Proyecto Fisica

¿Qué es el Calor?

Cuando se transfiere energía de un cuerpo a otro porque las temperaturas de los cuerpos son diferentes se dice que se ha transferido energía calórica o calor. La energía calórica o calor fluye de los cuerpos más calientes hacia los más fríos. Para entender cómo ocurre esto, es necesario apoyarse en el concepto de Temperatura.

Actualmente se habla de calor en Física solamente en aquellos casos donde se transfiere energía por diferencia de temperatura, las otras situaciones donde se produce calentamiento hay que explicarlas sin uso del término calor, como es el caso del calentamiento del clavo por efecto del martilleo sobre él.

Unidades de medida

La unidad de medida del calor en el Sistema Internacional de Unidades es la misma que la de la energía y el trabajo: el Julio.

Otra unidad ampliamente utilizada para medir la cantidad de energía térmica intercambiada es la caloría (cal), que es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua para elevar su temperatura 1 °C. Diferentes condiciones iniciales dan lugar a diferentes valores para la caloría. La caloría también es conocida como caloría pequeña, en comparación con la kilocaloría (kcal), que se conoce como caloría grande y es utilizada en nutrición.

1 kcal = 1000 cal

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

El calor específico es la energía necesaria para elevar 1 °C la temperatura de un gramo de materia.

El calor específico de un material depende de su temperatura; no obstante, en muchos procesos termodinámicos su variación es tan pequeña que puede considerarse que el calor específico es constante. Asimismo, también se diferencia del proceso que se lleve a cabo, distinguiéndose especialmente el "calor específico a presión constante" y "calor específico a volumen constante.

De esta forma, y recordando la definición de caloría, se tiene que el calor específico del agua es aproximadamente:

Calor latente

El calor de fusión representa la energía necesaria para deshacer la fase sólida que está estrechamente unida y convertirla en líquido. Para convertir líquido en sólido se necesita la misma cantidad de energía, por ello el calor de fusión representa la energía necesaria para cambiar del estado sólido a líquido, y también para pasar del estado líquido a sólido.

El calor de fusión se mide en cal / g.

Fenómenos térmicos

Cuando tenemos frío en nuestras manos podemos hacer dos cosas para calentarlas, una de ellas, es acercarlas a un objeto que esté más caliente que nosotros y otra, frotar las manos entre si. En el primer caso, el calentamiento se produce por el contacto o la cercanía de un objeto más caliente que nosotros mismos, pero en el segundo caso, no hay objetos más calientes que nosotros, son nuestras manos a la misma Temperatura.

De manera similar podemos calentar un clavo de dos formas distintas: o metiéndolo en el fuego o golpeándolo con un martillo. En un caso el clavo es calentado por algo más caliente que él y en el otro por los golpes o por fricción entre las partes. En el lenguaje común se habla de Calor suministrado en ambos casos; sin embargo, en el lenguaje de la Física la descripción se hace con el concepto de energía. Según esta visión, todos los cuerpos tienen una energía, llamada energía interna, que puede ser alterada interactuando con su entorno; cuando la interacción ocurre por contacto con un cuerpo más caliente o más frío se habla de energía calórica, y cuando ocurre por fricción o por golpes con otro objeto material, como el caso del martillo y el clavo, se habla de energía mecánica o trabajo.

En el lenguaje común se habla del Calor suministrado en ambos casos, sin dar ninguna explicación sobre la naturaleza del Calor pero como se dice en la Evolución Histórica del Concepto de Calor , este concepto ha experimentado cambios en el ámbito de la Física, pasando a formar parte de un lenguaje diferente, el lenguaje de la energía: Según esta visión, en ambos casos los cuerpos que interactúan intercambian energía, produciéndose cambios en la temperatura a consecuencia de ellos.

En este tipo de fenómenos, denominados térmicos debido a la importancia que tiene la temperatura en ellos, es necesario definir una magnitud física llamada energía interna, para describir en forma coherente lo que ocurre.

¿Qué es la Energía Interna?

Para comprender los fenómenos térmicos es necesario imaginar los cuerpos materiales como almacenes de partículas dotadas de movimiento de diferentes tipos: vibración, rotación y traslación. Cada uno de estos movimientos pueden ser transferidos a otra partícula que no lo tenga, mediante algún tipo de interacción, como por ejemplo choques o acciones ejercidas a distancia. Se dice en estos casos que las partículas tienen energía, la cual puede ser aumentada o disminuida, aumentando cualquiera de estos tipos de movimientos o todos a la vez.

La Energía Total de un objeto material depende del número de partículas que tenga, de la energía cinética de cada una de ellas y de la energía proveniente de las interacciones entre ellas. Esta energía total es la Energía Interna que tiene el cuerpo.

Esto quiere decir que un objeto material tiene mucha energía interna por tres razones: o porque tiene muchas partículas o átomos componentes, o porque sus átomos o partículas componentes tienen una energía muy alta., o ambas cosas a la vez, como ocurre en el caso de una estrella.

Desde este punto de vista cuando calentamos un clavo ya sea con una vela o martillándolo, lo que se hace es incrementar la energía de sus partículas componentes, aumentando de esta manera su energía interna.

Variación de la energía interna efectuando trabajo mecánico.

Otra forma de calentar o enfriar un cuerpo es por medio del trabajo mecánico, ejemplos de esto ocurren cuando nos frotamos las manos para calentarlas, cuando nos lanzamos por un tobogán largo, cuando se martilla un clavo, cuando se pule la superficie de un carro y un sin número de otras experiencias donde los cuerpos se calientan por el mero roce entre sus partes, pero en ninguno de esos casos, el calentamiento de los cuerpos ocurre por el contacto con una fuente a más alta temperatura.

Se habla de trabajo mecánico porque se aplica una fuerza sobre los cuerpos y se produce un desplazamiento de ellos a consecuencia de esa fuerza. El Trabajo mecánico se mide a través del producto de la componente de la fuerza que actúa en un cuerpo en la dirección del desplazamiento, multiplicada por el desplazamiento, es decir:

Trabajo = Fuerza D* Desplazamiento

Donde Fuerza D, es la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento.

Para entender cómo ocurre la transferencia de energía, es necesario imaginar las superficies de los cuerpos en contacto y pensar que las partículas o átomos de una superficie están interactuando con los átomos de la otra, transfiriéndose así el movimiento producido por las fuerzas que actúan sobre ambos materiales.

En estos casos la energía interna de ambos cuerpos aumenta porque aumentó su temperatura, es decir aumentó la energía de sus partículas, a consecuencia del roce entre los cuerpos.

Medida experimental del calor

Para determinar, de manera directa, el calor que se pone de manifiesto en un proceso de laboratorio, se suele emplear un calorímetro. En esencia, se trata de un recipiente que contiene el líquido en el que se va a estudiar la variación de energía por transferencia de calor y cuyas paredes y tapa (supuestamente adiabáticas) deben aislarlo, al máximo, del exterior.

Un termo de paredes dobles de vidrio, cuyas superficies han sido previamente metalizadas por deposición y que presenta un espacio vacío entre ellas es, en principio, un calorímetro aceptable para una medida aproximada de la transferencia de calor que se manifiesta en una transformación tan sencilla como esta. El termo se llama vaso Dewar y lleva el nombre del físico y químico escocés James Dewar, pionero en el estudio de las bajas temperaturas. En la tapa aislante suele haber un par de orificios para introducir un termómetro con el que se evaluaría el incremento (o decremento) de la temperatura interior del líquido, y un agitador para tratar de alcanzar el equilibrio térmico en su interior lo más rápido posible, usando un sencillo mecanismo de convección forzada.

No sólo el líquido contenido en el calorímetro absorbe calor, también lo absorben las paredes del calorímetro. Lo mismo sucede cuando pierde calor. Esta intervención del calorímetro en el proceso se representa por su equivalente en agua. La presencia de esas paredes, no ideales, equivale a añadir al líquido que contiene, los gramos de agua que asignamos a la influencia del calorímetro y que llamamos "equivalente en agua". El "equivalente en agua" viene a ser "la cantidad de agua que absorbe o desprende el mismo calor que el calorímetro".

Termodinámica y transferencia de calor

La termodinámica se interesa en la cantidad de transferencia de calor a medida que un sistema pasa por un proceso no indicando cuanto tiempo transcurrirá. Un estudio termodinámico sencillamente nos dice cuánto calor debe transferirse

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