CALOR Y TEMOERATURA FISICA

 CALOR Y TEMPERATURA. DILATACIÓN. ESTADOS DE AGREGACIÓN.

• INTRODUCCIÓN

La sensación de calor o de frio esta en estrecha relación, sin embargo, el calor es algo más que eso. Antes del siglo XIX se dieron muchas explicaciones sobre las condiciones que se tenían acerca del calor. Una de ellas consideraba que el calor era un fluido invisible llamado calórico, el cual fluía desde el objeto más caliente hasta el objeto más frio. Esta es la razón por la cual, un objeto frio se calentaba al colocarse cerca de un objeto caliente.

Fue Benjamín Thompson, a finales del siglo XVIII, quien descubrió que al taladrar un cañón la fricción producía calor. Más adelante Joule comprobó que cuando se proporciona una energía, sea por fricción, corriente eléctrica, radiación o cualquier otro medio, para producir trabajo mecánico, este puede ser transformado en una cantidad equivalente de calor.

Estas investigaciones permitieron desechar la teoría del calórico, pues, hoy en día se explica el calor a través de la teoría cinética del calor, la cual establece que toda la materia está constituida por moléculas que están en constante agitación. Esta agitación constante de las moléculas se traduce en una energía interna que se transmite desde los cuerpos de energía interna más alta a los cuerpos de energía interna más baja. Esta transferencia recibe el nombre de calor.

• CALOR Y TEMPERATURA

Corrientemente, en nuestro quehacer diario, usamos dos palabras cuyo significado tienden a confundirse, se trata de calor y temperatura. Los cuerpos calientes tienen mayor temperatura que los cuerpos fríos.

Cuando hacemos uso del tacto se puede juzgar cual de dos cuerpos tiene mayor temperatura que otro. Esto, en sí, es una estimación, mas no una medida, ya que nuestro organismo no detecta la temperatura, sino pérdidas o ganancias de calor.

Cuando se coloca en contacto un cuerpo caliente con un cuerpo frio se notara, al cabo de un tiempo, que el cuerpo caliente ha disminuido su temperatura mientras que el cuerpo frio la ha elevado, igualándose ambas temperaturas. En este caso se ha transferido energía del cuerpo caliente al cuerpo frio, hasta que ambos alcanzan la misma temperatura.

La temperatura de un cuerpo es una magnitud física que nos permite medir el nivel térmico de los diferentes cuerpos.

Cuando varia la energía interna de un sistema material, aportándole o quitándole calor, se produce una variación de la temperatura de dicho sistema, lo cual a su vez origina efectos de dilatación o contracción y cambios de estado.

Intuitivamente podemos decir que:

La temperatura es una de las manifestaciones externas de la energía interna del cuerpo. Esto explica, porque una variación de la energía interna del cuerpo produce una variación de su temperatura.

La temperatura nos proporciona el estado de calor del cuerpo, no la cantidad de calor que tiene un cuerpo.

Calor es la energía que se transfiere de un cuerpo a otro, al ponerlos en contacto, debido a una diferencia de temperatura entre ellos.

El calor es energía en tránsito y siempre fluirá desde los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura.

No es correcto decir que el calor se encuentra almacenado en los cuerpos, sino que lo que está almacenado en ellos es la energía interna, la cual se encuentra en forma de energía potencial y cinética de sus partículas.

Finalmente podemos decir:

Todo cuerpo o sistema, debido a su temperatura, tiene la capacidad de transferir energía a otro cuerpo o sistema que se encuentre a temperatura más baja.

• MEDIDA DE TEMPERATURA

Existen ciertas propiedades físicas de la materia que varían en función de la temperatura y, naturalmente, esta variación debe ser aprovechada para su correspondiente medición. Estas propiedades de la materia, que varían por efecto de la temperatura, son: longitud, superficie, y volumen.

La variación mas aprovechada es la dilatación, y fundamentándose en este fenómeno se construyen los termómetros que son aparatos destinados a la medición de las temperaturas.

Los termómetros son de dos clases:

a) termómetros de líquidos

b) termómetros metálicos.

En los termómetros líquidos se utiliza el mercurio o alcohol. Las ventajas que presenta el mercurio como sustancia termométrica son:

1. Puede obtenerse puro.

2. No moja el cristal.

3. Se mantiene en estado líquido entre temperaturas convenientes.

4. Se dilata uniformemente

5. Tiene calor especifico bajo

6. Es buen conductor del calor.

Para los termómetros de bajas temperaturas se usa hidrogeno o hielo gaseoso y las temperaturas incandescentes pueden estimarse analizando el color de la luz emitida.

Los termómetros metálicos son construidos de dos metales diferentes que dilatan en forma desigual y son usados para construir los termógrafos de las estaciones meteorológicas.

• ESCALAS DE TEMPERATURA

Al construir la escalas de los termómetros y hacerles la graduación, se eligen dos temperaturas determinadas, tomadas como referencia. A estos puntos se les llama puntos fijos. La longitud entre dichos puntos se divide de diferentes maneras, originando las diferentes escalas de las cuales las más frecuentes son: escala centígrada, escala Kelvin y escala Fahrenheit.

- Escala Centígrada:

Llamada también escala Celsius en honor al biólogo suizo Andrés Celsius (1701-1744), usa los puntos de fusión del hielo 0º y el de ebullición del agua 100ºC. este intervalo entre ambas temperaturas se divide en 100 partes iguales, y a cada una de estas partes se les llama grado centígrado.

- Escala Kelvin:

Llamada así en honor al físico británico Lord Kelvin 81824-1907), tiene 273ºK para el punto de fusión del hielo y 373ºK para el punto de ebullición del agua. El 0ºK correspondería a -273ºK. Cuando la temperatura se da en grados Kelvin se dice que es una temperatura absoluta y es la escala aceptada por el Sistema Internacional de Unidades. Su símbolo es ºK.

- Escala Fahrenheit:

Tiene fijos 32ºF para la fusión del hielo y 212ºF para la ebullición del agua. El intervalo entre ambas temperaturas se divide en 180 partes iguales, cada una de las cuales se denomina grado Fahrenheit. Esta escala es llamada así en honor al físico alemán Gabriel Fahrenheit (1686-1736).

• DILATACIÓN DE LOS SÓLIDOS

Es llamada también expansión térmica de sólidos. Esta es el resultado de un cambio en la distancia que separa los átomos de una sustancia. Estos átomos, al aumentar la temperatura, vibran hacia delante y hacia atrás, lo que los hace cada vez más activos vibrando distancias mas grandes lo cual trae como consecuencia la expansión de un sólido como un todo.

Al estudiar la dilatación de los sólidos, en muchas ocasiones, solo interesa tomar en cuenta la variación de una o dos de sus tres dimensiones. Cuando nos interesa su longitud estamos en presencia de su dilatación lineal o expansión lineal. Si se trata de una lamina nos podrá interesar su dilatación superficial o expansión superficial y en una esfera metálica importa conocer su dilatación cubica o expansión cubica.

• DILATACIÓN SUPERFICIAL Y CUBICA

De la misma forma que ha ocurrido con la dilatación lineal (variación de longitud en una dimensión) también ocurre con las dilataciones en dos dimensiones (dilatación superficial) y las dilataciones en tres dimensiones (dilatación cubica)

Si “SO” es la superficie inicial y “S” es la superficie final, se puede decir que:

S=SO (1 + 2 α ΔΤ)

Haciendo 2 α = β se tiene que:

S=SO (1 + β ΔΤ)

Por otra parte, si “VO” es el volumen inicial Y “V” es el volomen final, podemos escribir que:

V=VO (1 + 3 α ΔΤ)

Haciendo 3 α = γ

V=VO (1 + γ ΔΤ)

• ESTADOS DE AGREGACIÓN O FASES

Por todos nosotros es bien conocido que en la naturaleza las sustancias se pueden presentar bajo cuatro estados o fases:

- Solido:

Se caracteriza porque la energía cinética es menor que la energía potencial y sus moléculas vibran sin cambiar de lugar debido a su gran fuerza de cohesión.

- Liquido:

Se caracteriza porque la fuerza de cohesión entre sus moléculas es débil, deslizándose unas sobre otras, de tal manera que las moléculas que lo constituyen adoptan la forma del recipiente que los contiene.

- Gaseoso:

Se distinguen porque sus moléculas se encuentran separadas unas de las otras, debido a que las fuerzas de cohesión entre sus moléculas son casi nulas. Esto hace que no tengan forma propia y llenen todo el volumen del recipiente que los contiene.

- Plasma:

Llamado el cuarto estado de la materia, se origina al aumentar la temperatura a más de 5000ºC. En estas condiciones las moléculas se rompen, los átomos chocan en forma violenta perdiendo sus electrones, originándose un gas ionizado, mescla de iones y electrones. En este estado se presenta el sol y las explosiones termonucleares, también los relámpagos.

El paso desde un estado a otro depende exclusivamente de la presión a la cual es sometida y de la proporción de calor que recibe o desprende.

El hielo no es más que el estado sólido del agua. Al suministrarle energía se logra romper la estructura molecular y el hielo pasa al estado líquido (agua). Si se continúa añadiendo energía, el líquido pasa al estado gaseoso, el agua hierve y se convierte en vapor. Como puede notarse, para que haya

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