Calor Y Temperatura

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a sensación de calor o de frío está estrechamente relacionada con nuestra vida cotidiana, es decir , con nuestro entorno; sin embargo el calor es mucho más que eso. Entre los años de 1 600 a 1 700, toda Europa vivió una pequeña era glacial cuando la temperatura fue más baja que en otros periodos de los últimos mil años. En esa época lo más importante era mantenerse caliente. Por lo que, muchas científicos se dedicaron al estudio del calor. Aunque los efectos del fuego se conocen desde la antigüedad, fue hasta el siglo XVIII cuando los científicos comenzaron a diferenciar las características entre un cuerpo frío y uno caliente. Se consideraba, al calor, como un fluido invisible sin sabor, olor ni peso: lo conocían como calórico y de él sólo conocían sus efectos: cuando más caliente estaba un cuerpo más fluido o calórico tenía. La teoría del calórico podía explicar fenómenos como la expansión de los cuerpos al calentarse pero no podía explicar por qué las manos se calentaban al frotarlas entre sí. Finalmente consideraron que el calórico no podía ser creado ni destruido, por lo que no era posible formarlo a partir de alguna cosa ni podía ser sustituido por otra.

A fines del siglo XVIII se descubrió que la fricción produce calor. Años después se demostró que cuando se proporciona energía, ya sea por fricción, corriente eléctrica, radiación o cualquier otro medio, para producir trabajo mecánico, éste puede ser transformado en una cantidad equivalente de calor. Con estos descubrimientos se desechó la Teoría del Calórico para explicar que era el calor:

El término calor es utilizado comúnmente en expresiones como ¡hace mucho calor! ¡está muy caliente! ¡está frío!. Este concepto lo podemos definir como:

La energía a que nos referimos es la energía calorífica. En forma experimental se ha comprobado que el flujo de energía calorífica cesa cuando se igualan las temperaturas de los dos cuerpos. Es decir se logra el equilibrio térmico.

Al factor que determina el equilibrio térmico entre dos cuerpos, se le llama:

La temperatura es una magnitud física que indica qué tan caliente o frío está una sustancia, es decir, es la medida de su estado relativo de calor o frío. El calor se transmite en el vacío, la temperatura sólo se manifiesta en la materia.

El calor no permanece en reposo, pasa constantemente de los cuerpos de mayor a los de menor temperatura.

3.1.1 TERMOMETRÍA

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u estás familiarizado con las medidas de temperatura. Por ejemplo, si tienes fiebre, colocas un termómetro en tu boca y esperas dos o tres minutos. El termómetro te proporciona una medida de la temperatura de tu cuerpo. ¿Qué está sucediendo? Tu cuerpo está caliente comparado con el termómetro, lo que significa que las partículas de tu cuerpo tienen una energía térmica mayor. Cuando el vidrio frío del termómetro toca tu cuerpo más caliente, las partículas de tu cuerpo golpean las partículas del vidrio. Estas colisiones, transfieren energía a las partículas de vidrio, y aumenta la energía térmica de las partículas que conforman el termómetro. A medida que las partículas de vidrio adquieren más energía, comienzan a transferir energía de vuelta a tu cuerpo, hasta que la tasa de transferencia mutua de energía entre el vidrio y tu cuerpo es la misma. Tu cuerpo y el termómetro están en equilibrio térmico. Es decir, el termómetro y tu cuerpo están a la misma temperatura.

Los fenómenos relacionados con el equilibrio térmico son estudiados por:

Todo instrumento utilizado para la medida de la temperatura se denomina:

CALIBRACIÓN DE UN TERMÓMETRO

Para calibrar un termómetro es necesario ponerlo en contacto con dos cuerpos de temperaturas muy diferentes y fáciles de reproducir.

Colocándolo en hielo en fusión, el mercurio se contrae hasta que su temperatura sea igual a la del hielo; alcanzando un cierto nivel (punto fijo inferior) que se marca en el tubo.

Colocándolo luego en vapor de agua que hierve a presión atmosférica normal; el mercurio se dilata hasta alcanzar un nuevo nivel (punto fijo superior), que indica que la temperatura del mercurio es igual a la del vapor.

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os términos caliente o frío no son suficientes para definir la temperatura. Por lo que se debe manejar como una cantidad física, es decir, medirla. Cuando se suministra o se extrae calor de un cuerpo o de una sustancia, no solo se eleva o disminuye su temperatura, sintiéndose mas caliente o mas frío, también se producen alteraciones en su energía calorífica, en su volumen, área o en su longitud, es decir, la materia se contrae o se dilata.

El instrumento de medición de la temperatura es el Termómetro, en cuya construcción se utiliza el fenómeno de dilatación de los fluidos, siendo el más común el Termómetro de Mercurio. Dicho instrumento consiste en un tubo capilar de vidrio que lleva en la parte inferior un bulbo con mercurio, el cual al calentarse se dilata de manera proporcional al aumento de temperatura, por lo que el ascenso que experimenta el nivel del mercurio por el tubo capilar es el mismo cuando se incrementa en un grado la temperatura. De igual forma,

el mercurio se contrae en la misma proporción cada vez que desciende un grado su temperatura.

Cualquier magnitud que observa cambios con la temperatura es una propiedad térmica. Por ejemplo, el volumen de un líquido, la longitud de una varilla, la resistencia eléctrica de un alambre, la presión de un gas mantenido a volumen constante, el volumen de un gas mantenido a presión constante y el calor del filamento de una lámpara. Cualquiera de estas propiedades pueden usarse en la construcción de un termómetro, es decir, en el establecimiento de una cierta escala “particular” de temperaturas.

La primera escala fue definida en 1714 por el fabricante de instrumentos de origen alemán, Gabriel Daniel Fahrenheit (1686-1736), para lograrlo colocó el instrumento a la temperatura mas baja que pudo obtener, mezclando hielo con cloruro de amonio, marcó el nivel mínimo que alcanzaba el mercurio; después registró la temperatura normal del cuerpo humano y marcó el nivel máximo en el termómetro, y entre ambas señales hizo 96 divisiones iguales, o grados Fahrenheit (oF). Más tarde, ampliando los límites de su instrumento observó que una mezcla de hielo en fusión y agua, registraba una lectura de 32 oF, y al colocarla en agua hirviendo leía 212 oF, obteniendo entre ambos límites 180 divisiones iguales.

En el año de 1742, el biólogo sueco André Celsius (1701-1744), basó su escala en los puntos de fusión y de ebullición del agua, y dividió el intervalo en 100 partes iguales, obteniendo como la temperatura de fusión del hielo, el cero en la escala Celsius o centígrada (0oC) y la del punto de ebullición a 100oC, a la presión de una atmósfera, o sea 760 mmHg,

La relación que existe entre estas dos escalas, esta dada por el tamaño de sus divisiones; (como se observa en la figura 3. 59), una temperatura de 0 oC corresponde a 32 oF , y un intervalo de 100 o en la escala Celsius corresponde a uno de 180 o en la escala Fahrenheit. Por lo que 1 oF corresponde a de 1 oC.

La conversión entre las escalas de temperatura, por lo tanto, se expresa como:

pero es mas sencillo memorizarlas de la siguiente forma:

0C = Temperatura en grados Celsius (centígrada)

0F = Temperatura en grados Fahrenheit

Si se enfría un gas “ideal”, en el cual se considera que las partículas no tienen volumen y no interactúan entre sí, se pudiera contraer de tal manera que su volumen sería cero a una temperatura de –273 oC. A esta temperatura toda la energía térmica del gas se habría suspendido y sería imposible reducir aún más su energía térmica. Por lo tanto no puede haber una temperatura inferior a –273 oC. Esta temperatura se denomina cero absoluto.

La escala de temperatura Kelvin está basada en el cero absoluto. En la escala Kelvin, el punto cero (0 K), es el cero absoluto, el punto de congelación del agua (0 oC ) es de 273 K y el punto de ebullición (100 oC) es de 373 K. Cada intervalo de esta escala se denomina Kelvin, y es igual en tamaño a un grado Celsius, por lo tanto:

Una segunda escala absoluta denominada escala Rankine, tiene su punto cero absoluto de 460 oF y los intervalos de grados son idénticos al intervalo de grado Fahrenheit. La relación entre la temperatura en oR y la temperatura correspondiente en oF es:

°R = oF + 460

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