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El Calor y la temperatura

Nombre: Alex Molina

Introducción

Los fenómenos térmicos y caloríficos forman parte de los fenómenos físicos cotidianos. Es sabido que Calor y Temperatura son sustantivos que están incorporados al lenguaje popular y que raramente son utilizados de una forma científicamente correcta. Frecuentemente se identifican o bien se utilizan en definiciones circulares en las que uno hace referencia directa al otro como sinónimo. Ese es el error que se comete al afirmar que la temperatura "mide el calor que hace", o cuando de una persona que tiene fiebre se dice que "tiene calor", etc... Otras veces el calor se identifica con algún ingrediente material de los cuerpos. Por eso se cierran las ventanas "para que no se vaya el calor", o las calorías se utilizan como medida del aporte no deseable de materia, "lo que engorda", por parte de los alimentos a las personas que los ingieren.

¿Qué es el calor y la temperatura?

El calor: Es fenómeno físico que eleva la temperatura y dilata, funde, volatiliza o descompone un cuerpo. El calor de un cuerpo la suma de la energía cinética de todas sus moléculas. El tema calor constituye la rama de la Física que se ocupa de los movimientos de las moléculas, ya sean de un gas, un líquido 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. La temperatura: Es grado de calor en los cuerpos. Para medir la temperatura, se utiliza el termómetro de mercurio, que consiste en un tubo estrecho de vidrio (llamado capilar), con el fondo ensanchado en una ampolla pequeña y el extremo superior cerrado. La ampolla o depósito y parte del capilar están llenos de mercurio y en la parte restante se ha hecho el vacío. Para leer la temperatura se utiliza una escala que está grabada en el vidrio.

Conceptos claves

Hoy en día sabemos que los átomos y moléculas de los que está formada la materia no están en reposo aunque el cuerpo que constituyen esté quieto. En los sólidos sus partículas vibran continuamente alrededor de su posición de equilibrio; en los líquidos se mueven con libertad, aunque confinadas a un determinado volumen; en los gases se mueven con libertad, ocupando todo el espacio disponible. Llamaremos energía térmica a la suma de las energías de todas las partículas que componen un cuerpo. La temperatura es el valor medio de la energía cinética de estas partículas. Todos sabemos que los cuerpos pueden calentarse (aumentar su energía interna) o enfriarse (perder energía interna). La energía ganada o perdida en estos procesos es el calor.

Escalas de temperatura

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Existen tres tipos de escalas de temperatura: Escala Fahrenheit: Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736) era un físico Alemán que inventó el termómetro de alcohol en 1709 y el termómetro de mercurio en 1714. Fahrenheit midió la temperatura del agua hirviendo a 32° F, haciendo que el intervalo entre el punto de ebullición y congelamiento del agua fuera de 180 grados Escala Celsius: Anders Celsius (1701–1744) fue un astrónomo suizo que inventó la escala centígrada en 1742. Celsius escogió el punto de fusión del hielo y el punto de ebullición del agua como sus dos temperaturas de referencia para dar con un método simple y consistente de un termómetro de calibración. Celsius dividió la diferencia en la temperatura entre el punto de congelamiento y de ebullición del agua en 100 grados (de ahí el nombre centi, que quiere decir cien, y grado).

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es comúnmente llamada Kelvin (K). Lord William Kelvin (1824– 1907) fue un físico Escosés que inventó la escala en 1854. La escala Kelvin está basada en la idea del cero absoluto, en teoría, el punto cero de la escala Kelvin es la temperatura más baja que existe en el universo: −273.15ºC. La escala Kelvin usa la misma unidad de división que la escala Celsius. Sin embargo vuelve a colocar el punto cero en el cero absoluto: −273.15ºC. Es así que el punto de congelamiento del agua es 273.15 Kelvin

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Escala Kelvin : La tercera escala para medir la temperatura

ECUACIONES QUE RELACIONAN LAS 3 TIPOS DE ESCALAS :

Temperaturas absolutas

En la escala Celsius utilizamos la temperatura de fusión del hielo como el valor cero. Todas las temperaturas más bajas se registran como negativas. ¿Puede la temperatura alcanzar cualquier valor negativo? Obviamente no; cuando las partículas que componen un cuerpo estuvieran en reposo el cuerpo no podría enfriarse más. En la actualidad sabemos que este estado no es alcanzable, pero nos sirve para definir el punto más bajo posible para la temperatura. Llamaremos cero absoluto a la temperatura correspondiente a la menor energía cinética media de las partículas de un cuerpo. De las escalas que emplean temperaturas absolutas la más conocida, la reconocida en el Sistema Internacional, es la escala de Kelvin.

Calor específico Equivalente trabajo-calor trabajoCurva de calentamiento: Una vez que ya poseemos la noción de calor y temperatura y de cómo se mide esta última, podemos preguntarnos ¿cómo se calientan los cuerpos? ¿El aumento de temperatura es proporcional a la energía que le suministramos en forma de calor?. En la siguiente escena tratamos de abordar estas cuestiones. Se dispone de una sustancia que se calienta mediante un calefactor cuya potencia, en W, podemos elegir mediante el oportuno control; también puede elegirse la masa de sustancia que calentaremos, así como su temperatura inicial. Mediante un termómetro puede seguirse el aumento de temperatura de la sustancia, quedando registrado el tiempo, en cuya parte derecha se representa gráficamente la temperatura frente al tiempo (curva de calentamiento). En esta escena se ha elegido por comodidad al agua como sustancia de trabajo.

Equivalente mecánico del calor

Aunque la caloría es una unidad muy práctica porque permite medir calor por su efecto térmico sobre el agua y resulta fácil de medir, esta unidad de medida tiene el defecto de ser diferente a las que utilizamos en el resto de la Física para medir cualquier incremento de energía. En la tostadora de pan, por ejemplo, se convierte energía eléctrica en calor, ¿cómo podemos hacer corresponder la energía eléctrica con el calor generado? Todos recordamos que la unidad de energía en el Sistema Internacional es el Julio, Así pues, generalizando el ejemplo anterior: ¿a cuántos julios equivale una caloría? En la siguiente escena respondemos a este tipo de pregunta. Un hornillo eléctrico, de potencia en vatios conocida (recuerda que un vatio es un julio cada segundo), suministrará energía eléctrica a un recipiente con agua. Supondremos que el sistema está aislado convenientemente, de forma que toda la energía del hornillo se emplea en calentar el agua, considerando despreciable la que se utilice en el aire y el propio recipiente

Temperaturas de cambios de estado

En las curvas de calentamiento de un cuerpo nos parecía que su aumento de temperatura era proporcional a la energía absorbida. Sin embargo, hay casos en los que esta regla se rompe. Particularmente cuando el cuerpo está cambiando de estado de agregación. Todos sabemos que la materia se nos presenta fundamentalmente en tres estados posibles: sólido, líquido y gaseoso. Cada uno de esos estados se debe a la existencia de diferentes energías de unión entre las moléculas de un cuerpo. Cuando el cuerpo cambia de estado estamos alterando esta forma de energía interna en lugar de aumentar la temperatura. ¿Cómo se traduce este fenómeno en la curva de calentamiento de un cuerpo? Para estudiarlo observaremos el caso de un bloque de hielo de 100 g de masa que calentamos progresivamente hasta convertirlo en vapor de agua. Hay que advertir que, por simplicidad, en esta escena estamos despreciando la cantidad de agua que se evapora mientras la temperatura aumenta de 0ºC a 100ºC. También debemos tener en cuenta que las temperaturas de fusión y ebullición observadas son únicamente ciertas a la presión de una atmósfera y con agua destilada. La temperatura de cambio de estado es dependiente de las condiciones de presión del medio en que se encuentra la substancia y de su grado de pureza

Calor latente

Calor sensible y calor latente: El calor que recibe un cuerpo puede producir en el una variación de temperatura o un cambio de estado El calor que produce solo variación de temperatura es llamado calor sensible El calor que produce solo cambio de estado se denomina calor latente

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El equilibrio térmico

Temperatura de equilibrio: Todos sabemos que un cuerpo caliente tiende a aumentar la temperatura de los cuerpos que lo rodean, mientras que un cuerpo frío provoca una disminución de temperatura a su alrededor. En términos más rigurosos podemos afirmar que, cuando dos sustancias a diferentes

temperaturas se encuentran próximas, se produce entre ellas un intercambio de energía que tiende a crear el equilibrio térmico, que se produce cuando ambas temperaturas se igualan.

De acuerdo con el Principio de Conservación de la Energía el intercambio energético neto entre los dos sistemas y el entorno sería cero, y restringiéndonos al caso más sencillo, que es un caso ideal, podría expresarse la situación diciendo

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