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5) Temperatura y Calor

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10) Temperatura y Calor, T y Q

Estudiaremos sistemas físicos donde se transfieren energías térmicas, para lo cual será necesario establecer cuidadosamente las definiciones de temperatura y calor, conceptos estrechamente relacionados pero claramente diferenciados. Describiremos además algunas propiedades térmicas de los cuerpos y sustancias, para poder comprender los sistemas termodinámicos.

10.1) Definición de Temperatura

Podemos definir la temperatura de los cuerpos de dos formas, una, usando la Ley cero de la Termodinámica, la otra, mediante el estado de movimiento molecular. Usemos la ley cero para establecer el concepto de equilibrio térmico, ET, y a partir de ahí definir temperatura.

La temperatura es la CFE que nos indica cuando dos cuerpos (sistemas) se encuentran en ET. El ET caracteriza el estado de no transferencia de energía (calor) entre dos cuerpos.

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CALOR Y TEMPERATURA

CALOR: Energía producida por la

vibración acelerada de las partículas, que

se manifiesta elevando las temperaturas.

DIFERENCIAS

TEMPERATURA: Medida del grado de

calor, o sea del movimiento de las

partículas.

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5.2) Escalas termométricas

Los termómetros son instrumentos que nos permiten cuantificar la temperatura. Están basados en diversos fenómenos como, dilatación, cambio de presión, volumen, resistencia eléctrica, color, etc.

Para calibrar los termómetros se emplean estados de sustancias como el agua, considerando su punto de congelación y de ebullición, por ejemplo. En otros casos se emplean fenómenos de calibración generales como el cese de movimiento molecular, para independizar al termómetro de la sustancia.

Los termómetros a gas a volumen constante permiten definir la escala absoluta. Es un termómetro que puede hacerse independiente del gas (para bajas presiones y temperaturas sobre el punto de licuación del gas) usándose la relación entre la presión y temperatura del gas a volumen constante para la calibración.

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p (Pa)

-273,15 0 100 T (°C)

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Si se extrapola la curva p-T, se encuentra que la temperatura asociada a p = 0 es T= -273,15, este valor se usa para definir el 0 de la escala Kelvin de temperaturas, de tal forma que su relación con la centígrada es,

A la temperatura kelvin, T, se le conoce como temperatura absoluta, y según la ecuación precedente,

Otra escala de temperaturas importante es la escala Fahrenheit, TF, la cual se vincula a la centígrada por,

Análogamente, de esta ecuación se extrae,

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5.3) Calor, Q

Forma de energía que intercambian los cuerpos en desequilibrio térmico.

Históricamente: uQ cal, cantidad de calor que requiere 1 g de agua para pasar de 14,5 a 15,5 °C.

SI: uQ J, ¡energía!

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Q

, T1 > T2

T1 T2

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¿? El calor siempre fue considerado una forma de energía.

Hasta el siglo XIX se explicaba el efecto del ambiente en la variación de la temperatura de un cuerpo por medio de un fluido invisible llamado calórico. Este se producía cuando algo se quemaba y, además, que podía pasar de un cuerpo a otro. La teoría del calórico afirmaba que una sustancia con mayor temperatura que otra, necesariamente, poseía mayor cantidad de calórico.

Benjamin Thompson y James Prescott Joule establecieron que el trabajo podía convertirse en calor o en un incremento de la energía térmica determinando que, simplemente, era otra forma de la energía.

Con respecto a la teoría es verdad que el concepto de calor fue considerado una forma de la energía que era realizada gracias al trabajo.

Montaje experimental para la determinación del equivalente mecánico del calor.

5.4) Dilatación de sólidos y líquidos

La dilatación de los cuerpos es un fenómeno estrechamente vinculado a los cambios de temperatura. Por lo general, los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuando disminuye. Estas variaciones en las dimensiones de los cuerpos tienen aplicaciones múltiples, termómetros, termostatos, uniones de estructuras, etc.

Si se calentara un cuerpo desde una temperatura inicial T i hasta una temperatura final T, estos es, produciéndole una variación de temperaturas T, se observaría por lo general, que la correspondiente longitud inicial L i, aumentaría hasta una longitud final L, produciendo una variación en dicha dimensión L. Los experimentos muestran que, en primera aproximación (cuando los L no son comparables con Li),

Se introduce , coeficiente térmico de dilatación lineal, para establecer la igualdad,

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con lo que,

Los cambios superficiales y volumétricos se determinan con ecuaciones similares,

y

donde y , son los coeficientes térmicos de dilatación superficial y volumétrica, respectivamente. Además, y , se relacionan con , para temperaturas menores de 100 °C, mediante,

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T Li L

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Casos anómalos especiales se presentan tanto en sólidos como en líquidos. La calcita (CaCO3), por ejemplo, tiene s negativos, lo que implica contracción en ciertas direcciones, y en el caso de los líquidos, el agua, tiene un comportamiento especial en torno a la temperatura de 4 °C. Veamos la curva de densidad contra temperatura para el agua,

¿? A que se debe la disminución del V entre 0 – 4 °C.Los movimientos verticales en el océano están regulados por pequeñas diferencias en la densidad debido a variaciones en la salinidad (contenido de sales) y/o en la temperatura. Al aumentar el contenido de sales se incrementa la densidad, y generalmente el agua fría es más densa que el agua caliente. Esta tendencia cambia, sin embargo a partir de los 4 °C, en el máximo de la curva que indica que la densidad del agua decrece con la temperatura a partir de este punto.

Para comprender el impacto de ello, considere un cuerpo de agua idealizado con temperatura uniforme de 20 °C. Cuando se enfría en la superficie, el agua aumenta su

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(kg/m3)

103

999

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 T(°C)

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densidad y se hunde, siendo reemplazada por agua más cálida y menos densa. Este proceso continua hasta que en la superficie (y en todo el cuerpo de agua) se alcanzan los 4 °C. Cualquier enfriamiento posterior en la superficie origina agua menos densa la cual permanece en los estratos más superficiales. Luego la superficie se congelara si el enfriamiento persiste, pero los niveles bajos continuaran a 4 °C. Por lo tanto los peces y las plantas del fondo están protegidos del congelamiento.

¿? Cómo influye este comportamiento en la cadena evolutiva.

Cualquier enfriamiento posterior en la superficie origina agua menos densa la cual permanece en los estratos más superficiales. Luego la superficie se congelara si el enfriamiento persiste, pero los niveles bajos continuaran a 4 °C. Por lo tanto los peces y las plantas del fondo están protegidos del congelamiento.

5.5) Cambios de fase o estado

i) Definiciones previas

j) Capacidad calorífica, C: Es la cantidad de calor que requiere la masa m de una sustancia para cambiar su temperatura en 1 °C,

jj) Calor especifico, c: Es la cantidad de calor que requiere 1 g de una sustancia para cambiar su temperatura en 1 °C,

Ejemplo:

* Calor específico molar, c’: Es la cantidad de calor que requiere 1 mol de una sustancia para cambiar su temperatura en 1 °C,

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Ahora, las ecuaciones anteriores son para temperaturas donde c es una constante, o aproximadamente constante, sin embargo en general c c (T, p, V, etc) y en esos casos se tendría, atendiendo solo a la T,

que, para c constante, nos conduce a,

Tabla Nº 1

Calores Específicos, cSustancia cal /g º CAluminio 0,212

Cobre 0,093Hierro 0,113

Mercurio 0,033Plata 0,060Latón 0,094

Agua de mar 0,945Vidrio 0,199Arena 0,20Hielo 0,55Agua 1,00

Alcohol 0,58Lana de vidrio 0,00009

Aire 0,0000053

¿? De que forma el alto c del H2O influye en mejores condiciones de vida.

Gracias al calor especifico del agua las condiciones mejoran dándole una fuente de equilibrio al cuerpo es por ello que cuando el clima es muy caliente los líquidos del cuerpo regulan la temperatura evitando que el cuerpo sufra efectos negativos para la salud siendo así el regulador térmico más importante.

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¿? Como se podrían medir los c.

Termómetro

Programas que permitan monitorear las partes especificas del cuerpo entre otros objetos que son de mucha ayuda para poder medir el calor especifico.

jjj) Calor latente, L: Cantidad de calor que requiere la unidad de masa de una sustancia para cambiar de fase o estado. Estos cambios se realizan a temperatura constante,

Ejemplos:

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ii) Cambios de estado o fase de las sustancias

Como se acaba de mostrar, para producir que la temperatura de una masa m de sustancia cambie en T, se le podría, por ejemplo, agregar una cantidad de energía dada por y manteniendo la temperatura adecuada, producir su cambio de estado o fase agregándole una cantidad de energía dada por

. De todas las sustancias la más estudiada es el agua por su gran importancia para la vida y su muy variada aplicación industrial, contándose no solo con curvas Q-T sino con aquellas donde se vinculan p-V-T.

¿? Como seria una curva Q-T para el agua.

¿? Como intervienen las cantidades p y V en las curvas Q-T para el agua.Primero interviene el volumen es el cual va a determinar el tiempo que va a durar el proceso final que es la evaporación además de la presión que también interviene directamente proporcional con el volumen el cual es el principal objetivo a tomar el cuenta antes de empezar con la medición en la grafica.

5.6) Procesos de transferencia de calor

Cuando se degusta una taza de café caliente se pueden observar 3 hechos interesantes; la calidez de la taza, el calor que emana de ella y a medida que bebemos como el café superficial es mas caliente que el interno. Estas 3 sensaciones de calor son perfectamente explicadas por los mecanismos de transferencia denominados, conducción, radiación y convección, los cuales explicaremos a continuación,

i) Conducción

Es el proceso de transferencia de calor preponderante en sólidos metálicos y en menor medida es sólidos aislantes y gases. Supongamos que se coloca una

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barra conductora de cargo L y área transversal A, aislada adecuadamente, entre dos focos de temperaturas T1 y T2, con T1 > T2,

En estado estable, esto es cuando la temperatura es constante en todo x, la rapidez de transferencia de calor es constante y descrita por,

donde k, es la constante de conductividad térmica del material de la barra.

Ejemplo:

Ahora, de ser H constante, se podría escribir,

la cual permitirá hallar , veamos,

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L

T1 T2 Q

T

x 0 x L

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Observación: Valor R del material, útil para describir aislamientos,

Ejemplo: R (espacio de aire de 8,9 cm de espesor) 1,01

ii) Convección

Es el mecanismo de conducción propio de los fluidos. Los modelos de descripción son de especial complicación matemática.

¿? Como se calienta el agua que se pone a “hervir”.Cuando el agua hierve de ordinario. Cuando el agua hierve, elévense de su seno burbujas de su propio vapor, y, al chocar estas sobre una superficie fría, como la de un plato, licúense otra vez.El calor es la causa principal de que los cuerpos se nos presenten bajo uno de los tres estados, sólidos, líquidos o gaseosos.Es decir la causa principal de que el agua hierva es causada principalmente por el calor el cual hace que todas las moléculas se dispersen y puedan así burbujear y finalmente hervir.¿? Como influye la convección en la dinámica atmosférica.La convección en la atmósfera terrestre involucra la transferencia de enormes cantidades del calor absorbido por el agua. Forma nubes de gran desarrollo vertical (por ejemplo, cúmulos congestus y, sobre todo, cumulonimbos, que son los tipos de nubes que alcanzan mayor desarrollo vertical). Estas nubes son las típicas portadoras de tormentas eléctricas y de grandes chaparrones.

El proceso que origina la convección en el seno de la atmósfera es sumamente importante y genera una serie de fenómenos fundamentales en la explicación de los vientos y en la formación de nubes, vaguadas, ciclones, anticiclones, precipitaciones, etc. Todos los procesos y mecanismos de convección del calor atmosférico obedecen a las leyes físicas de la Termodinámica. De estos procesos es fundamental el que explica el ciclo del agua en la Naturaleza o ciclo hidrológico. Casi todos los fenómenos antes nombrados, tienen que ver con este último mecanismo.

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¿? La convección esta vinculada a los huracanes. Si afecta a todos los fenómenos atmosféricos.

¿? Como se matematiza este proceso

iii) Radiación

Todo cuerpo es capaz de emitir energía radiante dependiendo de su temperatura y de sus características constitutivas. Consideremos un cuerpo que exhibe una área A y se encuentra a la temperatura absoluta T, entonces, la potencia con la cual radia esta dada por la ecuación de Stefan-Boltzmann,

donde,

La emisividad, , depende de la naturaleza de la superficie A, la cual puede comportarse como un emisor perfecto con =1 o absorbente perfecto con =0.Este mecanismo de transferencia de energía es extremadamente importante si tenemos en cuenta que nuestra querida Tierra se provee de tal desde el Sol. Las tecnologías para poder aprovechar esta energía “gratuita” se desarrollan intensamente y se espera una galopante campaña de auspicio para poder dotarnos de esta forma de energía, energía que en la Tierra es cada vez más escasa y por consiguiente cara.

¿? De que formas aprovechamos la energía radiante del Sol.El Sol es una fuente energética prácticamente infinita para nuestra Tierra que está en déficit energético. Es el

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responsable en gran parte de la vida, influyendo directamente en las funciones vitales de los animales y sobre todo de las plantas.- Existen multitud de gadgets que hoy en día funcionan con energía solar. Es una manera de olvidarse de las pilas o baterías y ser eficientes energéticamente. Los móviles mp4 y portátiles del futuro funcionarán de esta forma.¿? Como se transforma la energía del Sol al llegar a la Tierra.La recogida natural de energía solar se produce en la atmósfera, los océanos y las plantas de la Tierra. Las interacciones de la energía del Sol, los océanos y la atmósfera, por ejemplo, producen vientos, utilizados durante siglos para hacer girar los molinos. Los sistemas modernos de energía eólica utilizan hélices fuertes, ligeras, resistentes a la intemperie y con diseño aerodinámico que, cuando se unen a generadores, producen electricidad para usos locales y especializados o para alimentar la red eléctrica de una región o comunidad.Casi el 30% de la energía solar que alcanza el borde exterior de la atmósfera se consume en el ciclo del agua, que produce la lluvia y la energía potencial de las corrientes de montaña y de los ríos. La energía que generan estas aguas en movimiento al pasar por las turbinas modernas se llama energía hidroeléctrica. Véase también Presa; Meteorología; Suministro de agua.¿? Como la radiación de energía produce bienestar.Las culturas antiguas consideraban que los baños de sol son benéficos para la salud. Actualmente se reconoce que la exposición sana al sol proporciona diversos beneficios, como son:

-Mejora en la respuesta muscular

-Mejora la resistencia en pruebas de tolerancia

-Disminuye la presión sanguínea

-Incrementa la respuesta inmunológica

-Reduce la incidencia de infecciones respiratorias

-Baja el colesterol de la sangre

-Incrementa la hemoglobina de la sangre

-Mejora la capacidad de trabajo cardiovascular

-Estimula las terminaciones nerviosas

-Mejora la respiración, especialmente en asmáticos

-Promueve la síntesis de vitamina D para calcificar huesos

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La falta de vitamina D, calcio y sales fosfatadas en la dieta, además de la falta de exposición a la luz del sol, está asociada con casos de raquitismo. La tuberculosis de la piel o lopus vulgaris es otra enfermedad asociada a falta de exposición al sol y es común en poblaciones del norte de Europa, donde luz del sol es débil durante largos períodos de tiempo.¿? Conoce la tecnología fotovoltaica.

Si he incluso en el país se está utilizando como nuevo métodos de ahorro y ayuda contra efectos que han afectado a la vida humana con el uso desmedido de otros fenómenos naturales.

¿? Que fuentes de energía renovables conoce.

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