Temperatura, calor y expansión

FÍSICA CONCEPTUAL (PAUL G. HEWITT) RESUMEN CAPÍTULO 21

TEMPERATURA, CALOR Y EXPANSIÓN

Introducción

Átomos o moléculas se agitan continuamente. A causa de su movimiento aleatorio, las moléculas y los átomos de la materia tienen energía cinética. La energía cinética promedio de todas las partículas produce un efecto que podemos sentir: el calor.

Cuando un sólido, líquido o gas se calienta, sus átomos o moléculas se mueven con más rapidez: tienen más energía cinética.

TEMPERATURA

La cantidad que indica lo caliente o frío que está un objeto con respecto a cierta referencia se llama temperatura. La temperatura de la materia se expresa con un número que corresponde a una marca en cierta escala graduada.

Casi todos los materiales se dilatan, o expanden, cuando se elevan sus temperaturas, y se contraen cuando éstas bajan.

En la escala internacional, la que se usa más comúnmente en la actualidad, se asigna el número 0 a la temperatura de congelación del agua, y el número 100 a su temperatura de ebullición (a la presión atmosférica normal). El espacio entre las dos marcas se divide en 100 partes iguales llamadas grados. Se trata de la escala Celsius.

En Estados Unidos hay otra escala que se usa comúnmente. Se asigna el número 32 a la temperatura de congelación del agua, y el número 212 a su temperatura de ebullición. Es la escala Fahrenheit.

En la escala Kelvin, el número 0 se asigna a la mínima temperatura posible, el cero absoluto, en la cual una sustancia no tiene ninguna energía cinética que ceder. El cero absoluto corresponde a -273 °C en la escala Celsius.

CALOR

La dirección de transferencia de energía siempre es del objeto más caliente al objeto más frío que lo toca. La energía transferida de un objeto a otro debido a una diferencia de temperatura entre ellas se llama calor.

La materia no contiene calor. La materia contiene energía cinética molecular, y quizás energía potencial molecular, pero no calor.

El calor es energía en tránsito de un cuerpo de mayor temperatura hacia otro con menor temperatura. Una vez transferida, la energía deja de ser calor. Se convierte en: energía interna.

La energía interna es el gran total de las energías en el interior de una sustancia. Se ve entonces que una sustancia no contiene calor: contiene energía interna.

Cuando fluye el calor entre dos objetos o sustancias que están en contacto se dice que estos están en contacto térmico. Cuando las cosas están en contacto térmico, el flujo de calor fluye de la que tiene mayor temperatura a la que tiene menor temperatura.

Cuando dos o más objetos en contacto térmico alcanzan la misma temperatura, el calor deja de fluir entre ellos y decimos que están en equilibrio térmico.

Como la cantidad de calor es una forma de energía se mide en joules, la unidad del Sistema Internacional (SI) para cualquier forma de energía como unidad común de medición de calor. (La relación entre calorías y joules es

1 caloría = 4.184 joules.).

Pero la unidad más común de calor es la caloría, que se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en 1º Celsius.

La unidad de calor que se emplea para clasificar los alimentos es en realidad la kilocaloría, que equivale a 1,000 calorías (cantidad de calor necesaria para aumentar en 1 °C la temperatura de 1 kg de agua).

El agua tiene una capacidad calorífica específica (que a veces simplemente se llama calor específico).

La capacidad calorífica específica de cualquier sustancia se define como la cantidad de calor requerida para cambiar 1 grado la temperatura de una unidad de masa de sustancia.

La capacidad calorífica específica es como una inercia térmica, porque representa la resistencia de una sustancia a los cambios de temperatura.

Cuando aumenta la temperatura de una sustancia, sus moléculas o átomos se mueven con más rapidez y, en promedio, se alejan entre sí. El resultado es una expansión térmica de la sustancia. Salvo pocas excepciones, por lo general, todas las formas de la materia (sólidos, líquidos, gases y plasmas) se expande cuando se calienta y se contrae cuando se enfría.

En general, dado un cambio de temperatura, los gases se expanden y se contraen mucho más que los líquidos, y los líquidos se expanden y se contraen mucho más que los sólidos.

El agua se expande cuando se calienta. Pero es interesante destacar que no se expande cuando la temperatura oscila entre 0°C. El agua a la temperatura de fusión del hielo a 0ºC, se contrae al aumentar su temperatura. Conforme aumenta la temperatura del agua, se sigue contrayendo hasta alcanzar una temperatura de 4ºC. A partir de esta temperatura el agua comienza a expandirse.

Una cantidad de agua alcanza su densidad máxima a 4ºC y su densidad mínima, en la forma sólida, es decir, en forma de hielo a 0ºC. Es por ello que el hielo flota en el agua, por lo que es menor su densidad.

TRANSMISIÓN DE CALOR

La transferencia de calor siempre ocurre de los objetos más calientes a los más fríos. Si están en contacto varios objetos con temperaturas distintas, los que están más calientes se enfrían y los que están más fríos se calientan, hasta que todos tienen la misma temperatura. Esta igualación de temperaturas se lleva a cabo de tres formas: por conducción, por convección y por radiación.

CONDUCCIÓN

Si sostienes el extremo de una barra de acero y colocas la punta en una llama, se calentará tan rápido que ya no podrás sujetarla. El calor entra por la punta metálica que está expuesta sobre la llama, y el calor se transmite por toda su longitud. A esta clase de transmisión de calor se le llama conducción. El fuego hace que los átomos en el extremo caliente de la barra se muevan con mayor rapidez. Esos átomos vibran y chocan con sus vecinos, los cuales a la vez hacen lo mismo, y así sucesivamente. Lo más importante es que los electrones libres se mueven a través del metal, empujándose y transfiriendo energía por colisión a los átomos y a los demás electrones libres por toda la barra.

Los materiales que conducen bien el calor se conocen como conductores. Los mejores conductores son los metales.

La lana, la madera, la paja, el papel, el corcho y el poliestireno son malos conductores del calor. Los electrones externos en los átomos de esos materiales están bien fijos. A los malos conductores se les llama aislantes, porque retardan la transferencia de calor. Un mal conductor es un buen aislante.

CONVECCIÓN

Otra forma de transferir el calor es que la sustancia caliente se desplace. Los líquidos y los gases transmiten el calor principalmente por convección, que es la transferencia de calor que se lleva a cabo por corrientes en un fluido.

La convección puede ocurrir en todos los fluidos, sean líquidos o gases.

Corrientes de convección se forman en la atmósfera y afectan el clima. Cuando se calienta el aire, éste se dilata. Al hacerlo se vuelve menos denso que el aire que lo rodea. Como un globo, sube por flotación. Cuando el aire que sube llega a una altura en la que su densidad coincide con la del aire que lo rodea, deja de subir. Esto se observa cuando el humo de una fogata sube, y después se detiene cuando se enfría y su densidad coincide con la del aire que le rodea. El aire que sube se expande, porque hay menos presión atmosférica que lo comprima cuando llega a mayores alturas. A medida que se expande, se enfría.

RADIACIÓN

La energía solar atraviesa primero el espacio y después la atmósfera terrestre, y calienta la superficie de la Tierra. Esta energía que se transmite se llama radiación. Toda energía que se transmite por radiación, incluyendo el calor, se llama energía radiante. La energía radiante se presenta en forma de ondas electromagnéticas. Incluye las ondas de radio, microondas, radiación infrarroja, luz visible, radiación ultravioleta, rayos X y rayos gamma.

Los objetos con alta temperatura, como el Sol, emiten ondas de alta frecuencia y cortas longitudes de onda, así como ondas de menor frecuencia y mayor longitud de onda en el extremo de la región del infrarrojo.

Las ondas infrarrojas que absorbe nuestra piel generan la sensación de calor. En consecuencia, la radiación infrarroja se llama con frecuencia radiación térmica.

La absorción y la reflexión son procesos opuestos. Un buen absorbente de energía radiante, incluyendo de luz visible, refleja muy poca energía radiante. En consecuencia, una superficie que refleja muy poca o ninguna energía radiante se ve oscura. Así, un buen absorbente parece oscuro, y un absorbente perfecto no refleja energía radiante y parece totalmente negro.

Por otro lado, un buen reflector es un mal absorbente. Los objetos de colores claros reflejan más luz y calor que los objetos oscuros. Por eso durante el verano, las personas se mantienen más frescas cuando usan prendas de colores claros.

Los buenos emisores de energía radiante también son buenos absorbentes; los malos emisores son malos absorbentes. Es interesante observar que si un buen emisor no fuera también un buen absorbente, los objetos negros permanecerían más calientes que los objetos de color claro, y nunca llegarían los dos a alcanzar la misma temperatura. Los objetos en contacto térmico, con el tiempo suficiente, alcanzan la misma temperatura.

Un objeto a temperatura diferente de la de su entorno terminará alcanzando una temperatura igual a la de este.

La tasa de enfriamiento de un objeto depende de cuánto esté más caliente

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