10. Calor y Temperatura

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CALOR Y TEMPERATURA

 

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.

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.

    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 é 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

EFECTOS DEL CALOR

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:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.

    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.

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, (K1) Sustancia coeficiente de dilatación lineal,α, (K1)
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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