EL CALOR

TEMPERATURA :

Para estudiar los fenómenos que llamamos térmicos o caloríficos es necesario definir una magnitud fundamental : la temperatura.

Es una medida de la Energía Cinética media de sus partículas, de forma que un cuerpo está a mayor o menor temperatura que otro si la Energía Cinética media de sus partículas es mayor

La medida de la temperatura se realiza mediante la manifestación externa de una propiedad de un cuerpo que registra un termómetro.

TERMÓMETROS :

Son aparatos utilizados para medir la temperatura de los cuerpos

Se caracterizan por :

Alcanzar rápidamente la misma temperatura que el cuerpo con el que se pone en contacto

Medir la temperatura de una forma indirecta, es decir mide una propiedad física relacionada con la temperatura, la cuál se caracteriza por presentar siempre el mismo valor a una temperatura dada y por experimentar las mismas variaciones para los mismos cambios de temperatura

ESCALAS DE TEMPERATURAS :

Todas las escalas termométricas atribuyen un valor arbitrario a ciertos puntos fijos, dividiendo las escalas en un número de divisiones iguales.

Las Escalas Termométricas son :

• Escala Celsius

Asigna como valores fijos el 0 ºC (punto de fusión del agua) y el 100 ºC

(punto de ebullición del agua).

El intervalo 0 - 100 lo divide en 100 partes iguales

• Escala Kelvin

Asigna como valores fijos el 0 ºK (Cero Absoluto) y el 273 ºK

(punto de fusión del agua).

Las divisiones son iguales que en la escala Celsius

La relación con la escala Celsius es :

T = t c + 273

Cero Absoluto :

Es la temperatura a la cuál cesa toda agitación térmica y es, por tanto, la mínima

temperatura que puede alcanzar un cuerpo

• Escala Fahrenheit :

Asigna como valores fijos el 32 ºF (punto de fusión del agua) y el

212 ºF (punto de ebullición del agua).

El intervalo entre ambas temperaturas se divide en 180 partes iguales

La relación con la escala Celsius es :

t c t F - 32

------ = -----------

• 9

Punto Ebullición agua ......... 100 ºC 373 ºK 212 ºF

100 divisiones 100 divisiones 180 divisiones

Punto Fusión agua .............. 0 ºC 273 ºK 32 ºF

Cero Absoluto .............. - 273 ºC 0 ºK - 460 ºF

Celsius Kelvin Fahrenheit

Ejemplo 1º :

92 º F ¿A cuántos grados Celsius corresponden? ¿Y Fahrenheit?

t c 92 - 32

----- = ------------ : . t c = 33'33 ºC

5 9

ºK = 33'33 + 273 = 306'33 ºK

Ejemplo 2º :

37 º C ¿A cuántos grados Kelvin corresponden? ¿Y Fahrenheit?

37 t F - 32

----- = ------------ : . t F = 98'6 ºF

5 9

ºK = 37 + 273 = 310 ºK

CALOR :

El calor es una forma de Energía transferida

El Principio cero de la termodinámica dice : “Cuando se ponen en contacto dos sistemas a distintas temperaturas el sistema evoluciona hasta alcanzar el equilibrio térmico”. Esta evolución implica una transformación de energía.

Definimos calor como una energía en tránsito entre dos cuerpos a distintas temperaturas.

Por ser una energía, sus unidades de medida son las de ésta. La unidad en el S.I. es el Julio; sin embargo es muy habitual emplear la caloría o la kilocaloría (1 caloría = 4'18 Julios)

FORMAS DE TRANSFORMACIÓN DE CALOR :

• Conducción :

Es la transferencia de calor que tiene lugar por transmisión de Energía de unas

partículas a otras, sin desplazamiento de éstas

Es típica en los sólidos.

Por ejemplo, si sujetamos una barra de hierro por un extremo y el otro lo

exponemos a la llama, al momento notaremos que nos llega el calor a nuestra

mano

• Convección :

Es la transferencia de calor que tiene lugar mediante el movimiento de las

partículas de un fluido. El transporte es efectuado por moléculas de aire

Es típica de líquidos y gases.

Por ejemplo, si ponemos la mano cercana a una vela encendida notaremos su

calor, debido a que el aire que rodea la vela pierde densidad y asciende siendo

reemplazado por aire frío que desciende

• Radiación :

Es la transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas sin intervención

de partículas que lo transporte.

Por ejemplo el calor que nos llega del Sol

EFECTOS DEL CALOR :

1º.- Aumento de la Temperatura

2º.- Cambios de Estado

3º.- Dilatación de los cuerpos

1º.- AUMENTO DE LA TEMPERATURA :

La cantidad de calor (cedido o absorbido) por un

cuerpo depende del incremento de la temperatura, de su masa y de su propia naturaleza

La naturaleza de cada sustancia se refleja en una magnitud física llamada “Calor Específico”

La formula que nos relaciona el Calor cedido o absorbido con los tres factores citados es :

Q = m · c ·  t = m · c · (t f - t 0)

Q ........ Calor => Si m se mide en gramos, Q vendrá dado en calorías

Si m se mide en Kilogramos, Q vendrá dado en Kilocalorías (Kcal)

c ........ Calor específico

t f ........ Temperatura final

t 0 ......... Temperatura inicial

Definiciones :

• Calor específico (c) :

Es el calor que debe recibir 1 kilo de una sustancia para que aumente su

temperatura 1 ºC. Se mide en cal/gr ºC

• Capacidad Calorífica (C) :

Es el calor que debe recibir una sustancia para que aumente su

temperatura 1 ºC. Se mide en cal/ ºC

• Caloría :

Es la cantidad de calor que debe de recibir 1 gramo de agua para que su temperatura

aumente 1º C

Equilibrio Térmico :

En un proceso de mezcla de dos cuerpos a distinta temperatura, la cantidad de calor cedida por el cuerpo caliente será igual a la cantidad de calor absorbida por el cuerpo frío

hasta alcanzar el equilibrio térmico :

Q cedido = Q absorbido

Sea la temperatura del cuerpo caliente t 1, su masa m 1 y su calor específico c 1

Sea la temperatura del cuerpo frío t 2, su masa m 2 y su calor específico c 2

Sea t m la temperatura final de equilibrio :

Como Q cedido = Q absorbido ==> m 1 · c 1 · (t 1 - t m) = m 2 · c 2 · (t m - t 2)

2º.- CAMBIOS DE ESTADO :

a) Fusión :

Es el cambio de estado que experimenta una sustancia al pasar de sólido a líquido.

El calor absorbido por un cuerpo en la fusión es igual al calor cedido por éste en la

solidificación.

Se llama “Punto de fusión” a la temperatura en la que se produce la fusión (en el

agua pura el punto de fusión es de 0 ºC). Mientras se produce el cambio de

estado, el punto de fusión es constante.

Se llama “calor latente de fusión” fusión a la cantidad de calor por unidad de

masa que ha de suministrarse a una sustancia a su temperatura de fusión para

convertirla completamente en líquido

Se formula mediante la expresión :

Q = m ·  f

El calor de fusión solo se emplea en el cambio de estado, no en aumentar la

temperatura

b) Vaporización :

Es el cambio de estado que experimenta una sustancia al pasar de líquido a

gas.

El calor absorbido por un cuerpo en la vaporización es igual al calor cedido por

éste en la condensación.

Se llama “Punto de ebullición” a la temperatura en la que se produce la ebullición

(en el agua pura es de 100 ºC). Mientras se produce el cambio de estado, el punto

de ebullición es constante.

Se llama “calor latente de vaporización” vaporización a la cantidad de calor por

unidad de masa que ha de suministrarse a una sustancia a su temperatura de

ebullición para convertirla completamente en gas

Q = m ·  v

El calor de vaporización solo se emplea en el cambio de estado, no en aumentar la

Temperatura.

Podríamos decir que el calor latente es la cantidad de calor necesaria para cambiar

de estado a temperatura constante.

Los calores latentes se miden en J/Kg o bien en cal/gr.

3º.- DILATACIÓN :

Al fenómeno por el que los cuerpos experimentan una variación de volumen

al modificar su temperatura, se le llama dilatación.

La variación de volumen de un sólido o un líquido depende de su naturaleza, generalmente la

dilatación en los gases es mayor que en los líquidos y en éstos es mayor que en los sólidos

• Dilatación de los sólidos :

En las construcciones de puentes, viaductos, edificios, .....

existen unas pequeñas separaciones, llamadas juntas de dilatación, las cuales se construyen en

previsión de la dilatación de los cuerpos, evitando con ello la deformación o rotura de la

estructura

Tipos de dilatación de los sólidos :

Dilatación Lineal :

Se contempla en aquellos cuerpos en los que una de sus dimensiones es

mucho mayor que en las otras dos (varillas, raíles, vigas....). Obras de arquitectura e

ingeniería pueden sufrir deformaciones peligrosas si no se tiene en cuenta la dilatación, para

evitarlo, es por lo que se dejan en los edificios las llamadas juntas de dilatación (huecos de

separación intercalados perpendicularmente en la obra).

Para estudiar la dilatación lineal hay que definir una propiedad de la materia, llamada

coeficiente de dilatación lineal () :

Es el aumento que experimenta cada unidad de

longitud de la sustancia al aumentar 1 ºC su temperatura.

L 0 L 0 : Longitud inicial

L = L 0 · (1 +   t) L : Longitud dilatada

L  t : Incremento de temperatura

Dilatación Superficial :

Se contempla en aquellos cuerpos en los que una de sus

dimensiones es mucho menor que las otras dos (chapas, láminas, espejos...)

Para estudiar la dilatación superficial hay que definir una propiedad de la materia, llamada

coeficiente de dilatación superficial () :

Es el aumento que experimenta cada unidad de

superficie de la sustancia al aumentar 1 ºC su temperatura.

S 0 : Superf. inicial

S0 (Superficie Inicial) S = S0 · (1 +  t) S : Superf. dilatada

S (Superficie Final)  t : diferencia de tª

Se cumple además que  = 2 

Dilatación Cúbica :

Se contempla en aquellos cuerpos en los que las tres dimensiones son

parecidas.

Para estudiar la dilatación cúbica hay que definir una propiedad de la materia, llamada

coeficiente de dilatación cúbica () : Es el aumento que experimenta cada unidad de

volumen de la sustancia al aumentar 1 ºC su temperatura.

V 0 : Volumen inicial

V = V0 · (1 +  t) V : Volumen dilatado

t : incremento de temperatura

Se cumple además que  = 3 

• Dilatación de los líquidos :

Es semejante a la dilatación cúbica de los sólidos.

Cada líquido presenta un coeficiente de dilatación cúbica (k) característico, por lo que están

tabulados

Su expresión es : V = V 0 (1 + k t)

• Dilatación de los gases :

Su estudio se realiza a presión constante.

Todos los gases experimentan el mismo incremento de volumen con un mismo incremento de

temperatura

El coeficiente de dilatación, ( p), de los gases es el mismo para todos, siendo su valor :

1

 p = ------

273

El valor del volumen final de un gas que ha experimentado un incremento de temperatura, se

calcula a partir de la expresión :

V = V 0 · (1 + p  t)

TERMODINÁMICA

Es la parte de la Física que estudia los cambios de Energía que se producen en los procesos físicos y químicos.

Presta especial atención a la transformación de Trabajo en Calor y viceversa.

CALOR Y TRABAJO :

El primero que realizó una

experiencia demostrativa de que el calor era una forma de

energía fue J.P. Joule. Dispuso una cubeta de agua con unas

palas rotatorias unidas a un peso a través de una polea.

El peso descendía a consecuencia de la gravedad, provocando

el giro de las paletas y con ello un aumento de la temperatura

del agua.

En consecuencia, la producción de un trabajo podía producir

calor, por lo que se demostraba la equivalencia entre calor y

trabajo como dos manifestaciones distintas de energía

El calor y el trabajo son energía en tránsito

Si el tránsito se debe a una diferencia de temperaturas

se llama Calor; si el tránsito se debe al desplazamiento

por acción de una fuerza se llama Trabajo.

• Equivalente mecánico del Calor :

Joule comprobó que siempre se necesitan 4'18 Julios de

Trabajo para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en 1 ºC. Es decir 4'18 Julios de Energía

mecánica equivalen a 1 caloría de Energía térmica. Este resultado se conoce como Equivalente

Mecánico del Calor

1 julio = 0'24 calorías 1 caloría = 4'18 julios

PRIMER PRINCIPIO DE TERMODINÁMICA :

Supongamos un émbolo con un gas en su interior y le comunicamos calor (Q). Dicho calor hará que al cabo de un tiempo se expanda el émbolo

En definitiva :

Si comunicamos calor (Q) a un sistema aislado, dicho calor se convierte en aumentar la Energía

Interna (U) del sistema y en la producción de Trabajo (W) para la expansión.

Esto se expresa en el Primer Principio de la Termodinámica :

 Q =  U +  W

• ¿Qué es la Energía Interna? :

Es la suma de todas las energías que pueda tener el sistema, es

decir, suma de las Energías : Potencial, Cinética, de Vibración, de Rotación, de Enlace y

Térmica de todas las moléculas que integran el sistema.

Es una Función de Estado, es decir su valor solo depende de sus estados inicial y final

Q (positivo) W (negativo)

Criterio general de signos :

El Trabajo realizado por el sistema es Positivo (Q +)

El Trabajo realizado por el ambiente es Negativo

El calor cedido por el sistema es Negativo

El calor absorbido por el sistema es Positivo

Q (negativo) W (positivo)

SEGUNDO PRINCIPIO DE TERMODINÁMICA :

Conocido como “El Principio de la degradación de la Energía”

Es mucho más fácil transformar trabajo en calor que al revés (por ejemplo, cuando frenamos un coche, la energía cinética del coche se convierte en calor en las pastillas del freno. Pero no podemos utilizar el calor de las pastillas del freno para producir energía cinética y hacer andar el coche).

Esto hace pensar que el calor es una energía de menor calidad, menos útil, degradada

Fue el ingeniero francés S. Carnot el que llegó a establecer el segundo Principio de Termodinámica

“No puede existir ninguna máquina térmica capaz de transformar íntegramente todo el calor absorbido en energía mecánica”

Foco caliente

Las máquinas térmicas funcionan entre dos focos caloríficos a diferente Q 1

temperatura. Parte del calor que cede el foco caliente se transforma en

trabajo y el resto es captado por el foco frío.

Se llama Rendimiento de una máquina térmica al cociente entre el

trabajo y la cantidad de calor cedido por el foco caliente : W = Q1 - Q2

W W

 = ------  en % = ----- · 100 Q 2 Foco frío

Q1 Q1

Las máquinas térmicas más importantes son : La máquina de vapor, la turbina de vapor y el motor de explosión

FUENTES DE ENERGÍA :

Las fuentes de energía se clasifican en renovables o no renovables.

Son energías renovables las que llegan de forma continua a la superficie terrestre y son inagotables :

Son energías no renovables aquellas que se encuentran en cantidades limitadas y van disminuyendo sus reservas continuamente : carbón, petróleo, gas natural, energía nuclear y energía geotérmica.

Las energías alternativas (nuevas fuentes de energía), se encuentran en fase de estudio, su producción mundial es todavía escasa. Es el caso de la energía solar, eólica, maremotriz, geotérmica y biomasa.

• Solar : Llega a la Tierra en forma de radiación, procedente del Sol. Se usa para calefacción de edificios y producción de energía eléctrica

• Eólica : Es energía producida por el viento. Es importante en aquellas zonas sometidas a fuertes vientos constantes

• Maremotriz : Aprovecha la energía procedente de las olas y de las mareas. Tiene el inconveniente que para aprovecharla necesita complicadas y costosas instalaciones.

• Geotérmica : Aprovecha la energía que procede de las profundidades terrestres (géiseres, aguas

termales, fumarolas....)

• Biomasa : Es la que se obtiene de los restos orgánicos, que por acción de microorganismos se van transformando (química o biológicamente). Además de su aprovechamiento energético, permite la eliminación de residuos.