2º ESO. Ciencias da Natureza. CPI Conde de Fenosa

Tema 3. A calor e a temperatura. Apuntamentos de Xacobo de Toro e revisión de Mª Luísa Corredoira

Nome e Apelidos Nº

1. A enerxía térmica Se poñemos a quentar no lume un cazo con auga, que pensas que acontece coa Tª? Se zarrapicas

unha substancia finamente pulverizada (por exemplo, talco) sobre a auga, que acontece a medida que esta quence? Que acontece co movemento das moléculas de auga cando aumenta a súa temperatura?

Teoría cinética das moléculas e enerxía térmicaPara comprender mellor qué é a calor e a temperatura, tes que lembrar o que estudaches en 1º

da E.S.O. sobre a teoría cinética e os 3 estados de agregación da materia.

Do curso pasado sabemos que as partículas que forman os sólidos están moi xuntas, unidas, e vibran, pero non se desprazan. As partículas que forman os líquidos están algo separadas, menos unidas, con máis liberdade de movemento e desprázanse. As partículas que forman os gases están moi separadas e non deixan de moverse con certa velocidade e de xeito caótico.

Estas partículas terán maior movemento conforme aumente a Tª. Lembra o visto este curso sobre os corpos materiais que se moven: teñen enerxía cinética. Como ves, existe unha relación directa entre a temperatura e o movemento das partículas (átomos e moléculas) que constitúen as substancias e a súa enerxía cinética.

Enerxía térmica é a enerxía cinética media dos átomos e moléculas que forman unha substancia.

A temperatura A medida que aumenta a temperatura dun corpo, o movemento das súas partículas faise máis

evidente. Cando notamos que algo está a unha alta Tª, en realidade o que estamos notando é que os seus átomos e moléculas se moven máis á presa e polo tanto, con maior E. cinética.

A temperatura é a medida da enerxía térmica dunha substancia e mídese cun instrumento chamado termómetro. Case todos coñecemos os termómetros, pero sabes como funciona? Para comprendelo, temos que repasar algo visto o curso anterior: a dilatación.

1.1. A dilatación dos corpos Cando quentamos un corpo material (sólido líquido ou gasoso), dilátase, é dicir, aumenta o seu

volume. A dilatación débese a que as partículas se separan. A magnitude da separación das partículas e a dilatación é moito maior nos gases, por iso se deixamos un balón desinchado ao sol, ao cabo dun tempo colleu certo volume e presión debido a este fenómeno.

O efecto da dilatación tense en conta nas infraestruturas como tubaxes, pontes, estradas, vías do ferrocarril, etc., e para evitar as deformacións ou rupturas debido a acción desta, empréganse as xuntas de dilatación, que consisten en pequenas fendas colocadas entre os diferentes tramos ou seccións das construcións. Coas xuntas poden dilatarse sen problemas vai calor as paredes dilátanse e ocupan o espazo da xunta e cando arrefría, contráense deixando espazo nas xuntas.

1.2. Medición da temperaturaA temperatura mídese cos termómetros e o seu funcionamento baséase na dilatación ou

contracción dos corpos, ou o que é o mesmo: o aumento ou redución do seu volume.

No termómetro sempre se unha substancia en estado líquido. Normalmente é alcohol tinguido ou mercurio.

Termómetro de mercurioO mercurio é un metal en estado líquido a Tª ambiente, transformándose en sólido a 39ºC.

O termómetro consta dun bulbo que contén o mercurio conectado ao un tubiño de vidro polo cal se expande o devandito metal cando aumenta a Tª. A expansión prodúcese en altura, facendo moi doada a súa percepción . Para poder relacionar a dilatación coa Tª ten unha escala graduada que nos indica a Tª á (as contraccións de preposición + artigo hai que acentualas) cal está o bulbo.

Nos termómetros clínicos o tubo de vidro ten un estreitamento que impide que o mercurio poida regresar ao bulbo despois de dilatarse, xa que cando arrefría e se contrae, o fío de mercurio rómpese e permite a lectura da Tª tempo despois de sacar o termómetro da fonte de calor. Para facer unha nova lectura dun novo rexistro coa Tª debemos axitar o termómetro para que o mercurio baixe de novo ao bulbo.

Termómetro de alcolMoi útil para temperaturas moi baixas, pois o punto de solidificación é de -114ºC. No alcol

disólvese unha tintura para facilitar a lectura do rexistro. A maioría dos termómetros de exterior son de alcol.

Existen diferentes tipos de termómetros: termómetros clínicos, que serven para medir a temperatura corporal, e ambientais para medir a Tª ambiental.

O termómetros de alcol tinguido son ideais para temperaturas extremas, en especial a temperaturas moi baixas, pois o punto de fusión é moi baixo: -114ºC (a esa temperatura conxélase). Os termómetros ambientais dixitais están substituíndo aos de alcol.

Os termómetros clínicos dixitais están substituíndo aos de mercurio. Teñen un sensor que se dilata e a temperatura rexistrada aparece nunha pantalla.

1.3. As escalas de TªHai diferentes escalas de Tª como a Celsius, Kelvin ou Fahrenheit. Cada unha ten a súa propia

escala.

Escala centígrada ou CelsiusDáse o valor 0 á Tª de conxelación da auga e o valor 100 á Tª de ebulición da auga ( ambas as

medidas cunha presión normal de 1 atm). O intervalo resultante entre estes dous puntos divídese en 100 partes iguais, cada unha delas definida como 1 grado Celsius. O grado Celsius, denominado tamén grado centígrado, representado como °C, é a unidade creada por Anders Celsius. (1701-1744 )

Escala Kelvin ou absoluta Lord Kelvin (1824-1907) propuxo unha escala de Tª relacionada directamente co movemento das

partículas. Tivo en conta a temperatura máis baixa que pode existir na natureza, que é – 273ºC, pois os átomos e moléculas deixan de moverse por completo. Porén, non pode haber unha temperatura máis baixa que -273ºC xa que as partículas non poden vibrar menos. A esta Tª chámaselle cero absoluto ou 0 K e as partículas deixan de moverse por completo.

Na escala Kelvin, a temperatura de conxelación da auga é de 273 K, polo que 0ºC = 273K. As divisións de esta escala son iguais que as da escala Celsius, porén, se a temperatura de ebulición da auga é 100ºC equivale a 373 K. De aquí concluímos que para converter grados centígrados en Kelvin, hai que sumar 273 T (K) = t (ºC) + 273

2. Calor e equilibrio térmico.Cando dous sistemas ou corpos en desequilibrio térmico (a diferentes temperaturas) entran en

contacto, o de maior temperatura transfire enerxía térmica ao de menor temperatura ata conseguir o equilibrio térmico, posto que as partículas que teñen maior enerxía cinética transfiren parte da súa enerxía ás partículas restantes mediante colisións ata que a enerxía cinética do conxunto é a mesma.

A calor é a transferencia de enerxía dende un corpo que se atopa a maior temperatura a outro de menor temperatura e sempre se transfire desde o corpo de maior temperatura ao de menor temperatura, independentemente dos seus tamaños relativos.

Un exemplo é que se temos un cravo no lume e o pasamos a un vaso de precipitados con auga, a calor transfírese desde o cravo, que está a maior temperatura, á auga, que está a menor temperatura. Como consecuencia o cravo arrefríase porque a enerxía cinética media (e non a total) dos átomos do cravo é maior co das moléculas da auga.

Un exemplo histórico e de película: na película Titanic a vida do protagonista representado polo actor Di Caprio ten as horas contadas cando cae á auga posto que comezou a transferir enerxía en forma de calor ás moléculas de auga. Na auga esta transferencia é máis rápida (posto que é mellor condutora) que no aire. Só parará de transferir calor cando acade o equilibrio térmico nos 0º C que tiña a auga aquela noite de inverno, polo que morre por hipotermia (o tempo medio de supervivencia era de 20 minutos a esa temperatura). A protagonista feminina que aboiaba enriba dunha porta fóra da auga, a pesar de que a Tª do aire era tamén de 0ºC sobrevive ata que é rescatada, pois a transferencia de enerxía é moito máis lenta, porén podía sobrevivir moito máis tempo .

2.1.Unidades de medida da calorA calor mídese en unidades de enerxía. Polo tanto, no sistema internacional a unidade é o xulio

(J). Con frecuencia úsanse múltiplos do xulio, como o Kiloxulio (kJ). Outra unidade tradicional (antiga) para medir a calor é a caloría (cal). Ás veces vemos Cal, equivalendo a 1000cal. 1 cal = 4,184 J

3. Como se transfire ou transmite a calor? Como se transfire ou transmite a calor dun corpo a outro ou dun punto a outro do mesmo corpo?.

Isto pode ser de tres xeitos diferentes: condución, convección e radiación.

ConduciónSe quentas unha variña de metal por un extremo, axiña notarás como quence polo extremo

oposto. O proceso polo que se transmite calor dun punto a outro dun sólido denomínase condución.

Na zona máis quente os átomos móvense máis á présa aumentando a E.cinética e chocan cos átomos veciños, transmitíndolles parte da súa enerxía. Así a enerxía térmica transmítese ao outro extremo.

Na condución transmítese enerxía térmica, pero non materia.

Por que queimas a man se quentas unha variña de cobre e non te queimas cun paíño de madeira? Porque a madeira é un condutor térmico moi malo, é dicir, é un illante térmico, mentres que o metal é bo condutor. Cada substancia ou material (madeira, metal, seixo, auga…) teñen a súa propia condutividade térmica. Ex: cobre é un condutor térmico e a madeira é illante térmico 26.

Os illantes térmicos son aquelas substancias que transmiten lentamente a enerxía térmica. Os condutores térmicos son aquelas substancias que transmiten axiña a enerxía térmica.

Ex: O neopreno que usan os mergulladores ou os surfistas é un illante pois no tecido hai moitísimas burbullas de aire que impiden que escape a calor, como podemos ver na foto da cámara térmica da diapo 29.

Convección.Na convección transmítese enerxía térmica mediante o transporte de materia dentro dun fluído

(líquido ou gas). Porén, a convección é o proceso polo que se transfire enerxía térmica dun punto a outro dun fluído polo movemento do mesmo.

A transmisión de enerxía térmica prodúcese a través das correntes de convección, que son correntes de fluído movéndose de xeito circular ascendendo e descendendo.

RadiaciónSe pos un termómetro xunto a unha lámpada, a temperatura elevarase. O aire é moi mal

condutor da calor (é bastante illante en comparación con outras substancias)… entón… como chegou tan rápido a enerxía térmica ao bulbo do termómetro? … polo aire?...

Se pos un termómetro nunha cámara de baleiro (sen aire) xunto a unha lámpada, a temperatura elévase. Isto demostra que non fai falla aire (materia) para que se transfira enerxía térmica.

A radiación é o proceso polo que os corpos emiten enerxía que pode propagarse polo baleiro. A enerxía que emiten os corpos polo devandito proceso denomínase enerxía radiante.

Por iso nos chega enerxía térmica do Sol: non hai aire, senón baleiro, entre o noso planeta e o Sol. Lembra: non fai falla aire nin outra materia para que unha radiación se propague. Pero a enerxía térmica non é a única forma de radiación que existe

Todos os corpos radian enerxía en función da súa Tª, e canto maior sexa a súa Tª, maior será a enerxía da radiación que emiten os corpos.

En función do aumento de enerxía a radiación é : ondas de radio (e TV), microondas, infravermella, radiación visible, ultravioleta, raios X e gamma . Porén, as ondas de radio son as menos enerxéticas e as gamma as máis enerxéticas

Ex: Nun lume dúas radiacións: vemos a luz cos nosos ollos e percibimos a calor (radiación infravermella) coa nosa pel, xa que é capaz de percibir certas radiacións infravermellas (sensación térmica de calor).

Todos os corpos absorben radiación, pero tamén reflicten parte dela. Unha camiseta branca reflicte bastante radiación, pola contra, unha camiseta negra absorbe bastante radiación, por iso no verán levar unha camiseta negra non é tan boa idea se queremos estar frescos posto que absorbe a maioría das radiacións e quence axiña.

Actividades

1. Que magnitude podemos empregar para caracterizar a enerxía térmica dunha substancia?2. Sabes en que propiedade da materia se basea o funcionamento dos termómetros?3. Por que pensas que debe ser tan fino o tubo interior que contén o líquido usado nun

termómetro?4. Se quixésemos construír un termómetro que apreciase ata as décimas de grao, como

faríamos o tubo interior, máis fino ou máis groso?5. Que tipo de termómetro empregarías para poñer no conxelador da túa casa?6. A cantos graos centígrados equivale o cero absoluto ou 0K?7. Transforma as seguintes temperaturas á escala Kelvin: 27ºC, 300ºC, 2500ºC, -39ºC, -190ºC, -

1350ºC.8. Expresa as seguintes temperaturas absolutas en Celsius: 560K, 120K, 232K, 35K, 3K, 190K9. Atopas as “temperaturas imposibles” e explica por que o son: -28ºC, 9000K, -16K, -378ºC,

15000000ºC, 300K.10. Realiza as seguintes transformacións: 20 cal a J, 3000J a cal, 1500kcal a KJ, 4200 kj a kcal.11. Unha caixa de cereais de chocolate informa na súa etiqueta de que o valor enerxético que lle

proporciona ao noso organismo o consumo de 100g é de 1613 kJ. Tendo en conta que unha persoa da túa idade queima ao correr 25KJ por minuto: A) Canto tempo calculas que poderías estar correndo (sen queimar reservas) despois de consumir 100g destes cereais?. B) Sería suficiente almorzo esa cantidade de cereais para afrontar unha clase de educación física dunha hora dedicada a actividades de carreira e saltos na que queimas 30KJ por minuto?. C) E se ademais completas o teu almorzo cun vaso de leite enteiro que che proporciona 500KJ?. D) Consideras importante consumir un bo almorzo polas mañás para poder afrontar a túa actividade diaria?

12. Por que razón colocamos os radiadores embaixo das fiestras nas nosas clases?, que pasaría se os colocásemos preto do teito?

13. Cando colles unha cunca que contén un líquido quente, cal é o proceso de transmisión de calor que explica que a superficie externa da cunca tamén estea quente? Á vista da táboa de condutividades térmicas, sería mellor ou peor que a cunca fose de aluminio?

14. Por que nos países moi cálidos as casas se encalan ou pintan de branco?15. Por que a roupa de inverno adoita ser escura e a de verán clara?

16. Se gardas auga, zumes ou refrescos no frigorífico: a) Que bebida se arrefriará máis rapidamente, unha envasada nunha lata de folla de lata ou envasada en vidro? b) Cal quecerá antes unha vez fóra da neveira?

Substancia Condutividade térmica

Prata 0,97Cobre 0,92

Aluminio 0,49

Aceiro 0,12

Latón 0,26Chumbo 0,083Cortiza 0,0001

Tixolo 0,0015

Madeira 0,0002

Xeo 0,004

Vidro 0,002