Calor y Temperatura

Física II año Medio
Profesor Luis Tapia Castro
Calor y Temperatura
Para comenzar a asociar los conceptos relacionados con calor, lo primero que debemos
saber es cual es la disciplina científica que se ocupa de estudiar los fenómenos
relacionados con el calor.
Esta
disciplina
es
la termodinámica (del
griego termo,
que
significa "calor" y dinámico, que significa "fuerza").
La termodinámica establece algunos principios que es necesario tener en cuenta para
comprender los fenómenos físicos relacionados con el calor. Estos principios se
conocen como leyes generales de la termodinámica que se resumen a continuación:
Ley Cero de la Termodinámica:
A esta ley se le llama de "equilibrio térmico". El equilibrio térmico debe entenderse
como el estado en el cual los sistemas equilibrados tienen la misma temperatura. Esto
quiere decir que dentro de un sistema las transferencias de calor se equilibran.
Ejemplo: si mides la temperatura de varios objetos dentro de tu pieza (sistema) notaras
que todos están a la misma temperatura.
Primera Ley de la Termodinámica:
Esta primera ley, y la más importante de todas, también conocida como principio de
conservación de la energía, dice: "La energía no puede ser creada ni destruida, sólo
puede transformarse de un tipo de energía en otro".
La primera ley de la termodinámica da una definición precisa del calor, y lo identifica
como una forma de energía. Puede convertirse en trabajo mecánico (movimiento) y
almacenarse, pero no es una sustancia material.
Segunda Ley de la Termodinámica:
La segunda ley dice que "solamente se puede realizar un trabajo mediante el paso del
calor de un cuerpo con mayor temperatura a uno que tiene menor temperatura"
Tercera Ley de la Termodinámica:
El tercer principio de la termodinámica afirma que "el cero absoluto no puede
alcanzarse por ningún procedimiento que conste de un número finito de pasos. Es
posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a él"
El cero absoluto implicaría falta
total de movimiento atómico.
Calor
El calor es una cantidad de energía y es una expresión del movimiento de las moléculas
que componen un cuerpo.
Para entenderlo de mejor modo, se habla de calor cuando existe una diferencia de
temperatura entre dos cuerpos, uno de mayor t° y uno de menor t°. Recuerden que el
traspaso de calor siempre es de un cuerpo de mayor temperatura a uno de menor.
La energía que se transfiere en este caso es calor.
Cuando el calor entra en un cuerpo se produce calentamiento y cuando sale,
enfriamiento. Incluso los objetos más fríos poseen algo de calor porque sus átomos se
están moviendo.
La unidad de medida del calor en el Sistema Internacional de Unidades es la misma que
la de la energía: Joule (unidad de medida).
Temperatura
La temperatura es la medida del calor de un cuerpo (y no la cantidad de calor que este
contiene o puede rendir).
¿En qué se diferencian Calor y Temperatura?
A menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo este no es el
caso. El calor y la temperatura están relacionadas entre si, pero son conceptos
diferentes.
El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras
temperatura es una medida de la energía molecular media.
El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo.
La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo.
Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua puede ser la misma que la
temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene más calor porque tiene más agua y
por lo tanto más energía térmica total.
El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si añadimos calor, la
temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye. Las temperaturas
más altas tienen lugar cuando las moléculas se están moviendo, vibrando y rotando con
mayor energía.
Si tomamos dos objetos que tienen la misma temperatura y los ponemos en contacto, no
habrá transferencia de energía entre ellos porque la energía media de las partículas en
cada objeto es la misma. Pero si la temperatura de uno de los objetos es más alta que la
otra, habrá una transferencia de energía del objeto más caliente al objeto más frío hasta
que los dos objetos alcancen la misma temperatura.
La temperatura “no es energía” sino una medida de ella, sin embargo “el calor sí es
energía”
Efectos del calor
Dilatación: Cuando un cuerpo recibe calor, sus partículas se mueven más deprisa, por
lo que necesitan más espacio para desplazarse y, por tanto, el volumen del cuerpo
aumenta. A este aumento de volumen se le llama dilatación
Recuerden que un aumento en volumen implica un crecimiento de un objeto en los tres
planos, por eso describimos la dilatación lineal (variación en longitud); dilatación
superficial (o de superficie, ya que implica cambio en el área que ocupa el objeto);
dilatación volumétrica (cambio de volumen de un objeto, debido al crecimiento en
largo, alto y ancho)
Ejemplo de dilatación:
Dilatación Lineal: Utiliza la siguiente formula
=
, donde alpha es el
coeficiente de dilatación lineal, recuerden que este es un valor establecido para cada
elemento, así que en los ejercicios esta dado. Como ven en la imagen involucra un
cambio de longitud.
Dilatación Superficial: se puede ver gráficamente por que el coeficiente de dilatación
superficial corresponde a dos veces el coeficiente de dilatación lineal, fíjate muy bien en
como crece el objeto.
Dilatación Volumétrica: cambio de volumen por efecto del calor al igual que en los
casos anteriores, fíjate bien lo que sucede con el coeficiente de dilatación volumétrica.
Las formulas las tienes en tu cuaderno revísalas y compara.
Ejercício resuelto:
Un elevador usa una cinta metálica de acero que tiene exactamente 50000 m de longitud
a 20ºC ¿Qué longitud tiene en un día de verano caluroso en que la temperatura es de
35ºC?
Solución
Se trata de un problema de dilatación lineal, donde: la incógnita es la nueva longitud L
= ∆L + Lo y conocemos Lo= 50000m, To= 20ºC, Tf= 35ºC y el coeficiente de expansión
lineal para el acero α=11x10-6 ºC-1, luego
∆L = α ∆T Lo
∆L = 11x10-6 ºC-1 (35ºC- 20ºC)(50000m)
∆L = 8.25m
Luego
L=∆L + Lo
L= 8.25m +50000m
L = 50008.25m. Debido a que la longitud inicial era 50000m y debemos sumarle lo que
se dilato, o sea 8.25m.
Que quiere decir lo anterior, que en el caso del agua existe una condición que o se da en
otras moléculas y lo importante es saber que en el rango de t° presentado se da esa
condición.