9. Calor y temperatura

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LA TEMPERATURA

   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. 

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.

MEDIDA DE LA TEMPERATURA

    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 tienen una propiedad que varía con la temperatura. Para saber más de los termómetros visita: Termómetro (Wikipedia).

ESCALAS TERMOMÉTRICAS

    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

EL CALOR

   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 caracteristica 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? 

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. 

La transmisión de calor

MATERIALES AISLANTES DEL CALOR

 

 

 

 

AISLAMIENTO TÉRMICO EN EDIFICIOS

 

 

 

 

EL CALOR DILATA LOS CUERPOS

 

 

 

Dilatación térmica

 

 

 

FUENTES DE ENERGÍA NO RENOVABLES

 

 

 

 

FUENTES DE ENERGÍA RENOVABLES

 

 

 

 

EL PROBLEMA DE LA ENERGÍA

 

 

 

 

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