Calor Y Tempertura

INTRODUCCIÓN

El concepto de calor y temperatura, y su posterior definición como magnitud física, nace de la necesidad de establecer un ordenamiento de los cuerpos mediante la sensación fisiológica de estar unos más calientes que otros, o decir cuales están igualmente calientes.

Desde épocas remotas aparecen expresiones como: “El viejo se acerca a la cuna y toca la frente del niño, pero no está caliente”, “Es bien venida una sopa calentita en las noches invernales”. Observamos que se emplea una experiencia sensorial para apreciar si un cuerpo está o no más caliente que otro. El hecho de estar más o menos caliente no significa que posea más o menos calor.

Comenzaremos realizando un breve definición de calor y temperatura para entender como fueron surgiendo estos conceptos, luego se abordara diferentes conceptos que forman parte de este tema como dilatación, estados de agregación, equilibrio térmico, transferencia de energía entre otros.

Si bien la ciencia llegó a diferenciar en forma precisa estos dos conceptos, debido a sus orígenes aún se sigue confundiéndolos y es el objetivo de este trabajo, entenderlos y aprender un poco más sobre los mismos.

CALOR

El calor es una cantidad de energía y es una expresión del movimiento de las moléculas que componen un cuerpo. Cuando el calor entra en un cuerpo se produce calentamiento y cuando sale, enfriamiento. Incluso los objetos más fríos poseen algo de calor porque sus átomos se están moviendo.

TEMPERATURA

La temperatura es la medida del calor de un cuerpo (y no la cantidad de calor que este contiene o puede rendir).

Por otra parte, la temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio o frío que puede ser medida con un termómetro. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como «energía cinética», que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones.

DIFERENCIAS ENTRE CALOR Y TEMPERATURA

Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo, esto no es así. El calor y la temperatura están relacionadas entre sí, pero son conceptos diferentes.

Como ya dijimos, el calor es la energía total del movimiento molecular en un cuerpo, mientras que la temperatura es la medida de dicha energía. El calor depende de la velocidad de las partículas, de su número, de su tamaño y de su tipo. La temperatura no depende del tamaño, ni del número ni del tipo.

Por ejemplo, si hacemos hervir agua en dos recipientes de diferente tamaño, la temperatura alcanzada es la misma para los dos, 100° C, pero el que tiene más agua posee mayor cantidad de calor. El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si añadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye.La temperatura no es energía sino una medida de ella; sin embargo, el calor sí es energía.

DILATACIÓN

Se denomina dilatación térmica al aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura que se provoca en él por cualquier medio. La contracción térmica es la disminución de propiedades métricas por disminución de la misma.

ESTADOS DE AGREGACIÓN

Los estados de agregación de la materia, son los estados en los que se puede encontrar como Solido, Líquido y gaseoso. Un solido es aquel en el que las moléculas o átomos están comprimidos en un lugar, como un sillón, una persona, la mantequilla (aunque sea blanda). Fíjate como están las moléculas de un solido en el dibujo, todas están juntitas.

Un líquido es aquel que tiene sus moléculas o átomos un poco mas separadas que el solido, los líquidos siempre toman la forma en el que estén guardados, como un vaso, una cubeta.

Los gases son aquellos en los que las moléculas o átomos están sumamente separadas y flotan, estos también tienen la forma en el que estén guardados, como un globo, un recipiente de gas, etc.

Si a un solido le aumentas su temperatura, este se convierte en un líquido como el hielo, si al hielo lo calientas este se derrite; también la mantequilla o el chocolate, si los calientas se derrite y se hacen líquidos

Si a un liquido lo calientas, este hierve, después de hervir se convierte en un gas o vapor, como en el caso del agua, si al agua la hierves, esta se convierte en vapor, el vapor se da cuando se el agua hierve y las moléculas del agua empiezan a moverse muy rápido hasta que empiezan a romperse y flotar, los gases y vapores desprendidos están a la misma temperatura que cuando hirvieron, pero estos al momento de regular su temperatura con el medio ambiente se convierten en líquidos

También se puede dar en el caso de la mantequilla y el chocolate, al momento de derretirlos, estos después de un periodo de tiempo se convierten en gas, por eso si algo lo calientas demás se empieza a quemar y liberar un gas llamado CO2

Si a un gas le aumentas su temperatura, estos se convierten en plasma, como en el caso del gas de cocina (propano) si lo calientas este se convierte en fuego

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. 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.

RESERVORIO DE TEMPERATURA

Se llaman reservorios de temperatura a los cuerpos que presentan la propiedad de mantener constante la temperatura mientras ocurre el proceso de intercambio de calor. En otra definición, el reservorio de temperatura, hace referencia a un sistema termodinámico que cede energía en forma de calor, trabajo o bien proporciona partículas. Al ser tan grande el reservoir, se considera que su temperatura, volumen y potencial químico es constante. El sistema pequeño, al estar en contacto con el grande, adquiere la misma temperatura y potencial químico al producirse el equilibrio termodinámico.

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA

Al calentar un cuerpo, evidentemente se está gastando energía. Las partículas que constituyen el cuerpo incrementan su actividad aumentando su movimiento, con lo cual aumenta la energía de cada una de ellas y, por tanto, la energía interna del cuerpo.

Se sabe, que al poner en contacto dos cuerpos, uno caliente y otro frio, el primero se enfría y el segundo se calienta. Esta transferencia de energía desde el primer cuerpo hasta el segundo cuerpo se lleva a cabo de la siguiente manera: las partículas del cuerpo más caliente, que se mueven más rápidamente por tener más energía, chocan con las partículas del segundo que se encuentra en la zona de contacto, aumentando su movimiento, y por tanto su energía.

El movimiento de estas partículas se transmite rápidamente de las restantes del cuerpo, aumentando la energía contenida en el a costa de la energía que pierde en los choques las partículas del primer cuerpo. Es necesario señalar que la energía que se transfiere de un cuerpo a otro se denomina calor.

FÍSICOS EN LA HISTORIA QUE TUVIERON QUE VER CON EL CALOR Y LA TEMPERATURA

 Galileo que diseñó en 1592 el primer termómetro.

 Torricelli en 1644 estudió la presión y construyó el primer barómetro para medirla.

 El Duque de Toscana en 1641, construye el termómetro de bulbo de alcohol con capilar sellado, como los que usamos actualmente. Para la construcción de estos aparatos fue fundamental el avance de la tecnología en el trabajo del vidrio.

 Robert Boyle, a mediados del XVII, descubrió las dos primeras leyes que manejan el concepto de temperatura

 Fahrenheit, en 1717 un germano-holandés (nació en Dancing y emigró a Amsterdam), fabricante de instrumentos técnicos, construyó e introdujo el termómetro de mercurio con bulbo (usado todavía hoy). Ajustó la escala para que el punto de congelación del agua (0 ºC en la escala Celsius) fuera de 32 ºF y la temperatura de ebullición del agua de 212 ºF.

 Newton había sugerido 12 partes iguales entre la congelación del agua y la temperatura del cuerpo humano. El número 96 viene de la escala de 12 grados, usada en Italia en el S. XVII (12*8=96).

 Celsius, en 1740, científico sueco de Upsala, propuso los puntos de fusión y ebullición del agua al nivel del mar (P=1 atm) como puntos fijos y una división de la escala en 100 partes (grados).

 Kelvin creador de la escala de temperatura que tiene su nombre y tiene como referencia la temperatura más baja del cosmos.

 Watt, en 1769 ideó la separación entre el expansor y el condensador y a partir de entonces empezó la fabricación a nivel industrial.

 En 1765, el profesor de química escocés Joseph Black (Watt fue ayudante suyo) realizó un gran número de ensayos calorimétricos, distinguiendo claramente entre calor (cantidad de energía) y temperatura (nivel térmico). Introdujo los conceptos de calor específico y de calor latente de cambio de estado.

 En 1798, B. Thompson (conde Rumford) rebatió la teoría del calórico de Black diciendo que se podía generar continuamente calor por fricción, en contra de lo afirmado por dicha teoría.

 No fue hasta 1842, con los concluyentes experimentos de Mayer y Joule, cuando se desechó la teoría de calórico y se estableció que el calor es una forma de energía. Mayer y Joule establecen una correspondencia entre la energía mecánica y el calor producido por el movimiento de unas paletas dentro de agua cuando son accionadas por unas pesas que disminuían su energía potencial.

 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.

CONDUCCIÓN

Es un mecanismo de transferencia de energía calorífica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas sin flujo neto de materia y que tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo o entre diferentes cuerpos en contacto por medio de transferencia de energía cinética de las partículas.

El principal parámetro dependiente del material que regula la conducción de calor en los materiales es la conductividad térmica, una propiedad física que mide la capacidad de conducción de calor o capacidad de una substancia de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias moléculas adyacentes o a otras substancias con las que está en contacto. La inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

CONVECCIÓN

La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por intermedio de un fluido (líquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio del movimiento del fluido, por ejemplo: al trasegar el fluido por medio de bombas o al calentar agua en una cacerola, la que está en contacto con la parte de abajo de la cacerola se mueve hacia arriba, mientras que el agua que está en la superficie, desciende, ocupando el lugar que dejó la caliente.

La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido o por medio de una bomba, unventilador u otro dispositivo mecánico (convección mecánica, forzada o asistida).

En la transferencia de calor libre o natural un fluido es más caliente o más frío y en contacto con una superficie sólida, causa una circulación debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido.

La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del Enfriamiento de Newton:

Donde es el coeficiente de convección (ó coeficiente de película), es el área del cuerpo en contacto con el fluido, es la temperatura en la superficie del cuerpo y es latemperatura del fluido lejos del cuerpo.

RADIACIÓN

El fenómeno de la radiación consiste en la propagación de energía en forma de ondas electromagnéticas o partículas subatómicas a través del vacío o de un medio material.

La radiación propagada en forma de ondas electromagnéticas (rayos UV, rayos gamma, rayos X, etc.) se llama radiación electromagnética, mientras que la radiación corpuscular es la radiación transmitida en forma de partículas subatómicas (partículas α, neutrones, etc.) que se mueven a gran velocidad en un medio o el vacío, con apreciable transporte de energía.

Si la radiación transporta energía suficiente como para provocar ionización en el medio que atraviesa, se dice que es una radiación ionizante. En caso contrario se habla de radiación no ionizante. El carácter ionizante o no ionizante de la radiación es independiente de su naturaleza corpuscular u ondulatoria.

Son radiaciones ionizantes los rayos X, rayos γ, partículas α y parte del espectro de la radiación UV entre otros. Por otro lado, radiaciones como los rayos UV y las ondas de radio, TV o de telefonía móvil, son algunos ejemplos de radiaciones no ionizantes.

EJEMPLOS DE PROPAGACIÓN

EJEMPLO 1

El calor llega desde el Sol hasta la placa metálica por radiación. El metal de la placa emite radiación en el infrarrojo

El calor se transmite al líquido que está en contacto con la placa por conducción. En el líquido se establecen corrientes covectivas que lo mezclan y uniformizan el calor. El agua caliente sube y la fría baja.

El agua más caliente sube al depósito superior y de la parte inferior de este depósito baja el agua más fría que entra por la parte de abajo de la placaCon esta sencilla placa, y dependiendo de la radiación solar, se alcanzan temperaturas muy altas. Probablemente hayas visto estas placas en los tejados de algunas casas. Busca en la red "placas solares"

Ejemplo 2

Recipiente metálico con agua al fuego

Las llamas (o una plancha eléctrica) calientan el metal porque los gases de combustión están en contacto con el fondo y le transmiten el calor por conducción (el metal se dilata y sus partículas vibran más).

El metal transmite el calor al agua del fondo del recipiente por conducción. El agua caliente del fondo asciende, originando corrientes convectivas (propagación por convección) y se mezcla con el agua fría.

Las paredes de los recipientes calientes emiten radiación en el infrarrojo a los alrededores.

Ejemplo 3

Cocina vitrocerámica

En las cocinas vitrocerámicas la plancha de la cocina está fría y sólo sirve de soporte a la base del recipiente. En el fondo del recipiente se originan corrientes eléctricas inducidas por un campo magnético variable. La energía eléctrica pasa del interior de la cocina en forma de onda electromagnéticas (ondas originadas en un generador de campo magnético variable) hasta el fondo de la olla. Las ondas no interfieren con la plancha, pero si con el fondo del recipiente en el que se origina una corriente eléctrica que genera calor. Del fondo del recipiente pasa al líquido que está en contacto con él por conducción.El calor circula dentro del líquido por convección y el fondo y las paredes radian en el infrarrojo.

¿A QUE SE LLAMA EQUILIBRIO TÉRMICO?

Si en el universo se alcanzara el equilibrio y existiera en todos los lugares la misma temperatura eso supondría la muerte, la quietud, la falta de cambio.

Todos los cuerpos tienen una energía llamada energía interna. La cantidad de energía interna de un cuerpo es muy difícil de establecer ya que las partículas que forman un cuerpo tienen energías muy variadas. Tienen energías de tipo eléctrico, de rotación, de traslación y vibración debido a los movimientos que poseen, energías de enlace (que pueden dar posibles reacciones químicas) e incluso energía al desaparecer la materia y transformarse en energía DE=mc2....

Lo más fácil de medir es la variación de energía en un proceso de transformación concreto y si el proceso es sólo físico mucho mejor. (Ejemplos: calentamiento, cambios de estado...). Al poner en contacto dos cuerpos a distinta temperatura, el de mayor temperatura cede parte de su energía al de menos temperatura hasta que sus temperaturas se igualan. Se alcanza así lo que llamamos "equilibrio térmico". La energía calorífica (calor) no pasa del cuerpo que tiene más energía al que tiene menos sino del que tiene mayor temperatura al que la tiene menor. Con el siguiente ejemplo aclaramos la anterior afirmación:

Los mares (los océanos están intercomunicados) pueden ceder mucha más energía calorífica que mi cuerpo. El mar es capaz de fundir un iceberg y sus aguas apenas se enfrían unos grados. Yo, con el calor que puedo desprender en todos los días de mi vida (parte de las 2.100.000 calorías que consumo al día) fundiría muy pocas toneladas de iceberg. Puede ceder mucho más calor el mar que mi cuerpo. Pero si me sumerjo en el agua de mar el calor pasa de mi cuerpo al mar. El calor fluye desde los cuerpos que están a más temperatura a los que están a temperatura menor.

CONCLUSIÓN

Al concluir este trabajo podemos observar lo importante que es calor y la Temperatura, en la sociedad, también pudimos observar las diversas fuentes de energía como lo pueden ser la equilibrio térmico,. Reservorio de temperatura, transferencia de energía, conducción convección, radiación, nos puede ayudar en diversas cosas de nuestra vida diaria.

El calor está definido como la forma de energía que se transfiere entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo en termodinámica generalmente el término calor significa simplemente transferencia de energía. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia).

CALOR Y TEMPERATURA

ESTADOS DE AGREGACIÓN

EQUILIBRIO TÉRMICO

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA

RADIACIÓN

BIBLIOGRAFÍA

La bibliografía consultada se encuentra en los siguientes enlaces on-line:

http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/Calor/Transmision.htm

http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Calor_y_Temperatura.htm

http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_ccnn_2/tema3/

http://www.monografias.com/trabajos85/calor-y-temperatura/calor-y-temperatura.shtml

http://html.rincondelvago.com/calor-y-temperatura.html

http://www.librosvivos.net/smtc/hometc.asp?temaclave=1062

http://www.ecured.cu/index.php/Propagaci%C3%B3n_del_calor

http://legacy.spitzer.caltech.edu/espanol//edu/thermal/

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