calor

Calor

Llamamos calor a la energía que pasa de un cuerpo a otro en virtud únicamente de una diferencia de calor entre ellos.

Equilibrio térmico

Es el estado en el que se igualan las temperaturas de dos cuerpos en cuyas condiciones iníciales, tenían diferentes temperaturas. Al igualarse las temperaturas se suspende el flujo de calor, el sistema formados por esos cuerpos llega a su equilibrio térmico.

Ley Cero de la termodinámica

El concepto de equilibrio térmico es la base de la llamada ley cero. Esta ley de proposición fue enunciada por R. H. Fowler en 1931. La ley cero de la termodinámica se enuncia:

“La experiencia indica que si dos sistemas A y B se encuentran, cada uno por separado, en equilibrio térmico con un tercer sistema, que llamaremos C, entonces A y B se encuentran en equilibrio térmico entre sí.”

Dilatación de los cuerpos

Todos los cuerpos, sean sólidos, líquidos o gases, al recibir o ceder calor sufren modificaciones a nivel molecular. Existen tres tipos de dilatación de acuerdo con la forma y naturaleza de la sustancia: lineal, superficial y volumétrica.

Dilatación lineal

Si el cuerpo es sólido y de forma alargada y delgada, sufre cambios en todo el cuerpo pero lo más notorio es la longitud, por eso se dice que tiene dilatación lineal.

Por ejemplo supongamos que una barra de aluminio de cierta longitud inicial (L₀) se encuentra a la temperatura ambiental (T₀). Si aumentamos la temperatura de la barra con la flama de un mechero hasta una temperatura más alta que la ambiental (T), y si este momento se mide la longitud de la barra, se podrá observar que la longitud se incrementó en una cierta cantidad. Con esto, podemos realizar la siguiente fórmula:

  

Donde:

Coeficientes de dilatación lineal

·        Actividad: Realiza los siguientes ejemplos de dilatación superficial.

Dilatación superficial

Aumento o disminución del área de un objeto provocado por el cambio de temperatura. Si la temperatura aumenta el objeto sufre una dilatación y si la temperatura baja, sufre una contracción.

 

Si la temperatura se eleva (T), los lados del objeto sufren un incremento tanto a lo largo como a lo ancho, ocasionando con esto un incremento en el área original.

La fórmula es:

·        Actividad: Realiza el siguiente ejemplo de dilatación superficial.

Si tenemos un volumen inicial (V₀) a una temperatura inicial (T₀) ay al cuerpo se le aumenta la temperatura (T), ocasionando un cambio en su volumen (V). El aumento de dicho volumen por un cambio en la temperatura nos da por resultado la siguiente ecuación:

·        Actividad:  Realiza el siguiente problema de dilatación volumétrica

dilatacion

DILATACIÓN

La DILATACIÓN es el aumento de volumen de un cuerpo por apartamiento de sus moléculas y disminución de su densidad.

Otra definición de DILATACIÓN es la siguiente: Incremento  del volumen de un cuerpo por aumentar la distancia entre sus moléculas, con lo que su densidad disminuye.

Si observas con cuidado lo que sucede a tu alrededor, te darás cuenta que muchas sustancias aumentan su tamaño cuando se eleva su temperatura. El concepto de temperatura a partir del movimiento de las moléculas de un cuerpo, nos explica este fenómeno.

Algunos objetos llegan a romperse, por ejemplo al enfriar bruscamente un vaso de vidrio o cuando se encuentra frío y se calienta rápidamente. Debido a que los cambios de temperatura tienen lugar a distintas velocidades en las paredes de vaso, el vidrio se dilata o se contrae de manera desigual y se rompe con facilidad.

Los cambios de temperatura afectan el tamaño de los cuerpos, pues la mayoría de ellos sedilatan al calentarse y se contraen si se enfrían.

Los gases se dilatan mucho mas que los líquidos  y estos mas que los sólidos.

La dilatación tiene multitud de aplicaciones una de ellas es en la fabricación de termómetros que son instrumentos que utilizan la dilatación que experimenta un sólido, un líquido o un gas hasta lograr su equilibrio térmico con el cuerpo con que se encuentra un contacto.

TERMOMETROS BIMETALICOS:

Se utiliza para medir la temperatura de sólidos, constan de una varilla de dos metales diferentes cuando ambos tienen cambios de longitud, al calentarse uno se dilata mas que otro y la barra se dobla.

TERMOMETROS A BASE DE LIQUIDOS:

Aprovechan la diferencia de dilatación entre los líquidos. Para que la dilatación se observe con mayor claridad existe un bulbo o depositovoluminoso  del liquido y un tubo capilar muy delgado que permite ver cualquier variación de volumen.

      

1.- TERMOMETRO DE MERCURIO

Cosiste en un cubo con un conducto muy delgado (tubo capilar), unido a un bulbo mas grande que contiene mercurio.

Cuando el termómetro esta en contacto con un cuerpo a mayor temperatura, se transmite calor hacia el y la temperatura del mercurio aumenta; se dilata mas que el vidrio, ocupa mayor volumen y asciende por el tubo capilar

2.- TERMOMETRO DE ALCOHOL

Se rige por el mismo principio de los termómetros de mercurio; se utiliza alcohol coloreado. Es indispensable en algunos lugares fríos ya que en ellos el mercurio se solidificaría.

Otra de las aplicaciones de la dilatación  es en los termostatos, aparatos destinados a mantener constante, en lo posible, la temperatura de un cuerpo o de un lugar determinado

En algunos casos los termostatos hace la regulación automáticamente, y en otros casos solo avisa cuando la temperatura no es la deseada, haciendo una lámpara, etc. Hay termostatos en refrigeradores, hornos, cafeteras, sistemas de calefacción y aire acondicionado

  

DILATACIÓN

     

Ø  De los sólidos

Ø  Lineal

Ø  Coeficiente de dilatación

Ø  De los líquidos

Ø  Anómala del agua

Ø  Superficial

Ø  Volumétrica

Ø  De los gases

   DILATACION DE L0S SOLIDOS:

Los átomos que forman la sustancia sólida se encuentran colocados ordenadamente, lo que da origen  a una estructura llamada red cristalina del cuerpo sólido

Al elevarse la temperatura de un sólido se provoca un aumento en la agitación de los átomos que, al vibrar, se alejan de su posición de equilibrio aumentando la distancia entre ellos, lo que trae como consecuencia la dilatación de los sólidos.

La expansión térmica del metal de un edificio o puente tiene una gran importancia práctica. Si no se tomaran medidas respecto a la expansión térmica, las vías de los ferrocarriles y las carreteras de concreto se penderían bajo la acción del sol en el verano.

DILATACION LINEAL:

Si calentamos una varilla metálica se observa que su volumen aumenta y notamos que la varilla se alarga. A este alargamiento se le denomina dilatación lineal. Se ha encontrado experimentalmente que:

v El alargamiento que se produce es directamente proporcional a la elevación de la temperatura.

v El alargamiento es directamente proporcional al largo de la varilla. Con estas dos conclusiones se puede enunciar la Ley General de la Dilatación Lineal: 

v     Ley general de la Dilatación Lineal

v El alargamiento de una varilla al calentarse  es directamente proporcional a la elevación de la temperatura y al largo inicial de la varilla.

COEFICIENTE DE DILATACION:

Se llama coeficiente de dilatación lineal de una sustancia sólida al incremento que experimenta la unidad de longitud al aumentar su temperatura en un grado centígrado.

escalas termometricas

Escalas termométricas

Existen varias escalas termométricas para medir temperaturas, relativas y absolutas.

A partir de la sensación fisiológica, es posible hacerse una idea aproximada de la temperatura a la que se encuentra un objeto. Pero esa apreciación directa está limitada por diferentes factores; así el intervalo de temperaturas a lo largo del cual esto es posible es pequeño; además, para una misma temperatura la sensación correspondiente puede variar según se haya estado previamente en contacto con otros cuerpos más calientes o más fríos y, por si fuera poco, no es posible expresar con precisión en forma de cantidad los resultados de este tipo de apreciaciones subjetivas. Por ello para medir temperaturas se recurre a los termómetros.

En todo cuerpo material la variación de la temperatura va acompañada de la correspondiente variación de otras propiedades medibles, de modo que a cada valor de aquella le corresponde un solo valor de ésta. Tal es el caso de la longitud de una varilla metálica, de la resistencia eléctrica de un metal, de la presión de un gas, del volumen de un líquido, etc. Estas magnitudes cuya variación está ligada a la de la temperatura se denominan propiedades termométricas, porque pueden ser empleadas en la construcción de termómetros.

Para definir una escala de temperaturas es necesario elegir una propiedad termométrica que reúna las siguientes condiciones:

1.  La expresión matemática de la relación entre la propiedad y la temperatura debe ser conocida.

2.  La propiedad termométrica debe ser lo bastante sensible a las variaciones de temperatura como para poder detectar, con una precisión aceptable, pequeños cambios térmicos.

3.  El rango de temperatura accesible debe ser suficientemente grande.

Una vez que la propiedad termométrica ha sido elegida, la elaboración de una escala termométrica o de temperaturas lleva consigo, al menos, dos operaciones; por una parte, la determinación de los puntos fijos o temperaturas de referencia que permanecen constantes en la naturaleza y, por otra, la división del intervalo de temperaturas correspondiente a tales puntos fijos en unidades o grados.

Lo que se necesita para construir un termómetro, son puntos fijos, es decir procesos en los cuales la temperatura permanece constante. Ejemplos de procesos de este tipo son el proceso de ebullición y el proceso de fusión.

Existen varias escalas para medir temperaturas, las más importantes son la escala Celsius, la escala Kelvin y la escala Fahrenheit.

Escala Celsius

Esta escala es de uso popular en los países que adhieren al Sistema Internacional de Unidades, por lo que es la más utilizada mundialmente. Fija el valor de cero grados para la fusión del agua y cien para su ebullición. Inicialmente fue propuesta en Francia por Jean-Pierre Christin en el año 1743 (cambiando la división original de 80 grados de René Antoine Ferchault de Réaumur) y luego por Carlos Linneo, en Suiza, en el año 1745 (invirtiendo los puntos fijos asignados por Anders Celsius). En 1948, la Conferencia General de Pesos y Medidas oficializó el nombre de "grado Celsius" para referirse a la unidad termométrica que corresponde a la centésima parte entre estos puntos.¹

Para esta escala, estos valores se escriben como 100 °C y 0 °C y se leen 100 grados Celsius y 0 grados Celsius, respectivamente.

Escala Fahrenheit

En los países anglosajones se pueden encontrar aún termómetros graduados en grado Fahrenheit (°F), propuesta por Gabriel Fahrenheit en 1724. La escala Fahrenheit difiere de la Celsius tanto en los valores asignados a los puntos fijos, como en el tamaño de los grados. En la escala Fahrenheit los puntos fijos son los de ebullición y fusión de una disolución de cloruro amónico en agua. Así al primer punto fijo se le atribuye el valor 32 y al segundo el valor 212. Para pasar de una a otra escala es preciso emplear la ecuación:

t(°F) = (9/5) * t(°C) + 32 ó t(°C) = (5/9) * [t(°F) - 32]

donde

t(°F) representa la temperatura expresada en grados Fahrenheit y t(°C) la expresada en grados Celsius.

Escala Kelvin o absoluta

Se comparan las escalas Celsius y Kelvin mostrando los puntos de referencia anteriores a 1954 y los posteriores para mostrar cómo ambas convenciones coinciden. De color negroaparecen el punto triple del agua(0,01 °C, 273,16 K) y el cero absoluto (-273,15 °C, 0 K). De color gris los puntos de congelamiento (0,00 °C, 273,15 K) y ebullición del agua (100 °C, 373,15 K).

Si bien en la vida diaria las escalas Celsius y Fahrenheit son las más importantes, en ámbito científico se usa otra, llamada "absoluta" o Kelvin, en honor a sir Lord Kelvin.

En la escala absoluta, al 0 °C le hace corresponder 273,15 K, mientras que los 100 °C se corresponden con 373,15 K. Se ve inmediatamente que 0 K está a una temperatura que un termómetro centígrado señalará como -273,15 °C. Dicha temperatura se denomina "cero absoluto".

Se puede notar que las escalas Celsius y Kelvin poseen la misma sensibilidad. Por otra parte, esta última escala considera como punto de referencia el punto triple del agua que, bajo cierta presión, equivale a 0.01 °C.

La escala de temperaturas adoptada por el Sistema Internacional de Unidades es la llamada escala absoluta o Kelvin. En ella el tamaño de los grados es el mismo que en la Celsius, pero el cero de la escala se fija en el - 273,15 °C. Este punto llamado cero absoluto de temperaturas es tal que a dicha temperatura desaparece la agitación molecular, por lo que, según el significado que la teoría cinética atribuye a la magnitud temperatura, no tiene sentido hablar de valores inferiores a él. El cero absoluto constituye un límite inferior natural de temperaturas, lo que hace que en la escala Kelvin no existan temperaturas bajo cero (negativas). La relación con la escala Celsius viene dada por la ecuación:

T(K) = t(°C) + 273,15 ó t(°C) = T(K) - 273,15T(K) = (5/9) * [t(°F) + 459,67] ó t(°F) = (9/5) * T(K) - 459,67

siendo T(K) la temperatura expresada en kelvins.

Escala Rankine: 

Se denomina Rankine (símbolo R) a la escala de temperatura que se define midiendo en grados Fahrenheit sobre el cero absoluto, por lo que carece de valores negativos. Esta escala fue propuesta por el físico e ingeniero escocés William Rankine en 1859.

La escala Rankine tiene su punto de cero absoluto a −459,67 °F y los intervalos de grado son idénticos al intervalo de grado Fahrenheit.

T(R) = t(°F) + 459,67 ó t(°F) = T(R) - 459,67

T(R) = (9/5) * [t(°C) + 273,16] ó t(°C) = (5/9) * [T(R) - 491,67]

siendo T(R) la temperatura expresada en grados Rankine.

Usado comúnmente en Inglaterra y en EE.UU. como medida de temperatura termodinámica. Aunque en la comunidad científica las medidas son efectuadas en Sistema Internacional de Unidades, por tanto la temperatura es medida en kelvins (K).

temperatura

Temperatura

La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de calor medible mediante un termómetro. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como «energía cinética», que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido trasnacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida de que sea mayor la energía cinética de un sistema, se observa que éste se encuentra más «caliente»; es decir, que su temperatura es mayor.

En el caso de un sólido, los movimientos en cuestión resultan ser las vibraciones de las partículas en sus sitios dentro del sólido. En el caso de un gas ideal monoatómico se trata de los movimientos traslacionales de sus partículas (para los gases multiatómicos los movimientos rotacional y vibracional deben tomarse en cuenta también).

El desarrollo de técnicas para la medición de la temperatura ha pasado por un largo proceso histórico, ya que es necesario darle un valor numérico a una idea intuitiva como es lo frío o lo caliente.

Multitud de propiedades fisicoquímicas de los materiales o las sustancias varían en función de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo suestado (sólido, líquido, gaseoso, plasma), su volumen, la solubilidad, la presión de vapor, su color o la conductividad eléctrica. Así mismo es uno de los factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar las reacciones químicas.

La temperatura se mide con termómetros, los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a unidades de medición de la temperatura. En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin (K), y la escala correspondiente es la escala Kelvin o escala absoluta, que asocia el valor «cero kelvin» (0 K) al «cero absoluto», y se gradúa con un tamaño de grado igual al del grado Celsius. Sin embargo, fuera del ámbito científico el uso de otras escalas de temperatura es común. La escala más extendida es la escala Celsius, llamada «centígrada»; y, en mucha menor medida, y prácticamente solo en los Estados Unidos, la escala Fahrenheit. También se usa a veces la escala Rankine (°R) que establece su punto de referencia en el mismo punto de la escala Kelvin, el cero absoluto, pero con un tamaño de grado igual al de la Fahrenheit, y es usada únicamente en Estados Unidos, y solo en algunos campos de la ingeniería.

Temperatura seca

Se llama temperatura seca del aire de un entorno (o más sencillamente: temperatura seca) a la temperatura del aire, prescindiendo de la radiación calorífica de los objetos que rodean ese ambiente concreto, y de los efectos de la humedad relativa y de los movimientos de aire. Se puede obtener con el termómetro de mercurio, respecto a cuyo bulbo, reflectante y de color blanco brillante, se puede suponer razonablemente que no absorbe radiación.

Temperatura radiante

La temperatura radiante tiene en cuenta el calor emitido por radiación de los elementos del entorno.

Se toma con un termómetro de globo, que tiene el depósito de mercurio o bulbo, encerrado en una esfera o globo metálico de color negro, para asemejarlo lo más posible a un cuerpo negro y así absorber la máxima radiación.

Las medidas se pueden tomar bajo el sol o bajo la sombra. En el primer caso se tendrá en cuenta la radiación solar, y se dará una temperatura bastante más elevada.

También sirve para dar una idea de la sensación térmica.

La temperatura de bulbo negro hace una función parecida, dando la combinación de la temperatura radiante y la ambiental.

Temperatura húmeda

Temperatura de bulbo húmedo o temperatura húmeda, es la temperatura que da un termómetro bajo sombra, con el bulbo envuelto en una mecha de algodón húmedo bajo una corriente de aire. La corriente de aire se produce mediante un pequeño ventilador o poniendo el termómetro en un molinete y haciéndolo girar. Al evaporarse el agua, absorbe calor rebajando la temperatura, efecto que reflejará el termómetro. Cuanto menor sea la humedad relativa del ambiente, más rápidamente se evaporará el agua que empapa el paño. Este tipo de medición se utiliza para dar una idea de la sensación térmica, o en los psicrómetros para calcular la humedad relativa y la temperatura del punto de rocío.