,
recuerda que consumen energía.
- Evitar poner la calefacción alta en invierno, mejor abrigarse
un poco, y evitar aires acondicionados muy bajos en verano.
- Aislar lo mejor que se pueda nuestras viviendas.
- Consumir productos de proximidad, a granel y no envasados en
plásticos.
- Evitar un consumo excesivo, influidos por la publicidad que
nos bombardea constantemente.
- Y sobre todo usar el sentido común.
Por tanto recuerda, la mejor energía es la que no se
consume.
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