Los fenmenos trmicos y calorficos forman parte de losfenmenos fsicos cotidianos

CALOR Y TEMPERATURA

Los fenmenos trmicos y calorficos forman parte de los fenmenos fsicos cotidianos.Es sabido que Calor y Temperatura son sustantivos que estn incorporados al lenguaje popular y que raramente son utilizados de una forma cientficamente correcta. Frecuentemente se identifican o bien se utilizan en definiciones circulares en las que uno hace referencia directa al otro como sinnimo. Ese es el error que se comete al afirmar quela temperatura "mide el calor que hace",o cuando de una persona que tiene fiebre sedice que "tiene calor", etc...

Otras veces el calor se identifica con algn ingrediente material de los cuerpos. Por esose cierran las ventanas "para que no se vaya el calor", olas caloras se utilizan como medida del aporte no deseable de materia, "lo que engorda", por parte de los alimentos a las personas que los ingieren. Los contenidos de esta Unidad Didctica tratan sobre los fenmenos trmicos y calorficos ms elementales, definiendo los conceptos fundamentales que permiten describir tanto correctamente a estos fenmenos como realizar predicciones cuantitativas acerca de su desarrollo.

1. OBJETIVOS Diferenciar los conceptos de Calor y temperatura

Comprender el funcionamiento de un termmetro.

Comprender el efecto que tiene elintercambio de calor en la temperatura o el estado de agregacin de los cuerpos.

Definir el concepto de Equilibrio Trmico, y aplicarlo para la determinacin de temperaturas de equilibrio o magnitudes calorimtricas en mezclas de sustancias con diferentes temperaturasDEFINIENDO CONCEPTOSHoy en da sabemos que los tomos y molculas de los que est formada la materia no estn en reposo aunque el cuerpo que constituyen est quieto. En los slidos sus partculas vibran continuamente alrededor de su posicin de equilibrio; en los lquidos se mueven con libertad, aunque confinadas a un determinado volumen; en los gases se mueven con libertad, ocupando todo el espacio disponible.

Llamaremos energa trmica a la suma de las energas de todas las partculas que componen un cuerpo. La temperatura es el valor medio de la energa cintica de estas partculas.

Todos sabemos que los cuerpos pueden calentarse (aumentar su energa interna) o enfriarse (perder energa interna). La energa ganada o perdida en estos procesos es el calor.

1.2 EL TERMMETRO La definicin que hemos dado de temperatura es poco prctica porque no es posible medir la energa de cada partcula para hallar su valor medio. Afortunadamente, hay propiedades observables de los cuerpos que varan con la temperatura. Son conocidos los efectos de la variacin de la temperatura de un cuerpo en alguna magnitud caracterstica de ste, tal como su longitud, su volumen o bien la resistencia elctrica en el caso de un conductor.

Es esta circunstancia la que se utiliza para fabricar un termmetro, haciendo corresponder el valor de la magnitud utilizada, denominada termomtrica, con la temperatura correspondiente. As, en el conocido termmetro de mercurio se hace corresponder la altura de la columna de mercurio con la temperatura, o en el caso de los termmetros digitales se utiliza un circuito elctrico en el que una resistencia elctrica es muy sensible a las variaciones de la temperatura.

1.1 TEMPERATURAS ABSOLUTASEn la escala Celsius utilizamos la temperatura de fusin del hielo como el valor cero. Todas las temperaturas ms bajas se registran como negativas. Puede la temperatura alcanzar cualquier valor negativo? Obviamente no; cuando las partculas que componen un cuerpo estuvieran en reposo el cuerpo no podra enfriarse ms. En la actualidad sabemos que este estado no es alcanzable, pero nos sirve para definir el punto ms bajo posible para la temperatura.

LLAMAREMOS CERO ABSOLUTO A LA TEMPERATURA CORRESPONDIENTE A LA MENOR ENERGA CINTICA MEDIA DE LAS PARTCULAS DE UN CUERPO. De las escalas que emplean temperaturas absolutasla ms conocida, la reconocida en el Sistema Internacional, es la escala de Kelvin.

1.2 CONCLUSIONES SOBRE LOS CONCEPTOS DE ENERGA TRMICA, TEMPERATURA Y CALORCONCEPTOS BSICOS: Energa trmica es la suma de las energas de todas las partculas que componen un cuerpo.

La temperatura es el valor medio de la energa cintica de las partculas de un cuerpo.

Calor, que se puede producir y transmitir de diferentes formas, es la energa que suministramos o que recibimos de un cuerpo en los procesos en que ste vara su energa interna.

CMO FUNCIONA UN TERMMETRO:Propiedades termomtricas son las magnitudes observables de un cuerpo que varan con su temperatura: longitud de un cuerpo, resistencia de un conductor....En el termmetro de mercurio la propiedad termomtrica es la longitud de una columna de mercurio.

EXISTEN DIFERENTES ESCALAS DE TEMPERATURA:

En la escala Celsius: el valor 0 corresponde al de fusin del hielo y el valor 100 al de ebullicin del agua. En la escala Kelvin el valor 0 es el cero absoluto de temperatura, la temperatura a la que las partculas de un cuerpo tienen la menor agitacin posible. Temperatura Kelvin= Temperatura Celsius +273

CURVA DE CALENTAMIENTO

Una vez que yaposeemos la nocin de calor y temperatura y de cmo se mide esta ltima, podemos preguntarnos cmo se calientan los cuerpos? El aumento de temperatura es proporcional a la energa que le suministramos en forma de calor?.

Mediante un termmetro puede seguirse el aumento de temperatura de la sustancia, quedando registrado el tiempo, en cuya parte derecha se representa grficamente la temperatura frente al tiempo (curva de calentamiento). En esta escena se ha elegido por comodidad al agua como sustancia de trabajo.

CALOR ESPECFICOEn la escena anterior hemos empleado el agua. Hubiramos obtenido los mismos resultados con otras substancias?Es sabido, por ejemplo, que cuando una cuchara metlica se deja en un plato de sopa caliente su temperatura sube rpidamente, lo que no ocurrira si la cuchara fuese de madera. Esta constatacin y otras anlogas llevaron a definir una magnitud caracterstica de un cuerpo de acuerdo a su naturaleza, el calor especfico:Calor especfico es la energa necesaria que la unidad de masa de un cuerpo ha de intercambiar con el entorno para variar su temperatura en un grado; sus unidades son J/kg oC en el Sistema Internacional, aunque en el laboratorio es muy frecuente emplear la calora/gC , donde la calora es el calor necesario para que un gramo de agua aumente un grado su temperatura.CALOR ESPECFICO Y EQUIVALENTE MECNICO DEL CALOREl aumento de temperatura de los cuerpos cuando se calientan es aproximadamente proporcional a la energa suministrada.Una unidad muy empleada para medir esta energa (el calor) es la calora: calor necesario para que 1 g. de agua aumente 1C su temperatura.No todos los cuerpos se calientan de la misma forma. El calor especfico es la propiedad de los cuerpos que mide esa diferencia y se puede definir como el calor necesario para quela unidad de masa de un cuerpo aumente 1C su temperatura.El calor cedido o absorbido por un cuerpo se puede medir por la expresin:Q = mc(Tf-To) donde m es la masa del cuerpo, c su calor especfico, Tf su temperatura final y To su temperatura inicial.Una calora equivale a una transmisin de 4,18 J de energa, lo que nos permite escribir todas las expresiones anteriores en unidades del Sistema Internacional. As, el calor especfico del agua Ca = 1 cal/gC = 4180 J/kgC3.1 TEMPERATURAS DE CAMBIO DE ESTADOEn las curvas de calentamiento de un cuerpo nos pareca que su aumento de temperatura era proporcional a la energa absorbida. Sin embargo, hay casos en los que esta regla se rompe. Particularmente cuando el cuerpo est cambiando de estado de agregacin. Todos sabemos que la materia se nos presenta fundamentalmente en tres estados posibles: slido, lquido y gaseoso. Cada uno de esos estados se debe a la existencia de diferentes energas de unin entre las molculas de un cuerpo. Cuando el cuerpo cambia de estado estamos alterando esta forma de energa interna en lugar de aumentar la temperatura.Cmo se traduce este fenmeno en la curva de calentamiento de un cuerpo? Para estudiarlo observaremos el caso de un bloque de hielo de 100 g de masa que calentamos progresivamente hasta convertirlo en vapor de agua. Hay que advertir que, por simplicidad, en esta escena estamos despreciando la cantidad de agua que se evapora mientras la temperatura aumenta de 0C a 100C. Tambin debemos tener en cuenta que las temperaturas de fusin y ebullicin observadas son nicamente ciertas a la presin de una atmsfera y con agua destilada. La temperatura de cambio de estado es dependiente de las condiciones de presin del medio en que se encuentra la sustancia y de su grado de pureza.. Durante la transicin de un estado fsico a otro, el calor, la energa absorbida por un cuerpo no se emplea en aumentar la agitacin (medida por la temperatura) de sus molculas, sino en romper los enlaces entre ellas. Contina aumentando la energa trmica del cuerpo, pero no su temperatura. Ahora bien cunta energa hace falta para que se produzca este cambio de estado?.

A la energa necesaria para realizar un cambio de estado por unidad de masa se la denomina calor latente (de fusin o de ebullicin, segn el caso). En el laboratorio es corriente medirla en cal/g , pero su valor en el Sistema Internacional se mide en J/kg. No debemos olvidar la equivalencia: 1 cal/g = 4180 J/kgEn la siguiente escena mediremos el calor latente de fusin y de ebullicin del agua, calentando un bloque de hielo con un hornillo elctrico de potencia conocida

CAMBIOS DE ESTADODenominamos temperatura de cambio de estado de una sustancia a la temperatura a aquella en que, aunque un cuerpo absorba o emita calor, la variacin de energa se emplea ntegramente en cambiar el estado fsico del cuerpo. Mientras dura esta transformacin la temperatura del cuerpo no vara.

En general los cuerpos presentan una temperatura de fusin y otra de ebullicin, aunque debemos recordar que estas temperaturas dependen de la presin exterior y de la pureza de la sustancia.

Denominamos calor latente (de fusin o de ebullicin) a la energa necesaria para que la unidad de masa de un cuerpo que ya est a la temperatura adecuada, cambie de estado.

Un ejemplo bien conocido es el del agua destilada1. Temperatura de fusin a 1 atmsfera de presin: 0C2. Temperatura de ebullicin a 1 atmsfera de presin: 100C3. Calor latente de fusin: 80 cal/g = 334.400 J/kg4. Calor latente de ebullicin: 540 cal/g = 2.257.200 J/kg 4.1 TEMPERATURA DE EQUILIBRIOTodos sabemos que un cuerpo caliente tiende a aumentar la temperatura de los cuerpos que lo rodean, mientras que un cuerpo fro provoca una disminucin de temperaturaa su alrededor. En trminos ms rigurosos podemos afirmar que, cuando dos sustancias a diferentes temperaturas se encuentran prximas, se produce entre ellas un intercambio de energa que tiende a crear el equilibrio trmico, que se produce cuando ambas temperaturas se igualan.

De acuerdo con el Principio de Conservacin de la Energa el intercambio energtico neto entre los dos sistemas y el entorno sera cero, y restringindonos al caso ms sencillo, que es un caso ideal, podra expresarse la situacin diciendo que el calor cedido por el sistema caliente al enfriarse es justamente el calor absorbido por el sistema fro al calentarse.

En este caso ideal an puede hacerse una simplificacin ms: que nicamente se consideren las sustancias calientes y fras y no los recipientes, que se consideraran recipientes adiabticos ideales, cuyas paredes con el exterior seran perfectos aislantes trmicos; el caso real ms parecido sera un termo o un saco de dormir con relleno de plumas.

4.2 EQUILIBRIO ENTRE SUSTANCIAS EN DIFERENTES ESTADOSSupongamos que tenemos que considerar el caso de la bsqueda del equilibrio trmico entre cuerpos en diferente estado fsico. Este sera, por ejemplo, el caso de un bloque de hielo en un recipiente con agua caliente. En fenmenos de esta naturaleza tenemos que considerar que el calor ganado o perdido no se tiene por qu emplear nicamente en variaciones de temperatura, sino que puede haber un cambio de estado total o parcial de alguno de los cuerpos implicados.

El principio de conservacin de la energa seguir siendo vlido, pero en el empleo de la energa absorbida o perdida por cada cuerpo debemos contar con la que se ha empleado en el cambio de estado.

EL EQUILIBRIO TRMICOCuando dos cuerpos prximos poseen temperaturas diferentes, el ms caliente emite energa calorfica y el ms fro la absorbe, hasta que ambos alcancen igual temperatura.

En el caso ideal, con un sistema formado exclusivamente por dos cuerpos aislados del resto del Universo, la energa cedida por uno es igual a la absorbida por el otro.El intercambio de energa es proporcional a la diferencia de temperatura entre los cuerpos. Por eso, a medida que las temperaturas se acercan, el proceso se hace ms lento.Cuando los dos cuerpos estn en el mismo estado, la temperatura de equilibrio viene determinada por: m1c1(t1-te) = m2c2(te-t2) donde m, c y t son la masa, calor especfico y temperatura inicial del cuerpo caliente (con subndice 1) y del cuerpo fro (con subndice 2) mientras que te es la temperatura de equilibrio.Cuando los cuerpos presentan diferente estado fsico, en las ecuaciones de intercambio de energa hay que tener en cuenta el calor empleado en el cambio de estado total o parcial de uno de los dos cuerpos. EVALUACIN2. Diferencias los conceptos de Calor y temperatura?

3. Comprendes el funcionamiento de un termmetro?

4. Comprendes el efecto que tiene el intercambio de calor en la temperatura o el estado de agregacin de los cuerpos?

5. Sabes qu es el Equilibrio Trmico, y puedes aplicarlo para la determinacin de temperaturas de equilibrio o magnitudes calorimtricas en mezclas de sustancias con diferentes temperaturas?

6. Es correcto pensar que la temperatura es la cantidad de calor que almacena un cuerpo?

a. S, la temperatura mide el calor medio de las partculas de un cuerpo

b. No, la temperatura mide la energa total de agitacin de las partculas de un cuerpo

c. No, la temperatura mide la energa media de agitacin de las partculas de un cuerpo

d. S, la temperatura mide el calor total de las partculas de un cuerpo

7. Es correcto pensar que la temperatura es la cantidad de calor que almacena un cuerpo?

a. S, la temperatura mide el calor medio de las partculas de un cuerpo

b. No, la temperatura mide la energa total de agitacin de las partculas de un cuerpo

c. No, la temperatura mide la energa media de agitacin de las partculas de un cuerpo

d. S, la temperatura mide el calor total de las partculas de un cuerpo

8. Si queremos calentar 300 g de agua desde 10C hasta 60oC con un calefactor de 5000 W, cunto tiempo necesitaremos?calentamiento

a. 30 s

b. 215 s

c. 184 s

d. 126 s

e. 160 s

9. Cuando un cuerpo absorbe la cantidad de 1 calora, podemos afirmar que

a. Su energa interna ha perdido 1 calora, o sea 4,18 J

b. Su energa interna ha aumentado 4,18 J

c. Su energa interna ha aumentado 1C

d. Su energa interna permanece igual, aumentando slo la temperatura10. Se disponen de 150 g de agua con una temperatura de 12 C en un recipiente con paredes adiabticas, que no posibilitan el intercambio calorfico con el entorno; se mezclan con 80 g de agua a 84 C. Calcular la temperatura de equilibrio.

a. 40C

b. 84C

c. 37C

d. 53C

e. 12C

11. Si se tiene un bloque de hielo de 50 g a -5 C, qu calor, medido en julios, debe absorber para pasar a agua lquida a 5 C?. Si este calor se obtuviese de agua lquida a 92 C, qu masa necesitaramos de esta agua?. Calor Especifico (hielo) = 0,5 cal /g oC; Lfusin=80 cal/g

a. Aproximadamente 625 J y necesitamos unos 10 g de agua

b. Aproximadamente 1250 J y necesitamos unos 500 g de agua

c. Aproximadamente 16720 J y necesitamos unos 40 g de agua

d. Aproximadamente 18270 J y necesitamos unos 50 g de agua

e. Aproximadamente 12750 J y necesitamos unos 5 kg de agua

12. Podramos definir el calor como:

a. Una forma positiva de energa, mientras que el fro es una forma negativa

b. La temperatura que tiene un cuerpo

c. Una forma de comunicarse energa entre diferentes cuerpos

d. Un fluido que pasa de los cuerpos calientes a los cuerpos fros

e. Una forma de medir la energa que almacena un cuerpo

13. Calcular que cantidad de energa en julios que debe suministrarse a 300 g de agua a 25 C para conseguir su completa ebullicin. Los datos necesarios son: ce(agua)= 4186 J/kgoC; Lvapor= 2260.4 kJ/kg

a. 583935 J

b. 678120 J

c. 94185 J

d. 126545 J

e. 772305 J

14. En un recipiente vertimos 200 g. de agua a 20C y 100 g de cierto lquido a la temperatura de 50 C. La temperatura de equilibrio es de 30 C. Determina el calor especfico del lquido problema en cal/gC y en J/kgC

a. 4,18 cal/gC y 4180 J/kgC

b. 0,25 cal/gC y 1045 J/kgC

c. 0,75 cal/gC y 3135 J/kgC

d. 0,5 cal/gC y 2090 J/kgC

e. 1 cal/gC y 4180 J/kgC

15. Mientras un cuerpo est cambiando del estado slido al lquido, el calor que recibe Cambio de estado

a. Produce una rotura de uniones moleculares, aumentando de forma constante la temperatura

b. Se pierde sin producir ningn efecto, porque se mantiene constante la temperatura

c. Produce una rotura de uniones moleculares, mantenindose constante la temperatura

d. Produce un aumento de temperatura proporcional a la cantidad de calor aportada

16. Si la columna de mercurio cuando se coloca el termmetro en hielo fundente alcanza una altura de 2 cm y cuando se coloca en agua hirviendo 8 cm, qu altura alcanzar cuando se coloque el termmetro a 35 C?termmetro

a. 4,1 cm

b. 8 cm

c. 6,1 cm

d. 2 cm

e. 5,8 cm