apuntes de calor y temperatura

8/17/2019 Apuntes de Calor y Temperatura

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Calor y Temperatura

Cuando decimos que algo está caliente o que está frío, lo que queremos decir realmente es quesu temperatura es alta o baja. La sensación de calor o frío que nuestro cuerpo tiene nos orienta acerca de latemperatura, pero el tacto no es un buen instrumento de medida.

Prueba a realizar la siguiente experiencia:

. !ntroduce tu mano izquierda en un recipiente con agua fría, " tumano derec#a en un recipiente con agua caliente.

$. %espu&s, introduce las dos manos en un recipiente con aguatemplada. Comprobarás que tu mano izquierda tiene sensaciónde calor " tu mano derec#a, de frío.'fecti(amente, el tacto puede no ser un buen instrumento demedida.

Al aplicar calor, sube la temperatura.'l calor es una cantidad de energía " es una expresión del mo(imiento de las mol&culas que componen uncuerpo.Cuando el calor entra en un cuerpo se produce calentamiento " cuando sale, enfriamiento. !ncluso los objetosmás fríos poseen algo de calor porque sus átomos se están mo(iendo.

Temperatura

La temperatura es la medida del calor de un cuerpo )" no la cantidad de calor que este contiene*.

Diferencias entre calor y temperatura

+odos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. menudo pensamos que calor "temperatura son lo mismo. -in embargo, esto no es así. 'l calor " la temperatura están relacionadas entre sí,pero son conceptos diferentes.Como "a dijimos, el calor es la energía total del mo(imiento molecular en un cuerpo, mientras que latemperatura es la medida de dic#a energía. 'l calor depende de la (elocidad de las partículas, de su nmero,de su tama/o " de su tipo. La temperatura no depende del tama/o, ni del nmero ni del tipo.Por ejemplo, si #acemos #er(ir agua en dos recipientes de diferente tama/o, la temperatura alcanzada es lamisma para los dos, 001 C, pero el que tiene más agua posee ma"or cantidad de calor.


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Misma temperatura, distinta cantidad de calor.'l calor es lo que #ace que la temperatura aumente o disminu"a. -i a/adimos calor, la temperatura aumenta.-i quitamos calor, la temperatura disminu"e.La temperatura no es energía sino una medida de ella2 sin embargo, el calor sí es energía.

Escalas termométricas

Escala Celsius o centígradaLa escala Celsius o centígrada asigna el (alor cero al punto de congelación o solidificación del agua " el (alor00 al punto de ebullición de la misma a la presión de una atmósfera. Cada unidad, debido a la (ariación lineacon la temperatura, será 300 del inter(alo " se llama grado Celsius o centígrado )1C*.

Escala Fahrenheit4tra escala de temperaturas, mu" utilizada en 5orteam&rica fuera de los ambientes científicos es la escala

6a#ren#eit. 'n esta escala se efectan 70 di(isiones en el inter(alo definido por los puntos fijos, asignando aestos puntos los (alores 8$ " $$, respecti(amente.La relación entre la temperatura expresada en grados centígrados " la correspondiente en grados 6a#ren#eit.t )16* 9 ,7 t )1C* 8$

Escala el!in o absolutaLa escala absoluta o termodinámica utiliza como unidad de medida de temperatura el ;el(in )


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'xpresa en las otras unidades:

a* >0? C b* 800 ?6 c* >00 ?< d* Cero absoluto e* 6usión del agua f* 0 ? 6g* +emperatura a la cual la escala Celsius marca lo mismo que la 6a#ren#eit

T"A#$FE"E#C%A DE CA&'"

Cuando se produce una transferencia de Calor, se intercambia energía en forma de calor entre distintoscuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura.'l calor se puede transferir mediante con!ecci(n, radiaci(n o conducci(n.

unque estos tres procesos pueden ocurrir al mismo tiempo, puede suceder que uno de los mecanismospredomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se trasmite a tra(&s de la pared de una casafundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta engran medida por con(ección, " la +ierra recibe calor del -ol casi exclusi(amente por radiación.Calor del sol llega por radiación.

C'#D)CC%*# T+"M%CA

La conducción es una transferencia de calor entre loscuerpos sólidos. -i una persona sostiene uno de losextremos de una barra metálica, " pone en contacto el otroextremo con la llama de una (ela, de forma que aumente sutemperatura, el calor se trasmitirá #asta el extremo más fríopor conducción.Los átomos o mol&culas del extremo calentado por la llama,adquieren una ma"or energía de agitación, la cual setrasmite de un átomo a otro, sin que estas partículas sufranningn cambio de posición, aumentando entonces, la

temperatura de esta región. 'ste proceso contina a lo largo de la barra " despu&s de cierto tiempo, lapersona que sostiene el otro extremo percibirá una ele(ación de temperatura en ese lugar.'xisten conductores t&rmicos, como los metales, que son buenos conductores del calor, mientras que existensustancias, como pluma(it, corc#o, aire, madera, #ielo, lana, papel, etc., que son malos conductores t&rmicos)aislantes*.


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C'#ECC%*# T+"M%CA

-i existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, escasi seguro que se producirá un mo(imiento del fluido. 'ste mo(imiento transfierecalor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado con(ección.Cuando un recipiente con agua se calienta, la capa de agua que está en el fondorecibe ma"or calor )por el calor que se #a trasmitido por conducción a tra(&s de lacacerola*2 esto pro(oca que el (olumen aumente ", por lo tanto, disminu"a sudensidad, pro(ocando que esta capa de agua caliente se desplace #acia la partesuperior del recipiente " parte del agua más fría baje #acia el fondo.

'l proceso prosigue, con una circulación continua de masas de agua más caliente#acia arriba, " de masas de agua más fría #acia abajo, mo(imientos que sedenominan corrientes de con(ección. sí, el calor que se trasmite por conduccióna las capas inferiores, se (a distribu"endo por con(ección a toda la masa delíquido.La transferencia de calor en los gases " líquidos puede efectuarse poconducción. 'l proceso de con(ección es el responsable de la ma"or parte decalor que se trasmite a tra(&s de los fluidos.

'l calentamiento de una #abitación mediante una estufa no depende tanto de la radiación como de lascorrientes naturales de con(ección, que #acen que el aire caliente suba #acia el tec#o " el aire frío del restode la #abitación se dirija #acia la estufa.%ebido a que el aire caliente tiende a subir " el aire frío a bajar, las estufas deben colocarse cerca del suelo )"los aparatos de aire acondicionado cerca del tec#o* para que la eficiencia sea máxima.%e la misma forma, la con(ección natural es responsable de la ascensión del agua caliente " el (apor en lascalderas de con(ección natural, " del tiro de las c#imeneas.La con(ección tambi&n determina el mo(imiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, laacción de los (ientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas " la transferencia de calor desde elinterior del -ol #asta su superficie.

"AD%AC%*# T+"M%CA

La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción " la con(ección: las sustanciasque intercambian calor no tienen que estar en contacto, sinoque pueden estar separadas por un (acío.Los procesos de con(ección " de conducción sólo puedenocurrir cuando #a" un medio material a tra(&s del cual sepueda transferir el calor, mientras que la radiación puedeocurrir en el (acío.-i se tiene un cuerpo caliente en el interior de una campana de(idrio sin aire, " se coloca un termómetro en el exterior de lacampana, se obser(ará una ele(ación de la temperatura, locual indica que existe una trasmisión de calor a tra(&s del (acío

que #a" entre el cuerpo caliente " el exterior.


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E-uilibro térmico

l poner en contacto dos cuerpos a distinta temperatura, el de ma"otemperatura cede parte de su energía al de menos temperatura#asta que sus temperaturas se igualan. -e alcanza así lo quellamamos @equilibrio t&[email protected] energía calorífica )calor* no pasa del cuerpo que tiene másenergía al que tiene menos sino del quetiene ma"or temperatura al que la tiene menor.Con el siguiente ejemplo aclaramos la anterior afirmación:Los mares )los oc&anos están intercomunicados* pueden cedermuc#a más energía calorífica que mi cuerpo. 'l mar es capaz defundir un iceberg " sus aguas apenas se enfrían unos grados. Ao,con el calor que puedo desprender en todos los días de mi (ida

)parte de las $.00.000 calorías que consumo al día* fundiría mu" pocas toneladas de iceberg.

Puede ceder muc#o más calor el mar que mi cuerpo.Pero si me sumerjo en el agua de mar el calor pasa de mi cuerpo al mar.'l calor flu"e desde los cuerpos que están a más temperatura a los que están a temperatura menor.ens/ un ratito: %e un #orno se sacan al mismo tiempo, un alfiler " un tornillo, ambos de acero, " se dejancaer dentro de recipientes id&nticos con la misma cantidad de agua a la misma temperatura. BCuál aumentamás la temperatura del agua

Capacidad calorífica o calor específicoDuizás #a"as notado que #a" algunos alimentos permanecen calientes muc#o más tiempo que otros. Enatostada se se enfría muc#o más rápido que un plato de sopa, aunque los dos se pongan sobre la mesa a lamisma temperatura. 'l asado se enfría más rápido que el pur& de papas. Las sustancias distintas tienendiferentes capacidades de almacenamiento de energía interna. Fstos necesiten distintas cantidades de calor

para aumentar su temperatura. -e necesita una caloría para ele(ar la temperatura de un gramo de agua en?C, mientras que para que un gramo de #ierro aumente esta cantidad, se necesita sólo 0,$> calorías.La capacidad calorífica de una sustancia se define como la cantidad de calor que #a" que suministrar a ungramo de dic#a sustancia para que su temperatura se ele(e en ?C.

ens/ un ratito: BDu& tiene ma"or calor específico, el agua o la arena

La cantidad de calor 012 que gana o pierde un cuerpo de masa 0m2 se encuentra con la fórmula


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%onde:

1 es la cantidad de calor )que se gana o se pierde*, expresada en calorías.

m es la masa del cuerpo en estudio. -e expresa en gramos

Ce es el calor específico del cuerpo. -u (alor se encuentra en tablas conocidas. -e expresa en cal 3 gr ? C

3t es la (ariación de temperatura 9 Tf 4 Ti. L&ase +emperatura final 0Tf 2 menos +emperatura inicial 0Ti2, " sufórmula es

Dilataci(n: %e una forma general, cuando aumentamos la temperatura de un cuerpo )sólido o líquido*,aumentamos la agitación de las partículas que forman ese cuerpo. 'sto causa un alejamiento entre laspartículas, resultando en un aumento en las dimensiones del cuerpo )dilatación t&rmica*. Por otra parte, unadisminución en la temperatura de un cuerpo, acarrea una reducción en sus dimensiones )construcción

t&rmica*'n la construcción ci(il, por ejemplo, podemos (er que los puentes largos de acero son fijos en un extremo, "descansa sobre pi(otes. Las carreteras " aceras están atra(esadas por #uecos, que a (eces se rellenan conasfalto, para permitir que el concreto se dilate " contraiga libremente.

Tipos de Dilataci(n

Dilataci(n &ineal

Gás allá que la dilatación de un sólido suceda en todas las dimensiones, puede predominar la dilatación deapenas una de sus dimensiones sobre las demás. 4 an, podemos estar interesados en una nica dimensióndel sólido. 'n este caso, tenemos la dilatación lineal.

&f 5 &i . 0 6 7 8 . 3 t 2

Dilataci(n $uperficial

La dilatación superficial corresponde a la (ariación del área de una placa, cuando sometida a una (ariación detemperatura.

$f 5 $i . 0 6 7 9 . 3 t 2 9 5 : 8

Dilataci(n olumétrica'n este tipo de dilatación, (amos a considerar la (ariación del (olumen, esto es, la dilatación en las tresdimensiones del sólido

f 5 i . 0 6 7 ; . 3 t 2 ; 5 < 8

'n las carreteras de #ormigón o en los embaldosados de gran tama/o se (en, a inter(alos regulares líneas dematerial asfáltíco destinadas a absorber las dilataciones producidas por el calor2 de otro modo la construcciónsaltaría en pedazos en los días de muc#o sol.H 'l (idrio comn es un mal conductor del calor " se dilata apreciablemente2 si ec#amos agua #ir(iendo en un(aso grueso, la parte interior se calienta " expande, mientras la parte exterior queda fría " encogida, de modoque el recipiente se rompe. -i pre(iamente, colocamos una cuc#arilla capaz de absorber el calor,neutralizaremos en parte la brusquedad del ataque ", posiblemente, sal(aremos el (aso.


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H 'l (idrio pirex se usa para cambios bruscos de tempetatura, simplemente porque su coeficiente )ledilatación es mu" bajo " se libra así del peligro de ruptura.H Los líquidos se dilatan mas que los sólidos: el mercurio sube en el termómetro porque se dilata más que elrecipiente de (idrio que lo contiene. H Los gases, cu"as mol&culas son más libres, tienden a dilatarse más quelos líquidos.

Completa la tabla

&engua=e colo-uial &engua=e científico

'l abrigo calienta. 'l abrigo impide que mi cuerpo ceda calor alambiente.

'stá enfermo, porque tiene muc#o calor. La temperatura de su cuerpo es superior a la normal)8= 1C*.

Cierra la (entana que entra frío.

'sta #eladera da muc#o frío. La #eladera recibe el calor que le ceden los

alimentos introducidos en ella.

Ponle #ielo al refresco para que se enfríe.

'ste suelo de baldosa es mu" frío.

'sta alfombra de lana da muc#o calor.

5o toques la estufa, que está mu" caliente " tequemas.

'l caf& con lec#e está mu" caliente.

La temperatura del caf& con lec#e es alta.

Las temperaturas de este (erano están siendo mu"ele(adas.

Io" a esperar para que la sopa ceda calor alambiente.

'n %inamarca, las temperaturas suelen ser másbajas que en !talia.

'l agua, cuando cede el suficiente calor al medio, se

solidifica.

ara pensar>

. Cuando tocas una superficie fría, Bel frío pasa de la superficie a tu mano, o pasa energía de tu mano a lasuperficie

$. Ena sustancia que se calienta con rapidez, Btiene un calor específico alto o bajo8. BEn t&mpano de #ielo puede ceder ma"or cantidad de calor que una taza de caf&J. B-e puede agregar la misma cantidad de calor a dos objetos del mismo material, " que uno de ellos aumente

más su temperatura


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>. -e retira de la #eladera un recipiente de un ;ilogramo de metal que contiene ;ilogramo de agua. BDu&absorbe más calor de la #abitación, el recipiente o el agua

K. B's cierto que el termómetro mide su propia temperatura BPor qu&=. BPor qu& si introducimos la mano dentro de un #orno encendido, el aire dentro no nos quema la mano,

mientras que si tocamos las paredes metálicas, no sucede lo mismo7. 'n un día frío, Bpor qu& el picaporte de metal se siente más frío que la madera de una puerta. BPor qu& es incorrecto decir que, cuando un objeto caliente, calienta un objeto frío, la temperatura flu"e entre

ellos

0. BPor qu& es incorrecto decir que, cuando un objeto caliente, calienta un objeto frío, el incremento de latemperatura en el objeto frío, es igual al decremento de temperatura del objeto calienteBCuándo es correctaesta afirmación

. lgunos (entiladores de tec#o son re(ersibles, de manera que pueden mo(er el aire #acia arriba o abajo B'nqu& dirección debería mo(erlo en in(ierno B'n qu& dirección en (erano


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Estados de la materia

La materia se presenta en tres estados o formas de agregación: sólido, líquido y gaseoso.

Dadas las condiciones existentes en la supercie terrestre, sólo algunas sustancias pueden

hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso del agua.

La mayoría de sustancias se presentan en un estado concreto. Así, los metales o las sustanciasque constituyen los minerales se encuentran en estado sólido y el oxígeno o el !" en estado

gaseoso:

Los sólidos: #ienen forma y $olumen constantes. %e caracteri&an por la rigide& y regularidad

de sus estructuras.

Los líquidos: 'o tienen forma (a pero sí $olumen. La $aria)ilidad de forma y el presentar unas

propiedades muy especícas son características de los líquidos.

Los gases: 'o tienen forma ni $olumen (os. En ellos es muy característica la gran $ariación de

$olumen que experimentan al cam)iar las condiciones de temperatura y presión.


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