Calor

Termodinámica. Temperatura. Escalas termométricas. Calor latente y específico. Dilatación y contracción. Convección. Radiación

  • Enviado por: Alex
  • Idioma: castellano
  • País: México México
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INTRODUCCIÖN

El calor desempeña papel sumamente importante en nuestra vida cotidiana; es algo que todos notamos desde los primeros días en que nacemos sabemos distinguir las cosas frías de las calientes. Los sistemas de calefacción nos mantienen cómodamente en el ambiente del hogar en el invierno; en el verano, preferimos mantener mas baja la temperatura mediante el aire acondicionado; maquinas térmicas suministran energía para automóviles camiones, locomotoras, aviones, cohetes, etc.; algunas accionan dinamos que producen electricidad y hacen funcionar a televisores, aparatos domésticos, sistemas telefónicos, etc. Debemos la vida misma al calor. Pero el calor es algo mas que una sensación. En cierto sentido, nuestro cuerpo es una maquina térmica, donde el alimento que comemos es el combustible que nos provee de energía para nuestras diversas actividades y que nos mantiene a una determinada temperatura, a la cual el cuerpo únicamente trabaja; si sube o baja demasiado, se llega a la muerte.

El sol es la fuente de la mayor parte de calor que conocemos y es la fuente térmica que mantiene la vida en este planeta. Asimismo el Sol es fuente del calor almacenado en combustibles como el petróleo y el carbón; esta energía se libera cuando los quemamos.

El calor ha desconcertado siempre a los pensadores. ¿Qué es? ¿Cómo actúa?. La explicación más común, hasta principios del siglo XIX, era que se trataba de un fluido invisible y sin peso que entraba y salía de las cosas. Cuanto más caliente estaba el cuerpo, mas fluido o <<calórico>> tenían que otro de temperatura más baja. Esta teoría sostenía que cuando un cuerpo calentaba a otro, era porque desde él más caliente se transfería calórico al otro cuerpo al ponerse en contacto, con lo cual aumentaba la temperatura del cuerpo mas frío y disminuía la del mas caliente. Aunque la teoría del calórico explicaba algunos fenómenos de la transferencia de calor, correspondió a Benjamin Thompson, contribuir significativamente a lo que actualmente se acepta como teoría correcta acerca de la naturaleza del calor. Las pruebas experimentales presentadas por el físico británico Benjamin Thompson en 1798 y por el químico británico Humphry Davy en 1799 sugerían que el calor, igual que el trabajo, corresponde a energía en tránsito (proceso de intercambio de energía). Entre 1840 y 1849, el físico británico James Prescott Joule, en una serie de experimentos muy precisos, demostró de forma concluyente que el calor es una transferencia de energía, es decir, que una cantidad dada de energía mecánica produce la misma cantidad de calor, y que puede causar los mismos cambios en un cuerpo que el trabajo. Esto dio origen a un nuevo concepto del calor como forma de energía y al desarrollo de la teoría cinético-molecular.

JUSTIFICACIÓN

Este tema es de suma importancia porque dependemos totalmente de este fenómeno y de su precisión; sin el calor no podría existir la vida tanto animal como vegetal. Este es uno de los tantos fenómenos que tiene un equilibrio tanto en el interior de los cuerpos como con el exterior o el medio ambiente; este equilibrio de temperaturas no se puede perder y es por lo que los animales que viven en zonas muy frías tiene una piel muy gruesa y nosotros nos cubrimos con ropa abrigada en invierno para mantener esa temperatura.

Además es un tema muy interesante porque existen distintas formas para percibir el traslado de esa temperatura de un cuerpo a otro, estos traslados se hacen de manera invisible y solamente los podemos notar mediante el contacto con dichos cuerpos, es decir, la sensación.

Y como sabemos que el calor nunca va a dejar de ser objeto de estudio, ya que es indispensable para nuestra vida, necesitamos conocer un poco acerca de las distintas formas en la que se manifiesta este fenómeno para comprender mejor los cambios biológicos y físicos que existen en este planeta.

CAPÍTULO I

Calor significa, en física, transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de 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.

Teoría molecular

En la actualidad se sabe que la estructura elemental de los compuestos esta constituida por moléculas, siempre en movimiento, en rápida vibración de uno a otro lado y de arriba a abajo. Según esta teoría el calor de un cuerpo está directamente relacionado con la energía cinética o de movimiento de las moléculas que lo componen; cuanto mayor es la energía cinética más caliente está el cuerpo; cuanto más caliente está una cosa, más rápidamente se mueven sus partículas. Como las moléculas siempre se hayan en movimiento, todo lo existente contiene algún calor. Incluso lo que parece frío encierra cierta medida de temperatura pues sus moléculas se mueven.

Temperatura.

La sensación de calor o frío al tocar una sustancia depende de su temperatura, de la capacidad de la sustancia para conducir el calor y de otros factores. Aunque, si se procede con cuidado, es posible comparar las temperaturas relativas de dos sustancias mediante el tacto. Cuando se aporta calor a una sustancia, no sólo se eleva su temperatura, con lo que proporciona una mayor sensación de calor, sino que se producen alteraciones en varias propiedades físicas que pueden medirse con precisión. Al variar la temperatura, las sustancias se dilatan o se contraen, su resistencia eléctrica cambia, y en el caso de un gas, su presión varía. La variación de alguna de estas propiedades suele servir como base para una escala numérica precisa de temperaturas. La temperatura depende de la energía cinética media (o promedio) de las moléculas de una sustancia.

A medida que los sólidos, líquidos o gases se calientan, por lo general se expanden. Cuando se enfrían, por lo común se contraen. Estos efectos brindan una manera efectiva para medir la temperatura, esto es, el “Grado de calentamiento” o “Intensidad del calor” de un cuerpo. Los instrumentos diseñados para medir la temperatura se denominan termómetros; el más corriente consiste en un tubo de vidrio que lleva en la parte inferior una cubeta de líquido, normalmente mercurio o alcohol coloreado. Al calentarse, el líquido se dilata y sube por el tubo; si se enfría se contrae y desciende. Su nivel indica la temperatura. El alemán Gabriel Fahrenheit, construyó el primer termómetro confiable en 1714.

Escalas termométricas.

Al determinar cualquier escala termométrica se seleccionan los llamados puntos fijos, que son los de congelación y ebullición del agua a la presión atmosférica normal. En la actualidad se emplean diferentes escalas de temperatura; entre ellas están la escala Celsius —también conocida como escala centígrada—, la escala Fahrenheit, la escala Kelvin, la escala Rankine o la escala termodinámica internacional. En la escala Celsius, el punto de congelación del agua equivale a 0 °C, y su punto de ebullición a 100 °C. Esta escala se utiliza en todo el mundo, en particular en el trabajo científico. La escala Fahrenheit se emplea en los países anglosajones para medidas no científicas y en ella el punto de congelación del agua se define como 32 °F y su punto de ebullición como 212 °F. En la escala Kelvin, la escala termodinámica de temperaturas más empleada, el cero se define como el cero absoluto de temperatura, es decir, -273,15 °C. La magnitud de su unidad, llamada kelvin y simbolizada por K, se define como igual a un grado Celsius. Otra escala que emplea el cero absoluto como punto más bajo es la escala Rankine, en la que cada grado de temperatura equivale a un grado en la escala Fahrenheit. En la escala Rankine, el punto de congelación del agua equivale a 492 °R, y su punto de ebullición a 672 °R.

En 1933, científicos de treinta y una naciones adoptaron una nueva escala internacional de temperaturas, con puntos fijos de temperatura adicionales basados en la escala Kelvin y en principios termodinámicos. La escala internacional emplea como patrón un termómetro de resistencia de platino (cable de platino) para temperaturas entre -190 °C y 660 °C. Desde los 660 °C hasta el punto de fusión del oro (1.063 °C) se emplea un termopar patrón: los termopares son dispositivos que miden la temperatura a partir de la tensión producida entre dos alambres de metales diferentes. Más allá del punto de fusión del oro las temperaturas se miden mediante el llamado pirómetro óptico, que se basa en la intensidad de la luz de una frecuencia determinada que emite un cuerpo caliente.

En 1954, un acuerdo internacional adoptó el punto triple del agua, es decir, el punto en que las tres fases del agua (vapor, líquido y sólido) están en equilibrio, como referencia para la temperatura de 273,16 K. El punto triple puede determinarse con mayor precisión que el punto de congelación, por lo que supone un punto fijo más satisfactorio para la escala termodinámica. En criogenia, o investigación de bajas temperaturas, se han obtenido temperaturas de tan sólo 0,00001 K mediante la desmagnetización de sustancias paramagnéticas. En las explosiones nucleares se han alcanzado momentáneamente temperaturas evaluadas en más de 100 millones de kelvin.

Existen diferentes clases de termómetros. Uno ampliamente conocido, el termómetro clínico, que se utiliza para determinar la temperatura corporal. La normal del cuerpo se sabe ahora que es de unos 37°C, para la mayoría de las personas. El otro tipo de termómetro es el termómetro diferencial, que se emplea para una medición de temperatura muy precisa.

Medición de la cantidad de calor.

La calorimetría es la parte de la física que estudia la medida del calor. El conocer únicamente la temperatura de un cuerpo no nos precisa totalmente el calor de que dispone. Cuanto mayor sea su masa más calor precisaremos cederle para que aumente un intervalo su temperatura.

No todos los cuerpos responden de igual manera al estímulo del calor y es por lo que existe una propiedad característica llamada coeficiente de dilatación lineal, como la cantidad de calor que es necesario suministrarle a un gramo de masa para que aumente la temperatura 1°C.

Para medir la cantidad de calor empleamos la unidad denominada caloría que representa la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 1 gramo de agua a 1 atmósfera de presión desde 15 hasta 16 °C. Esta unidad se denomina a veces caloría pequeña o caloría gramo para distinguirla de la caloría grande, o kilocaloría, que equivale a 1.000 calorías y se emplea en nutrición.

Calor latente

El cambio de temperatura de una sustancia conlleva una serie de cambios físicos. Casi todas las sustancias aumentan de volumen al calentarse y se contraen al enfriarse. El comportamiento del agua entre 0 y 4 °C constituye una importante excepción a esta regla. Se denomina fase de una sustancia a su estado, que puede ser sólido, líquido o gaseoso. Los cambios de fase en sustancias puras tienen lugar a temperaturas y presiones definidas. El paso de sólido a gas se denomina sublimación, de sólido a líquido fusión, y de líquido a vapor vaporización. Si la presión es constante, estos procesos tienen lugar a una temperatura constante. La cantidad de calor necesaria para producir un cambio de fase se llama calor latente; existen calores latentes de sublimación, fusión y vaporización. Si se hierve agua en un recipiente abierto a la presión de 1 atmósfera, la temperatura no aumenta por encima de los 100 °C por mucho calor que se suministre. El calor que se absorbe sin cambiar la temperatura del agua es el calor latente; no se pierde, sino que se emplea en transformar el agua en vapor y se almacena como energía en el vapor. Cuando el vapor se condensa para formar agua, esta energía vuelve a liberarse. Del mismo modo, si se calienta una mezcla de hielo y agua, su temperatura no cambia hasta que se funde todo el hielo. El calor latente absorbido se emplea para vencer las fuerzas que mantienen unidas las partículas de hielo, y se almacena como energía en el agua. Para fundir 1 kg de hielo se necesitan 19.000 julios, y para convertir 1 kg de agua en vapor a 100 °C, hacen falta 129.000 julios.

Calor específico

No todos los materiales absorben calor en la misma proporción cuando se les somete a cambios iguales de temperatura. Para ello se utiliza la unidad denominada calor específico que se refiere a la cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia. Si el calentamiento se produce manteniendo constante el volumen de la sustancia o su presión, se habla de calor específico a volumen constante o a presión constante. En todas las sustancias, el primero siempre es menor o igual que el segundo. El calor específico del agua a 15 °C es de 4.185,5 julios por kilogramo y grado Celsius. En el caso del agua y de otras sustancias prácticamente incompresibles, no es necesario distinguir entre los calores específicos a volumen constante y presión constante ya que son aproximadamente iguales. Generalmente, los dos calores específicos de una sustancia dependen de la temperatura.

Dilatación y contracción

Los cambios de temperatura pueden afectar el tamaño de los objetos. Normalmente, cuando aumenta su temperatura y se calientan se dilatan o expanden; y cuando se enfrían o desciende su temperatura se contraen y desciende su tamaño. En este principio se basa el termómetro.

La expansión de un sólido puede expresarse según una, dos o sus tres dimensiones. Así, hablamos de expansión de sólidos lineal, superficial y en volumen. Al conocer la expansión lineal podemos hallar fácilmente las expansiones superficial y en volumen. Esta expansión lineal se mide de acuerdo con el coeficiente de expansión lineal: la variación de longitud de una unidad de longitud de material por cada unidad de cambio de temperatura. Es importante observar que la cantidad de expansión depende tanto de la longitud como del cambio de temperatura. Puesto que metales diferentes tienen coeficientes de expansión distintos, un metal se expandirá más que otro cuando se le someta al mismo grado de calor.

Transmisión de calor.

Se define como el proceso por el cual se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos.

Conducción

En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. 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. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemático francés Barón Joseph Fourier dio una expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).

El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario conocer la velocidad de conducción del calor a través de un sólido en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Para averiguarlo se requieren técnicas matemáticas muy complejas, sobre todo si el proceso varía con el tiempo; en este caso, se habla de conducción térmica transitoria.

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 densida 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, lo que produce un movimiento de circulación.

Radiación

La radiación presenta una diferencia fundamental 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. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. En 1905, Albert Einstein sugirió que la radiación presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto fotoeléctrico, la radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. La naturaleza cuántica de la energía radiante se había postulado antes de la aparición del artículo de Einstein, y en 1900 el físico alemán Max Planck empleó la teoría cuántica y el formalismo matemático de la mecánica estadística para derivar una ley fundamental de la radiación. La expresión matemática de esta ley, llamada distribución de Planck, relaciona la intensidad de la energía radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda determinada con la temperatura del cuerpo. 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.

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. Como puede demostrarse a partir de 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. Por eso, aunque un cubito de hielo emite energía radiante de forma continua, se funde si se ilumina con una lámpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor mayor de la que emite.

Las superficies opacas pueden absorber la radiación, 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. Por eso, los utensilios de cocina suelen tener fondos mates para una buena absorción y paredes pulidas para una emisión mínima, con lo que maximizan la transferencia total de calor al contenido de la cazuela.

Algunas sustancias, entre ellas muchos gases y el vidrio, son capaces de transmitir grandes cantidades de radiación. Se observa experimentalmente que las propiedades de absorción, reflexión y transmisión de una sustancia dependen de la longitud de onda de la radiación incidente. Este tipo de radiación es la responsable de transmisión de calor en el efecto invernadero.

Además de los procesos de transmisión de calor que aumentan o disminuyen las temperaturas de los cuerpos afectados, la transmisión de calor también puede producir cambios de fase, como la fusión del hielo o la ebullición del agua

Colegio Indoamericano S.C.

Alejandro Fuente Maraver

FÍSICA

Trabajo de investigación

“CALOR”

9 - Mayo - 2000

CAPÍTULO III

*Bibliografía*

Enciclopedia de las Ciencias. Ciencia físicas II.

Tomo 5. Ed. Grolier

Enciclopedia Encarta 1999. Microsoft.

Enciclopedia Juvenil. Ciencias. Tomo 5.

Ed Grolier

CAPÍTULO II

Conclusiones

Ahora que conocemos un poco mas acerca del tema de calor , podemos hacer una breve y sencilla definición e lo que es calor:

=El calor es en realidad energía cinética o en movimiento de moléculas que vibran que se transmite de un cuerpo a otro.

Con esta definición se nos da a notar que el calor y su transmisión se encuentra por todas partes, ya que en todos los lugares de la Tierra existe la energía y en todas partes se necesita el equilibrio de calor para que se puedan llevar a cabo los ciclos de la vid y los fenómenos meteorológicos, químicos, físicos y biológicos.

Con este trabajo de investigación llegamos a comprender él ¿por qué? de muchas cosas, como por ejemplo:

¿Por qué cuando tenemos frío nos tapamos con ropa abrigada y cuando tenemos calor no queremos estar en puros boxers o calzoncillos?

Ó ¿Por qué cuando queremos enfriar un café metemos la cuchara fría con la que lo meneamos?

Ó ¿Por qué en las vías del tren existe un espacio entre cada riel?

Todas estas preguntas tienen la misma respuesta: por el calor.

El calor es el responsable de dilatar los cuerpos y contraerlos, el de mantener un equilibrio térmico en nuestra atmósfera y nuestro cuerpo, el de que exista fotosíntesis, ciclo del agua, tormentas, etc..

Simplemente sin el calor no dejaría de existir solamente la Tierra y la vida que hay en ella; si no que desaparecería el completo universo, porque de calor fue de lo que se formo y por calor es por lo que sé esta moviendo.

Espero que hayan entendido la importancia del calor y de su transmisión para buscar el equilibrio de temperatura, y que por lo menos les haya servido este trabajo para que comprendan un poco mas como es el funcionamiento de su cuerpo, de su planeta, de su Sistema Solar y de su Universo.

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