Naturaleza del Calor

Representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ambos. El tipo de energía que se pone en juego en los fenómenos caloríficos se denomina energía térmica. El carácter energético del calor lleva consigo la posibilidad de transformarlo en trabajo mecánico. Sin embargo, la naturaleza impone ciertas limitaciones a este tipo de conversión, lo cual hace que sólo una fracción del calor disponible sea aprovechable en forma de trabajo útil.

Las ideas acerca de la naturaleza del calor han variado apreciablemente en los dos últimos siglos. La teoría del calórico o fluido tenue que situado en los poros o intersticios de la materia pasaba de los cuerpos calientes en los que supuestamente se hallaba en mayor cantidad a los cuerpos fríos, había ocupado un lugar destacado en la Física desde la época de los filósofos griegos. Sin embargo, y habiendo alcanzado a finales del siglo XVIII su pleno apogeo, fue perdiendo credibilidad al no poder explicar los resultados de los experimentos que científicos tales como Benjamín Thomson (1753-1814) o Humphrey Davy (1778-1829) realizaron.

Una vieja idea tímidamente aceptada por sabios del siglo XVII como Galileo Galilei o Robert Boyle resurgió de nuevo. El propio Thompson , según sus propias palabras, aceptó la vuelta a aquellas «viejas doctrinas que sostienen que el calor no es otra cosa que un movimiento vibratorio de las partículas del cuerpo».

Las experiencias de Joule (1818-1889) y Mayer (1814-1878) sobre la conservación de la energía, apuntaban hacia el calor como una forma más de energía. El calor no sólo era capaz de aumentar la temperatura o modificar el estado físico de los cuerpos, sino que además podía moverlos y realizar un trabajo.

Las máquinas de vapor que tan espectacular desarrollo tuvieron a finales del siglo XVIII y comienzos del XIX eran buenos muestra de ello. Desde entonces las nociones de calor y energía quedaron unidas y el progreso de la Física permitió, a mediados del siglo pasado, encontrar una explicación detallada para la naturaleza de esa nueva forma de energía, que se pone de manifiesto en los fenómenos caloríficos.

Una unidad muy empleada para medir esta energía (el calor) es la caloría: calor necesario para que 1 g. de agua aumente 1ºC su temperatura.
No todos los cuerpos se calientan de la misma forma. El calor específico es la propiedad de los cuerpos que mide esa diferencia y se puede definir como el calor necesario para que la unidad de masa de un cuerpo aumente 1ºC su temperatura.

El calor cedido o absorbido por un cuerpo se puede medir por la expresión :
Q = m·c·(Tf-To) donde m es la masa del cuerpo, c su calor específico, Tf su temperatura final y To su temperatura inicial.

Una caloría equivale a una transmisión de 4.18 J de energía , lo que nos permite escribir todas las expresiones anteriores en unidades del Sistema Internacional. Así, el calor específico del agua Ca = 1 cal/gºC = 4180 J/kgºC

Temperatura

Mide la concentración de energía y es aquella propiedad física que permite asegurar si dos o más sistemas están o no en equilibrio térmico (cuando dos cuerpos están a la misma temperatura), esto quiere decir que la temperatura es la magnitud física que mide cuan caliente o cuan frío se encuentra un objeto.

La temperatura se mide en unidades llamadas grados, por medio de los termómetros, esto se refiere que para medir la temperatura utilizamos una de las magnitudes que sufre variaciones linealmente a medida que se altera la temperatura.

Temperatura es el promedio de la energía cinética de las moléculas de un cuerpo.

Relación del calor y la temperatura.

La relación es que la temperatura mide la concentración de energía o de velocidad promedio de las partículas y el calor energía térmica en transito.

Para una mejor explicación de esta relación lo mostraremos con un ejemplo: si ponemos un recipiente con agua representa la cantidad de calor que un cuerpo cede o absorbe en un instante dado, el nivel que ésta alcanza representa su temperatura. Si la cantidad de agua, sube el nivel, esto es, si aumenta la cantidad de calor que posee el cuerpo, aumenta también su temperatura.

Otro ejemplo se nota cuando encendemos un fósforo, se logra una alta temperatura pero bajo contenido calórico.

Una olla con 10 litros de agua tibia tiene baja temperatura y un gran contenido calórico.

La temperatura es independiente de la cantidad de sustancia, el calor en cambio depende de la masa, de la temperatura y del tipo de sustancia.

Termómetro

Un termómetro es un instrumento que mide la temperatura de un sistema en forma cuantitativa. Una forma fácil de hacerlo es encontrando una sustancia que tenga una propiedad que cambie de manera regular con la temperatura.

Donde t es la temperatura y cambia con la propiedad x de la sustancia. Las constantes a y b dependen de la sustancia usada y deben ser evaluadas en dos puntos de temperatura específicos sobre la escala, por ejemplo, 32° para el punto congelamiento del agua y 212° para el punto de ebullición.

Después se aclara que este es el rango de una escala ya conocida como la Fahrenheit.

Por ejemplo, el mercurio es líquido dentro del rango de temperaturas de menos 38,9° C a 356,7° C (la escala Celsius se discute más adelante). Como un líquido, el mercurio se expande cuando se calienta, esta expansión es lineal y puede ser calibrada con exactitud.

Desarrollo de Termómetros y Escalas de Temperaturas.

Uno de los primeros intentos para hacer un estándar de temperaturas ocurrió alrededor de AD 170, cuando Galeno, en sus notas médicas, propone un estándar de temperatura "neutral" completando cantidades iguales para la ebullición del agua y el hielo. Sobre cualquier lado de esta temperatura tenía cuatro grados de calor y cuatro grados de frío respectivamente.

Los primeros equipos usados para medir la temperatura fueron llamados Termoscopios.

Consistían en un bulbo de vidrio que tiene un largo tubo extendido hacia abajo colocado dentro de un recipiente que contiene agua con colorante (aunque Galileo en 1610 utilizó vino). Algo del aire contenido dentro del bulbo se expulsa, por lo cual el líquido se eleva a través del tubo para tomar su lugar. Como el aire remanente del bulbo se calienta o enfría, el nivel de líquido en el tubo varia reflejo del cambio de la temperatura del aire. Colocando una escala grabada sobre el tubo, se puede medir en forma cuantitativa estas fluctuaciones.

El aire dentro del bulbo es referido como medio termométrico, siendo aquel medio cuya propiedad cambia con la temperatura.

En 1641 el primer termómetro sellado que usó líquido en vez de aire como medio termométrico fue desarrollado por Ferdinand II, Gran Duque de Toscana. Su termómetro usó un equipo sellado en vidrio dentro del cual había alcohol, con 50 "grados" marcados sobre el tubo pero un "punto fijo" para el cero de la escala no fue utilizado, Estos fueron referidos como termómetros de "espíritu".

Robert Hook, párroco de la Sociedad Real, en 1664 usó un tinte rojo en alcohol. Su escala, para la cual todos los grado representaban un igual incremento de volumen equivalente alrededor de 1/500 partes del volumen del líquido del termómetro, necesitó solo un punto fijo. El seleccionó el punto de congelamiento del agua. Por una escala presentada de esta manera, Hook presentó que un mismo estandar puede ser establecido para termómetros de tamaños diferentes. El termómetro original de Hook quedó conocido como un estándar del Gresham College y fue usado por la Sociedad Real hasta 1709. (El primer registro meteorológico inteligible usó esta escala).

En 1702, el astrónomo Ole Roemer de Copenhagen basó su escala en dos puntos fijos: nieve (o hielo comprimido) y el punto de ebullición del agua, y registró la temperatura diaria en Copenhagen desde 1708 a 1709 con su termómetro.

Fue en 1724 que Gabriel Fahrenheit usó mercurio como liquido termométrico. La expansión térmica del mercurio es amplia y suavemente uniforme, esto permite que no se adhiera al vidrio y permanece líquido ante un amplio rango de temperaturas. Su apariencia plateada hace que sea fácil de leer. Fahrenheit describió como calibró la escala de mercurio de su termómetro de la siguiente manera:

"Colocando el termómetro en una mezcla de sal de amonio o agua salada, hielo, y agua, un punto sobre la escala pudo ser encontrado el cual llamó cero. Un segundo punto fue obtenido de la misma manera, si la mezcla es usada sin sal. Denotando este punto como 30. Un tercer punto designado como 96 fue obtenido colocando el termómetro en la boca para adquirir el calor del cuerpo humano." (D.G Fahrenheit, Phil. Trans. (London) 33, 78, 1724).

Sobre esta escala, Fahrenheit midió el punto de ebullición del agua obteniendo 21 2. Después adjudicó el punto de congelamiento del agua a 32 así que el intervalo entre el punto de congelamiento y ebullición del agua puede ser representado por el número racional 180. Temperaturas medidas sobre esta escala son designadas como grados Fahrenheit (°F).

En 1745 Carlos Linneo de Upsala, Suecia, describió una escala en la cual el punto de congelamiento del agua era 100 y el punto de ebullición cero haciendo esto una escala centígrada. Anders Celsius (1701-1744) usó la escala al revés en la cual cero representó el punto de congelamiento y 100 el punto de ebullición del agua, manteniendo los 100 grados entre los dos puntos. En 1948 el término Grado Centígrado fue reemplazado por el de Grados Celsius. Temperaturas medidas sobre una escala centígrada, con el punto de congelamiento del agua como cero, son designadas como grados Celsius (°C).

En 1780, J.A. C. Charles, físico francés, presentó que para un mismo incremento de temperatura, todos los gases tienen el mismo aumento de volumen. Porque los coeficientes de expansión de los gases son tal que están muy cerca uno del otro, con esto es posible establecer una escala de temperatura basada en un solo punto fijo en vez de dos, tal como en la Fahrenheit o Celsius. Esto nos lleva a termómetro que usen gas como medio termométrico.

En este termómetro de gas a volumen constante el bulbo B que contiene hidrógeno (por ejemplo) bajo un cierta presión, se conecta con un manómetro de mercurio por medio de un tubo de volumen muy pequeño. (El bulbo B es la porción sensible a la temperatura y debe procurarse que todo sea de mercurio). El nivel de mercurio en C puede adjudicarse al elevarse o no el nivel en el reservorio R. La presión del hidrógeno la cual es "x" varía en relación lineal con la temperatura, es la diferencia entre los niveles D y C más la presión encima de D.

P. Chappuis in 1887 dirigió extensos estudios sobre los termómetros de gas con presión constante o con volumen constante usando hidrógeno, nitrógeno y bióxido de carbono como medios termométricos. Basado en estos resultados, el Comité Internacional de Pesos y Medidas adoptó la escala de hidrógeno a volumen constante tomando como puntos fijos el punto de hielo (0° C) y de vapor (100° C) como escala práctica para la meteorología internacional.

Experimentos con termómetros de gas han divulgado que es muy pequeña la diferencia en la lectura de temperaturas utilizando diferentes gases. Así es posible, fijar una escala de temperatura que sea independiente del medio termométrico si este es un gas a baja presión. En este caso, todos los gases se comportan como un gas ideal.

Esta temperatura es llamada temperatura termodinámica y es aceptada en la actualidad como medida fundamental de temperatura. Note que hay una definición natural del cero en esta escala; es el punto donde la presión del gas ideal se hace cero, por lo tanto la temperatura es cero. La discusión sobre el cero absoluto se hará posteriormente. En 1933, El Comité Internacional de Pesos y Medidas adoptó como punto fijo el punto triple del agua, (la temperatura a la cual el agua el hielo, agua líquido y vapor coexisten en equilibrio), este valor es 273,16, la unidad de temperatura de esta escala fue llamada Kelvin, por Lord Kelvin (Williams Thompson) 1824-1907, y su símbolo es K. (no utiliza grados).

Temperatura Termodinámica es la temperatura fundamental, su unidad es el Kelvin la cual se define como una fracción de 1/273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.

Sir William Siemens en 1871 propuso un termómetro donde medio termométrico es un conductor metálico cuya resistencia cambia con la temperatura. El platino no se oxida a altas temperaturas y tiene un cambio relativamente uniforme con la temperatura en un amplio rango. El termómetro de resistencia de platino es ampliamente usado como termómetro termoeléctrico y cubre un rango de temperaturas que va desde -260° C a 1235° C.

Algunas temperaturas fueron adoptadas como Referencias Primarias tal como las definió la Escala Internacional de Temperaturas Prácticas en 1968. La Escala de Internacional de Temperaturas en 1990 adoptó por el Comité Internacional de Pesos y Medidas los siguientes estándares mantenidos desde 1989. Entre 0.65K y 5.0 K, la temperatura se definió en términos de la presión de vapor (relación de temperaturas del isótopo de Helio). Entre 3.0 K y el punto triple del Neón (24.5561 K) la temperatura se definió por medio de un termómetro de gas (Helio). Entre el punto triple del hidrógeno (13.8033 K) y el punto de congelamiento de la plata (961.78).

La temperatura se definió por medio de termómetros de resistencia de platino. Por encima del (C°) punto de congelamiento de la plata la temperatura se definió en términos de la Ley de Radiación de Planck.

T.J. Seebeck en 1826 descubrió que cuando alambres de diferentes metales son fusionados en un terminal y calentados, fluye corriente de uno a otro. La fuerza electromotriz generada puede ser cuantitativamente relacionada con la temperatura y así el sistema puede ser usado como termómetro, conocido como termocouple. La termocouple es usada en la industria y diferentes metales son usados: níquel / aluminio y platino / platino-rodio, por ejemplo. El Instituto Nacional de Estándares y Tecnologías (NIST) mantiene bases de datos para estandarizar termómetros.

Para las medidas a muy bajas temperaturas, la susceptibilidad magnética de una sustancia paramagnética es usada como una cantidad física termométrica. Para algunas sustancias, la susceptibilidad magnética varía inversamente con la temperatura. Cristales como (cerrous magnesium nitrate y chromic potassum alum) han sido usados para medir temperaturas por debajo de 0.05 K; estos cristales son calibrados en un rango de helio líquido. Este diagrama y las últimas ilustraciones de este texto fueron tomadas del archivo de imágenes del Laboratorio de Bajas Temperaturas de la Universidad Tecnológica de Helsinki. Para estas temperaturas tanto o más bajas que estas, el termómetro es también usado como mecanismo de enfriamiento. Algunos laboratorios de bajas temperaturas conducen interesantes aplicaciones e investigaciones teóricas sobre como alcanzar la temperatura más baja posible, como trabajarlas y encontrarle aplicaciones.

Termómetros usados en la actualidad:

- Termómetro de líquido

- Termómetro de gas

- Termómetro bimetálico

- Termómetro de resistencia

- Termistor

- Termómetro diferencial

 

Distintas Escalas de Temperatura

Las escalas de temperatura fueron desarrolladas por los científicos con el propósito de comunicar y comparar sus resultados. Las dos mas utilizadas son las Celsius y Kelvin pero también hay otras como:

 

Escala Centígrada:

Se le asigna el valor cero (0) a la temperatura de fusión del agua a presión normal y a 45º de latitud. El intervalo entre dichas temperaturas se divide en 100 partes, cada una de las cuales recibe el nombre de grado centígrado o grado Celsius (ºC ). Las temperaturas inferiores a la de fusión del agua resultan negativas en esta escala.

Escala Fahrenheit:

Se le da el valor de 32 a la temperatura de fusión del agua y el valor de 212 a la de ebullición del agua. El intervalo de dichas temperaturas se divide en 180 partes, cada una de las cuales se denomina grado Fahrenheit (ºF).

La escala centígrada se usa preferentemente en trabajos científicos y en los países latinos. La escala Fahrenheit es más usada popularmente en los E.E.U.U. y en Inglaterra. La escala réaumur se emplea exclusivamente en los países escandinavos. La experimentación y los razonamientos teóricos han indicado que no es posible lograr temperaturas inferiores a cierta temperatura mínima que recibe el nombre de cero absoluto. A esta temperatura la energía de las moléculas de los cuerpos tiene su menor valor posible. El cero absoluto corresponde en la escala centígrada a una temperatura de -273.16 ºC, usualmente se toma el valor de -273 ºC. Por esta y otras razones, Lord Kelvin (Sir William Thompson) propuso medir las temperaturas negativas o "bajo cero".

Escala Kelvin:

Es la escala absoluta cuyo cero coincide con el cero absoluto y cuyos grados tienen el mismo valor que los grados centígrados. En esta escala el cero absoluto corresponde a 0 ºK, la temperatura de fusión del agua corresponde a 273 ºK y la de ebullición del agua corresponde a 373ºK. La escala absoluta de Kelvin se utiliza mucho en la ciencia.

Escala Rankine:

Es la escala absoluta correspondiente al Fahrenheit, donde el punto cero corresponde a -459.7 ºF

FÓRMULAS PARA PASAR DE UNA ESCALA A OTRA

K = ºC – 273

ºC = º K + 273

ºF = 1.8 ºC + 32

ºC = (ºF – 32) / 1.8

ACTIVIDAD - 1 Conversiones de temperatura

INSTRUCCIONES : Resuelva en su cuaderno los siguientes ejercicios

1.- Realice las siguientes conversiones de temperatura.

25 1 F = ________ ° C

-15 o C = ________ ° F

312 1 R = ________ K

-325 1 K = ________ R

2.- Determine los siguientes cambios de temperatura en las escalas Celsius, Fahrenheit, Rankin y Kelvin.

-17C= ________

150° F= ________

270 K= ________

310 R = ________

Transferencia de calor

Proceso por el que 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. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación .

La conducción es la transferencia de calor a través de un objeto sólido: es lo que hace que el asa de un atizador se caliente aunque sólo la punta esté en el fuego.

La convección transfiere calor por el intercambio de moléculas frías y calientes: es la causa de que el agua de una tetera se caliente uniformemente aunque sólo su parte inferior esté en contacto con la llama.

La radiación es la transferencia de calor por radiación electromagnética (generalmente infrarroja): es el principal mecanismo por el que un fuego calienta la habitación.

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 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. Con la ayuda de ordenadores ( computadoras ) analógicos y digitales, estos problemas pueden resolverse en la actualidad incluso para cuerpos de geometría complicada.

 

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 densidad (masa por unidad de volumen ) 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. De forma similar, en una cámara vertical llena de gas, como la cámara de aire situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio , el aire situado junto al panel exterior —que está más frío— desciende, mientras que al aire cercano al panel interior —más caliente— asciende, lo que produce un movimiento de circulación.

El calentamiento de una habitación mediante un radiador no depende tanto de la radiación como de las corrientes naturales de convección, que hacen que el aire caliente suba hacia el techo y el aire frío del resto de la habitación se dirija hacia el radiador. Debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, los radiadores deben colocarse cerca del suelo (y los aparatos de aire acondicionado cerca del techo) para que la eficiencia sea máxima. De la misma forma, la convección natural es responsable de la ascensión del agua caliente y el vapor en las calderas de convección natural, y del tiro de las chimeneas. La convección también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde el interior del Sol hasta su superficie.

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, el poder emisor de una superficie es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. El factor de proporcionalidad se denomina constante de Stefan-Boltzmann en honor a dos físicos austriacos, Joseph Stefan y Ludwig Boltzmann que, en 1879 y 1884 respectivamente, descubrieron esta proporcionalidad entre el poder emisor y la temperatura. Según 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 o reflejar la radiación incidente. 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. El vidrio, por ejemplo, transmite grandes cantidades de radiación ultravioleta, de baja longitud de onda, pero es un mal transmisor de los rayos infrarrojos, de alta longitud de onda. Una consecuencia de la distribución de Planck es que la longitud de onda a la que un cuerpo emite la cantidad máxima de energía radiante disminuye con la temperatura. La ley de desplazamiento de Wien, llamada así en honor al físico alemán Wilhelm Wien, es una expresión matemática de esta observación , y afirma que la longitud de onda que corresponde a la máxima energía, multiplicada por la temperatura absoluta del cuerpo, es igual a una constante, 2.878 micrómetros-Kelvin. Este hecho, junto con las propiedades de transmisión del vidrio antes mencionadas, explica el calentamiento de los invernaderos. La energía radiante del Sol, máxima en las longitudes de onda visibles, se transmite a través del vidrio y entra en el invernadero. En cambio , la energía emitida por los cuerpos del interior del invernadero, predominantemente de longitudes de onda mayores, correspondientes al infrarrojo, no se transmiten al exterior a través del vidrio. Así, aunque la temperatura del aire en el exterior del invernadero sea baja, la temperatura que hay dentro es mucho más alta porque se produce una considerable transferencia de calor neta hacia su interior.

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. En ingeniería , los procesos de transferencia de calor suelen diseñarse de forma que aprovechen estos fenómenos. Por ejemplo, las cápsulas espaciales que regresan a la atm ósfera de la Tierra a velocidades muy altas están dotadas de un escudo térmico que se funde de forma controlada en un proceso llamado ablación para impedir un sobrecalentamiento del interior de la cápsula. La mayoría del calor producido por el rozamiento con la atm ósfera se emplea en fundir el escudo térmico y no en aumentar la temperatura de la cápsula.

CALOR ESPECÍFICO

Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado. En el Sistema Internacional de unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramo y kelvin; en ocasiones también se expresa en calorías por gramo y grado centígrado. El calor específico del agua es una caloría por gramo y grado centígrado, es decir, hay que suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado.

De acuerdo con la ley formulada por los químicos franceses Pierre Louis Dulong y Alexis Thérèse Petit, para la mayoría de los elementos sólidos, el producto de su calor específico por su masa atómica es una cantidad aproximadamente constante. Si se expande un gas mientras se le suministra calor, hacen falta más calorías para aumentar su temperatura en un grado, porque parte de la energía suministrada se consume en el trabajo de expansión. Por eso, el calor específico a presión constante es mayor que el calor específico a volumen co nstante.

Se mide en [cal/gºC].
  La cantidad de calor que una sustancia absorbe o cede, sin sufrir cambio de estado, está dada por:

  Q     =     m c ? t

Donde:

Q [ cal ]             es el calor absorbido o cedido por la sustancia
m [ g ]                es la masa de la sustancia
c [ cal / g ºC ]   es el calor específico de la sustancia
? t [ ºC ]            es la variación de temperatura de la sustancia

CAPACIDAD CALORICA  ( C )

La capacidad calórica de un cuerpo, es el calor necesario ( medido en calorías ) para subir en 1 [ ºC ] la temperatura de ese cuerpo. Se mide en [ cal / ºC ].
La cantidad de calor que un cuerpo absorbe o cede, está dada por:

Q     =     C
? t

Donde:

Q [ cal ] es el calor absorbido o cedido por el cuerpo
C [ cal / ºC ] es la capacidad calórica del cuerpo
? t [ ºC ] es la variación de temperatura del cuerpo

CAMBIO DE ESTADO

CALOR DE FUSION  ( f )

El calor de fusión de una sustancia, es la cantidad de calor necesaria para que 1 [ g ] de ella pase del estado sólido al estado líquido, en su punto de fusión. Se mide en [ cal / g ]. Por lo tanto, la cantidad de calor necesaria para que una sustancia pase del estado sólido al líquido, en su punto de fusión, está dada por:

Q   =  m ? f

Donde:

Q [ cal ]          
es la cantidad de calor absorbida por la sustancia
m [ g ]            
es la masa de la sustancia
? f [ cal / g ]   
es el calor de fusión de la sustancia

 

CALOR DE VAPORIZACION  ( ? v )

El calor de vaporización de una sustancia, es la cantidad de calor necesaria para que 1 [ g ] de ella pase del estado líquido al estado gaseoso, en su punto de ebullición. Se mide en [ cal / g ]. Por lo tanto, la cantidad de calor necesaria para que una sustancia pase del estado líquido al gaseoso, en su punto de ebullición, está dada por:


Q     =     m ? v

Donde:

Q [ cal ]
es la cantidad de calor absorbida por la sustancia
m [ g ]
es la masa de la sustancia
? v [ cal / g ]
es el calor de vaporización de la sustancia

¿Qué cantidad de calor se requiere para cambiar la temperatura de 250 g de aluminio de 20 a 95° C?

datos

formula

resultados

m = 250 g

Q = m c ( T f -T 0 )

Q = 250 g( 0.113 g )(95º - 20º ) = 2 118.75

T 0 = 20º

   

T f = 95º

   

 

Actividad - 2 Cantidad de calor

Instrucciones : Resuelva en su cuaderno los siguientes ejercicios en forma clara y ordenada:

1.- ¿Qué cantidad de calor se requiere para cambiar la temperatura de 150 g de aluminio de 30 a 85° C? Exprese su respuesta en Joules y en calorías.

2.- En un tratamiento térmico, una pieza caliente de cobre se enfría rápidamente en agua. Si la temperatura de la pieza cae de 3900 a 25° C y la pieza pierde 80 kcal de calor, )cuál es la masa de la pieza de cobre en gramos?

3.- Una muestra de agua de 500 g está a 15.0° C en un calorímetro. Un bloque de zinc de 40.0 gramos a 115° c se coloca dentro del agua. Encuentre la temperatura final del sistema si el calor específico del zinc es 388 J/ kg K.

Actividad - 3 Aplicación de cantidad de calor y calorímetro

Instrucciones: Resuelva los siguientes ejercicios en su cuaderno en forma clara y ordenada.

1.- ¿Qué cantidad de calor se debe aplicar a 50.0 g de aluminio para elevar su temperatura de 4.5° C a 83.0° C?

2.- Un bloque metálico de 500 g absorbe 5016 J de calor cuando su temperatura se eleva de 20° C a 30° C. Calcule el calor específico del metal.

3.- Un trozo de bronce de 200 g a 100° C se coloca en un calorímetro que contiene 261 g de agua a 20° C. Calcule la temperatura final del bronce y del agua.

Actividad - 4 Cambios de fase

Instrucciones : Resuelva en su cuaderno los siguientes ejercicios en forma clara y ordenada:

1.- )Qué cantidad de calor es necesaria para cambiar 850 g de vapor de agua a 115/C en agua a 13/C?

2.- )Qué cantidad de calor es necesaria para cambiar 375 g de hielo a -17/C en agua a 55/C?

3.- Calcule cuántos joules de calor son necesarios para cambiar 2.5 Kg de vapor de agua a 120/C en hielo a -11/C.

DILATACIÓN

Aumento de tamaño de los materiales, a menudo por efecto del aumento de temperatura. Los diferentes materiales aumentan más o menos de tamaño, y los sólidos, líquidos y gases se comportan de modo distinto.

Dilatación térmica : Dilatación, por lo general, la materia se dilata al calentarla y se contrae al enfriarla. Esta dilatación se determina por medio de los llamados coeficientes de dilatación.

En esta definición se supone que a no depende de la temperatura, lo cual no es estrictamente cierto.

Dilatación Lineal : Un cambio en una dimensión de un sólido. La longitud inicial es Lo y la temperatura inicial es to. El valor de temperatura que vario o temperatura final es t y la nueva longitud dilatada es L. De tal manera, un cambio en la temperatura? T=t-to ha dado como resultado un cambio en su longitud.

Materiales

C. dilatación lineal

Materiales

C. de dilatación lineal

Aluminio

20* 10 – 4

Alcohol etílico

1.12 * 10 -4

Bronce

19 * 10 - 6

Benceno

1.24 * 10 -4

Cobre

17 * 10 - 6

Acetona

1.50 * 10 -4

Vidrio

9.0 * 10 - 6

Mercurio trementina

1.82 * 10 -4

Pyrex

3.2 * 10 - 6

Gasolina

9.0 * 10 -4

Plomo

29 * 10 - 6

Aire a 0°C

9.6 * 10 -4

Acero

11 * 10 - 6

Aire a 0°C

3.67 * 10 -4

Concreto

12 * 10 - 6

Dilatación Superficial: Es cuando hay cambios de área como resultado de cambios de temperatura. Es similar a una ampliación fotográfica.

Dilatación volumétrica: de un material que es igualmente calentado en todas direcciones.