m i f de calor y la temperatura

Colegio Rubén Castro 2do año Medio 2009

Focalización

La temperatura es una magnitud física de uso común en nuestra vida cotidiana. Por ejemplo, hablamos de las temperaturas máxima y mínima durante el día, o cuando una persona se enferma su temperatura nos indica qué tan enfermo se encuentra; pero también hablamos de días calurosos o días fríos, de bebidas frías y bebidas calientes. ¿De qué se habla realmente? ¿De temperatura o de calor?

Nuestros estudiantes saben que la temperatura se encuentra relacionada con el calor y que se trata de nociones distintas, sin embargo con más frecuencia que la deseada confunden ambos conceptos. Para partir revisando las ideas a este respecto, se propone la siguiente afirmación.

Un objeto a cierta temperatura ¿tiene una mayor cantidad de calor que uno similar que se encuentra a menor temperatura?

Para enfrentar esta pregunta la aterrizamos un poco. Suponga que un témpano ha caído de un ventisquero al mar. Cerca de ahí, otro témpano similar cae en una laguna pequeña pero con agua a la misma temperatura que la del mar.

¿Cuál de los dos témpanos se derretirá primero? Investigue, explique y comente Para estudiar esta situación realice la siguiente actividad. Necesitará dos vasos o tazones grandes (de unos 400 cm3 de capacidad) iguales (1 y 2) de plástico, polietileno o vidrio, dos trozos iguales de hielo. Vierta agua tibia (a unos 37 ºC) en ambos vasos. Llene completamente uno de ellos (1) y el otro hasta la mitad (2), como se ilustra en la figura.

Para asegurarse de que la temperatura del agua en los dos vasos es la misma, use en ambos agua de una misma tetera o calentador. Es importante que mida la temperatura inicial del agua con la mayor precisión posible. Para hacerlo puede utilizar un termómetro clínico de mercurio, como los que se encuentran en casa o en su defecto, uno ambiental de alcohol.

Suponga que introduce dos cubos de hielo iguales recién sacados del refrigerador, uno en cada vaso.

¿Cómo cree usted que se fundirán estos cubos? Explique

Método Indagatorio en la Física Calor y Temperatura


Ahora espere a que se fundan y contraste su respuesta con lo observado

¿Cómo se fundieron realmente?

¿Qué habría sucedido con los cubos de hielo si los dos vasos hubiesen contenido la misma cantidad de agua y a la misma temperatura?

Explique

Si tiene curiosidad, experimente haciendo variaciones, como echar dos cubos de hielo en uno de los vasos, y sólo uno en el otro, teniendo igual cantidad de agua en ambos, etc. Siempre trate de explicar lo que ocurre usando el sentido común y sus conocimientos.

Volviendo a la situación inicial, una vez que se fundan completamente ambos cubos de hielo, ¿cómo cree usted que serán las temperaturas del agua resultante?

Posiblemente será necesario que repita la experiencia desde el principio y proceda a medir cuidadosamente las temperaturas inicial y final del agua en ambos vasos. Mientras los hielos se fundan le sugiero cubrir los vasos con algo que reduzca las influencias del ambiente. Un libro puede ser adecuado.

Después de realizada la experiencia, ¿cómo fueron las temperaturas finales del agua en cada vaso?



La temperatura que hemos llamado final se denomina temperatura de equilibrio.

Investigue y Defina Temperatura de Equilibrio

Si hay cambios de fase, como le ocurre al hielo, que le sucede a la temperatura?

Pero, ¿sí cambia la del medio circundante?, y en nuestro caso del agua, qué sucede?

Si en vez de hielo introduce en ambos vasos un trozo de hierro muy caliente, y el agua está muy fría, ¿cómo será ahora la temperatura de equilibrio?

Conviene que haga el experimento para asegurarse. Vierta en ambos vasos agua fría de la llave, en uno hasta llenarlo y en el otro a medio llenar, igual que antes. Mida la temperatura del agua. Mantenga en agua hirviente durante unos cuantos minutos un conjunto de clavos (unos 200 g en total).

Esto asegurará que todos los clavos estén a la misma temperatura (poco menos de 100ºC). Usando pinzas o un alicate para no quemarse, coloque la mitad de los clavos en cada vaso. Cúbralos nuevamente con un libro. Por un borde introduzca, cada tres minutos, un termómetro para medir la temperatura del agua. Registre sus observaciones.

¿Cómo resultó ser ahora la temperatura de equilibrio?

¿Cómo fueron las variaciones de temperatura que experimentaron el agua y los clavos?

Como fruto de la experiencia habrá reconocido fácilmente que es mayor la variación de temperatura en…………………………………….



¿Cuál o cuales de los siguientes factores cree usted que determinan la temperatura de equilibrio en situaciones como las estudiadas?

I Las temperaturas iniciales y finales de los materiales que se mezclan. II La masa de los materiales que se mezclan. III El tipo y composición química de los materiales que se mezclan. Explique detalladamente

Vierta en cada vaso unos 200 cm3 de agua de la llave. Caliente de nuevo los clavos en agua hirviendo hasta que alcancen una temperatura cercana a los 100 ºC. Ponga en uno de los vasos 100 g de clavos y en el otro, igual masa de la misma agua que usó para calentarlos, es decir, 100 cm3 (100 g de agua corresponden a 100 cm3. Cubra los recipientes y mida la temperatura cada tres minutos. Registre sus mediciones.

¿Cómo será la temperatura de equilibro en ambos vasos?

Como puede ver, las temperaturas iniciales de los cuerpos que se mezclaron eran las mismas y también lo eran sus masas, sin embargo las temperaturas de equilibrio ¿Cómo resultaron?

Mientras los cuerpos o sustancias que se mezclan a distinta temperatura evolucionan hacia una misma temperatura de equilibrio, ¿habrá algo relacionado con la temperatura que se conserve al transcurrir el tiempo?

Responda y justifique su respuesta:

¿Si el sistema está aislado, entonces qué sucederá con la energía? Explique detalladamente

¿Dónde estará esa energía en los casos que hemos estudiado?

A qué sustancia la llamaron calórico?



¿Quién o quienes resolvió o resolvieron el problema? Y qué noción nació?

¿Entonces qué es el calor?

¿Qué es el modelo cinético molecular de la materia?

¿Qué tipo de energía tendrán los átomos y moléculas?

¿Qué es la energía calórica y en dónde tiene significado?

¿Qué es la energía interna de un cuerpo?

Entonces, si dos objetos iguales, del mismo material y masa, están a diferente temperatura, ¿cómo serán sus respectivas energías internas?

Si un sistema aislado está compuesto por dos cuerpos y uno de ellos reduce su energía interna, ¿qué debe ocurrir en el otro cuerpo?

I Debe aumenta su energía interna II Debe aumentar su temperatura III Sus átomos y moléculas deben incrementar su rapidez de traslación

Por otra parte, mucho antes de que los físicos comprendieran cabalmente lo que acabamos de describir, ya habían logrado avances razonando de la siguiente manera. Sea Q la energía que cede o absorbe un cuerpo en forma de calor. Se sabe por experimentos que la cantidad de calor necesaria a un cuerpo para que suba su temperatura en un monto ΔT se duplica si se duplica su masa, y también se duplica si el cambio de temperatura es el doble. Esto se expresa de la forma Q ∝ mΔT, donde el signo ∝ debe leerse como “... es directamente proporcional con...”. Cuando dos magnitudes son directamente proporcionales el signo ∝ puede ser remplazado por un signo igual si se introduce una constante de proporcionalidad. Así, podemos escribir Q = c mΔT, donde la constante de proporcionalidad c se denomina calor específico y su valor es característico de cada material o sustancia.



¿Con cuál o cuales de las siguientes unidades se puede medir el calor?

a) Caloría b) Kilogramo x ºCc) Joule

d)

e) Aproximadamente ¿cómo se define la caloría?

¿Cuál debe se entonces el calor específico del agua pura?

Volvamos al caso de los clavos calientes inmersos en agua de la llave. Supongamos que la temperatura inicial del agua era 20 ºC y su volumen

200 . Supongamos también que para los clavos eran 100 ºC y 100 g respectivamente, alcanzando la mezcla una temperatura de equilibrio de 23 ºC. Si además el sistema está aislado del exterior, es decir, que no hay intercambio de energía con el medio ambiente, ¿qué cantidad de calor absorbió el agua de los clavos?

¿Qué calor le ceden los clavos al agua?

¿Cuál debiera ser el calor específico del hierro de los clavos?

De acuerdo con lo que hemos visto, . Entonces, para los clavos encontramos

que c = _________ .

Debe notar que este es un modo eficiente para determinar el calor específico de un material. Para mejorar la medición puede emplearse un termo doméstico para café. Este tipo de recipiente minimiza la disipación de calor al ambiente. ¿Cómo lo logra? Investíguelo.

Las paredes de un recipiente que impiden completamente el paso del calor se denominan adiabáticas; representan a un aislante térmico perfecto. Un recipiente cuyas paredes



tienen esta característica y se emplea para determinar calores específicos, se le denomina calorímetros. Suponga ahora que agrega a 1 litro de agua a 20 ºC, una pieza de aluminio de 400 g a una temperatura de 80 ºC. Si no hay intercambio de calor con el medio, ¿cuál será la temperatura de equilibrio de la mezcla calórica? El calor

específico del aluminio es 0,217 .

De acuerdo con lo que hemos visto, el calor absorbido por el agua debe ser igual al cedido por la pieza de aluminio. Por lo tanto podemos escribir:

- Qcedido = Qabsorbido

Como Q = cmΔT entonces:

- cagua ⋅ magua ⋅ ΔTagua = caluminio ⋅ maluminio ⋅ ΔTaluminio.

Si designamos por T la temperatura de equilibrio

- cagua ⋅ magua ⋅ (T - Ti,agua )= caluminio ⋅ maluminio ⋅ (T - Ti,aluminio).

Donde Ti representa una temperatura inicial. Reemplazando los datos que tenemos, nos queda

Resolviendo la ecuación encontramos que T = ________

Antes de finalizar esta cápsula es conveniente reflexionar sobre la vinculación entre las medidas macroscópicas que podemos realizar sobre la temperatura y el calor y lo que nos dice el modelo cinético molecular de la materia. En otros términos, ¿qué relación existe entre el calor, que hemos expresado como Q y medido en calorías, y la energía interna, que hemos expresado como E y que medimos en joule?

¿Qué es el equivalente mecánico en calor.? Investigue y explique

¿Qué es la Capacidad Calórica?,



Un experimento relativamente simple que permite reproducir artesanalmente la experiencia de joule, por lo menos en forma cualitativa, requiere los siguientes materiales:

• Vasos de plumavit • Cinta adhesiva • Termómetro • Monedas de 10 pesos

Coloque unas cuántas monedas (20 o 30) dentro de un recipiente lleno de agua, hecho con vasos para café, del modo que se indica en la figura. Una vez construido el sistema déjelo un tiempo para que agua y monedas alcancen la temperatura de equilibrio con el ambiente. Mida la temperatura del agua con un buen termómetro y registre su valor. Tapando con un dedo el orificio de la parte superior agite verticalmente el recipiente durante unos cinco minutos. Cuando termine de agitarlo mida nuevamente la temperatura del agua.

¿Qué observó en la temperatura del agua?

Suponga que tiene tres bolsas. Una llena con bolitas de plomo, otra llena con bolitas de hierro y la otra llena con bolitas de cobre, todas a igual temperatura y en equilibrio con la del ambiente. Si las deja caer 50 veces desde una altura de 2 metros observará, de acuerdo con Joule, un aumento en la temperatura de las bolitas.

Si considera que los calores específicos de estos materiales son,

respectivamente: cPb = 0,03 , cFe = 0,1 y cCu = 0,09

¿Qué puede afirmar sobre el aumento de temperatura que experimentarán las bolitas?

Quién tendrá el mayor aumento de temperatura? ¿Por qué? ¿Depende del valor de la masa? explique



Comparación y contraste

Volvamos a la pregunta original:

¿Tiene una mayor cantidad de calor en su interior un objeto que está a más temperatura que otro?

¿Está de acuerdo con esta afirmación:? La pregunta contiene un error. Ahora que ha estudiado el tema, ¿puede identificarlo?

Por ejemplo, ¿es correcto hablar de la cantidad de calor de un cuerpo?

Si la pregunta se modificara por esta otra: ¿”Tiene una mayor energía interna en su interior un objeto que está a mayor temperatura que otro”?, ¿estaría bien formulada? Ahora, ¿cuál sería la respuesta?

Aplicación de aprendizajes

Existen numerosas aplicaciones relativas a la forma en que se transfiere calor de un cuerpo a otro. Basta con recordar que nuestro cuerpo está continuamente haciéndolo con el medio ambiente pues estamos a diferente temperatura. El tema es importante pues incide en la vida cotidiana. Los sistemas de calefacción y refrigeración, el tipo de abrigo para ponerle a los niños, la cocción de alimentos, el efecto del Sol en la Tierra o en una nave espacial, son ejemplos donde importa la transferencia de calor. A continuación planteamos algunos ejemplos para que Ud. examine

1. Se dan los calores específicos de tres sustancias:

Sustancia X = 900 J/kg ºC

Sustancia Y = 230 J/kg ºC

Sustancia Z = 450 J/kg ºC

Si se calienta 1 kg de cada una de estas sustancias desde la temperatura ambiente hasta una misma temperatura más alta, ¿cuál de ellas absorbe más calor?




2. Se pone 1 litro de agua durante un cierto tiempo sobre una llama y su temperatura aumenta en 2 ºC. Si ahora se colocan 2 litros de agua por el mismo tiempo y sobre la misma llama, ¿en cuánto subirá su temperatura?

3. A un vaso lleno con bebida se le agregan cubos de hielo. Lo que aquí ocurrirá es que:

a) El hielo le transmite frío a la bebida. b) La bebida le transmite frío al hielo. c) La bebida transmite calor al hielo. d) El hielo transmite calor a la bebida. e) No fluirá calor por estar el hielo y la bebida a la misma temperatura

.

4. ¿Qué significa que dos cuerpos estén en equilibrio térmico?

a) Que tienen la misma cantidad de calor. b) Que la energía total de las moléculas de uno es igual a la energía total de las moléculas del otro. c) Que ambos entregan o ganan calor en la misma proporción. d) Que al ponerse en contacto térmico, se transfiere calor. e) Que tienen en todas sus partes la misma temperatura.

5. ¿Qué le sucede a una masa de hielo a 0 ºC cuando se la coloca en agua a 0 ºC en un recinto que también se encuentra a 0 ºC?

a) Nada. b) Todo el hielo se funde. c) Sólo una parte del hielo se funde. d) La masa del hielo aumenta. e) La masa del hielo disminuye.

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