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| Manantiales termales de la época romana. El agua brota a una temperatura de 67ºC. El agua de lluvia, que se filtra hasta profundidades superiores a un kilómetro, se calienta por el calor interno de la Tierra y la desintegración que sufren isótopos presentes en el granito. Su caudal es de 300L/min. |
Estos son dos de los conceptos físicos que más confusiones
crean. Por si fuera poco la sensación de frío y calor es enormemente subjetiva. Podemos
sentir calor y hacer frío, o sentir frío y hacer calor. Por eso es importante concretar un poco más estos conceptos.
La materia está formada de partículas, átomos o moléculas, que
poseen energía. Por ejemplo los gases están formados de partículas que se mueven a
diferentes velocidades, estas partículas tienen energía cinética o energía de
movimiento. En los líquidos y en los sólidos aunque las partículas presentan interacciones
entre ellas también están dotadas de diferentes energías,
cinéticas, potenciales, de vibración, de rotación, etc. No todas las
partículas tienen la misma energía, unas tienen más y otras menos. La media
de todas estas energías nos da idea de la temperatura. Si un cuerpo tiene más temperatura que
otro es porque sus partículas tienen más energía.
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.
La temperatura de un sistema es proporcional a
la agitación térmica media de las partículas de un cuerpo.
La suma de las energías de todas las partículas
de un cuerpo la denominamos energía interna. Parte de esta
energía se puede transferir a otros cuerpos en forma de calor, es la
que denominamos energía térmica.
El calor es la energía que pasa de los cuerpos
que están a más temperatura a los cuerpos que están a menos
temperatura.
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.
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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.
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 Fahrenheit. El físico e ingeniero polaco-germano Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736)
propone esta escala en 1714. Al punto de fusión del hielo se le asignan
32ºF y al
punto de ebullición del agua 212ºF. Entre ellos se reparten 180 divisiones de
1ºF. Esta
escala se usa en países anglosajones. A él también le debemos el invento del
termómetro de mercurio. 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:
Equivalencia entre la escala centígrada y la escala Fahrenheit:
Para medir la temperatura usamos los termómetros,
que son aparatos que tienen una propiedad que varía con la temperatura.
Para saber más de los termómetros visita: Termómetro
(Wikipedia). EJERCICIOS
PARA PRACTICAR
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| Cuando un cuerpo absorbe o cede calor los efectos que se
pueden producir son tres: cambios en la temperatura, cambios de estado o
dilataciones.
A) Cambios de temperatura.
Cuando un cuerpo absorbe calor su temperatura aumenta y cuando cede
calor su temperatura disminuye. ¿Cómo podemos medir estos calores que
absorben o ceden los cuerpos.
El calor absorbido o cedido por un cuerpo es fácil de calcular sabiendo que:
- Depende de la masa del cuerpo. A mayor masa, de una misma sustancia a la misma
temperatura, tendremos más partículas que pueden ceder o absorber energía,
y por lo tanto el calor intercambiado será mayor. Cuesta más aumentar 10
grados la temperatura de 2 kg de agua que la misma temperatura de 1kg de
agua.
- Depende de la variación de temperatura. Si variamos más la temperatura,
de una misma masa de sustancia, el calor involucrado será mayor. Cuesta más
aumentar 20ºC la temperatura de 1kg de agua que 10ºC la temperatura de la misma
cantidad de agua.
- Depende de la sustancia de que se trate. Si aportamos la misma cantidad de
calor a una misma masa de diferentes sustancias unas aumentan la
temperatura más que otras. Los metales aumentan rápidamente la temperatura
en un foco calorífico, el agua aumenta lentamente la temperatura en las mismas
condiciones. Para determinar esta dependencia se define el calor específico.
Hagamos un experimento: vamos a aportar calor a una cierta
cantidad de agua.
Si aportamos calor a un gramo de agua para que su
temperatura aumente un grado centígrado, o un grado Kelvin, a esa
cantidad de calor se le llamó caloría. Y se representa por cal.
De la misma forma, si aportamos calor a un kilogramo de
agua para que su temperatura aumente un grado centígrado, o un grado
Kelvin, esa cantidad de calor serán 1000 calorías.
Pero la caloría no es la unidad de energía en el
Sistema Internacional de unidades, esa unidad es el Julio. La
equivalencia entre julios y calorías es:
Por tanto, el calor que tenemos que aportar a 1kg de
agua para que su temperatura aumente 1ºC, o 1K, es 4180J. Esta cantidad
se conoce como el calor específico del agua.
Es un valor que podemos determinar para cada sustancia
pura y es de gran utilidad para medir calores.
Calor específico de una sustancia, c, es el
calor que hay que proporcionar a una unidad de masa, 1kg, para que su temperatura aumente
1K.
Su unidad es J/kg K. Por ejemplo, el calor específico del agua es
4180J/kg K, ya que hay que aportar 4180J a un kilogramo de agua para que su temperatura
aumente un Kelvin, o un grado centígrado.
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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 |
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
B) Cambios de estado.
En los cambios de estado las sustancias puras no varían
su temperatura. La energía involucrada en estos cambios se invierte en romper
las interacciones entre moléculas o en reconstruir estas mismas
interacciones. Para calcular el calor cedido o absorbido en un cambio de estado
debemos conocer la masa y el calor latente del proceso de que se trate (fusión
o
vaporización). Estos calores están tabulados para las diferentes sustancias y se dan como datos
en los problemas.
|
Sustancia |
Calor latente
de fusión, Lf (kJ/kg) |
Calor latente
de vaporización, Lv (kJ/kg) |
| Agua |
334 |
2260 |
| Etanol |
105 |
846 |
| Acetona |
96 |
524 |
| Benceno |
127 |
396 |
| Hierro |
293 |
6300 |
| Cobre |
214 |
5410 |
| Plomo |
22,5 |
880 |
Para calcular los calores de fusión y vaporización usaremos:
EJERCICIOS
PARA PRACTICAR
C) Dilatación.
Otro efecto del calor sobre los cuerpos es el fenómeno
de la dilatación. Un cuerpo cuando se calienta aumenta de volumen,
decimos que se dilata. Este aumento de volumen es mayor cuanto más
aumente la temperatura.
La dilatación es el aumento de volumen que
experimenta un cuerpo cuando aumenta su temperatura.
Normalmente ocurre esto, aunque es de notar el caso
anormal del agua, ya que de 0 a 4ºC el agua líquida se contrae, a 4ºC
el agua presenta su máxima densidad, y a partir de esta temperatura ya
tiene un comportamiento normal. Esta es la causa de que no podamos usar
el agua para fabricar un termómetro.
Los sólidos líquidos y gases se dilatan en todas
direcciones. Pero podemos estudiar como es esta dilatación en cada
dimensión en concreto. Cuando un cuerpo se calienta su longitud
aumenta, este aumento que experimenta la longitud es proporcional a la
temperatura y a una constante que llamaremos coeficiente de dilatación
lineal (α).
La longitud de un sólido que se dilata será:
donde l0 es la longitud inicial.
Por tanto el coeficiente de dilatación lineal (α)
representa el aumento que experimenta la longitud con respecto a la
longitud inicial por cada Kelvin que aumenta la temperatura. En el
S.I. la unidad es el K−1.
|
Sustancia |
coeficiente de
dilatación lineal,α, (K−1) |
Sustancia |
coeficiente de
dilatación lineal,α, (K −1) |
| Acero |
1,2·10−5 |
Madera de pino |
3,4·10−5 |
| Aluminio |
2,3·10−5 |
Madera de roble |
5,4·10−5 |
| Cinc |
2,6·10−5 |
Mercurio |
6,1·10−5 |
| Cobre |
1,7·10 −5 |
Níquel |
1,3·10−5 |
| Cuarzo |
5,9·10−7 |
Oro |
1,4·10−5 |
| Diamante |
1,0·10−6 |
Plata |
2,0·10−5 |
| C (grafito) |
3,0·10−6 |
Plomo |
2,9·10−5 |
| Hierro |
1,1·10 −5 |
Vidrio |
8,5·10−6 |
| Hormigón |
1,2·10 −5 |
Wolframio |
4,5·10−6 |
EJERCICIOS
PARA PRACTICAR
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