http://webs.um.es/jmz/termo/Temperat/tem_exp1.html

Tercer grado (Física 11)

Calor y temperatura 

Medición de la temperatura. El uso del termómetro

Diferencia entre calor y temperatura Concepto de equilibrio térmico La dilatación de los fluidos y la construcción de termómetros Escalas de temperatura: Celsius, Farenheit y la KeIvin como escala

fundamental Puntos de fusión y de ebullición. Factores que los modifican Aplicaciones de los estudios sobre el calor

 

La diferencia de temperaturas como motivo de transferencia de calor

El calor como energía en tránsito Dirección del flujo del calor Mecanismos de transmisión del calor

Equivalente mecánico del calor

- El joule como unidad de calor

Efectos del calor sobre los cuerpos

Relación entre el calor y la elevación de la temperatura El calor y las transformaciones del estado de la materia

Máquinas térmicas

Conversión parcial del calor en trabajo El funcionamiento del refrigerador

FISICOQUÍMICA 3º - 2009 TERMÓMETROS - ESCALAS TERMOMÉTRICAS

El termómetro es un instrumento que se usa para medir la temperatura. Su presentación más común es de

vidrio, el cual contiene un tubo interior con mercurio, que se expande o dilata debidos a los cambios de

temperatura.

Para determinar la temperatura, el termómetro cuenta con una escala debidamente graduada que la relaciona con el volumen que ocupa el mercurio en el tubo. Las presentaciones más modernas son de tipo digital, aunque el mecanismo interno suele ser el mismo.Este aparato es comúnmente empleado para tomar la temperatura, de una persona. Asimismo, el termómetro, se utiliza de igual manera, para medir la temperatura, en los animales, por parte de los veterinarios. En la actualidad, es la manera más práctica, para saber o conocer, qué temperatura corporalposee una persona.

Los más usuales son de mercurio. Y esto se debe, a que el mercurio es una sustancia, que con el calor, no sólo se dilata, sino que cuando llega a la temperatura promedio, permanece estable por bastante tiempo. Y es por lo mismo, que se puede llegar a conocer con certeza, la temperatura de una persona.Lo que se debe de tener claro, es que el mercurio es un producto altamente tóxico, por lo que un termómetro, debe ser manipulado, sólo por un adulto.

Con respecto, a los principales avances dentro de la historia del termómetro, podemos señalar los siguientes: En 1592, Galileo Galilei, construye el primer termómetro rudimentario. En 1612, Santorre Santorio, da un uso médico al termómetro. En 1714, Daniel Fahrenheit, inventa el termómetro a base de mercurio. Por último, en 1885, Calendar Van Duessen, inventa el sensor de temperatura, con la resistencia de platino.Con respecto a las temperaturas, la escala más utilizada en el mundo, es la Celsius. Aquella que mide la temperatura en grados centígrados. Ha sido nombrada como tal, en honor a Andrés Celsius.Con respecto a la temperatura normal, que se debe registrar en un termómetro, en un adulto humano, esta debe ser de 36,5 grados Celsius. Por sobre aquella temperatura, se podrá considerar que se posee fiebre. Ahora, sobre los 40 grados Celsius, se deben de tomar precauciones, ya que pueden llevar a desmayos, convulsiones y perdida progresiva de neuronas.

ANDERS CELSIUS (Uppsala, Suecia, 1701-id., 1744) Físico y astrónomo sueco. Profesor de astronomía en la

Universidad

de Uppsala (1730-1744), Anders Celsius supervisó la construcción del Observatorio de Uppsala,

del que

fue nombrado director en 1740. En 1733 publicó una colección de 316 observaciones de auroras

boreales. En 1736 participó en una expedición a Laponia para medir un arco de meridiano

terrestre, lo

cual confirmó la teoría de Newton de que la Tierra se achataba en los polos

Celsius es conocido como el inventor de la escala centesimal del termómetro. Aunque este

instrumento

es un invento muy antiguo, la historia de su gradación es de lo más caprichosa. Durante el siglo

XVI era

graduado como "frío" colocándolo en una cueva y "caliente" exponiéndolo a los rayos del sol

estival o

sobre la piel caliente de una persona. Más tarde el francés Réaumur y el alemán Farenheit en

1714, lo

graduaron basándose en la temperatura del hielo en su punto de fusión y en la del vapor de agua

al

hervir, pero la escala alemana iba de 32 a 212 grados, mientras que la francesa lo hacía de 0 a

80 grados.

En 1742, Celsius propuso sustituir la escala del científico alemán por otra cuyo manejo era más

sencillo.

Para ello creó la escala centesimal que iba de 0 a 100 grados e inventó el termómetro de

mercurio. El

punto correspondiente a la temperatura 0 coincidía con el punto de ebullición del agua mientras

que la

temperatura a 100ºC equivalía a la temperatura de congelación del agua a nivel del mar. La

escala, por

tanto, indicaba un descenso de temperatura cuando el calor aumentaba, al contrario de como es

conocida actualmente. Su compatriota el científico Karl Von Linné (conocido como Linneo)

invertiría

esta escala tres años más tarde.

Esta escala centígrada de temperaturas fue propuesta en una memoria que presentó a la

Academia de Ciencias Sueca. El termómetro de Celsius fue conocido durante años como

"termómetro sueco" por la comunidad científica, y tan sólo se popularizó el nombre de

"termómetro Celsius" a partir del s. XIX.

DANIEL FARENH

Autor de numerosos inventos, entre los que cabe citar los termómetros de agua (1709) y de

mercurio (1714), la aportación teórica más relevante de Fahrenheit fue el diseño de la escala

termométrica que lleva su nombre, aún hoy la más empleada en Estados Unidos y hasta hace

muy poco también en el Reino Unido, hasta la adopción por este país del sistema métrico

decimal.

particulares del agua pura: 0 ºC

:corresponde a la temperatura estable que se registra en el termómetro cuyo bulbo está sumergido en hielo trozado en estado de fusión . Se marca este valor como 0º C 100 ºC:corresponde a la temperatura estable que se registra en el termómetro cuyo bulbo está en contacto con los vapores que emanan del agua en estado de ebullición . Se marca este valor como 100 º C Grado Celsius: Habiendo hecho las marcas en el termómetro en correspondencia con los valores 0 ºC y 100 ºC, se divide el intervalo en 100 partes iguales y cada una de esas divisiones corresponde a un grado Celsius, también llamadogrado centígrado 2)Escala Fahrenheit: Se establecen dos medidas fijas: 0 ºF : corresponde al punto de fusión de una “mezcla frigorífica” formada por cubos de hielo y sulfato de amonio, cuya temperatura de fusión es menor que la del agua pura. Se marca este valor como0º F, que corresponde a - 32 ºC, por lo tanto el 0 ºC coincide con el valor 32 ºF 212 ºF: corresponde al punto de ebullición del agua pura. Se marca este valor que equivale a 100 ºC Grado Fahrenheit: si se divide el intervalo entre las dos marcas (0 ºF y 212 ºF) en 212 partes iguales y se establece que , cada una de estas divisiones es un grado Fahrenheit 3)Escala Kelvin Ya dijimos que la temperatura es la medida del estado energético y que corresponde a la

velocidad

promedio (energía cinética promedio) de las moléculas de un cuerpo.-

Sabemos también que, si se agrega calor a un cuerpo , la velocidad de las moléculas aumenta ,

en tanto

que si se quita calor, la velocidad de las moléculas disminuye.-

Se ha calculado matemáticamente que, si se extrae sistemáticamente el calor de un cuerpo, se

llega a

estado térmico en que las moléculas pierden completamente la movilidad.

A este estado térmico se le asigna el valor 0 (cero absoluto) en la escalaK elvin y correspondea- 273 ºC.- (Doscientos setenta y tres grados bajo cero) En la escalaK elvi n, el punto de fusión del hielo corresponde al valor273 K y el punto de ebullición del agua a 373 K.- Grado kelvin: si dividimos la escala Kelvin en el intervalo entre el punto de fusión del hielo (273 K) y el punto de ebullición del agua (373 K) en 100 partes iguales, cada división corresponde a un grado kelvin y es exactamente igual a un grado Celsius 1 K = 1 ºC Unidad SIMELA:

SIMELA ha adoptado el grado Kelvin (K) como unidad de temperatura, aunque acepta también el grado Celsius (ºC) CONVERSIÓN DE UNIDADES: Celsius Fahrenheit Kelvin ( ºC) ( ºF) (K) AGUA EN EBULLICIÓN: 100 ºC | 212 ºF | 373 K| | | | 1

| 1|

1|

Iepm. Fisicoquímica Calor y Temperatura. Pág. 3/6

0

| 8|

0| 0

| 0|

0| ºC

| ºF|

K|

| | | | | | HIELO Y AGUA: 0 ºC | 32 ºF | 273 K| | | |

MECLA HIELO Y SAL: -17,78ºC | 0 ºF | | | | | 2 | | 7 | | 3 | | K | | | | | | | | | CERO ABSOLUTO: - 273 ºC | 0 K | Tal como puede verse en el dibujo, 100 ºC corresponden a 180 ºF y a 100 K, por lo tanto: 100 ºC- - - - -- - - 180 ºF 1 ºC- - - -- - - - x = 1 ºC . 180 ºF = 100 ºC 1 ºC = 1,80 ºF también 180 ºF- - -- - - - - 100 ºC 1 ºF- -- - - - -- x = 1 ºF . 100 ºC = 180 ºF 1 ºF = 0, 56 ºC Conversión de escalas - problemas a) Convertir 60 ºF a ºC: Desarrollo: 1er paso: se restan 32 ºF al valor dado: 60 ºF - 32 ºF = 28 ºF 2º paso : se convierten los 28 ºF a grados ºC, con una regla de tres si 180 ºF- - - - -- - - - -- - 100 ºC 28 ºF- - -- - - - -- - - - x = 28 ºF . 100 ºC = 15,56 ºC 180 ºF Respuesta: 60 ºF equivalen a 15,56 ºC

b) Convertir la temperatura anterior a K

Desarrollo:

1er paso: ya hemos establecido que 60 ºF equivale a 15,56 ºC

2º paso: sabemos que 0 ºC equivalen a 273 K, por lo tanto15,56 ºC equivalen a 273 + 15,56 = 288,56 K Respuesta: 60 º F equivalen a 288,56 K

c) Convertir 50 ºC a ºF 100 ºC- - - -- - - - -- - - - 180 ºF 50 ºC- -- - - - -- - - - - x = 50 ºC . 180 ºF = 90 ºF Iepm. Fisicoquímica Calor y Temperatura. Pág. 4/6 100 ºC pero, tal como puede verse en el dibujo, al valor calculado hay que agregarle los 32 ºF que hay de diferencia entre los valores cero de ambas escalas: 90 ºF + 32 ºF = 122 ºF Respuesta: 50 ºC equivalen a 122 ºF 1) Para convertir X ºC a ºF : t ºF = 9ºF . t ºC + 32 ºF 5 ºC 2)Para convertir XºF a ºC tºC = (t ºF – 32 ºF ) x 5 ºC 9 ºF 3) Para convertir X ºCTK = 273K + tºC (1ºC = 1K) tºC = TK – 273 K (1ºC = 1K) Nota: Las temperaturas en ºFy ºC deben introducirse con su signo (+ si es > 0 ò – si es < 0) Las temperaturas en K , en cambio, son siempre positivas porque no existen temperaturas Kelvin bajo 0 Ejercicios: 1) Convertir t = 80 ºC a tºF t ºF = 9ºF . t ºC + 32 ºF ------> 9ºF . 80 ºC + 32 ºF = 176 ºF 5 ºC 5 ºC Respuesta 80 ºC = 176 ºF 2) Convertir t = 200 ºF a tºC tºC = (t ºF – 32 ºF ) x 5 ºC---------> (t ºF – 32 ºF ) x 5 ºC = 93,33 ºC 9 ºF 9 ºF Respuesta 200 ºF = 93,33 ºC 3) Convertir t = (-40) ºC a tºF t ºF = 9ºF . t ºC + 32 ºF ------> 9ºF . (-40)ºC + 32 ºF = (-40) ºF 5 ºC 5 ºC Respuesta (-40) ºC = (-40) ºF 4) Convertir t = (-40) ºF a tºC tºC = (t ºF – 32 ºF ) x 5 ºC---------> (-40 ºF – 32 ºF ) x 5 ºC = (-40) ºC 9 ºF 9 ºF Respuesta 80 ºC = 176 ºF 5) Convertir t = (-40 ºC) a K Iepm. Fisicoquímica Calor y Temperatura. Pág. 5/6

TK = 273K + tºC--------> 273 K + (-40 ºC) = 233 K Respuesta 80 ºC = 176 ºF 6) Convertir T = (40 K) a ºC tºC = TK – 273 K ------> 40 K – 273 K = -233 ºC Respuesta 40 K = - 233 ºC

TERMOLOGIADefinición: es la parte de la Física que estudia las leyes que rigen los fenómenos caloríficos.

TermometríaTEMPERATURA. El concepto de temperatura es intuitivo y se basa en la sensación de frío o calor que sentimos al tocar un cuerpo. Sin embargo, está sensación de frío o calor no es suficiente para caracterizar el estado de calentamiento de un cuerpo, pues ella depende de varios factores.

Por tanto; definiremos a la temperatura como la magnitud física que mide el estado de agitación de las partículas de un cuerpo, caracterizando su estado térmico.

PUNTOS FIJOS: son dos (2) puntos característicos en que la experiencia muestra que algunos fenómenos se reproducen siempre en las mismas condiciones.

1er Punto fijo: es el punto de fusión del hielo y es el estado térmico en que aparecen en equilibrio los estados sólido y líquido del agua pura.

2do Punto fijo: es el punto de ebullición del agua y es el estado térmico del vapor de agua en ebullición.

Escalas Termométricas

Relación entre las Escalas Termométricas

Termometría - Problemas1- Transforme 50 °C en grados Fahrenheit.

2- Transforme 20 °C en grados Fahrenheit.

3- Transforme según la ecuación de conversión : a) 15 °C a °F; y b) -10 °F a °C.

4- La temperatura en un salón es 24 °C. ¿Cuál será la lectura en la escala Fahrenheit?.

5- Un médico inglés mide la temperatura de un paciente y obtiene 106 °F. ¿Cuál será la lectura en la escala Celsius?.

6- Completar el siguiente cuadro; utilizando la ecuación de conversión:

CENTIGRADO FAHRENHEIT KELVIN REAUMUR

200 °C      

  40 ° F    

-5 °C      

    400 °K  

      40 °R

7- Cierta escala termométrica °X adopta los valores 10 °X y 510 °X, respectivamente, para el 1er punto fijo y 2do punto fijo. Determine: a) la ecuación de conversión entre la escala °X y la escala °C; b) la ecuación de conversión entre la escala °X y la escala °F; y c) cuánto corresponde en la escala °X el valor de 30 °C.

8- En presencia de hielo una columna líquida de mercurio alcanza 2 cm de altura y en presencia de vapor de agua alcanza 6 cm. Determinar: a) la ecuación termométrica en la escala °C y b) la temperatura de un cuerpo para el cual la columna líquida mide 3,5 cm.

9- Complete el siguiente cuadro :

KELVIN REAUMUR CENTIGRADO FAHRENHEIT

    40 °C  

      20 °F

450 °K      

100 °K   400 °K  

  60 °R    

10- Un termómetro de gas a volumen constante, indica una presión de 8 mm de mercurio en contacto con el hielo y de 12 mm de Hg en contacto con el vapor de agua. Calcular : a) la ecuación termométrica en la escala °F y b) la presión cuando la temperatura alcanza 100 °F.

11- Cierta escala termométrica °Y adopta los valores 5 °Y e 400°Y respectivamente, para el 1er y 2do punto fijo. Determine la ecuación de conversión entre la escala °Y y la escala °C. Además, determine la indicación en la escala °Y correspondiente a 60 °C.

12- En un termómetro de mercurio, la columna líquida tiene una altura de 4 cm en presencia de hielo en fusión. Cuando el termómetro se coloca en

presencia de vapores de agua en ebullición a presión normal, la columna líquida alcanza 10 cm de altura. Determine: a) la ecuación termométrica de ese termómetro en la escala Centígrado y b) la temperatura de un cuerpo para el cual la columna líquida mide 7,25 cm.

13- En un termómetro de gas, a volumen constante, la presión P adquiere valores de 200 mm de Hg en el punto de hielo y de 700 mm de Hg en el punto de vapor. Determine: a) la ecuación termométrica de este termómetro en la escala °C y b) la temperatura indicada cuando la presión alcanza 500 mm de Hg.

14- Un termómetro de mercurio está graduado en las escalas Celsius y Fahrenheit. La distancia entre dos marcas consecutivas en la graduación Fahrenheit es 1 mm. ¿Cuál es la distancia entre dos marcas consecutivas en la graduación Celsius?.

15- Un termómetro es graduado en una escala °Y tal que a 20 °C corresponden a 30 °Y; y 120 °C corresponden a 300 °Y. ¿Cuál es el valor en la escala °Y que corresponde a 50 °C?.

16- Determinar la temperatura que en escala Fahrenheit es expresada por un número cuatro (4) veces mayor que el correspondiente en la escala Celsius.

Energía, Calor y otros conceptos relacionados

1.2. Calor

3. Temperatura4. Escalas Termométricas5. Estados de Agregación6. Termodinámica7. Conclusión8. Bibliografía

INTRODUCCION

En el área de Física, y en concordancia con lo desarrollado en clase, se propuso la tarea realizar un trabajo de tipo teórico, el cual recopilara la mayor cantidad de información posible acerca de el calor, la temperatura y otros conceptos relacionados, como termodinámica y los cambios de estado.

El trabajo cuenta con una portada con los datos básicos de la obra: el tema, lugar donde se levo a cabo, autores, materia, docente a cargo, fecha y lugar de entrega.

Seguido de ello se presenta un índice y una introducción. A continuación se encuentra el cuerpo de la obra, dividido en cinco partes correspondientes al tema a tratar.

Para finalizar se presenta una conclusión que resume los puntos básicos de la obra, seguida de una bibliografía, que demuestra de donde se ha extraído la información, y por último la respectiva marca del autor.

CALOR

Para la física, es la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en debido a una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo. Existen una serie de conceptos relacionados con el calor, entre los que podemos encontrar:

Energía Interna: cantidad total de todas las clases de energía que posee un cuerpo, las cuales se pueden manifestar según las propiedades de éste. Por ejemplo, un metal que posee varios tipos de energía (calórica, potencial gravitacional, química…), puede manifestar la que suscite al momento; si éste es alcanzado por un rayo, esa energía es la que manifestará.

Caloría: es una antigua unidad que sirve para medir las cantidades de calor. La caloría-gramo (cal), suele definirse como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 1 gramo de agua, por ejemplo, de 14,5 a 15,5 °C. La definición más habitual es que 1 caloría es igual a 4,1840 joules. En ingeniería se emplea la caloría internacional, que equivale a 1/860 vatios/hora (4,1868 J). Una caloría grande o kilocaloría (Cal), muchas veces denominada también caloría, es igual a 1.000 calorías-gramo, y se emplea en dietética para indicar el valor energético de los alimentos.

Calor Específico: es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa (1 gramo) de una sustancia en un grado (1°C). En el Sistema Internacional de unidades, el calor específico se

expresa en julios por kilogramo y kelvin; en ocasiones también se expresa en calorías por gramo y grado centígrado. El calor específico del agua es una caloría por gramo y grado centígrado, es decir, hay que suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado.

Dilatación térmica: Aumento del volumen de los cuerpos al calentarse. Es mayor en los gases que en los líquidos y reducida en los sólidos. Además varía según la composición química de los cuerpos.

Transferencia del Calor

• Por Conducción

En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción, la cual se da por contacto directo entre las sustancias. Por ejemplo, si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura y el movimiento que los mismos átomos ejercen. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor, como lo son los metales de transición interna.

• Por Convección

Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.

Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima.

• Por Radiación

La radiación presenta una diferencia respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. La única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. En 1905, Albert Einstein sugirió que la radiación se comporta, a veces, como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe un máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo ideal (cuerpo negro) emite radiación ajustándose exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten con una intensidad algo menor.

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La contribución de todas las longitudes de onda a la energía radiante emitida se denomina poder emisor del cuerpo, y corresponde a la cantidad de energía emitida por unidad de superficie del cuerpo y por unidad de tiempo. Según la ley de Planck, todas las sustancias emiten energía radiante sólo por tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida. Además de emitir radiación, todas las sustancias son capaces de absorberla. Las superficies opacas pueden absorber o reflejar la radiación incidente. Generalmente, las superficies mates y rugosas absorben más calor que las superficies brillantes y pulidas, y las superficies brillantes reflejan más energía radiante que las superficies mates. Además, las

sustancias que absorben mucha radiación también son buenos emisores; las que reflejan mucha radiación y absorben poco son malos emisores. Algunas sustancias, entre ellas muchos gases y el vidrio, son capaces de transmitir grandes cantidades de radiación. El vidrio, por ejemplo, transmite grandes cantidades de radiación ultravioleta, de baja longitud de onda, pero es un mal transmisor de los rayos infrarrojos, de alta longitud de onda.

TEMPERATURA

Mediante el contacto de la epidermis con un objeto se perciben sensaciones de frío o de calor. Los conceptos de calor y frío son totalmente relativos y sólo se pueden establecer con la relación a un cuerpo de referencia como, por ejemplo, la mano del hombre. Lo que se percibe con más precisión es la temperatura del objeto o, más exactamente todavía, la diferencia entre la temperatura del mismo y la de la mano que la toca. Ahora bien, aunque la sensación experimentada sea tanto más intensa cuanto más elevada sea la temperatura, se trata sólo una apreciación muy poco exacta que no puede considerarse como medida de temperatura. Para efectuar esta última se utilizan otras propiedades del calor, como la dilatación, cuyos efectos son susceptibles. Temperatura es, entonces, la cantidad de calor que posee un cuerpo.

Con muy pocas excepciones todos los cuerpos aumentan de volumen al calentarse y diminuyen cuando se enfrían. En caso de los sólidos, el volumen suele incrementarse en todas las direcciones se puede observar este fenómeno en una de ellas con experiencia del pirómetro del cuadrante. Éste consta de una barra metálica apoyada en dos soportes, uno de los cuales se fija con un tornillo, mientras que el otro puede deslizarse y empujar una palanca acodada terminada por una aguja que recorre un cuadrante o escala cuadrada. Cuando, mediante un mechero, se calienta fuertemente la barra, está se dilata y el valor del alargamiento, ampliado por la palanca, aparece en el cuadrante.

Otro experimento igualmente característico es el llamado del anillo de Gravesande. Este aparato se compone de un soporte del que cuelga una esfera metálica cuyo diámetro es ligeramente inferior al de un anillo el mismo metal por el cual puede pasar cuando las dos piezas están a l a misma temperatura. Si se calienta la esfera dejando el anillo a la temperatura ordinaria, aquella se dilata y no pasa por el anillo; en cambio puede volver a hacerlo una vez enfriada o en el caso en que se hayan calentando simultáneamente y a la misma temperatura la esfera y el anillo.

La dilatación es, por consiguiente, una primera propiedad térmica de los cuerpos, que permite llegar a la noción de la temperatura. La segunda magnitud fundamental es la cantidad de calor que se supone reciben o ceden los cuerpos al calentarse o al enfriarse, respectivamente.

La cantidad de calor que hay que proporcionar a un cuerpo para que su temperatura aumente en un número de unidades determinado es tanto mayor cuanto más elevada es la masa de dicho cuerpo y es proporcional a lo que se denomina calor específico de la sustancia de que está constituido. Cuando se calienta un cuerpo en uno de sus puntos, el calor se propaga a los que son próximos y la diferencia de temperatura entre el punto calentado directamente y otro situado a cierta distancia es tanto menor cuando mejor conducto del calor es dicho cuerpo.

Se desprende de lo anterior que el estudio del calor sólo puede hacerse después de haber definido de una exacta los dos términos relativos al propio calor, es decir, la temperatura, que se expresa en grados, y la cantidad de calor, que se expresa en calorías.

ESCALAS

Cinco escalas diferentes de temperatura están en uso en estos días: la Celsius, conocida también como escala centígrada, la Fahrenheit, la Kelvin, la Rankine, y la escala internacional de temperatura termodinámica. La escala centígrada, con un punto de congelación de 0° C y un punto de ebullición de 100°C, se usa ampliamente en todo el mundo, particularmente para el trabajo científico, aunque que se destituida oficialmente en 1950 por la escala internacional de temperatura.

La escala Fahrenheit, usada en países de habla inglesa es usada no solo con propósitos de trabajo científico sino con otros y con base en el termómetro de mercurio, el punto de congelación del agua se define en 32° F y el punto de ebullición en 212° F. En la escala Kelvin, la más usualmente usada en escala termodinámica de temperatura, el cero se define como el cero absoluto de la temperatura, que es, -273.15°C ó -459.67° F. Otra escala que emplea el cero absoluto como su punto más bajo es la escala de Rankine, en la cual cada grado de temperatura es equivalente a un grado de la escala Fahrenheit. El punto de congelación del agua en la escala de Rankine es de 492° R, y el punto de ebullición es de 672° R.

 En 1933 científicos de 31 naciones adoptaron una escala de temperatura internacional nueva con puntos adicionales fijos de temperatura, con base en la escala de Kelvin y con principios termodinámicos. La escala internacional es con base en la propiedad eléctrica de resistencia, con cable de platino como la temperatura base entre los -190° y 660° C. Arriba de los 660° C, hasta el punto de derretimiento del oro, 1063° C, se usa para puntos de temperatura mas altos, a partir de este punto las mediciones de temperatura son medidas por el llamado pirometro óptico, que usa la intensidad de luz de una onda emitida por un cuerpo caliente para el propósito.

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 Pasaje de Escalas Comunes

Las dos escalas de temperatura de uso común son la Celsius (llamada anteriormente ‘’centígrada’’) y la Fahrenheit. Estas se encuentran definidas en términos de la escala Kelvin, que es la escala fundamental de temperatura en la ciencia.

La escala Celsius de temperatura usa la unidad ‘’grado Celsius’’ (símbolo 0C), igual a la unidad ‘’Kelvin’’. Por esto, los intervalos de temperatura tienen el mismo valor numérico en las escalas Celsius y Kelvin. La definición original de la escala Celsius se ha sustituido por otra que es más conveniente. Sí hacemos que Tc represente la escala de temperatura, entonces:

Tc = T - 273.150

…relaciona la temperatura Celsius Tc (0C) y la temperatura Kelvin T(K). Vemos que el punto triple del agua (=273.16K por definición), corresponde a

0.010º C. La escala Celsius se definió de tal manera que la temperatura a la que el hielo y el aire saturado con agua se encuentran en equilibrio a la presión atmosférica, el llamado punto de hielo es 0.00 º C y la temperatura a la que el vapor y el agua liquida, están en equilibrio a 1 atm. de presión, punto del vapor, es de 100.00 º C.

La escala Fahrenheit, todavía se usa en algunos países que emplean el idioma ingles aunque usualmente no se usa en el trabajo científico. Se define que la relación entre las escalas Fahrenheit y Celsius es:

De esta relación podemos concluir que el punto del hielo (0.00 º C) es igual a 32.0 º F, y que el punto del vapor (100.0 º C) es igual a 212.0 0F, y que un grado Fahrenheit es exactamente igual 5/9 del tamaño de un grado Celsius.

ESTADOS DE AGRAGACION DE LA MATERIA

Los diferentes estados en que podemos encontrar la materia de este universo en el que vivimos se denominan estados de agregación de la materia, porque son las distintas maneras en que la materia se "agrega", distintas presentaciones de un conjunto de átomos. Los estados de la materia son cinco: Sólido, Líquido, Gaseoso, Plasma, Condensado de Bose-Einstein.

Los tres primeros son de sobra conocidos por todos nosotros y los encontramos en numerosas experiencias de nuestro día a día. El sólido lo experimentamos en los objetos que utilizamos, el líquido en el agua que bebemos y el gas en el aire que respiramos, en tanto que los otros son nos rodean, aunque los experimentamos de forma indirecta.

Es interesante analizar que los griegos sostenían que el universo estaba formado por cuatro elementos: aire, agua, tierra y fuego. Haciendo un símil, podríamos asignar un elemento físico a cada elemento filosófico:

Aire - GasAgua - LíquidoTierra - Sólido

Fuego – Plasma

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Esta figura muestra los cuatro estados de la materia: sólido, líquido, gaseoso, y plasma. Si tomas al agua como un ejemplo de materia, los primeros tres estados son los siguientes: hielo, agua, vapor. El estado

de plasma del agua estaría formado por núcleos de hidrógeno y electrones.

Estados comunes de Agregación de la Materia

• Estado Sólido

Los sólidos se caracterizan por tener forma y volumen constantes. Esto se debe a que las partículas que los forman están unidas por unas fuerzas de atracción grandes de modo que ocupan posiciones casi fijas. En el estado sólido las partículas solamente pueden moverse vibrando u oscilando alrededor de

posiciones fijas, pero no pueden moverse trasladándose libremente a lo largo del sólido. Las partículas en el estado sólido propiamente dicho, se disponen de forma ordenada, con una regularidad espacial geométrica, que da lugar a diversas estructuras cristalinas. Al aumentar la temperatura aumenta la vibración de las partículas.

• Estado Líquido

Los líquidos, al igual que los sólidos, tienen volumen constante. En los líquidos las partículas están unidas por unas fuerzas de atracción menores que en los sólidos, por esta razón las partículas de un líquido pueden trasladarse con libertad. El número de partículas por unidad de volumen es muy alto, por ello son muy frecuentes las colisiones y fricciones entre ellas. Así se explica que los líquidos no tengan forma fija y adopten la forma del recipiente que los contiene. También se explican propiedades como la fluidez o la viscosidad. En los líquidos el movimiento es desordenado, pero existen asociaciones de varias partículas que, como si fueran una, se mueven al unísono. Al aumentar la temperatura aumenta la movilidad de las partículas (su energía).

• Estado Gaseoso

Los gases, igual que los líquidos, no tienen forma fija pero, a diferencia de éstos, su volumen tampoco es fijo. También son fluidos, como los líquidos.En los gases, las fuerzas que mantienen unidas las partículas son muy pequeñas. En un gas el número de partículas por unidad de volumen es también muy pequeño.Las partículas se mueven de forma desordenada, con choques entre ellas y con las paredes del recipiente que los contiene. Esto explica las propiedades de expansibilidad y compresibilidad que presentan los gases: sus partículas se mueven libremente, de modo que ocupan todo el espacio disponible. La compresibilidad tiene un límite, si se reduce mucho el volumen en que se encuentra un gas éste pasará a estado líquido.

Al aumentar la temperatura las partículas se mueven más deprisa y chocan con más energía contra las paredes del recipiente, por lo que aumenta la presión

• Características Físicas de los Estados Comunes

Estado de Agregación Sólido Líquido Gas

Volumen Definido Definido Indefinido

Forma Definida Indefinida Indefinida

Compresibilidad Incompresible Incompresible Compresible

Atracción entre Moléculas Intensa Moderada Despreciable

Otros Estados

• Estado de Plasma o Plasmático

El plasma es un gas ionizado, esto quiere decir que es una especie de gas donde los átomos o moléculas que lo componen han perdido parte de sus electrones o todos ellos. Así, el plasma es un estado parecido al gas, pero compuesto por electrones, cationes (iones con carga positiva) y neutrones. En muchos casos, el estado de plasma se genera por combustión.

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 El Sol situado en el centro de nuestro sistema solar está en estado de plasma, no es sólido, y los conocidos tubos fluorescentes contienen plasma en su interior (vapor de mercurio). Las luces de neón y las luces urbanas usan un principio similar. La ionosfera, que rodea la tierra a 70-80 km de la superficie terrestre, se encuentra también en estado de plasma. El viento solar, responsable de las deliciosas auroras boreales, es un plasma también. En realidad, el 99% de la material conocida del universo se encuentra en estado de plasma. Aunque también es verdad que sólo conocemos el 10% de la material que compone el universo. Esto significa que el escaso 105 de materia que hemos estudiado, el 99% es plasma, o sea, casi todo es plasma en el universo.

• Condensado de Bose - Einstein

En 1920, Santyendra Nath Bose desarrolló una estadística mediante la cual se estudiaba cuándo dos fotones debían ser considerados como iguales o diferentes. Envió sus estudios a Albert Einstein, con el fin de que le apoyara a publicar su novedoso estudio en la comunidad científica y, además de apoyarle, Einstein aplicó lo desarrollado por Bose a los átomos. Predijeron en conjunto el quinto estado de la materia en 1924. No todos los átomos siguen las reglas de la estadística de Bose-Einstein. Sin embargo, los que lo hacen, a muy bajas temperaturas, se encuentran todos en el mismo nivel de energía.

Cambios de Estado

Cuando un cuerpo, por acción del calor o del frío pasa de un estado a otro, decimos que ha cambiado de estado. En el caso del agua: cuando hace calor, el hielo se derrite y si calentamos agua líquida vemos que se evapora. El resto de

las sustancias también puede cambiar de estado si se modifican las condiciones en que se encuentran. Además de la temperatura, también la presión influye en el estado en que se encuentran las sustancias.

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 TERMODINAMICA

La termodinámica se define como la ciencia de la energía. La palabra termodinámica proviene de los vocablos griegos thermos (calor) y dinamycs (potencia), que describe los primeros esfuerzos por convertir el calor en potencia. Hoy en día el mismo concepto abarca todos los aspectos de la energía y sus transformaciones, incluidas la producción de potencia, la refrigeración y las relaciones entre las propiedades de la materia. Para ello ésta se basa en la extracción de un conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable.

Ley cero de la Termodinámica: "Equilibrio de Energía"

Establece que: si un cuerpo A está en equilibrio térmico con un cuerpo C y un cuerpo B también está en equilibrio térmico con el cuerpo C, entonces los cuerpos A y B están en equilibrio térmico. Esta curiosa nomenclatura se debe a que los científicos se dieron cuenta tardíamente de la necesidad de postular lo que hoy se conoce como la ley cero: si un sistema está en equilibrio con otros dos, estos últimos, a su vez, también están en equilibrio. Cuando los sistemas pueden intercambiar calor, la ley cero postula que la temperatura es una variable de estado, y que la condición para que dos sistemas estén en equilibrio térmico es que se hallen a igual temperatura.

1ª Ley de la Termodinámica: "Ley de conservación de la Energía"

"La energía no se gana, se crea ni se destruye, sólo se transforma. El universo conserva la energía: si hay un incremento en la energía interna de un sistema, debe haber un descenso equivalente en la energía de su entorno, y viceversa."

Las primeras máquinas térmicas construidas, fueron dispositivos muy eficientes. Solo una pequeña fracción del calor absorbido de la fuente de la alta temperatura se podía convertir en trabajo útil. Aun al progresar la ingeniería, una fracción del calor absorbido se sigue descargando en el escape de una máquina a baja temperatura, sin que pueda convertirse en energía mecánica. Sigue siendo una esperanza diseñar una maquina que pueda tomar calor de un depósito abundante, como el océano y convertirlo íntegramente en un trabajo útil. Entonces no seria necesario contar con una fuente de calor con una temperatura más alta que el medio ambiente. De la misma manera, podría esperarse, que se diseñara un refrigerador que simplemente transporte calor, desde un cuerpo frío a un cuerpo caliente, sin que tenga que gastarse trabajo exterior. A éstos intentos se los denominan "móvil perpetuo de primera especie".

Ninguna de estas aspiraciones ambiciosas violan la primera ley de la termodinámica. La máquina térmica sólo podría convertir energía calorífica completamente en energía mecánica, conservándose la energía total del proceso. En el refrigerador simplemente se transmitiría la energía calorífica de un cuerpo frío a un cuerpo caliente, sin que se perdiera la energía en el proceso. Nunca se ha logrado ninguna de estas aspiraciones y hay razones

para que se crea que nunca se alcanzarán. Se basan en los principios de Claucius y Kelvin-Plank, de la segunda ley. Ellas eliminan la ambición de la máquina térmica, ya que implica que no podemos producir trabajo mecánico sacando calor de un solo depósito, sin devolver ninguna cantidad de calor a un depósito que esté a una temperatura más baja.

2ª Ley de la Termodinámica: "Ley de Entropía"

Es la más universal de las leyes físicas; e introduce una definición de una propiedad llamada entropía. "La entropía de un sistema aislado aumenta con el tiempo o, en el mejor de los casos, permanece constante, mientras que la entropía del universo, como un todo, crece inexorablemente hacia un máximo". La entropía se puede considerar como una medida de lo próximo o no que se halla un sistema al equilibrio; también se puede considerar como una medida del desorden (espacial y térmico) del sistema. En su interpretación más general, establece que cada instante el Universo se hace más desordenado. Hay un deterioro general hacia el caos. Uno de los patrones fundamentales de comportamiento que encontramos en el mundo físico es la tendencia de las cosas a desgastarse y agotarse. Las cosas tienden hacia un estado de equilibrio. En todas partes podemos encontrar ejemplos de la Segunda Ley: los edificios se derrumban, la gente envejece, las montañas y las costas se erosionan, los recursos naturales se agotan.

La 2ª ley de la Termodinámica, una ley fundamental relacionada con la naturaleza del calor. La cantidad perdida no permanece solo como calor, sino que se convierte en calor a una menor temperatura, del cual solo se puede transformar en otras formas de energía una pequeña cantidad. Se podrían solucionar todos los problemas de energía de la humanidad si, por ejemplo, se pudiera extraer la energía calorífica de los océanos, dejándolos ligeramente más fríos y convirtiendo el calor extraído en electricidad, pero la 2ª ley nos dice que eso no es posible. Se los llama "móvil perpetuo de segunda especie", los cuales suponen une remota posibilidad mas grande que los de primera especie.

Definición de Clausius de la segunda ley: El calor no puede, por sí mismo, pasar de un cuerpo más frío a uno más caliente.

Definición de Kelvin-Planck de la segunda ley: Es imposible para un sistema experimentar un proceso cíclico cuyo único resultado sea la absorción de calor de un único depósito a una única temperatura y la transformación en una cantidad equivalente de trabajo.

3ª Ley de la Termodinámica: "Ley del Cero Absoluto"

En el análisis de muchas reacciones químicas es necesario fijar un estado de referencia para la entropía. Este siempre puede escogerse algún nivel arbitrario de referencia cuando solo se involucra un componente; para las tablas de vapor convencionales se ha escogido 320F. Sobre la base de las observaciones hechas por Nernst y por otros, Planck estableció la tercera ley de la termodinámica en 1912, así: "La entropía de todos los sólidos cristalinos perfectos es cero a la temperatura de cero absoluto". Un cristal "perfecto" es aquel que esta en equilibrio termodinámico. En consecuencia, comúnmente se establece la tercera ley en forma más general, como: "La entropía de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinámico tiende a cero a medida que la temperatura tiende a cero". El tercer principio de la

termodinámica afirma que el cero absoluto no se puede alcanzar por ningún procedimiento que conste de un número finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a él. La temperatura puede disminuirse retirando energía de un sistema, es decir, reduciendo la intensidad del movimiento molecular. El cero absoluto corresponde al estado de un sistema en el que todos sus componentes están en reposo. Sin embargo, según la mecánica cuántica, incluso en el cero absoluto existe un movimiento molecular fraccionario.

CONCLUSION

El calor, a través de los tiempos, con sus diferentes formas y adaptaciones (calórico, energía, fuerza vital –como mencionan los textos del Medioevo -, etc…), es, haciendo caso a los medievales, la "prima energía". Es uno de los principales motores del universo; si bien no el único, ya que comparte el puesto con la gravedad (pero, aunque hablando bien, en terminología geofísica, éste surge del calor).

En base al trabajo realizado, se pueden determinar con precisión y a manera de resumen algunos puntos básicos:

El calor es una forma de energía que se basa en transmitir la agitación de las moléculas, ya fuere por diversos medios (conducción, convección, radiación), con el objeto de cumplir con las leyes de la termodinámica, principalmente la de entropía.

La temperatura es la cantidad de calor que puede tener un cuerpo, y se puede medir según diferentes escalas. Las diferencias de escalas se deben solo a su campo de aplicación. Se consideran los puntos extremos a los extremos de la escala Rankine (mínima Tº: 0ºR / máxima Tº: 672ºR).

Toda la materia, así como cualquier sustancia (menos la oscura), posee calor, o al menos energía interna. A menos qué esta este en estado de plasma o condensado de Bose – Einstein, puede sufrir modificaciones, llamas cambios de estado, y su estructura, en condiciones normales de temperatura y presión, es llamada "estados de agregación de la materia".

En el último tema tratado, la termodinámica, sus leyes regulan toda la actividad energética, y por consiguiente biológica, del universo. Son la base de todo acto físico, y por consiguiente de todas las ciencias humanas.

Para finalizar, se podría acotar que, de esta manera, ver los frutos de todo el empeño puesto, logran que, a través de la investigación y análisis, se facilite la asimilación de conocimientos de manera práctica, creando una base de datos que acompaña a cada persona durante toda su vida.

Ivan Tavera Busso

BIBLIOGRAFIA

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Reverté, S.A., España, 1976.

Páginas Recomendadas:

•http://www.educaplus.org/modules/wfsection/article.php?articleid=19

  

Conclusiones y Recomendaciones

Para una descripción cuantitativa de los fenómenos térmicos, es necesaria una definición cuidadosa de conceptos como: temperatura, calor y energía interna. Para entender el concepto de temperatura es útil definir dos frases usadas con frecuencia, contacto térmico y equilibrio térmico. Para comprender el significado de contacto térmico, basta imaginar dos objetos situados en un recipiente aislado de manera que interactúen entre sí pero no con el resto de mundo. Si los objetos están a diferentes temperaturas, entre ellos se intercambia energía, aun cuando no estén en contacto físico. El calor es la transferencia de energía de un objeto a otro como resultado de una diferencia de temperatura entre los dos. El equilibrio térmico es una situación en la que dos objetos en contacto térmico dejan de intercambiar energía por el proceso de calor ya que los dos alcanzaron la misma temperatura. Los termómetros son instrumentos que se usan para medir temperaturas, todos están basados en el principio de que alguna propiedad física de un sistema cambia conforme cambia la temperatura del sistema; algunas de esas propiedades son: el volumen de un líquido, la longitud de un sólido, la presión de un gas, la resistencia eléctrica de un conductor, entre otras. Los termómetros más comunes constan de una masa de líquido (mercurio o alcohol) que se expande dentro de un tubo de vidrio capilar cuando se calienta. La energía interna es toda aquella energía de un sistema que está asociada con sus componentes microscópicos (átomos y moléculas) y que se relaciona con la temperatura de un objeto. Cuando se calienta una sustancia, se le está transfiriendo energía al ponerla en contacto con un ambiente de mayor temperatura, el término calor se usa así para representar la cantidad de energía transferida. Es importante comprender la relación a la cual la energía se transfiere y los mecanismos responsables de la transferencia. Se conocen tres mecanismos de transferencia de energía; el proceso de transferencia de energía que está más claramente asociado con una diferencia de temperatura es la conducción térmica. Otro mecanismo es por convección, se ve cuando la transferencia es por el movimiento del medio que puede ser aire o agua y el movimiento es por cambios en la densidad. La tercera forma de transferir energía es radiación. Todos los objetos radian energía continuamente, un cuerpo que está más caliente que sus alrededores radia más energía de la que absorbe, en tanto que un cuerpo que está más frío que su alrededor absorbe más energía de la que radia. Las conclusiones que podemos al estudiar el calor y la energía son:

1.- El calor se transfiere en forma de energía2.- El calor se transfiere de un cuerpo de mayor temperatura a uno de menor temperatura

3.- La energía se transfiere por tres mecanismos: conducción, convección y radiación4.- La temperatura es la medida de la energía interna de un sistema.

5.- La temperatura se puede medir con los termómetros y no con sensaciones térmicas.