Temperatura y calor


La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente ofrío. Por lo general, un objeto más "caliente" tiene una temperatura mayor, y si es frío tiene una temperatura menor. Físicamente es una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica.

Los científicos predicen que en una temperatura extremadamente baja llamada cero absoluto no estarían en movimiento. El cero absoluto son cero Kelvin (unos -273 grados centigrados)


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Escalas de medición de la temperatura


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 las 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 0.010C. 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 0C y la temperatura a la que el vapor y el agua liquida, están en equilibrio a 1 atm de presión -el llamado punto del vapor- es de 100.00 0C.

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:

external image Image256.gif.

De esta relación podemos concluir que el punto del hielo (0.000C) es igual a 32.0 0F, y que el punto del vapor (100.00C) es igual a 212.0 0F, y que un grado Fahrenheit es exactamente igual external image Image257.gifdel tamaño de un grado celcius.



¿Qué es el calor?


Durante muchos años se creyó que el calor era un componente que impregnaba la materia y que los cuerpos absorbían o desprendían según los casos. Lo que ves a la derecha es una manifestación del calor, es una llama, pero no es el calor. El calor es un concepto y por lo tanto no se ve. Si puedes percibir los efectos del calor.
Calor es una energía quede los cuerpos que se encuentran a mayor temperatura a los de menor temperatura. Para que fluya se requiere una diferencia de temperatura. El cuerpo que recibe calor aumenta su temperatura, el que cede calor disminuye su temperatura. Resulta evidente que los dos conceptos, calor y temperatura, están relacionados. Los cuerpos radian unos hacia otros pero el balance total del intercambio es favorable a uno y desfavorable al otro hasta que se alcanza el equilibrio térmico. El calor es una energía de tránsito, sólo tiene sentido hablar de variación de calor mientras la energía fluye de un cuerpo a otro. Es una energía degradada ya que es imposible recuperar toda la energía mecánica que se invirtió en producirlo. Se recupera energía mecánica haciéndolo fluir en las máquinas térmicas del foco caliente al frío y retirando parte de esa energía en forma de energía mecánica (movimiento) pero una parte importante del calor debemos arrojarla al entorno en el foco frío. Los rendimientos de las máquinas se calculan por la relación de temperaturas entre las que funcionan y es imposible un rendimiento del 100%

R=(T1-T2)/ T1

La energía puede presentarse de muy diferentes formas y puede cambiar de una forma a otra. Ya vimos la experiencia de Rumford en la que por rozamiento la broca transformaba energía cinética en energía calorífica. Pero existen otras transformaciones de energía.....

  • La energía electromagnética (luz del Sol) calienta la Tierra. Esta es la primera fuente de toda la energía que llega a la Tierra y que luego se transforma en otros tipos de energía.
  • Los cuerpos emiten energía calorífica en forma de radiación en el infrarrojo.
  • Las reacciones química de combustión desprenden calor (exotérmicas), otras lo absorben (endotérmicas).
  • La electricidad circulando por una resistencia la calienta.
  • Un balón al chocar contra el suelo transforma su energía mecánica en calor al deformarse.
  • Nuestros cuerpos transforman la energía química de los alimentos en calor: para vivir necesitamos unas 2.100.000 calorías al día.
  • Las reacciones nucleares generan calor al desaparecer la masa.
  • Al producir un sonido hacemos vibrar las partículas de aire y esta energía se transmite en el aire: las ondas transportan energía.


El agua es importantísima en nuestra vida. Se ha utilizado para establecer la escala de Celsisus de temperaturas y tiene una excepcional cualidad que hizo que se eligiera para definir el patrón de la energía calorífica: el agua es una de las sustancias que, aunque reciba mucha energía calorífica, incrementa muy poco su temperatura. · Esta cualidad del agua es la responsable del clima benigno (poco oscilante entre el día y la noche) en las proximidades del mar para una misma latitud terrestre. · La capacidad del agua de "encajar" los impactos de calor "sin casi inmutarse" incrementando poco su temperatura se representa mediante una magnitud llamada caloría, calor que necesita 1 g de sustancia para aumentar 1 grado su temperatura. · En consecuencia, el calor específico del agua es 1 cal /g. grado.







Diferencia entre calor y temperatura









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  • El calor y la temperatura están relacionadas entre si, pero son conceptos diferentes.

El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de la energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo. Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua puede ser la misma que la temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene más calor porque tiene más agua y por lo tanto más energía térmica total.

El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si añadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye. Las temperaturas más altas tienen lugar cuando las moléculas se están moviendo, vibrando y rotando con mayor energía.

Ejemplo : Si tomamos dos objetos que tienen la misma temperatura y los ponemos en contacto, no habrá transferencia de energía entre ellos porque la energía media de las partículas en cada objeto es la misma. Pero si la temperatura de uno de los objetos es mayor que del otro, habrá una transferencia de energía del objeto más caliente al objeto más frío hasta que los dos objetos alcancen la misma temperatura.


La temperatura no es energía sino una medida de ella, sin embargo el calor sí es energía.












Capacidad calorífica específica


La capacidad de calor específica de un material o líquido es el término que se utiliza para describir la cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura de 1 kg de material/líquido en 1 K.

El término técnico que se utiliza para referirse a la capacidad de calor específica, también conocido como calor específico, es cp y se mide en kJ/kg K.
En conclusión es la relación entre el calor suministrado y el aumento correspondiente de temperatura, es decir que los diferentes materiales tienen su forma muy particular de absorber y retener el calor.

Para medir la capacidad calorífica bajo unas determinadas condiciones es necesario comparar el calor absorbido por una sustancia (o un sistema) con el incremento de temperatura resultante. La capacidad calorífica viene dada por:

C=∆Q/∆T
Donde: C= capacidad calorífica, que en general será función de las variables de estado. Q = es el calor absorbido o suministrado por el sistema. ΔT = la variación de temperatura

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El agua y su capacidad térmica


Cuando se calientan o enfrian dos sustancias distintos, lo hacen a un ritmo distintos. Es más fácil calentar un trozo de hierro que un vaso de agua ¿ Por que ?

Es debido a la capacidad calorífica diferentes de ambos sustancias ; se requiere menos energía térmica en variar la temperatura en 1°c en el hierro que en el agua. si se considera la capacidad calorífica como una inercia térmica, afirmamos que el agua tiene mayor resistencia a cambiar su temperatura , a excepción de unas pocas sustancias, el agua es por excelencia el refrigerante utilizados por automóviles , puede almacenar o disipar mucha energía térmica cuando se calienta o enfria respectivamente , siendo su mayor virtud la tasa lenta de enfriamiento o calentamiento según sea el caso .





Expansión Térmica!


Las sustancias se dilatan con la temperatura porque esta no es más que la expresión del grado de agitación de las partículas o moléculas de una sustancia. Cuando se da calor a una sustancia se está dando energía a sus moléculas; éstas, estimuladas, se muevan con más rapidez y se empieza a crear un espacio más grande para su mayor oscilación, de manera que al aumentar la distancia entre molécula y molécula.

En objetos solidos, la dilatación térmica produce un cambio en las dimensiones, mientras que en el caso de líquidos y gases, que no tienen forma definida, la dilatación térmica se manifiesta en un cambio en su volumen.

En los gases el fenómeno es diferente, ya que la absorción de calor aumenta la energía cinética de las moléculas lo cual hace que la presion sobre las paredes del recipiente aumente. El volumen final por tanto dependerá en mucha mayor medida del comportamiento de las paredes
  • Las tapas metálicas de los frascos de vidrio se aflojan poniéndolas en agua caliente
  • Si una parte de una pieza de vidrio se calienta o se enfría con mayor rapidez que sus partes vecinas, la dilatación o contracción resultantes pueden romper el vidrio, en especial si es grueso.
  • En puentes metálicos por ejemplo, como todo el puente se expande se coloca fijo en un extremo, pero en el otro se le apoya en una especie de rodillo, cuando se dilata el puente se dilata del extremo fijo hacia el extremo donde está el rodillo. Lo que hace el rodillo es permitir moverse a este extremo del puente tanto cuando se expande como cuando se contrae.
  • El vidrio Pyrex resistente al calor es una excepción, por su formula especialmente para dilatarse poco al aumentar la temperatura.
  • Los líquidos se dilatan más que los sólidos: El mercurio sube en el termómetro porque se dilata más que el recipiente de vidrio que lo contiene.En una banda o cinta bimetálica, cuando la banda se calienta, una de sus caras se alarga más que la otra, y hace que la banda se flexione formando una curva. Por otro lado, cuando la banda se enfría tiende a flexionarse en la dirección contraria, porque el metal que se dilata más también se contrae mas. Una aplicación práctica de lo anterior es el termostato, la flexión de la espiral bimetálica en uno u otro sentido abre y cierra un circuito eléctrico.

Expansión del agua:



Si se aumenta la temperatura de cualquier líquido común, este se dilata. Pero no el agua a temperaturas cercanas a su punto de congelación: el agua helada hace lo contrario.


Si el hielo está a temperatura fundente (0ºC), al calentarse y subir su temperatura, no se dilata, sino que se contrae hasta que su temperatura llega a 4ºC (en donde el agua alcanza su densidad máxima). Si sigue aumentando la temperatura, el agua comienza a dilatar y la expansión continúa hasta llegar al punto de ebullición (100ºC).

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Este comportamiento del agua tiene gran importancia en la naturaleza. Si el agua tuviera la mayor densidad en su punto de congelación, y al congelarse se contrajera como casi todos los líquidos, entonces el agua más fría se iría al fondo y los estanques se congelarían del fondo hacia arriba (esto ocasionaría que los habitantes del estanque se destruyeran en los meses de invierno). Pero lo que realmente sucede es que el agua más densa que va al fondo del estanque, está a 4ºC por arriba de la temperatura de congelación. El agua a 0ºC, es menos densa1 y “flota”, por lo que se forma hielo en la superficie, mientras que el interior, bajo el hielo, permanece líquido.


Debido a que el agua se expande al solidificarse, un aumento de la presión tiende a transformar el hielo en agua, y por lo tanto a descender el punto de fusión del hielo. La expansión del agua al solidificarse tiene efectos geológicos importantes. El agua que se introduce en las grietas diminutas de las rocas de la superficie terrestre crea una enorme cantidad de presión al solidificarse, y parte o rompe las rocas. Esta acción del hielo desempeña un papel importante en la erosión.


1 El hielo tiene una estructura cristalina en donde sus cristales tienen una estructura abierta, las moléculas de esta estructura, ocupan mayor volumen que en el estado líquido, por lo tanto el hielo es menos denso que el agua

.imagesg.jpgH2O Sólida

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REFERENCIAS:




HEWITT, Paul. Física Conceptual. Novena edición. Capítulo 15.

http://es.wikipedia.org/wiki/Calor

http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura