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1.2.CALOR Y TEMPERATURA
FUNDAMENTOS INTRODUCTORIOS DE TERMODINAMICA
• Diferenciar los conceptos de Calor y temperatura
• Comprender el funcionamiento de un termómetro.
• Comprender el efecto que tiene el intercambio de calor en la temperatura o el estado de agregación de los cuerpos.
• Definir el concepto de Equilibrio Térmico, y aplicarlo para la determinación de temperaturas de equilibrio o magnitudes calorimétricas en mezclas de sustancias con diferentes temperaturas.
OBJETIVOS
• Breve reseña Histórica
• Energía térmica
• Temperatura
• Dilatación
• Calor
• Calor Específico
• Equivalente mecánico del calor
• Cambios de estado
• Calor latente
CONTENIDOS:
Breve reseña Histórica
La hipótesis del calórico y su cuestionamiento. El primero de los problemas que tuvo que resolver la ciencia del calor fue la diferenciación entre este concepto y la temperatura. Gracias a la construcción y uso de termómetros, Joseph Black (1728-1799)
definió operacionalmente la temperatura de un cuerpo como el número que marcaba el termómetro puesto contacto con él y el calor se entendía como algo que se intercambiaban los cuerpos a diferente temperatura hasta llegar al equilibrio térmico.
Así pues, el calor se definió relacionándolo con la variación de temperatura y la masa del cuerpo calentado o enfriado. Se fue construyendo la calorimetría como un método (el de las mezclas) que permitía predecir y contrastar la temperatura de equilibrio al poner en contacto dos cuerpos a diferente temperatura.
En relación a la naturaleza del calor como dice Arons (1970), Bacon, Hooke y el calor es una propiedad del cuerpo calentado
resultando del movimiento (vibratorio) o agitación de sus partes'
ENERGIA TÉRMICA
• Se le denomina energía térmica a la energía liberada en forma de calor, obtenida de la naturaleza (energía geotérmica), mediante la combustión de algún combustible fósil (petróleo, gas natural o carbón), mediante energía eléctrica por efecto Joule, por rozamiento, por un proceso de fisión nuclear o como residuo de otros procesos mecánicos o químicos.
Calor y energía térmica
La energía interna es toda la energía que pertenece a un sistema mientras está estacionario (es decir, no se traslada ni rota), incluida la energía nuclear, la energía química y la energía de deformación (como un resorte comprimido o estirado), así como energía térmica.
Energía Térmica
La energía térmica es la parte de la energía interna que cambia cuando cambia la temperatura del sistema.
La transferencia de energía térmica es producida por una diferencia de temperatura entre un sistema y sus alrededores, la cual puede o no cambiar la cantidad de energía térmica en el sistema.
El término calor se utiliza para dar entender tanto energía térmica como transmisión de energía térmica.
Cuando cambia la temperatura de un sistema y en el proceso cambia la temperatura de un sistema vecino, decimos que ha habido flujo de calor que entra o sale del sistema.
Unidades de calor
La caloría fue definida como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14.5ºC a 15.5ºC.
La unidad de calor en el sistema ingles es la unidad térmica británica (Btu), definida como el calor necesario para elevar la temperatura de 1 lb de agua de 63ºF a 64ºF.
En el sistema SI la unidad de calor es la unidad de energía, es decir, el Joule.
El equivalente mecánico del calor
4.1858 J de energía mecánica elevaban la temperatura de 1 g de agua de 14.5ºC a 15.5ºC.
Éste valor se conoce como el equivalente mecánico del calor.
Capacidad Calorífica y calor específico
La capacidad calorífica, C, de una muestra particular de una sustancia se define como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de esa muestra en un grado centígrado.
Q = C T
El calor específico c de una sustancia es la capacidad calorífica por unidad de masa.
Tm
Q
m
Cc
El calor específico molar de una sustancia es la capacidad calorífica por mol.
Ejemplo
La energía requerida para aumentar la temperatura de 0.50 kg de agua en 3°C es:
Q = mc T = (0.5)(4186)(3) = 6.28 x 103 J.
Donde c = 4186 J/kg °C
Calores específicos de algunas sustancias a 25°C y presión atmosférica
Calor específico
Sustancia J/kg °C Cal/g °C
Sólidos elementales
Aluminio
Berilio
Cobre
Germanio
Oro
Hierro
Plomo
Silicio
Plata
900
1830
387
322
129
448
128
703
234
0.215
0.436
0.0924
0.077
0.0308
0.107
0.0305
0.168
0.056
Otros sólidos
Vidrio
Hielo (-5°C)
Mármol
Madera
837
2090
860
1700
0.200
0.50
0.21
0.41
Líquidos
Alcohol (etílico)
Mercurio
Agua (15°C)
2400
140
4186
0.58
0.033
1.00
Gas
Vapor (100°C) 2010 0.48
Calorimetría
Para medir el calor específico de una sustancia se calienta la muestra y se sumerge en una cantidad conocida de agua. Se mide la temperatura final y con estos datos se puede calcular el calor específico.
mw
Tw< Tx
mx
Tx
Tf
antes
después
Qfrio = Qcaliente
mwcw(Tf Tw) = mxcx(Tf Tx)
fxx
wfww
xTTm
TTcmc
Ejemplo
Un lingote metálico de 0.050 kg se calienta hasta 200°C y a continuación se introduce en un vaso de laboratorio que contiene 0.4 kg de agua inicialmente a 20°C. si la temperatura de equilibrio final del sistema mezclado es de 22.4 °C, encuentre el calor específico del metal.
fxx
wfww
xTTm
TTcmc =(0.4)(4186)(22.4 20)/((0.050)(200 22.4)) = 452.54
Tarea
El agua en la parte superior de las cataratas del Niágara tiene una temperatura de 10.0°C. El elemento cae una distancia total de 50.0 m. Suponiendo que toda su energía potencial se emplea para calentar el agua, calcule la temperatura del agua en el fondo de las cataratas.
c = 4186 J/kg °C
Q = mc T
Calor latente
Los cambios de sólido a líquido, de líquido a gas y los opuestos, se llaman cambios de fase.
La energía térmica necesaria para cambiar de fase una masa m de una sustancia pura es
Q = mL
Donde L es el calor latente (calor oculto) de la sustancia.
Existen dos tipos de calor latente:
Lf calor latente de fusión
Lv calor latente de vaporización
Algunos calores latentes
Sustancia Punto de fusión (°C)
Calor latente de fusión (J/kg)
Punto de ebullición
Calor Latente de vaporización
Helio
Nitrógeno
Oxígeno
Alcohol etílico
Agua
Azufre
Plomo
Aluminio
Plata
Oro
Cobre
-269.65
-209.97
-218.79
-114
0.00
119
327.3
660
960.80
1063.00
1083
5.23x105
2.55x104
1.38x104
1.04x105
3.33x105
3.81x104
2.45x104
3.97x105
8.82x104
6.44x104
1.34x105
-268.93
-195.81
-182.97
78
100.00
444.60
1750
2450
2193
2660
1187
2.09x104
2.01x105
2.13x105
8.54x105
2.26x106
3.26x105
8.70x105
1.14x107
2.33x106
1.58x106
5.06x106
Gráfica de la temperatura contra la energía térmica añadida cuando 1 g inicialmente a 30°C se convierte en vapor a 120°C.
Hielo
Hielo + agua
Agua
Agua + vapor
Vapor
62.7 396.7 815.7 3076 -30
0
50
100
T(°C)
A B
C
D E
Se calienta el hielo
Se funde el hielo
Se calienta el agua
Se evapora el agua
Se calienta el vapor
120
Parte A. Q1 = mici T = (1x10 3)(2090)(30) = 62.7 J
Parte B. Q2 = mLf = (1x10 3)(3.33x105) = 333 J
Parte C. Q3 = mwcw T = (1x10 3)(4.19x103)(100.0) = 419 J
Parte D. Q4 = mLv = (1x10 3)(2.26x106) = 2.26x103 J
Parte C. Q5 = mscs T = (1x10 3)(2.01x103)(20.0) = 40.2 J
Total = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 = 3114.9 J
Ejemplo
¿Qué masa de vapor inicialmente a 130°C se necesita para calentar 200 g de agua en un recipiente de vidrio de 100 g de 20.0 a 50.0 °C?
Para enfriar el vapor
Q1 = mc T = m(2010)30 = 60300m J
Para condensar el vapor se libera:
Q2 = mLf = m(2.26x106)
Para calentar el agua y el recipiente se requiere:
Q3 = mwcw T + mVcv T = (0.2)(4186)(30) + (0.1)(837)(30) = 27627
Para enfriar el vapor (agua) de 100°C a 50°C
Q3 = mcw T = m(4186)(50) = 209300
Calor perdido por el vapor = Calor ganado por agua y recipiente
60300m + 2260000m + 209300m = 27627
m = 10.9 g
REFLEXIONES CREATIVAS
¿Por que sudar durante los ejercicios ayuda a mantenerse fresco?
¿Cómo se pueden proteger a los árboles frutales una aspersión de agua cuando amenazan heladas?
¿Por qué el calor latente de evaporación del agua es mucho mas grande que el calor latente de fusión?
Tarea
¿Cuánta energía se requiere para cambiar un cubo de hielo de 40.0 g de hielo a -10.0°C a vapor a 50°C?
Diagrama p-V
Pre
sió
n
Volumen V
p
T mayor
T menor
pV = nRT
p = nRT/V
Hipérbolas
Trabajo y calor en procesos termodinámicos
Gas contenido en un cilindro a una presión P efectúa trabajo sobre un émbolo móvil cuando el sistema se expande de un volumen V a un volumen V + dV.
dW = Fdy = PAdy
dW = PdV
El trabajo total cuando el volumen cambia de Vi a Vf es:
f
i
V
VPdVW
El trabajo positivo representa una transferencia de energía eliminada del sistema.
El trabajo efectuado en la expansión desde el estado inicial hasta el estado final es el área bajo la curva en un diagrama PV.
Trayectorias
Pi
Pf
Vi Vf
i
f
P
V
Pi
Pf
Vi Vf
i
f
P
Pi
Pf
Vi Vf
P
f
i
El trabajo realizado por un sistema depende de los estados inicial y final y de la trayectoria seguida por el sistema entre dichos estados.
Trabajo y calor
Pared aislante
Pared aislante
Posición final
Posición inicial
Vacío
Membrana
Gas a T1 Gas a T1
Depósito de energía
La energía transferida por calor, al igual que el trabajo realizado depende de los estados inicial y final e intermedios del sistema.
Ejemplo
Una muestra de gas ideal se expande al doble de su volumen original de 1.00 m3 en un proceso cuasi-estático para el cual P = V2, con = 5.00 atm/m6, como se muestra en la figura. ¿Cuánto trabajo realiza el gas en expansión?
P = V2
P
V 1.00m3 2.00m3
i
f
Tarea
Un recipiente contiene un gas a una presión de 1.50 atm y un volumen de 0.050 m3. ¿Cuál es el trabajo efectuado por el gas si a) se expande a presión constante hasta el doble de su volumen inicial? b) ¿Se comprime a presión constante hasta un cuarto de su volumen inicial?
Podemos decir que el sistema tiene una energía térmica, a esta energía se le llama energía interna U.
Si se efectúa un trabajo sobre un sistema sin intercambiar calor (adiabático), el cambio en la energía interna es igual al negativo trabajo realizado:
dU = dW infinitesimal
UB UA = WA B finito
La energía interna se relaciona con la energía de las moléculas de un sistema térmico, y es solo función de las variables termodinámicas.
Energía Térmica
La primera ley de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía interna de un sistema es igual al trabajo realizado por el sistema sobre sus alrededores, con signo negativo, más el calor hacia el sistema:
U = UB UA = WA B + QA B
Esta ley es la ley de la conservación de la energía para la termodinámica.
Para cambios infinitesimales la primera ley es:
dU = dW + dQ
Si la cantidad Q W se mide para diferentes trayectorias, se encuentra que esta depende solo de los estados inicial y final.
Consecuencias de la 1a. ley
Para un sistema aislado el cambio en la energía interna es cero.
Puesto que para un sistema aislado Q = W = 0, U = 0.
En un proceso cíclico el cambio en la energía interna es cero.
En consecuencia el calor Q agregado al sistema es igual al trabajo W realizado.
Q = W, U = 0
En un proceso cíclico el trabajo neto realizado por ciclo es igual al área encerrada por la trayectoria que representa el proceso sobre un diagrama PV.
P Trabajo = Calor = Área
V
Aplicaciones de la primera ley
Un trabajo es adiabático si no entra o sale energía térmica del sistemas, es decir, si Q = 0. En tal caso:
U = W
Expansión libre adiabática
Para la expansión libre adiabática
Q = 0 y W = 0, U = 0
La temperatura de un gas ideal que sufre una expansión libre permanece constante.
Como el volumen del gas cambia, la energía interna debe ser independiente del volumen, por lo tanto
Uideal = U(T)
vacío
Gas a Ti
membrana
Muro aislante
Tf = Ti membrana
Proceso isobárico
Un proceso a presión constante se denomina isobárico, el trabajo realizado es:
if
V
V
V
VVVPdVPPdVW
f
i
f
i
P
Vi Vf
P
Para mantener la presión constante deberá haber flujo de calor, y por lo tanto, incremento en la energía interna (temperatura)
El flujo de calor en este caso es:
dQ = Cp dT
El subíndice indica que es capacidad calorífica a presión constante.
Proceso isocórico
Un proceso a volumen constante se llama isovolumétrico (o isocórico), en tal proceso el trabajo es cero y entonces: U = Q
W = 0
Pf
V
P
Pi
Para incrementar la presión deberá haber flujo de calor, y por lo tanto, incremento en la energía interna (temperatura)
El flujo de calor en este caso es:
dQ = CV dT
El subíndice indica que es capacidad calorífica a volumen constante.
V
Un proceso a temperatura constante se llama isotérmico. Si consideramos un gas ideal es trabajo es:
i
f
V
V
V
V
V
VnRTW
dVV
nRTPdVW
f
i
f
i
ln
Pi
Pf
Vi Vf
P
f
i
PV = cte.
Isoterma
Proceso isotérmico
Proceso adiabático
En un proceso adiabático no hay flujo de calor entre el sistema y sus alrededores.
El trabajo efectuado es igual al negativo del cambio en la energía interna.
Se puede demostrar que la curva que describe esta transformación es
.00 cteVppV
Donde = (Cp/CV) = 1.67, para gas ideal
adiabáticas
isotermas
Ejemplo
Un mol de gas ideal se mantiene a 0.0°C durante una expansión de 3 a 10 L, ¿Cuánto trabajo ha realizado el gas durante al expansión?
i
f
V
VnRTW ln
¿Cuánta energía se transfiere por calor con los alrededores en este proceso?
Q = W
Si el gas regresa a su volumen original por medio de un proceso isobárico, ¿Cuánto trabajo efectúa el gas?
W = P(Vf Vi) = nRT/Vi(Vf Vi)
Ejemplo
Un gas inicialmente a 300 K se somete a una expansión isobárica a 2.5 kPa. Si el volumen aumenta de 1 m3 a 3 m3, y si 12.5 kJ de energía se transfieren por calor, calcule a) el cambio en la energía interna b) su temperatura final.
W = P(Vf Vi) = 2.5k(3 1) = 5 kJ
U = W + Q = 5kJ + 12.5 kJ = 7.5 kJ
piVi /Ti = pf Vf /Tf , entonces
Tf = Ti pf Vf /(piVi) = (300)(2.5k)(3)/(2.5k)(1) = 900 K
Tarea
Un gas se comprime a presión constante de 0.800 atm de 9.00 L a 2.00 L. En el proceso salen 400 J de energía de gas por calor, a) ¿Cuál es el trabajo efectuado por el gas? b) ¿Cuál es el cambio en su energía interna?
Tarea para el foro
Una bala de plomo de 45g, que viaja a 200 m/s, se detiene en un blanco, ¿Cuánto aumentará la temperatura del plomo si el 80% de la energía se emplea en calentarlo? La masa de 1 mol de plomo es 208 g.
Un trozo de cobre de 100 g se calienta de 0°C hasta 100°C, a la presión atmosférica. ¿Cuál es el cambio de su energía interna?
El gas de un cilindro se deja expandir desde un volumen de 1.0 x 10 3 m3 hasta uno de 2.5 x 10 3 m3 y, al mismo tiempo, la presión varía linealmente con respecto al volumen, desde 1.3 atm iniciales, hasta una presión final de 0.85 atm. ¿Cuál es el trabajo efectado por el gas?
6.5 T = 400K
C
1
A
B
p
V
Se llevan tres moles de gas por un ciclo termodinámico de la figura. El ciclo consta de 1) una expansión isotérmica de A → B a una temperatura de 400K, y una presión pA = 6.5 atm; 2) una compresión isobárica de B → C a 1 atm; y 3) un aumento isicórico de presión C → A. ¿Qué trabajo se efectúa sobre el gas por ciclo?
Transferencia de calor
El proceso de transferencia de energía térmica más sencillo de describir recibe el nombre de conducción. En este proceso, la transferencia de energía térmica se puede ver en una escala atómica como un intercambio de energía cinética entre moléculas, donde las partículas menos energéticas ganan energía al chocar con las partículas más energéticas.
La conducción ocurre sólo si hay una diferencia de temperatura entre dos áreas del medio conductor.
La tasa a la cual fluye el calor es:
x
TA
t
Q
Ley de conducción de calor
La ley de conducción de calor establece que (Se utiliza el símbolo de potencia P ):
dx
dTkAP
Donde k es la conductividad térmica y dT/dx es el gradiente de temperatura.
T2
T1
Flujo de calor por T2 > T1
A
dx
Conducción en una barra
Aislante
Flujo de energía
L
T1 T2
T2>T1
L
TT
dx
dT 12
L
TTkA 12P
Conductividades térmicas
Metales (a 25°C) Conductividad térmica (W/m °c)
Aluminio
Cobre
Oro
Hierro
Plomo
Plata
238
397
314
79.5
34.7
427
No metales (valores aproximados)
Asbestos
Concreto
Diamante
Vidrio
Hielo
Caucho
Agua
Madera
0.08
0.8
2300
0.8
2
0.2
0.6
0.08
Gases (a 20°C)
Aire
Hidrógeno
Nitrógeno
Oxígeno
0.0234
0.172
0.0234
0.0238
Transferencia de energía entre dos placas
T2 T1 k2 k1
L2 L1
T2>T1
1
111
L
TTAkP
2
222
L
TTAkP
2
22
1
11
L
TTAk
L
TTAk
1221
212121
LkLk
TLkTLkT
2211
12
// kLkL
TTAP
L/k se conoce como el valor R del material
i
iR
TTA 12P
Ejemplo
Un tubo de vapor se cubre con un material aislante de 1.5 cm de espesor y 0.200 cal/cm °C s de conductividad térmica. ¿Cuánta energía se pierde cada segundo por calor cuando el vapor está a 200°C y el aire circundante se encuentra a 20 °C? El tubo tiene una circunferencia de 20 cm y una longitud de 50 cm. Ignore las pérdidas a través de los extremos del tubo.
A = (0.20)(0.50) = 0.1 m2
P = (20)(0.1)(200 20)/(0.015) = 24,000 cal/s
Tarea
Una caja con un área de superficie total de 1.20 m2 y una pared de 4.00 cm de espesor está hecha con un material aislante. Un calefactor eléctrico de 10.0 W dentro de la caja mantiene la temperatura interior a 15.0 °C sobre la temperatura exterior. Encuentre la conductividad térmica k del material aislante.
L
TTkA 12P
Convección
El calor que fluye debido a la variación de la densidad de aire se denomina convección. La convección puede ser natural o forzada.
Radiador
Radiación
El calor también se transmite por la emisión de ondas electromagnética, a este proceso se le llama radiación.
La ley de Stefan establece la forma como un cuerpo radia. La tasa a la cual un objeto emite energía radiante es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta.
P = AeT 4
Si un objeto está a una temperatura T y sus alrededores a una temperatura T0, entonces la energía que pierde por segundo es
P = Ae(T 4 - T0 4)
TEMPERATURA
La temperatura es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia. Para medir la temperatura se emplean los termómetros
DILATACIÓN TÉRMICA
Se denomina dilatación al cambio de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al cambio de temperatura que se provoca en ella por cualquier medio
CALOR
• El calor es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia. El calor puede ser generado por reacciones químicas (como en la combustión), nucleares (como en la fusión nuclear de los átomos de hidrógeno que tienen lugar en el interior del Sol), disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) o por disipación mecánica (fricción).
• Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibre.
• Tradicionalmente, la cantidad de energía térmica intercambiada se mide en calorías, que es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua para elevar su temperatura de 14,5 a 15,5 grados celsius. El múltiplo más utilizado es la kilocaloría (kcal):
• 1 kcal = 1000 cal
54
CALOR Y TEMPERATURA: INTERCAMBIO DEL CALOR COMO FORMA DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA
Pese a que los cambios que pueden producirse en los sistemas son muy variados, el modo en que los sistemas intercambian energía solo se produce de dos formas: mediante el calor y el trabajo.
• Mediante el calor. El Intercambio térmico se produce, entre dos sistemas que se encuentren en desequilibrio térmico; esto es a diferente temperatura. Pasa del de mayor temperatura a menor. Dos sistemas a igual temperatura se encuentran en equilibrio térmico.
• Mediante trabajo. El intercambio mecánico se da cuando las fuerzas actúan sobre los cuerpos y se desplazan, deforman o modifican de algún modo su movimiento. Es el tipo de intercambio energético que se produce en las máquinas: un coche, una grúa, una lavadora.
El calor y el trabajo son dos magnitudes físicas. Al ser formas de transferencia de energía, el calor y el trbajo se miden en las mismas unidades que la energía: en julios (j) o kilojulios (.1Kj = 1000 j)
55
EFECTOS DE LA TRANSFERENCIA DE ENERGÍA TÉRMICA
• Si ponemos en contacto dos cuerpos con diferente temperatura, el que posee más energía térmica la cede al otro en forma de calor, hasta que se igualan las temperaturas. Entonces la energías de los dos cuerpos también son iguales y se ha alcanzado el equilibrio térmico.
T1 > T2 T = T
• El aporte o perdida de calor de un cuerpo produce cambios en su energía interna y por tanto, de su temperatura. Este aumento o disminución de la energía térmica, produce cambios de estado, dilataciones y contracciones, transformaciones químicas, etc
• La dilatación y la contracción de los cuerpos se producen porque, al aumentar o disminuir su energía interna, las moléculas se agitan más o menos. Entonces las distancias entre ellas varían y también los espacios en los que se agitan. Si se agitan más se produce un aumento de tamaño del cuerpo (dilatación) y si se agitan menos una disminución (contracción).
T1 T2 T T
56
CAMBIO DE ESTADO DE LA MATERIA
• Cuando un cuerpo alcanza la temperatura de cambio de estado, este comienza, pero mientras que se realiza, la temperatura del cuerpo permanece constante.
57
CALOR, TEMPERATURA Y EQUILIBRIO TÉRMICO
Calor y temperatura son conceptos diferente.
El calor es energía en movimiento, es decir energía térmica transferida de un sistema que está a mayor temperatura, a otro que está a menor.
La temperatura es la magnitud física que mide la cantidad de energía térmica que tiene un cuerpo o un sistema.
Las moléculas que forman todos los cuerpos están siempre en movimiento. La temperatura nos informa del grado de agitación de las partículas de un cuerpo y equivale al valor promedio de la energía de todas sus partículas.
La unidad de temperatura en el S.I. es el grado Kelvin (K) de la escala absoluta. Pero la escala que se utiliza normalmente es la escala Centígrada, en la que la unidad es el grado centígrado (ºC) es la temperatura de fusión del hielo; y el valor de 100ºC, es la temperatura de ebullición del agua.
Equivalencia: entre grados centígrados y grados Kelvin es:
0ºC = 273 K 0 K = - 273º C
58
DISTINCIÓN ENTRE CALOR Y TEMPERATURA. LOS TERMOMETROS
El calor como hemos estudiado el calor es el transito de energía entre dos sistemas en desequilibrio térmico. El de mayor temperatura cede energía al otro. Por tanto, el calor es energía en transito y se mide en julios.
La temperatura no es energía; expresa el estado de agitación molecular de un cuerpo y se mide en kelvin, o en grados centígrados.
El calor y la temperatura son dos magnitudes distintas.
Escalas termométricas:
• Escala centígrada toma como puntos de referencia las temperaturas de fusión y ebullición. Del agua a una atmósfera de presión y se les asigna valores de 0 a 100.
• Escala Fahrenhelt: Hace corresponder los mismos puntos con 32º F y 212º F. La escala se divide en 180 partes iguales.
• Escala Kelvin. No es una escala arbitraria; su cero se sitúa en el punto de la temperatura mínima posible, donde los átomos y las moléculas estarían en reposo. Este punto se corresponde aproximadamente con 273 ºC. La undad de temperatura en el S.I. es el Kelvin (K).
Para pasar temperaturas entre las escalas, utilizamos las expresiones:
T(K) = 1 (ºC) + 273
180
)32(º
100
)(º FtCt
59
ESCALAS TERMOMÉTRICAS
60
PROPAGACION DEL CALOR
• El calor se propaga por conducción, por convección y por radiación.
• La conducción del calor se produce preferentemente cuando la energía se transmite a través de cuerpos sólidos. Por ejemplo, al calentar el extremo de una varilla metálica, las partículas se agitan mas y transmiten esas vibraciones a las partículas que tienen a su lado, y la temperatura va aumentando hacia el otro extremo.
• Unas sustancias conducen el calor mejor que otras, esto permite clasificarlas en conductoras y aislantes del calor. Por ejemplo, los metales son muy buenos conductores del calor, sin embargo la madera, el plástico o el aire no son buenos conductores, son aislantes.
• La convección del calor se produce en los líquidos y en los gases porque sus moléculas se mueven con cierta libertad. La zona que se calienta, se dilata y al adquirir menor densidad asciende. Su lugar es ocupado por las partículas de las zonas mas frías. Así se producen unas corrientes de gas o de líquido que ascienden y otras bajan, son las corrientes de convección, importantes para explicar los fenómenos atmosféricos, como calienta la calefacción el interior de una vivienda, las corrientes marinas, como se calienta en la cocina el líquido de un recipiente, etc
• La radiación del calor la producen todos los cuerpos por el hecho de tener temperatura, y es mayor cuanto mas temperatura tiene el cuerpo. El calor se propaga igual que la luz, las ondas de radio y de TV, las microondas, etc., se puede propagar incluso por el vacío, como ocurre en el Universo, con el calor que irradian las estrellas.
TEMA 1.2. DIFERENCIA ENTRE CALOR Y
TEMPERATURA.
SUBTEMA 1.2.1.
CONCEPTO DE TEMPERATURA Y MEDICIÓN.
• Cuando se habla de la temperatura de un objeto, frecuentemente la asociamos con lo caliente o con lo frío que se siente al tocarlo, de manera que nuestros sentidos nos proporcionan una indicación cualitativa de la temperatura; sin embargo, eso no es confiable. Para demostrarlo te invitamos a meter la mano derecha en agua fría y la izquierda en agua caliente y posteriormente meter las dos manos en agua tibia. ¿Cómo se sentirá cada una de las manos la temperatura del agua?.
• Si realizaste esta actividad te habrás dado cuenta de que no podemos confiar en nuestra percepción sensorial, ya que una mano nos indicará que el agua está caliente y la otra que está fría, en lugar de indicarnos que está tibia. Por los tanto, si queremos definir la temperatura cuantitativamente, debemos hacerlo con procedimientos independientes de nuestra percepción sensorial de frío y caliente.
• Por lo pronto diremos que la temperatura y el calor son dos tipos de energía: la temperatura está asociada a la energía cinética molecular de un cuerpo, mientras que el calor es la energía que se transfiere de un cuerpo a otro.
Concepto de temperatura y medición.
• Antes de definir el concepto de temperatura diremos que, al igual que la longitud, la masa, y el tiempo, la temperatura, es una unidad fundamental que nos permite describir numerosos fenómenos que ocurren en la materia. Para eso, es necesario aislar una parte de Universo por medio de una frontera bien definida, a la cual llamamos sistema termodinámico.
• Cualquier magnitud que cambia con la temperatura es una propiedad termométrica. Por ejemplo, la altura, la longitud de los metales, la columna de mercurio, el volumen de los gases, la resistencia eléctrica de un metal, el color de un metal muy caliente. A cada una de estas propiedades se les llama coordenadas de estado del sistema y son utilizadas en la construcción de aparatos que sirven para medir la temperatura: los termómetros.
Tipos de termómetros
• Existen varios tipos de termómetros: el más común es aquel que consiste en un tubo capilar cerrado con un bulbo en la parte inferior lleno de un líquido que puede ser mercurio o alcohol coloreado, el cual sube por el capilar al aumentar su temperatura.
• También existen los termómetros de gas a volumen constante, cuyo funcionamiento se basa en medir la presión del gas con un manómetro, aumentando este si el gas se calienta o disminuyendo si el gas se enfría.
• También existen los termómetros bimetálicos, que consta de una espiral formada por dos no metales, uno de los cuales se dilata más que el otro, ocasionando que la espiral se curve al calentarse y provoque un giro en la aguja que indica la temperatura. Los termostatos en los hornos y aparatos calefactores utilizan este tipo de espiras bimetálicas.
• También existen los llamados pirómetros ópticos, que tienen un foco conectado a un circuito, donde el observador compara a través de un tubo el color del filamento del foco con el color del horno; cuando ambos colores son iguales se lee la temperatura en una escala. Este termómetro se usa para medir temperaturas muy altas; por ejemplo en una fundidora de metales.
• Después de mencionar varios tipos de termómetros, diremos que uno de los primeros termómetros, fue construido por Galileo Galilei, en 1597. Consistía en un recipiente de vidrio lleno de agua, del cual salía un tubo, también con agua, hasta cierta altura; en el extremo superior de éste había una esfera llena de aire. Cuando el aire de la esfera se dilataba o se comprimía, el nivel del agua en el tubo variaba, lo cual indicaba la temperatura.
Equilibrio térmico
• Si llenamos una olla de metal con café hirviendo, seguramente no la podremos sostener por lo caliente que se pone, sin embargo, si la agarramos con un guante de asbesto, como los que se usan en la cocina, ya no sentiremos lo caliente. Como se puede deducir del ejemplo anterior, las paredes de metal del recipiente permiten el paso del calor a nuestras manos; a estas se les llama paredes diatérmicas y pueden definirse como:
• Paredes diatérmicas. Son aquellas que dos sistemas, situados en lados opuestos de una pared, interactuar térmicamente.
• Siguiendo con el ejemplo; cuando sostenemos el recipiente con el guante de asbesto, éste no permite el paso del calor a nuestras manos. A este tipo de paredes que sirven de aislantes térmicos, se les denomina paredes adiabáticas, las que definimos como:
• Paredes adiabáticas. Son aquellas que no permiten que dos sistemas, situados a los lados de una pared, interactúen térmicamente. Una pared adiabática, es una pared aislante ideal, ya que no existe un aislante térmico perfecto.
• Experimentalmente se ha comprobado que cuando dos sistemas se ponen en contacto térmico, sus coordenadas de estado pueden permanecer constantes o variar, pero después de un intervalo adquieren el mismo valor. Cuando esto sucede, se dice que el sistema llegó a un estado de equilibrio térmico, el cual puede definirse diciendo que:
• Estado de equilibrio térmico. Se presenta cuando las coordenadas de estado de dos sistemas, que interactúan térmicamente, no varían con el tiempo.
• Supongamos que ahora que dos sistemas (1) y (2), se encuentran separados por una pared adiabática, ambos en contacto térmico con un tercer sistema (3), mediante paredes diatérmicas, y que todo el sistema está rodeado por una pared adiabática, como se ve en la figuras siguientes:
3
1 2
• Experimentalmente se comprueba que los sistemas 1 y 2 alcanzan el equilibrio térmico con el sistema 3. Si se retira la pared adiabática que los separa y se sustituye por una pared diatérmica, al quedar los sistemas 1 y 2 en contacto se verá también que están en equilibrio térmico. Este hecho se conoce como la ley cero de la termodinámica, la cual puede definirse como:
• Ley cero de la termodinámica: Dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero están en equilibrio térmico entre sí.
• Ahora bien, hasta aquí hemos visto el concepto de equilibrio térmico entre dos sistemas. ¿Qué es lo que determina si los sistemas 1 y 2 están o no en equilibrio térmico?
• Lo que determina el equilibrio térmico entre dos sistemas es su temperatura por lo que su definición es:
• Temperatura.- Es la propiedad que determina si un sistema se encuentra o no en equilibrio térmico con otros sistemas.
• Por lo tanto, cuando dos o más sistemas se encuentran en equilibrio térmico, se dice que tienen la misma temperatura, la cual se representa con un número y una cantidad.
Escalas termométricas (Celsius, Fahrenheit y Kelvin)
• El alemán Gabriel Fahrenheit, soplador de vidrio y fabricante de instrumentos, fabricó en 1714, el primer termómetro, para ello lo colocó a la temperatura más baja que pudo obtener, mediante una mezcla de hielo y cloruro de amonio (NH4Cl), marcó el nivel que marcaba el mercurio; después al registrar la temperatura del cuerpo humano, volvió a marcar el termómetro y entre ambas señales hizo 96 divisiones iguales. Más tarde observó, que al colocar su termómetro en una mezcla de hielo en fusión y agua, registraba una lectura de 32° F y al colocarlo en agua hirviendo leía 212 ° F. La escala Fahrenheit se utiliza en los países anglosajones con los Estados Unidos de América, Inglaterra y Australia, par medidas no científicas.
Escala Celsius
• En 1742, el biólogo sueco Andrés Celsius basó su escala en el punto de fusión del hielo (0 ° C), y en el punto de ebullición del agua (100 ° C), a la presión de una atmósfera o sea 760 mmHg, es decir dividió su escala en 100 partes iguales, cada una de 1°C.
Escala Kelvin
• Años después el Inglés William Kelvin propuso una nueva escala de temperatura, en la cual el cero corresponde a lo que tal vez sea la menor temperatura posible llamada cero absoluto, en ésta temperatura, la energía cinética de las moléculas es cero. El tamaño de un grado de la escala Kelvin es igual al de un grado Celsius y el valor de cero grados en la escala de Celsius equivale a 273 K. Cuando la temperatura se da en Kelvin se dice que es absoluta y ésta es la escala aceptada por el Sistema Internacional de Unidades (SI).
•
• Existe un límite mínimo de temperatura: 0 K = - 273 °C = -460 ° F, pero no hay límite máximo de ella, pues en forma experimental se obtienen en los laboratorios temperaturas de miles de grados, mientras que en una explosión atómica, se alcanzan temperaturas de millones de grados. Se supone que la temperatura en el interior del Sol, alcanzan los mil millones de grados.
Conversión de temperaturas de una escala a otra.
• Aunque la escala Kelvin es usada por el SI, para medir temperaturas, aún se emplea la escala Celsius o centígrada y la escala Fahrenheit, por lo tanto es conveniente manejar sus equivalencias de acuerdo con las siguientes expresiones:
• 1.- Para convertir de grados Celsius a Kelvin: • °K = ° C + 273. • 2.- Para convertir de Kelvin a grados Celsius: • ° C = °K 273. • 3.- Para convertir de grados Celsius a grados Fahrenheit: • ° F = 1.8° C + 32. • 4.- Para convertir de grados Fahrenheit a grados Celsius:
° C = °F 32 1.8
Problemas de conversión de temperaturas de una escala a otra.
• 1.- Convertir 100 °C a Kelvin:
• ° K = 100 °C + 273 = 373 °K.
• 2.- Convertir 273 °K a °C:
• ° C = 273°K 273 = 0°C.
• 3.- Convertir 0°C a °F :
• ° F = 1.8 x 0°C + 32 = 32°F.
• 4.- Convertir 212 °F a °C:
• °C = 212°F 32 = 100°C.
• 1.8
• El punto de ebullición del alcohol etílico es de 78.5° C y el de congelación de -117° C bajo una presión de una atmósfera. Convertir estas dos temperaturas a la escala Kelvin y a la escala Fahrenheit.
• ° K = ° C + 273 = 78.5 +273 = 351.5 °K.
• ° K = - 117° C + 273 = 156 °K.
• ° F = 1.8 ° C + 32 = 1.8 x 78.5°C + 32 = 173°F.
• ° F = 1.8 x -117° C + 32 = - 211 + 32 = -179 ° F.
• El mercurio hierve a 675° F y se solidifica a -38 °F bajo la presión de una atmósfera. Expresar estas temperaturas en grados Celsius y Kelvin.
• ° C = ° C = ° F 32 = 675° F 32 = 357 ° C.
1.8 1.8
° C = - 38 °F 32 = -38.9 ° C
1.8
• ° K = ° C + 273. ° K = 357 + 273 = 630 ° K.
• ° K = - 38.9° C + 273 = 234.1 ° K.