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CALOR Y TEMPERATURA
¿QUÉ ES CALOR?
Es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo
que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de
mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia de
calor hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico.
UNIDADES DE MEDIDA DEL CALOR:
� CALORÍA
Es la cantidad de calor aplicado a un gramo de agua para elevar su
temperatura 1°C
� KILOCALORÍA
Es un múltíplo de la caloría
1 kcal = 1000 cal
� JOULE
Es una unidad de medida del calor
joule = newton metro= Nm = J
1 joule = 0.24 cal
1 caloría = 4.2 J
CAPACIDAD CALORÍFICA (C)
La capacidad calorífica C de una muestra particular de una sustancia se define como la
cantidad de energía necesaria para elevar en 1 °C la temperatura de la muestra. Si la energía Q
produce un cambio T en la temperatura de una muestra, entonces
CALOR ESPECÍFICO (c)
El calor específico c de una sustancia es la capacidad calorífica por unidad de masa. Por lo
tanto, si la energía Q se transfiere a una muestra de una sustancia con masa m y la
temperatura de la muestra cambia en T, entonces el calor específico de la sustancia es
El calor específico es en esencia una medida de lo térmicamente insensible que es una
sustancia a la suma de energía. Cuanto mayor es el calor específico de un material, más
energía debe agregarse a una masa del material para causar un cambio particular de
temperatura.
De esta definición, podemos relacionar la energía Q transferida entre una muestra de masa m
de un material y su entorno a un cambio de la temperatura T como
¿QUÉ ES TEMPERATURA?
Es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia. Como lo que
medimos en su movimiento medio, la temperatura no depende del número de partículas en
un objeto y por lo tanto no depende de su tamaño. Por ejemplo, la temperatura de un cazo de
agua hirviendo es la misma que la temperatura de una olla de agua hirviendo, a pesar de que
la olla sea mucho más grande y tenga millones y millones de moléculas de agua más que el
cazo.
UNIDADES DE MEDIDA DE LA TEMPERATURA:
� ESCALA CELSIUS
La escala Celsius fue inventada en 1742 por el astrónomo sueco Andrés Celsius. Esta escala
divide el rango entre las temperaturas de congelación y de ebullición del agua en 100 partes
iguales. En ocasiones esta escala es identificada como escala centígrada. Las temperaturas en
la escala Celsius son conocidas como grados Celsius (ºC). Esta escala es la más común.
� ESCALA FAHRENHEIT
La escala Fahrenheit fue establecida por el físico holandés-alemán Gabriel Daniel Fahrenheit,
en 1724. Aún cuando muchos países están usando ya la escala Celsius, la escala Fahrenheit es
ampliamente usada en los Estados Unidos. Esta escala divide la diferencia entre los puntos de
fusión y de ebullición del agua en 180 intervalos iguales. Las temperaturas en la escala
Fahrenheit son conocidas como grados Fahrenheit (ºF). Esta escala es utilizada en procesos
industriales.
� ESCALA KELVIN
Lleva el nombre de William Thompson Kelvin, un físico británico que la diseñó en 1848.
Prolonga la escala Celsius hasta el cero absoluto, una temperatura hipotética caracterizada por
una ausencia completa de energía calórica. Las temperaturas en esta escala son llamadas
Kelvins (K).
¿Cómo Convertir Temperaturas?
1. Para convertir de ºC a ºF use la fórmula: ºF = ºC x 1.8 + 32.
2. Para convertir de ºF a ºC use la fórmula: ºC = (ºF-32) ÷ 1.8.
3. Para convertir de K a ºC use la fórmula: ºC = K – 273.15
4. Para convertir de ºC a K use la fórmula: K = ºC + 273.15.
5. Para convertir de ºF a K use la fórmula: K = 5/9 (ºF – 32) + 273.15.
6. Para convertir de K a ºF use la fórmula: ºF = 1.8(K – 273.15) + 32.
El calor se transfiere, o se transmite, de cosas más calientes a cosas más frías. Si están
contacto varios objetos con temperaturas distintas, los que están más calientes se enfrían y los
que están más fríos se calientan. Tienden a alcanzar una temperatura común. Esta igualación
de temperaturas se lleva a cabo de tres maneras:
� CONDUCCIÓN
conductor del calor. Los objetos malos conductores como el aire
aislantes.
Donde k (en Watt/m. K) se llama conductividad térmica del material,
magnitud que representa la capacidad con la cual la sustancia
conduce calor y produce la consiguiente variación de temperatura; y
dT/dx es el gradiente de temperatura. El signo menos indica que la
conducción de calor es en la dirección decreciente de la temperatura.
TRANSMISIÓN DE CALOR
El calor se transfiere, o se transmite, de cosas más calientes a cosas más frías. Si están
contacto varios objetos con temperaturas distintas, los que están más calientes se enfrían y los
que están más fríos se calientan. Tienden a alcanzar una temperatura común. Esta igualación
de temperaturas se lleva a cabo de tres maneras:
La conducción es el mecanismo de transferencia de calor en
escala atómica a través de la materia por actividad molecular,
por el choque de unas moléculas con otras, donde las
partículas más energéticas le entregan energía a las menos
energéticas, produciéndose un flujo de calor desde las
temperaturas más altas a las más bajas. Los mejores
conductores de calor son los metales. El aire es un mal
conductor del calor. Los objetos malos conductores como el aire o plásticos se llaman
en Watt/m. K) se llama conductividad térmica del material,
magnitud que representa la capacidad con la cual la sustancia
conduce calor y produce la consiguiente variación de temperatura; y
dT/dx es el gradiente de temperatura. El signo menos indica que la
conducción de calor es en la dirección decreciente de la temperatura.
El calor se transfiere, o se transmite, de cosas más calientes a cosas más frías. Si están en
contacto varios objetos con temperaturas distintas, los que están más calientes se enfrían y los
que están más fríos se calientan. Tienden a alcanzar una temperatura común. Esta igualación
a conducción es el mecanismo de transferencia de calor en
escala atómica a través de la materia por actividad molecular,
por el choque de unas moléculas con otras, donde las
entregan energía a las menos
energéticas, produciéndose un flujo de calor desde las
temperaturas más altas a las más bajas. Los mejores
conductores de calor son los metales. El aire es un mal
o plásticos se llaman
Figura 2
� CONVECCIÓN
La convección es el mecanismo de transferencia de calor por
movimiento de masa o circulación dentro de la sustancia. Puede
ser natural producida solo por las diferencias de densidades de la
materia; o forzada, cuando la materia es obligada a moverse de
un lugar a otro, por ejemplo el aire con un ventilador o el agua
con una bomba. Sólo se produce en líquidos y gases donde los
átomos y moléculas son libres de moverse en el medio. En la
naturaleza, la mayor parte del calor ganado por la atmósfera por
conducción y radiación cerca de la superficie, es transportado a otras capas o niveles de la
atmósfera por convección.
Un modelo de transferencia de calor H por convección, llamado ley de enfriamiento de
Newton, es el siguiente:
Donde h se llama coeficiente de convección, en Watt/ (m2. K), A es la superficie que entrega
calor con una temperatura TA al fluido adyacente, que se encuentra a una temperatura T,
como se muestra en el siguiente esquema:
El flujo de calor por convección es positivo (H > 0) si el calor se transfiere desde la superficie de
área A al fluido (TA > T) y negativo si el calor se transfiere desde el fluido hacia la superficie (TA
< T).
� RADIACIÓN
La radiación térmica es energía emitida por la materia que se
encuentra a una temperatura dada, se produce directamente
desde la fuente hacia afuera en todas las direcciones. Esta
energía es producida por los cambios en las configuraciones
electrónicas de los átomos o moléculas constitutivas y
transportadas por ondas electromagnéticas o fotones, por lo
que recibe el nombre de radiación electromagnética. La masa
en reposo de un fotón (que significa luz) es idénticamente nula.
Por lo tanto, atendiendo a relatividad especial, un fotón viaja a la velocidad de la luz y no se
puede mantener en reposo. (La trayectoria descrita por un fotón se llama rayo). La radiación
electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes y
perpendiculares entre sí, que se propagan a través del espacio transportando energía de un
lugar a otro.
A diferencia de la conducción y la convección, o de otros tipos de onda, como el sonido, que
necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética es independiente
de la materia para su propagación, de hecho, la transferencia de energía por radiación es más
efectiva en el vacío. Sin embargo, la velocidad, intensidad y dirección de su flujo de energía se
ven influidos por la presencia de materia. Así, estas ondas pueden atravesar el espacio
interplanetario e interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas. La longitud de onda
y la frecuencia de las ondas electromagnéticas, relacionadas mediante la expresión son
importantes para determinar su energía, su visibilidad, su poder de penetración y otras
características. Independientemente de su frecuencia y longitud de onda, todas las ondas
electromagnéticas se desplazan en el vacío con una rapidez constante c = 299792 km/s,
llamada velocidad de la luz.
Los fotones son emitidos o absorbidos por la materia. La longitud de onda de la radiación está
relacionada con la energía de los fotones, por una ecuación desarrollada por Planck:
Donde h se llama constante de Planck, su valor es h = 6,63 x 10-34 Joule. Seg.
APLICACIONES
� CALENTADORES DOMESTICOS SOLARES PARA AGUA
La energía termal del sol puede ser utilizada para calentar agua a temperaturas inferiores a los
100ºC o para la calefacción de ambientes. El agua caliente para consumo domestico ocupa el
segundo puesto en el consumo de energía de una vivienda típica.
Las tecnologías solares termales de bajas temperaturas, y en especial las tecnologías que no
generan electricidad se basan en los principios científicos del efecto invernadero para generar
calor. La radiación electromagnética del sol, incluyendo la luz visible e infrarroja, penetra
dentro de un colector y es absorbida por alguna superficie ubicada dentro del mismo. Una vez
que la radiación es absorbida por las superficies dentro del colector, la temperatura aumenta.
Este incremento en la temperatura puede ser utilizado para calentar agua, secar comida y
granos, desalinizar agua o cocinar comida.
Un sistema de calefacción de agua está compuesto principalmente por los siguientes
elementos:
• Uno o más colectores para capturar la energía del sol.
• Un tanque de almacenamiento.
• Un sistema de circulación para mover el fluido entre los colectores y el tanque de
almacenamiento.
• Un sistema de calefacción auxiliar.
• Un sistema de control para regular la operación del sistema.
Colector de serpentina Colector de de tubos paralelos
Los colectores tradicionales, como los de serpentina o los de tubos paralelos, consisten en
varios tubos de cobre orientados en forma vertical con respecto al colector y en contacto con
una placa de color oscuro, generalmente esta placa es metálica aunque que en algunos casos
puede ser de plástico o algún otro material.
En el caso de los colectores de tubos paralelos, se colocan tubos de mayor sección en la parte
inferior y superior, para asistir a la extracción de agua caliente y al ingreso de agua fría para su
calefacción.
La placa de absorción es aislada de la pared exterior con material aislante para evitar pérdidas
de calor.
En los últimos años se han desarrollado platos compuestos de superficies de absorción
selectiva, hechos de materiales con fuerte absorción de la radiación electromagnética y baja
emisión.
Colectores de tubo vacío:
Los colectores de tubo de vacío se encuentran entre los
tipos de colectores solares más eficientes y más
costosos. Estos colectores se aprovechan al máximo en
aplicaciones que requieren temperaturas moderadas,
entre 50 ºC y 95 ºC, y/o en climas muy fríos.
Los colectores de tubo de vacío poseen un absorbedor
para capturar la radiación del sol que está sellado al
vacío dentro de un tubo. Las pérdidas térmicas de estos
sistemas son muy bajas incluso en climas fríos.
Tanques de almacenamiento:
Existen varios tipos de tanques de
almacenamiento para agua caliente. Los
utilizados más frecuentemente con colectores de
placa plana en sistemas nuevos son los sistemas
integrados, donde los tanques de
almacenamiento son montados junto con los
colectores, generalmente sobre el techo. Los
tanques son ubicados sobre los colectores para
aprovechar el efecto de termosifón. La densidad
del agua varía según la temperatura. En general,
el agua es más densa a mayores temperaturas
de lo que es a menor temperatura. Los sistemas de termosifón hacen uso de este principio
para hacer circular agua a través del colector, el agua fría, proveniente de la cañería, atraviesa
el colector mientras el agua caliente es extraída del tanque de almacenamiento. Para que el
termosifón sea exitoso es esencial que los caños tengan el diámetro adecuado. Las principales
ventajas del uso de sistemas con tanques de almacenamiento integrados son que el sistema es
más rentable para quienes lo instalen y el agua caliente se suministra a la presión de las
cañerías.
� GENERACIÓN DE ENERGÍA ELECTRICA POR MEDIO DE FOTOCELDAS
La Energía Solar es una fuente inagotable de energía, es lo que se llama una fuente renovable.
La energía que procede del sol es fuente directa o indirecta de casi toda la energía que
usamos. El Sol, fuente de vida y origen de las demás formas de energía que el hombre ha
utilizado desde los albores de la Historia, puede satisfacer todas nuestras necesidades, si
aprendemos cómo aprovechar de forma racional la luz que continuamente derrama sobre el
planeta. Ha brillado en el cielo desde hace unos cinco mil millones de años, y se calcula que
todavía no ha llegado ni a la mitad de su existencia. Durante el presente año, el Sol arrojará
sobre la Tierra cuatro mil veces más energía que la que vamos a consumir. No sería racional no
intentar aprovechar, por todos los medios técnicamente posibles, esta fuente energética
gratuita, limpia e inagotable, que puede liberarnos definitivamente de la dependencia del
petróleo o de otras alternativas poco seguras, contaminantes o, simplemente, agotables. Una
energía garantizada para los próximos 6.000 millones de años
La generación de Electricidad se realiza con base en la captura de
la radiación que llega a la superficie terrestre por medio de celdas
fotovoltaicas, dichas celdas se encuentran en conjunto dentro de
los paneles solares, estos reciben la energía y cuando la luz incide
sobre un semiconductor de este tipo, el bombardeo de los fotones
libera electrones de los átomos de selenio creando dos cargas
libres, una positiva y otra negativa. La Energía Solar es universal y
puede trabajar en cualquier lugar, sin embargo existen lugares
donde trabajan mejor que otros. La radiación es la medida de la
fuerza del sol y esta es la que hace posible la eficiencia de las
celdas. Debido a la eficiencia de foto celdas actuales aproximadamente se puede generar cerca
de140-160 Watts por metro cuadrado de Foto celdas instaladas.
La energía solar ha demostrado ser una de las fuentes de
energía renovable más eficiente y limpia. La
situación geográfica y la climatología son dos
factores que indican el grado de idoneidad en su
utilización. Mediante la captación adecuada de la
radiación solar es posible obtener calor-energía
solar térmico y electricidad- energía solar
fotovoltaica.
Existen muchos componentes para poder completar un
sistema de Energía Solar pero los cuatro principales son: Foto
celdas, Controladores de Carga, Baterías e Inversores. Los
Paneles son montados
sobre una estructura y la
corriente DC que produce
es dirigida por un cable al controlador antes de ir a la batería
donde es guardada. Las dos funciones principales del
controlador es prevenir que las baterías se sobrecarguen y
eliminar el flujo de corriente de las baterías a las foto celdas
durante la noche. El banco de baterías guarda la energía producida por las foto celdas durante
el día para usarse en cualquier tiempo de la noche o el día.
OTRAS APLICACIONES…
� Neveras en icopor � Variación de temperatura de una ciudad a otra � Conservación de calor por medio de icopor
PROBLEMÁTICA
Cómo evitar que hayan explosiones de Gasoductos?
Un gasoducto es una conducción que sirve para transportar gases combustibles a gran
escala. Es muy importante su función en la actividad económica actual.
Consiste en una conducción de tuberías de acero, por las que el gas circula a alta presión,
desde el lugar de origen. Se construyen enterrados en zanjas a una profundidad habitual
de 1 metro.
El inicio de un gasoducto puede ser un yacimiento o una planta de regasificación,
generalmente situada en las proximidades de un puerto de mar al que llegan buques (para
el gas natural, se llaman metaneros) que transportan gas natural licuado en condiciones
criogénicas a muy baja temperatura (-161 ºC).
Para cruzar un río en el trazado de un gasoducto se utilizan principalmente dos técnicas, la
perforación horizontal y la perforación dirigida. Con ellas se consigue que tanto la flora
como la fauna del río y de la ribera no se vean afectadas. Estas técnicas también se utilizan
para cruzar otras infraestructuras importantes como carreteras, autopistas o ferrocarriles.
El tendido por mar se hace desde barcos especialmente diseñados, los cuales van
depositando sobre el lecho marino la tubería una vez que ha sido soldada en el barco.
Accidentes producidos en gasoductos en la historia:
� 3 de junio de 1989: dos trenes en movimiento produjeron chispas que detonaron
gas natural de un gasoducto con fugas cerca de Ufa, Rusia. Hubo unas 645
personas muertas.
� 28 de septiembre de 1993: durante trabajos de colocación de fibra óptica en la
Autopista Regional del Centro en Venezuela, la rotura accidental de un gasoducto
principal provocó una explosión y subsecuente incendio, dejando 53 personas
muertas y 70 heridas.
� 28 de diciembre de 1998: explosión de un Gasoducto en Colombia, en la población
de Arroyo de Piedra, donde murieron 15 personas y 25 resultaron heridas. No fue
posible determinar las causas pero pruebas realizadas por las autoridades
colombianas indicaron la existencia de colonias de bacterias, las cuales atacaron la
tubería causando corrosión localizada generando escape de gas y la explosión del
ducto.
� 19 de agosto de 2000: la rotura de un gasoducto de gas natural que estalló en
llamas cerca de Carlsbad, Nuevo México mató a 12 miembros de la misma familia.
La causa fue una importante corrosión interna del gasoducto.
� 30 de julio de 2004: un gasoducto principal explotó en Ghislenghien, Bélgica
(treinta kilómetros al sudoeste de Bruselas), matando a por lo menos 23 personas
y dejando 122 heridos, algunos de extrema gravedad.
� 7 de mayo de 2007: una explosión en Ucrania destruyó parcialmente un gasoducto
que transporta gas de Rusia a la Unión Europea.
De qué forma debe circular el gas para evitar accidentes?
� La presión a la que debe circular el gas por el gasoducto es normalmente de 72 bar
para los de las redes básicas de transporte y 16 bar en las redes de distribución.
� Para llevar el gas hasta los hogares y comercios, es preciso bajar la presión de
transporte hasta límites razonablemente seguros. Esto se consigue instalando
estaciones de regulación a lo largo del gasoducto en las que se baja la presión
hasta la habitual de distribución.
� El cambio de presiones se debe hacer de forma análoga a las redes eléctricas (alta
tensión/baja tensión), en este caso es necesario utilizar estaciones de regulación y
medida, por medio de reguladores de presión de membrana para regular la
presión de salida que se necesite.
� Deben estar protegidos de la corrosión. El método más económico es revestir el
conducto con algún tipo de polímero de modo que la tubería queda
eléctricamente aislada del terreno que la rodea. Generalmente se reviste con
pintura y polietileno hasta un espesor de 2-3 mm. Para prevenir el efecto de
posibles fallos en este revestimiento, los gasoductos deben estar dotados de un
sistema de protección catódica, con ánodos de sacrificio que establecen la tensión
galvánica suficiente para que no se produzca corrosión.
� A intervalos determinados se deben situar válvulas en los gasoductos mediante las
que se pueda cortar el flujo. Además, si la longitud del gasoducto es importante,
puede ser necesario situar estaciones de compresión a intervalos. Lo anterior, para
prevenir explosiones por elevación de temperatura y que ocurra una dilatación o
expansión térmica.
CIBERGRAFIA
� http://www.ecured.cu/index.php/Joule_%28unidad%29
� http://es.wikipedia.org/wiki/Calor%C3%ADa
� http://www.how-to-study.com/study-skills/es/matematicas/escalas-de-
temperatura.asp
� http://www.monografias.com/trabajos88/calor-conceptos-y-tipos-transferencia-
calor/calor-conceptos-y-tipos-transferencia-calor.shtml
� http://www.textoscientificos.com/energia/solar/calentadores
� http://es.scribd.com/doc/39208951/GENERACION-DE-ENERGIA-SOLAR
� https://www.google.com.co/search?hl=es&biw=1024&bih=552&noj=1&q=estructura
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