9. Calor e temperatura

Principal Arriba Enunciados

A TEMPERATURA

   Con frecuencia dicimos: "teño moita calor", " teño frío", "que calor vai", "vai un frío que pela". A calor e o frío son sensacións do noso corpo, que están relacionadas coa temperatura ambiente, pero tamén con outras cousas como veremos. A idea de frío e calor que usamos cotidianamente non teñen moito que ver cos conceptos físicos que estudaremos neste tema. Por iso é necesario ter unha idea clara dos que é calor ou do que é temperatura, que non son o mesmo.

   A sensación de frío e calor pódenos confundir frecuentemente. Por exemplo, imos facer un pequeno experimento. Coloca a túa man sobre a libreta, fíxache no que sentes. Logo coloca a man sobre a mesa, notas o mesmo?. Para rematar toca coa man a pata metálica da mesa. Seguramente non sentiches o mesmo nos tres casos. Seguramente non che estraña. pero o que si che estrañará é saber que a libreta, a mesa e a pata da mesa están prácticamente á mesma temperatura. Non cho crees? Mídea cun termómetro.

   Por que temos unha sensación tan distinta cando tocamos diferentes corpos que están á mesma temperatura? Sérvenos a man para medir temperaturas? Parece que non, está claro. 

   O noso corpo sempre está quente, temos unha temperatura media de entre 36º e 37ºC. Cando a túa man toca un corpo sente algo. Iso que sente en realidade é se perde calor ou se gaña calor. Cando tocamos a libreta, tocamos o papel, que é un bo illante da calor, notamos a libreta quente porque a nosa man non perde calor. Cando tocamos a mesa notámola máis fría, porque a mesa conduce mellor a calor que o papel, a nosa calor escápase á mesa, o que notamos é a perda de calor. Cando tocamos a pata da mesa notámola aínda máis fría pois o metal conduce moito a calor, a nosa calor escápase fácilmente á pata da mesa. Notámola fría, porque notamos que perdemos calor axiña. Xa que logo o noso sentido do tacto mide máis as perdas ou ganancias de calor que a temperatura. 

Materiais fríos e materiais quentes

   Tamén falamos do frío, pero dende o punto de vista físico o frío non existe. O que existe é a calor, que é unha forma de enerxía. O frío só é unha sensación de perda de calor. Se perdemos calor sentimos frío. Por iso cando temos frío poñémonos máis roupa. O que fai a roupa é illarnos da contorna, facendo que a calor do corpo non se escape.

   Que é entón a temperatura? Como vimos no tema 2, o modelo cinético-molecular da materia di que a materia está formada de partículas materiais. Estas partículas son os átomos, iones ou moléculas que forman a materia. Estás partículas terán enerxía, que fará que estas se movan nos gases ou líquidos e que vibren no caso dos sólidos. Non todas as partículas dun corpo terán a mesma enerxía, unhas terán máis e outras terán menos, haberá xa que logo unha enerxía media das partículas dun corpo.

   A temperatura é proporcional á enerxía media das partículas dun corpo.

   Se un corpo ten máis temperatura que outro é porque as súas partículas teñen máis enerxía que as partículas do outro. Se estes corpos póñense en contacto pasa enerxía das partículas do corpo de máis temperatura ás partículas do corpo de menos temperatura. Por iso dicimos que si poñemos en contacto corpos de distinta temperatura sempre pasa calor do corpo de máis temperatura ao corpo de menos temperatura. 

   A calor é a enerxía que pasa dos corpos de máis temperatura aos corpos de menos temperatura. 

   A enerxía que teñen os corpos débese á suma da enerxía de todas as partículas dun corpo. Un corpo pode ter moita enerxía porque as súas partículas teñen moita enerxía, e xa que logo moita temperatura, ou porque ten moitas partículas, e sumando as enerxías de todas dános unha cantidade moi grande. A enerxía dun corpo non depende só da enerxía de cada partícula, depende tamén do número de partículas que teña.

   A enerxía dun corpo é a suma das enerxías de todas as súas partículas.

   Supoñamos dous corpos, A e B. O corpo A ten 9 partículas con enerxías de valor 4u, e B ten 6 partículas con enerxías de valor 9u.

   Cal ten máis temperatura? O corpo B, pois as súas partículas teñen máis enerxía que as partículas de A.

   Que corpo ten máis enerxía? A enerxía dun corpo é a suma das enerxías das súas partículas, polo tanto A ten unha enerxía de 36u e B unha enerxía de 54u.

   Neste caso o corpo que ten máis temperatura tamén ten máis enerxía acumulada, pero non sempre é así.

   Que pasa cando se poñen en contacto corpos de distintas temperaturas? As partículas chocan e intercambian enerxías, as partículas de máis enerxía ceden parte desa enerxía ás partículas de menor enerxía, ata alcanzar o equilibrio térmico. A enerxía total, 90u, repartirase entre as 15 partículas correspondéndolle a cada unha unha media de 6u de enerxía.

   O corpo A que tiña unha enerxía térmica de 36u agora ten 54u, e o corpo B que tiña unha enerxía térmica de 54u agora ten 36u. Esta enerxía que pasa dos corpos de máis temperatura aos de menos temperatura é a calor. A calor é unha enerxía en tránsito. Non se debe dicir: "un corpo ten calor", diremos: "un corpo ten enerxía". Os corpos poden ceder ou absorber calor. Se un corpo diminúe a súa temperatura é porque cede calor, e si un corpo aumenta a súa temperatura é porque absorbe calor.

   Este exemplo pode facernos pensar que pasa calor dos corpos que teñen máis enerxía aos que teñen menos. Pero non é ese o criterio para saber como circula a calor, sempre pasa calor dos corpos que teñen máis temperatura aos que teñen menos temperatura. No seguinte exemplo vese que pode pasar calor dun corpo que ten menos enerxía, pero máis temperatura, a outro que ten máis enerxía, pero menos temperatura.

   O corpo B ten menos enerxía que A, pero como ten máis temperatura que A, pasará calor do corpo B ao corpo A.

   Se dous corpos en contacto están a distintas temperaturas sempre pasa calor do corpo que está a máis temperatura ao que está a menos temperatura, ata que as temperaturas dos dous iguálanse, neste caso dicimos que se alcanza o equilibrio térmico.

MEDIDA DA TEMPERATURA

   A medida da temperatura empezou tendo relación coa necesidade de coñecer se a temperatura corporal era elevada ou non, o que comúnmente chamamos ter febre. Galileo Galilei (1564-1642) inventa en 1592 o termoscopio, que consistía nunha bóla de vidro da que saía un longo tubo fino de vidro. Servía para medir temperaturas de forma cualitativa xa que carecía de escala. 

   Observa neste vídeo como podes fabricar un termoscopio.

    A temperatura mídese cos termómetros, que están calibrados en diferentes escalas.

    Para medir a temperatura usamos os termómetros, que son aparellos que teñen unha propiedade que varía coa temperatura. Para saber máis dos termómetros visita: Termómetro (Wikipedia).

ESCALAS TERMOMÉTRICAS

   Escala Celsius ou centígrada. Esta escala debémoslla a Anders Celsius (1701-1744) físico e astrónomo sueco, que a definiu en 1742. Os puntos que se toman como referencia nesta escala son o punto de fusión do xeo, ao que se lle asigna un valor de 0ºC, e o punto de ebulición do auga, ao que se lle dá un valor de 100ºC. Entre estes dous puntos repártense 100 divisións que corresponden cada unha a un grao centígrado. Estes valores son arbitrarios, puidéronse escoller outros. Por certo sabes aquel que di:- A que temperatura estamos? - A 0ºC, nin frío nin calor. É un chiste moi malo, pero pon de manifesto a confusión que crea o cero alí onde estea.

   Escala Kelvin ou absoluta. Propón esta escala no ano 1848 William Thomson, Lord Kelvin, (1824-1907) gran físico e matemático británico. Asigna o cero á temperatura mínima que pode existir, o cero absoluto, que equivale a −273,15ºC. Como o grao centígrado equivale ao Kelvin, 0ºC son 273,15K e 100ºC son 373,15K. 

   As equivalencias son as seguintes:

   Equivalencia entre a escala centígrada e a escala Kelvin:

EXERCICIOS PARA PRACTICAR

A 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:

 

   Xa vimos que a calor é a enerxía que pasa dos corpos de máis temperatura aos de menos temperatura. 

   Cando un corpo aumenta a súa temperatura porque outro lle proporciona calor este aumento débese a varios factores:

  • Á masa do corpo. Canta máis masa teña un corpo menos aumentará a súa temperatura para unha mesma cantidade de calor.
  • Ao tempo que dure o quentamento. Canto máis tempo estea pasando calor dun corpo a outro maior será a cantidade de calor que absorbe e maior será a temperatura que adquire.
  • Ao tipo de sustancia. Para aumentar un grado a temperatura dunha mesma masa de diferentes corpos necesítanse diferentes cantidades de calor. Esta caracteristica dos corpos mídese cunha magnitude que chamamos calor específica.

   A calor específica dun corpo é a cantidade de enerxía que debemos proporcionar a un kilogramos de masa para que a súa temperatura aumente un grado Kelvin. Xa que logo a calor específica mídese en J/kg·K

   Os valores da calor específica témolos tabulados:

Sustancia Calor específica, c (J/kg K) Sustancia Calor específica, c (J/kg K)
Auga (liq.) 4180 Ouro 129
Xeo 2114 Prata 237
Vapor de auga 2080 Mercurio 139
Etanol 2440 Cobre 385
Amoníaco (liq.) 4700 Hidróxeno 14300
Aluminio 897 Nitróxeno 1040
C (grafito) 710 Osíxeno 918
Ferro 450 Area 835
Chumbo 129 Granito 790

   Se temos un kilogramo de auga e un kilogramo de ferro, cal necesita máis calor para aumentar a súa temperatura un grao? A auga necesita 4180J e o ferro 450J, xa que logo será a auga. Canto maior sexa a calor específica máis calor necesita un corpo para aumentar a súa temperatura. Tamén podemos dicir que canto maior é a calor específica dun corpo máis cantidade de enerxía acumula a certa temperatura. Que influencia terá isto no clima das zonas costeiras? 

A PROPAGACIÓN DA CALOR

   Como se propaga a calor duns corpos a outros? Hai tres mecanismos polos cales a calor pódese transmitir:

  • Condución
  • Convección
  • Radiación

   Transmisión da calor por condución

   A conductividade térmica é a propiedade dos materiais para conducir a calor. Que materiais teñen unha alta conductividade térmica? Por experiencia sabemos que os metais teñen unha alta conductividade térmica, o mango das tixolas ou as asas das potas adoitan ser de madeira ou plástico, que teñen menor conductividade térmica, para que non nos queime cando as tocamos. 

   Os gases adoitan ter moi pouca conductividade térmica. A roupa é un bo illante da calor polo aire que queda entre as fibras da mesma. O mesmo ocorre co pelo dos animais ou as plumas das aves. Os famosos edredones de plumón deben o seu poder illante á gran cantidade de aire que conteñen este tipo de plumas de ave.

   Os metais son bos condutores da calor debida aos electróns que se poden mover libremente na súa rede cristalina. Estes electróns transmiten a enerxía dunhas partes a outras do metal con moita eficacia. Tamén son a causa da súa alta conductividade eléctrica.

   No aire os átomos e moléculas están moi separados, de aí a súa pouca conductividade térmica. Con todo nos gases e líquidos dáse outra forma de transmisión de calor que veremos a continuación.

   Transmisión de calor por convección

   Sabemos que as partículas dos fluídos (gases e líquidos) teñen máis movilidade que as partículas dos sólidos. Esta movilidade permite tamén que transporten a enerxía que levan asociada. Se unhas partículas dun gas ou dun líquido teñen máis enerxía que outras cando se movan dentro do gas ou do líquido tamén transportarán esta enerxía, falaremos neste caso de transmisión de calor por convección. 

   O transporte por convección débese a movemento das partículas dun gas ou un líquido no seo dos fluídos. Para que haxa convección ten que haber movemento das partículas. Neste caso créanse o que se chaman correntes de convección. O gas ou o líquido quente ao ter menos densidade que os gases ou líquidos fríos ascende creando estas correntes de convección que transportan calor asociada a estas partículas.

   Se quentas auga nun cazo obsérvase que axiña se producen correntes no mesmo. Son as correntes de convección. O líquido quente ascende e o líquido frío descende debido ao seu diferente densidade.

   Na brisa do mar tamén atopamos estas correntes de convección, que refrescan a costa de día e a templan pola noite.

   Transmisión de calor por radiación

   O transporte de calor por radiación non necesita de medio material para o seu transporte. É debido á emisión de enerxía dun corpo polo feito de ter temperatura. Todos os corpos emiten certa cantidade de enerxía en forma de ondas electromagnéticas en función da temperatura que teñen, a maior temperatura maior será a emisión de enerxía. 

   Se as temperaturas non son demasiado altas a radiación que se emite é infrarroja, que ten importantes efectos caloríficos. Nesta propiedade baséanse os radiadores eléctricos que usamos nas nosas casas. Cando a temperatura é moi alta a radiación que se emite pode ser visible. Ten a súa aplicación nas bombillas de incandescencia. Cando quentamos un metal como o ferro a alta temperatura dicimos que se pon ao vermello, a cor da luz que emite é función da temperatura do mesmo, a maior temperatura máis branco e luminoso ponse. 

   A radiación electromagnética transmítese tamén no baleiro. É a forma como nos chega a enerxía do Sol. Transmítese en liña recta. Basta que poñamos un obstáculo no seu camiño para que deixemos de apreciala. Ese é o papel que xogan as sombrillas e chapeus que usamos nas nosas praias. Tamén o sol emite radiación ultravioleta, que é máis penetrante e perigosa que a radiación infrarroja. Para protexernos da mesma debemos usar os filtros solares, que crean unha capa protectora na nosa pel. 

A transmisión da calor

MATERIAIS ILLANTES DA CALOR

 

 

 

 

ILLAMIENTO TÉRMICO EN EDIFICIOS

 

 

 

 

A CALOR DILATA OS CORPOS

 

 

 

Dilatación térmica

 

 

 

FONTES DE ENERXÍA NON RENOVABLES

 

 

 

 

FONTES DE ENERXÍA RENOVABLES

 

 

 

 

O PROBLEMA DA ENERXÍA

 

 

 

 

Arriba Enunciados