Temperatura y Dilatación
Como la forma de un fluido no está definida, solamente tiene sentido hablar del cambio del volumen con la temperatura. La respuesta de los gases a los cambios de temperatura o de presión es muy notable, en tanto que el cambio en el volumen de un líquido, para cambios en la temperatura o la presión, es muy pequeño. β representa el coeficiente de dilatación volumétrica de un líquido,
Los líquidos se caracterizan por dilatarse al aumentar la temperatura, siendo su dilatación volumétrica unas diez veces mayor que la de los sólidos.
Sin embargo, el líquido más común, el agua, no se comporta como los otros líquidos. En la figura F, se muestra la curva de dilatación del agua. Se puede notar que, entre 0 y 4ºC el agua líquida se contrae al ser calentada, y se dilata por encima de los 4ºC, aunque no linealmente. Sin embargo, si la temperatura decrece de 4 a 0ºC, el agua se dilata en lugar de contraerse. Dicha dilatación al decrecer la temperatura no se observa en ningún otro líquido común; se ha observado en ciertas sustancias del tipo de la goma y en ciertos sólidos cristalinos en intervalos de temperatura muy limitados, un fenómeno similar. La densidad del agua tiene un máximo a 4ºC, donde su valor* es de 1 000 kg/m3. A cualquier otra temperatura su densidad es menor. Este comportamiento del agua es la razón por la que en los lagos se congela primero la superficie, y es en definitiva lo que hace posible la vida subacuática.
Esta propiedad es importante en la ingeniería, recordemos que los dos fluidos más importantes para un ingeniero son el agua y el aire, el primero prácticamente incompresible y el segundo sensiblemente compresible.
Como el líquido carece de forma propia, solo puede tener sentido hablar de dilatación cúbica, pues sus dimensiones dependen del recipiente que lo contiene, observándose un ascenso del nivel del fluido debido a que en general, los líquidos se dilatan más que los sólidas y en particular, que el vidrio.
Cantidad de
calor
Aun cuando no sea posible determinar el
contenido total de energía calorífica de un cuerpo, puede medirse la cantidad
que setoma o se cede al ponerlo en contacto con otro a diferente temperatura.
Esta cantidad de energía en transito de los cuerpos demayor temperatura a los
de menor temperatura es precisamente lo que se entiende en física por calor.
La
ecuación calorimétrica.
La experiencia pone de manifiesto que
la cantidad de calor tomada o cedida por un cuerpo es directamente proporcional
a su masa y al aumento o disminución de temperatura que experimenta. La
expresión matemática de esta relación es la ecuación calorimétrica. Q= c e. m. (T f ± T i) Donde Q representa el calor cedido o absorbido, la masa del
cuerpo y T f y T i las temperaturas final en inicial respectivamente. Q será
positivo si la temperatura final es mayor que la inicial ( T f > T i) y
negativo en el caso contrario ( T f < T i). La
letra crepresenta la constante de
proporcionalidad correspondiente y su valor es característico del tipo de
sustancia que constituye el cuerpo en cuestión. Dicha constante se
denomina calor específico. Su significado puede deducirse de la ecuación Q= ce.m.(T f ± T i) si se despaja c, ella resulta: ce=
Q/m.(T f ± T i ) El
calor específico de una sustancia equivale, por tanto, a una cantidad de calor
por unidad de masa y de temperatura; o enotros términos, es el calor que debe
suministrarse a la unidad de masa de una sustancia dada para elevar su
temperatura un grado
Hasta el siglo XIX se explicaba el efecto del calor en la variación de
la temperatura de un cuerpo por medio de un fluido invisible llamado calórico.
Este se producía cuando algo se quemaba y, además, que podía pasar de un cuerpo
a otro. La teoría del calórico afirmaba que una sustancia con mayor temperatura
que otra, necesariamente, poseía mayor cantidad de calórico.
Benjamin Thompson y James Prescott Joule establecieron que el trabajo podía convertirse en calor o en un incremento de la energía térmica determinando que, simplemente, era otra forma de la energía.
El calor es una energía de nivel bajo puesto que el trabajo se puede transformar íntegramente en calor, pero no al contrario, (Segundo principio de la termodinámica).
Fluido calorífico
El calor siempre se transfiere entre 2 cuerpos de diferentes temperaturas y el flujo de calor siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico, vale decir, a la misma temperatura.
Unidades de medida
La cantidad de energía térmica intercambiada se mide en calorías, que es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua para elevar su temperatura de 14,5 a 15,5 grados celsius. El múltiplo más utilizado es la kilocaloría (kcal):
1 kcal = 1000 cal
De aquí se puede deducir el concepto calor específico de una sustancia, que se define como la energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de dicha sustancia un grado celsio, o bien el concepto capacidad calorífica, análogo al anterior pero para una masa de un mol de sustancia (en este caso es necesario conocer la estructura química de la misma).
Joule, tras múltiples experimentaciones en las que el movimiento de unas palas, impulsadas.por un juego de pesas, se movían en el interior de un recipiente con agua, estableció el equivalente mecánico del calor, determinando el incremento de temperatura que se producía en el fluido como consecuencia de los rozamientos producidos por la agitación de las palas:
1 cal = 4.184 J
El joule (J) es la unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidades, (S.I.).
El BTU, (o unidad térmica británica) es una medida para el calor muy usada en Estados Unidos y en muchos otros países de América. Se define como la cantidad de calor que se debe agregar a una libra de agua para aumentar su temperatura en un grado Fahrenheit, y equivale a 252 calorías.
Calor Específico
Artículo principal: Calor específico
En la vida cotidiana se puede observar que, si se le entrega calor a dos cuerpos de la misma masa y la misma temperatura inicial, la temperatura final será distinta. Este factor que es característico de cada sistema, depende de la naturaleza del cuerpo, se llama calor específico, denotado por c y se define como la cantidad de calor que se le debe entregar a 1 gramo de sustancia para aumentar su temperatura en 1 grado Celsius. Matemáticamente, la definición de calor específico se expresa como:
c = {Q \over m\Delta\;T}
Las unidades de calor específico son:
[c] = {J \over kg K}
[c] = {cal \over g C}
De esta forma, y recordando la definición de caloría, se tiene que el calor específico del agua es aproximadamente:
c_{H_2O} = 1,000 \left [ \frac{cal}{gC} \right ]
Calor Específico Molar
El calor específico de una sustancia es un índice importante de su constitución molecular interna, y a menudo da información valiosa de los detalles de su ordenación molecular y de las fuerzas intermoleculares. En este sentido, con frecuencia es muy útil hablar de calor específico molar denotado por cm, y definido como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un mol de una sustancia en 1 grado es decir, está definida por:
c_m = {Q \over n\Delta\;T}
donde n indica el la cantidad de moles en la sustancia presente.
Capacidad Calorífica
La capacidad calorífica de una sustancia es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Se denota por C y se define como:
C = {Q \over \Delta\;T} \left [ \frac{J}{K} \right ]
Dado que:
c = {Q \over m\Delta\;T} \Longrightarrow \; mc = {Q \over \Delta\;T}
\Longrightarrow \; C = mc
De igual forma se puede definir la capacidad calórica molar como:
Cn = nc
Cambios de Fase
En la naturaleza existen tres estados usuales de la materia : sólido, líquido y gaseoso. Al aplicarle calor a una sustancia, ésta puede cambiar de un estado a otro. A estos procesos se les conoce como Cambios de Fase.
Benjamin Thompson y James Prescott Joule establecieron que el trabajo podía convertirse en calor o en un incremento de la energía térmica determinando que, simplemente, era otra forma de la energía.
El calor es una energía de nivel bajo puesto que el trabajo se puede transformar íntegramente en calor, pero no al contrario, (Segundo principio de la termodinámica).
Fluido calorífico
El calor siempre se transfiere entre 2 cuerpos de diferentes temperaturas y el flujo de calor siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico, vale decir, a la misma temperatura.
Unidades de medida
La cantidad de energía térmica intercambiada se mide en calorías, que es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua para elevar su temperatura de 14,5 a 15,5 grados celsius. El múltiplo más utilizado es la kilocaloría (kcal):
1 kcal = 1000 cal
De aquí se puede deducir el concepto calor específico de una sustancia, que se define como la energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de dicha sustancia un grado celsio, o bien el concepto capacidad calorífica, análogo al anterior pero para una masa de un mol de sustancia (en este caso es necesario conocer la estructura química de la misma).
Joule, tras múltiples experimentaciones en las que el movimiento de unas palas, impulsadas.por un juego de pesas, se movían en el interior de un recipiente con agua, estableció el equivalente mecánico del calor, determinando el incremento de temperatura que se producía en el fluido como consecuencia de los rozamientos producidos por la agitación de las palas:
1 cal = 4.184 J
El joule (J) es la unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidades, (S.I.).
El BTU, (o unidad térmica británica) es una medida para el calor muy usada en Estados Unidos y en muchos otros países de América. Se define como la cantidad de calor que se debe agregar a una libra de agua para aumentar su temperatura en un grado Fahrenheit, y equivale a 252 calorías.
Calor Específico
Artículo principal: Calor específico
En la vida cotidiana se puede observar que, si se le entrega calor a dos cuerpos de la misma masa y la misma temperatura inicial, la temperatura final será distinta. Este factor que es característico de cada sistema, depende de la naturaleza del cuerpo, se llama calor específico, denotado por c y se define como la cantidad de calor que se le debe entregar a 1 gramo de sustancia para aumentar su temperatura en 1 grado Celsius. Matemáticamente, la definición de calor específico se expresa como:
c = {Q \over m\Delta\;T}
Las unidades de calor específico son:
[c] = {J \over kg K}
[c] = {cal \over g C}
De esta forma, y recordando la definición de caloría, se tiene que el calor específico del agua es aproximadamente:
c_{H_2O} = 1,000 \left [ \frac{cal}{gC} \right ]
Calor Específico Molar
El calor específico de una sustancia es un índice importante de su constitución molecular interna, y a menudo da información valiosa de los detalles de su ordenación molecular y de las fuerzas intermoleculares. En este sentido, con frecuencia es muy útil hablar de calor específico molar denotado por cm, y definido como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un mol de una sustancia en 1 grado es decir, está definida por:
c_m = {Q \over n\Delta\;T}
donde n indica el la cantidad de moles en la sustancia presente.
Capacidad Calorífica
La capacidad calorífica de una sustancia es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Se denota por C y se define como:
C = {Q \over \Delta\;T} \left [ \frac{J}{K} \right ]
Dado que:
c = {Q \over m\Delta\;T} \Longrightarrow \; mc = {Q \over \Delta\;T}
\Longrightarrow \; C = mc
De igual forma se puede definir la capacidad calórica molar como:
Cn = nc
Cambios de Fase
En la naturaleza existen tres estados usuales de la materia : sólido, líquido y gaseoso. Al aplicarle calor a una sustancia, ésta puede cambiar de un estado a otro. A estos procesos se les conoce como Cambios de Fase.
En física, proceso por el
que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un
mismo cuerpo que están a distinta temperatura.
El calor se transfiere mediante convección, radiación o
. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente,
puede ocurrir que
de los mecanismos predomine
sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de
una
fundamentalmente por conducción, el agua de una
cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por
convección, y la Tierra recibe
calor del Sol casi exclusivamente por radiación.
El
calor puede transferirse de tres formas: por conducción, por convección y por
radiación. La conducción es la transferencia de calor a través de un objeto
sólido: es lo que hace que el asa de un atizador se caliente aunque sólo la
punta esté en el fuego. La convección transfiere calor por el intercambio de
moléculas frías y calientes: es la causa de que el agua de una
tetera se caliente uniformemente aunque sólo su parte inferior esté en
con la
. La radiación es la transferencia de calor por radiación electromagnética (generalmente
infrarroja): es el principal mecanismo por el que un fuego calienta la
habitación.
CONDUCCIÓN
En los sólidos, la
única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un
extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor
se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su
totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se
cree que se debe, en parte, al movimiento de
los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de
temperatura. Esta teoría explica
por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos
conductores del calor. En 1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una
expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor.
Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un
cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de
temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).
El factor de
proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como
el oro, la
o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien
el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades
cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se
conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario conocer la
de conducción del calor a través
de un sólido en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Para
averiguarlo se requieren técnicas matemáticas muy complejas, sobre todo si el
proceso varía con el tiempo;
en este caso, se habla de conducción térmica transitoria. Con la ayuda de
ordenadores (computadoras) analógicos y digitales, estos problemas pueden
resolverse en la
incluso para cuerpos de geometría complicada.
CONVECCIÓN
Si existe una
diferencia de temperatura en el
de un líquido o un
, es casi seguro que se producirá un
del fluido. Este movimiento
transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado
convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se
calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen)
suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el
fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y
más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no
uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La
convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones,
con lo que se fuerza su
movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de
fluidos.
Supongamos, por
ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido más
próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción
a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado
de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el
fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío
vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente
situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima. De forma similar,
en una cámara vertical llena de gas, como la cámara de aire situada entre los
dos paneles de una ventana con doble vidrio, el aire situado junto al panel
exterior —que está más frío— desciende, mientras que al aire cercano al panel
interior —más caliente— asciende, lo que produce un movimiento de circulación.
El calentamiento de
una habitación mediante un radiador no depende tanto de la radiación como de
las corrientes naturales de convección, que hacen que el aire caliente suba
hacia el techo y el aire frío del resto de la habitación se dirija hacia el
radiador. Debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar,
los radiadores deben colocarse cerca del suelo (y los aparatos de aire acondicionado
cerca del techo) para que la eficiencia sea máxima. De la misma forma, la
convección natural es responsable de la ascensión del agua caliente y el vapor
en las calderas de
convección natural, y del tiro de las chimeneas. La convección también
determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie
terrestre, la acción de los
vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de
calor desde el interior del Sol hasta su superficie.
RADIACIÓN
La radiación
presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección:
las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que
pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica
genéricamente a toda clase de
fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos
de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única
explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría
cuántica. En 1905, Albert Einstein sugirió que la radiación presenta a veces un comportamiento cuantizado:
en el efecto fotoeléctrico, la radiación se comporta como minúsculos
proyectiles llamados fotones y no como ondas. La naturaleza cuántica de la energía radiante se había postulado
antes de la aparición del artículo de Einstein, y en 1900 el físico alemán Max
Planck empleó la teoría cuántica y el formalismo matemático de la mecánica estadística para
derivar una ley fundamental de la radiación. La expresión matemática de esta
ley, llamada distribución de Planck, relaciona la intensidad de
la energía radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda determinada con
la temperatura del cuerpo. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe
un máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo ideal (cuerpo negro) emite
radiación ajustándose exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten
con una intensidad algo menor.
La contribución de
todas las longitudes de onda a la energía radiante emitida se denomina poder emisor del
cuerpo, y corresponde a la cantidad de energía emitida por unidad de superficie
del cuerpo y por unidad de tiempo. Como puede demostrarse a partir de la ley de
Planck, el poder emisor de una superficie es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. El factor
de proporcionalidad se denomina constante de Stefan-Boltzmann en honor a dos
físicos austriacos, Joseph Stefan y Ludwig Boltzmann que, en 1879 y 1884
respectivamente, descubrieron esta proporcionalidad entre el poder emisor y la
temperatura. Según la ley de Planck, todas las sustancias emiten energía
radiante sólo por tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor
es la temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida. Además de emitir
radiación, todas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un
cubito de hielo emite energía radiante de forma continua, se funde si se
ilumina con una lámpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor
mayor de la que emite.
Las superficies
opacas pueden absorber o reflejar la radiación incidente. Generalmente, las
superficies mates y rugosas absorben más calor que las superficies brillantes y
pulidas, y las superficies brillantes reflejan más energía radiante que las
superficies mates. Además, las sustancias que absorben mucha radiación también
son buenos emisores; las que reflejan mucha radiación y absorben poco son malos
emisores. Por eso, los utensilios de cocina suelen tener fondos mates para una
buena absorción y paredes pulidas para una emisión mínima, con lo que maximizan
la transferencia total de calor al contenido de la cazuela.
Algunas sustancias,
entre ellas muchos gases y el
vidrio, son capaces de transmitir grandes cantidades de radiación. Se observa
experimentalmente que las propiedades de absorción, reflexión y transmisión de
una sustancia dependen de la longitud de onda de la radiación incidente. El
vidrio, por ejemplo, transmite grandes cantidades de radiación ultravioleta, de
baja longitud de onda, pero es un mal transmisor de los rayos infrarrojos, de
alta longitud de onda. Una consecuencia de la distribución de Planck es que la
longitud de onda a la que un cuerpo emite la cantidad máxima de energía
radiante disminuye con la temperatura. La ley de desplazamiento de Wien,
llamada así en honor al físico alemán Wilhelm Wien, es una expresión matemática
de esta observación, y afirma que la longitud de onda que corresponde
a la máxima energía, multiplicada por la temperatura absoluta del cuerpo, es
igual a una constante, 2.878 micrómetros-Kelvin. Este hecho, junto con las
propiedades de transmisión del vidrio antes mencionadas, explica el
calentamiento de los invernaderos. La energía radiante del Sol, máxima en las
longitudes de onda visibles, se transmite a través del vidrio y entra en el
invernadero. En cambio, la energía emitida por los cuerpos del interior del
invernadero, predominantemente de longitudes de onda mayores, correspondientes
al infrarrojo, no se transmiten al exterior a través del vidrio. Así, aunque la
temperatura del aire en el exterior del invernadero sea baja, la temperatura
que hay dentro es mucho más alta porque se produce una considerable
transferencia de calor neta hacia su interior.
Además de los
procesos de transmisión de calor que aumentan o disminuyen las temperaturas de
los cuerpos afectados, la transmisión de calor también puede producir cambios
de fase, como la fusión del hielo
o la ebullición del agua. En ingeniería, los procesos de transferencia de calor
suelen diseñarse de forma que aprovechen estos fenómenos. Por ejemplo, las
cápsulas espaciales que regresan a la atmósfera
de la Tierra a
velocidades muy altas están dotadas de un escudo térmico que se funde de forma
controlada en un proceso llamado ablación para impedir un sobrecalentamiento
del interior de la cápsula. La mayoría del calor producido por el rozamiento
con la atmósfera se emplea en fundir el escudo térmico y no en aumentar la
temperatura de la cápsula.
Las propiedades térmicas de la materia, como el
calor, la temperatura, escalas termométricas, dilatación de cuerpos, unidades
de calor, etc.
Nos ayudara a saber las transferencias de calor y como medir el calor que ceden y absorben los cuerpos.
Ya que en la vida cotidiana tenemos presentes todas las fases de las sustancias, y en muchas de las acciones que realizamos aplicamos la transferencia de calor, incluso cuando nos enfermamos usamos termómetros y ahí se aplican escalas termométricas es muy básico.
o un sólido. Al aplicar calor a un cuerpo, éste aumenta su energía. Pero existe una diferencia sustancial entre la energía
térmica que posee un cuerpo y su temperatura.
Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo este no es el caso. El calor y la temperatura están relacionadas entre si, pero son conceptos diferentes.
El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de la energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo. Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua puede ser la misma que la temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene más calor porque tiene más agua y por lo tanto más energía térmica total.
Equilibrio térmico
Dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico, entonces estos cuerpos tienen la misma temperatura. Para poder dar una definición más precisa del concepto de equilibrio térmico desde un punto de vista termodinámico es necesario definir algunos conceptos.
Dos sistemas que están en contacto mecánico directo o separados mediante una superficie que permite la transferencia de calor lo que se conoce como superficie diatérmica, se dice que están en contacto térmico.
Consideremos entonces dos sistemas en contacto térmico, dispuestos de tal forma que no puedan mezclarse o reaccionar químicamente. Consideremos además que estos sistemas están colocados en el interior de un recinto donde no es posible que intercambien calor con el exterior ni existan acciones desde el exterior capaces de ejercer trabajo sobre ellos. La experiencia indica que al cabo de un tiempo estos sistemas alcanzan un estado de equilibrio termodinámico que se denominará estado de equilibrio térmico recíproco o simplemente de equilibrio térmico.
El concepto de equilibrio térmico puede extenderse para hablar de un sistema o cuerpo en equilibrio térmico. Cuando dos porciones cuales sean de un sistema se encuentran en equilibrio térmico se dice que el sistema mismo está en equilibrio térmico o que es térmicamente homogéneo.
Nos ayudara a saber las transferencias de calor y como medir el calor que ceden y absorben los cuerpos.
Ya que en la vida cotidiana tenemos presentes todas las fases de las sustancias, y en muchas de las acciones que realizamos aplicamos la transferencia de calor, incluso cuando nos enfermamos usamos termómetros y ahí se aplican escalas termométricas es muy básico.
Calor y temperatura
El tema calor constituye la rama de la Física
que se ocupa de los movimientos de las moléculas, ya sean de un gas, un líquidoo un sólido. Al aplicar calor a un cuerpo, éste aumenta su energía. Pero existe una diferencia sustancial entre la energía
térmica que posee un cuerpo y su temperatura.
Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo este no es el caso. El calor y la temperatura están relacionadas entre si, pero son conceptos diferentes.
El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de la energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo. Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua puede ser la misma que la temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene más calor porque tiene más agua y por lo tanto más energía térmica total.
Equilibrio térmico
Dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico, entonces estos cuerpos tienen la misma temperatura. Para poder dar una definición más precisa del concepto de equilibrio térmico desde un punto de vista termodinámico es necesario definir algunos conceptos.
Dos sistemas que están en contacto mecánico directo o separados mediante una superficie que permite la transferencia de calor lo que se conoce como superficie diatérmica, se dice que están en contacto térmico.
Consideremos entonces dos sistemas en contacto térmico, dispuestos de tal forma que no puedan mezclarse o reaccionar químicamente. Consideremos además que estos sistemas están colocados en el interior de un recinto donde no es posible que intercambien calor con el exterior ni existan acciones desde el exterior capaces de ejercer trabajo sobre ellos. La experiencia indica que al cabo de un tiempo estos sistemas alcanzan un estado de equilibrio termodinámico que se denominará estado de equilibrio térmico recíproco o simplemente de equilibrio térmico.
El concepto de equilibrio térmico puede extenderse para hablar de un sistema o cuerpo en equilibrio térmico. Cuando dos porciones cuales sean de un sistema se encuentran en equilibrio térmico se dice que el sistema mismo está en equilibrio térmico o que es térmicamente homogéneo.
Termómetros
El termómetro (del griego θερμός (termo) el cuál significa "caliente" y metro, "medir") es un instrumento de medición de temperatura. Desde su invención ha evolucionado mucho, principalmente a partir del desarrollo de los termómetros electrónicos digitales.
Inicialmente se fabricaron aprovechando el fenómeno de la dilatación, por lo que se prefería el uso de materiales con elevado coeficiente de dilatación, de modo que, al aumentar la temperatura, su estiramiento era fácilmente visible. El metal base que se utilizaba en este tipo de termómetros ha sido el mercurio, encerrado en un tubo de vidrio que incorporaba una escala graduada.
El creador del primer termoscopio fue Galileo Galilei; éste podría considerarse el predecesor del termómetro. Consistía en un tubo de vidrio terminado en una esfera cerrada; el extremo abierto se sumergía boca abajo dentro de una mezcla de alcohol y agua, mientras la esfera quedaba en la parte superior. Al calentar el líquido, éste subía por el tubo.
Existen varias escalas termométricas para medir
temperaturas, relativas y absolutas. A partir de la sensación fisiológica, es
posible hacerse una idea aproximada de la temperatura a la que se encuentra un
objeto. Pero esa apreciación directa está limitada por diferentes factores; así
el intervalo de temperaturas a lo largo del cual esto es posible es pequeño;
además, para una misma temperatura la sensación correspondiente puede variar
según se haya estado previamente en contacto con otros cuerpos más calientes o
más fríos y, por si fuera poco, no es posible expresar con precisión en forma
de cantidad los resultados de este tipo de apreciaciones subjetivas. Por ello
para medir temperaturas se recurre a los termómetros.
Dilatación de cuerpos
Cuando un cuerpo se calienta, las moléculas que lo componen empiezan a vibrar requiriendo más espacio entre ellas, de manera que se expande el espacio en el cuerpo y con ello el tamaño del mismo. A esta expansión del cuerpo se le conoce como dilatación.
La experiencia muestra que los sólidos se dilatan cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían. La dilatación y la contracción ocurren en tres (3) dimensiones: largo, ancho y alto.
A la variación en las dimensiones de un sólido causada por calentamiento (se dilata) o enfriamiento (se contrae) se denomina Dilatación térmica.
La dilatación de los sólidos con el aumento de la temperatura ocurre porque aumenta la energía térmica y esto hace que aumente las vibraciones de los átomos y moléculas que forman el cuerpo, haciendo que pase a posiciones de equilibrio más alejadas que las originales. Este alejamiento mayor de los átomos y de las moléculas del sólido produce su dilatación en todas las direcciones.
Dilatación Lineal
Es aquella en la que predomina la variación en una (1) dimensión de un cuerpo, es decir: el largo. Ejemplo: dilatación en hilos, cabos y barras.
Dilatación Superficial
Es aquella en la que predomina la variación en dos (2) dimensiones de un cuerpo, es decir: el largo y el ancho.
Dilatación Volumétrica
Es aquella en la predomina la variación en tres (3) dimensiones de un cuerpo, es decir: el largo, el ancho y el alto.
Capacidad calorífica y calor específico
CAPACIDAD CALORÍFICA
Es la cantidad de energía necesaria para aumentar 1K la temperatura de una sustancia.
La Capacidad Calorífica © de una sustancia es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como un efecto de Inercia Térmica.
Está dada por la ecuación:
C = Q/T [J/K]
Donde C es la capacidad calorífica, Q es el calor y T la variación de temperatura.
Se mide en joule por kelvin (unidades del SI).
La capacidad calorífica © va variando según la sustancia.
Su relación con el calor específico es:
C = c.m
En donde c es el calor específico, y m la masa de la sustancia considerada.
Igualando ambas ecuaciones, procedamos a analizar :
Q/T = c * m
De aquí es fácil inferir que aumentando la masa de una sustancia, aumentamos su capacidad calorífica, y con ello aumenta la dificultad de la sustancia para variar su temperatura. Un ejemplo de esto se puede apreciar en las ciudades costeras donde el mar actúa como un gran termostato regulando las variaciones de temperatura.
CALOR ESPECÍFICO
El calor específico o capacidad calorífica específica, c, de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para aumentar su temperatura en una unidad por unidad de masa, sin cambio de estado:
En donde c es el calor específico, Q es la cantidad de calor, m la masa y ΔT la diferencia entre las temperaturas inicial y final..
Su unidad en el sistema SI es el julio por kilogramo y kelvin, cuya notación es J/(kg•K). También se usa bastante las unidad del sistema técnico, la kilocaloría por kilogramo y grado Celsius y su notación es: kcal/kgºC.
También existe la capacidad calorífica molar que se relaciona con el calor específico como:
De ahí se deduce una fórmula para el calor intercambiado dependiente del número de moles (n) en vez de la masa (m).
Su unidad en SI es el joule por mol y kelvin, cuya notación es J/(mol•K)
Cambios de fase
La energía térmica perdida o ganada por los objetos se llama calor. El calor es otra forma de energía que puede medirse solo en función del efecto que produce. El trabajo mecánico puede convertirse en calor.
Para medir el calor se emplean las siguientes unidades:
Caloría: es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de agua.
Kilocaloría: cantidad necesaria para elevar en un grado Celsius un kilogramo de agua.
Joule: cantidad de energía requerida para elevar la temperatura de un kilogramo de sustancia en 100 grados Kelvin.
La diferencia entre calor y temperatura es que el calor depende de la masa y la temperatura no, ya que la temperatura es la medida del promedio de las energías cinéticas de las moléculas y el calor es la suma de las energías cinéticas de las moléculas.
Cuando una sustancia absorbe una cantidad dada de calor, la velocidad de sus moléculas se incrementa y su temperatura se eleva. Sin embargo, ocurren ciertos fenómenos curiosos cuando un sólido se funde o un líquido hierve. En estos casos la temperatura permanece constante hasta que todo el sólido se funde o hasta que todo el líquido pase a fase vapor.
Si cierta cantidad de hielo se toma de un congelador a -20º C y se calienta, su temperatura se incrementa gradualmente hasta que el hielo comience a fundirse a 0º C ; durante el proceso de fusión permanece constante, hasta que todo el hielo pase a agua.
Una vez que el hielo se funde la temperatura comienza a elevarse otra vez con una velocidad uniforme hasta que el agua empiece a hervir a 100º C, durante el proceso de vaporización la temperatura permanece constante, si el vapor de agua se almacena y se continúa el calentamiento hasta que toda el agua se evapore de nuevo la temperatura comenzará a elevarse.
* Fusión: es el cambio del estado sólido a líquido por un aumento de calor.
* Vaporización: es el paso del estado líquido al gaseoso por un aumento de calor.
* Solidificación: es el paso del estado gaseoso a líquido al sustraer calor.
* Sublimación: es el paso del estado sólido al gaseoso o viceversa, sin pasar por el estado líquido, por aumento o disminución de calor
El termómetro (del griego θερμός (termo) el cuál significa "caliente" y metro, "medir") es un instrumento de medición de temperatura. Desde su invención ha evolucionado mucho, principalmente a partir del desarrollo de los termómetros electrónicos digitales.
Inicialmente se fabricaron aprovechando el fenómeno de la dilatación, por lo que se prefería el uso de materiales con elevado coeficiente de dilatación, de modo que, al aumentar la temperatura, su estiramiento era fácilmente visible. El metal base que se utilizaba en este tipo de termómetros ha sido el mercurio, encerrado en un tubo de vidrio que incorporaba una escala graduada.
El creador del primer termoscopio fue Galileo Galilei; éste podría considerarse el predecesor del termómetro. Consistía en un tubo de vidrio terminado en una esfera cerrada; el extremo abierto se sumergía boca abajo dentro de una mezcla de alcohol y agua, mientras la esfera quedaba en la parte superior. Al calentar el líquido, éste subía por el tubo.
Escalas Termométricas
Dilatación de cuerpos
Cuando un cuerpo se calienta, las moléculas que lo componen empiezan a vibrar requiriendo más espacio entre ellas, de manera que se expande el espacio en el cuerpo y con ello el tamaño del mismo. A esta expansión del cuerpo se le conoce como dilatación.
La experiencia muestra que los sólidos se dilatan cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían. La dilatación y la contracción ocurren en tres (3) dimensiones: largo, ancho y alto.
A la variación en las dimensiones de un sólido causada por calentamiento (se dilata) o enfriamiento (se contrae) se denomina Dilatación térmica.
La dilatación de los sólidos con el aumento de la temperatura ocurre porque aumenta la energía térmica y esto hace que aumente las vibraciones de los átomos y moléculas que forman el cuerpo, haciendo que pase a posiciones de equilibrio más alejadas que las originales. Este alejamiento mayor de los átomos y de las moléculas del sólido produce su dilatación en todas las direcciones.
Dilatación Lineal
Es aquella en la que predomina la variación en una (1) dimensión de un cuerpo, es decir: el largo. Ejemplo: dilatación en hilos, cabos y barras.
Dilatación Superficial
Es aquella en la que predomina la variación en dos (2) dimensiones de un cuerpo, es decir: el largo y el ancho.
Dilatación Volumétrica
Es aquella en la predomina la variación en tres (3) dimensiones de un cuerpo, es decir: el largo, el ancho y el alto.
Capacidad calorífica y calor específico
CAPACIDAD CALORÍFICA
Es la cantidad de energía necesaria para aumentar 1K la temperatura de una sustancia.
La Capacidad Calorífica © de una sustancia es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como un efecto de Inercia Térmica.
Está dada por la ecuación:
C = Q/T [J/K]
Donde C es la capacidad calorífica, Q es el calor y T la variación de temperatura.
Se mide en joule por kelvin (unidades del SI).
La capacidad calorífica © va variando según la sustancia.
Su relación con el calor específico es:
C = c.m
En donde c es el calor específico, y m la masa de la sustancia considerada.
Igualando ambas ecuaciones, procedamos a analizar :
Q/T = c * m
De aquí es fácil inferir que aumentando la masa de una sustancia, aumentamos su capacidad calorífica, y con ello aumenta la dificultad de la sustancia para variar su temperatura. Un ejemplo de esto se puede apreciar en las ciudades costeras donde el mar actúa como un gran termostato regulando las variaciones de temperatura.
CALOR ESPECÍFICO
El calor específico o capacidad calorífica específica, c, de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para aumentar su temperatura en una unidad por unidad de masa, sin cambio de estado:
En donde c es el calor específico, Q es la cantidad de calor, m la masa y ΔT la diferencia entre las temperaturas inicial y final..
Su unidad en el sistema SI es el julio por kilogramo y kelvin, cuya notación es J/(kg•K). También se usa bastante las unidad del sistema técnico, la kilocaloría por kilogramo y grado Celsius y su notación es: kcal/kgºC.
También existe la capacidad calorífica molar que se relaciona con el calor específico como:
De ahí se deduce una fórmula para el calor intercambiado dependiente del número de moles (n) en vez de la masa (m).
Su unidad en SI es el joule por mol y kelvin, cuya notación es J/(mol•K)
Cambios de fase
La energía térmica perdida o ganada por los objetos se llama calor. El calor es otra forma de energía que puede medirse solo en función del efecto que produce. El trabajo mecánico puede convertirse en calor.
Para medir el calor se emplean las siguientes unidades:
Caloría: es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de agua.
Kilocaloría: cantidad necesaria para elevar en un grado Celsius un kilogramo de agua.
Joule: cantidad de energía requerida para elevar la temperatura de un kilogramo de sustancia en 100 grados Kelvin.
La diferencia entre calor y temperatura es que el calor depende de la masa y la temperatura no, ya que la temperatura es la medida del promedio de las energías cinéticas de las moléculas y el calor es la suma de las energías cinéticas de las moléculas.
Cuando una sustancia absorbe una cantidad dada de calor, la velocidad de sus moléculas se incrementa y su temperatura se eleva. Sin embargo, ocurren ciertos fenómenos curiosos cuando un sólido se funde o un líquido hierve. En estos casos la temperatura permanece constante hasta que todo el sólido se funde o hasta que todo el líquido pase a fase vapor.
Si cierta cantidad de hielo se toma de un congelador a -20º C y se calienta, su temperatura se incrementa gradualmente hasta que el hielo comience a fundirse a 0º C ; durante el proceso de fusión permanece constante, hasta que todo el hielo pase a agua.
Una vez que el hielo se funde la temperatura comienza a elevarse otra vez con una velocidad uniforme hasta que el agua empiece a hervir a 100º C, durante el proceso de vaporización la temperatura permanece constante, si el vapor de agua se almacena y se continúa el calentamiento hasta que toda el agua se evapore de nuevo la temperatura comenzará a elevarse.
* Fusión: es el cambio del estado sólido a líquido por un aumento de calor.
* Vaporización: es el paso del estado líquido al gaseoso por un aumento de calor.
* Solidificación: es el paso del estado gaseoso a líquido al sustraer calor.
* Sublimación: es el paso del estado sólido al gaseoso o viceversa, sin pasar por el estado líquido, por aumento o disminución de calor
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| Los materiales para el experimento Dilatacion de liquidos son: Botella de Vidrio, Agua un fría , agua caliente, platilina, un popote o un tubo de platico tranparente, y un marcador. |
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| En la botella llena de agua un poco fria se coloca en la boquilla el tubo de platico con la platilina y se coloca dentro de la caserola con agua caliente y se espera para que empieze a dilatar el liquido. |
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| Aqui se ve mas de cerca como esta la marca donde esta el agua para que empize a dilatar en con el agua caleinte. |
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| Aqui se puede observar como si dilato y se ve la gota en la punta del tubo de plastico. |
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| Obtuvimos un experimento con un buen resultado ya que vimos como el agua caliente junto con el agua fresca hubo una reaccion que hizo que dilatara el agua y subiera arriba de la marca inicial. |
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| En esta imagen muestra ya, como empieza a dilatar en menos de 3 minutos, se observa como el agua va subiendo por el tubo de platico transparente. |
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| Concluimos con un resultado esperado que fue la dilatacion del liquido en la botella de vidrio, por medio del agua caliente en la caserola |
Areli Brito Hernandez
Herson Lindero castañeda
Sergio Roman Vazquez
Obed Pecero Garcia
Herson Lindero castañeda
Sergio Roman Vazquez
Obed Pecero Garcia
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