3b. Calor y temperatura

Unidad IIIb CALOR
IES Ramón y Cajal. Zaragoza
CALOR
INDICE
1. Introducción.
2. El concepto de temperatura.
3. Estudio de algunos fenómenos relacionados con el calor.
3.1. Transmisión del calor.
3.2. Calor ganado o perdido por un cuerpo.
3.3. Intercambio de calor entre dos cuerpos: equilibrio térmico.
3.4. Dilatación.
3.5. Cambios de estado.
4. El calor: una forma de transferir energía.
1. INTRODUCCION
El calor es uno de los fenómenos que más interés ha despertado en el hombre desde las épocas más remotas. Basta
darse cuenta de lo que supuso para la Humanidad el descubrimiento del fuego, el cual permitió pasar del simple y
precario aprovechamiento de la Naturaleza a la transformación de ésta. Mediante la utilización del calor producido es
posible la cocción de los alimentos, la protección contra el frío, la obtención de metales a partir de sus minerales, etc.
Históricamente, al igual que sucedió con el movimiento o la electricidad, el interés por el fenómeno del calor no se tradujo
en un verdadero desarrollo científico. Hasta finales del siglo XVII, gracias a la invención del termómetro y a la introducción
de la magnitud temperatura, no fue posible el estudio riguroso y sistemático del calor. Este proceso histórico (la
introducción de instrumentos de medida y de los conceptos cuantitativos) ilustra una de las características típicas del
crecimiento de la ciencia.
En el lenguaje ordinario, existe confusión entre los conceptos de calor y temperatura; así, por ejemplo, decimos que 'hace
calor' cuando la temperatura ambiental es alta. Esta imprecisión terminológica es en parte responsable de las dificultades
que vamos a encontrar en el estudio de dichos conceptos, cuyo desarrollo ahora iniciamos.
2. EL CONCEPTO DE TEMPERATURA
Actividad 1
Nuestra primera idea sobre la temperatura está asociada al sentido del tacto. Al tocar un cuerpo tenemos la sensación
fisiológica de que está frio (temperatura baja) o caliente (temperatura alta). Pero lamentablemente nuestra piel, además
de hacer sólo observaciones cualitativas, nos engaña: cuando en verano entramos en una bodega, o sótano, de paredes
gruesas, el aire nos parece fresco; por el contrario, en invierno lo consideramos caliente a pesar de que su temperatura
permanece prácticamente constante.
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Diseña algún experimento sencillo que muestre cómo el sentido del tacto nos puede llevar, respecto a la estimación de
temperaturas, a conclusiones contradictorias.
Actividad 2
Lee el siguiente texto:
TERMOMETROS
Como nuestros sentidos no tienen la precisión suficiente, hemos de utilizar un instrumento de medida
apropiado para la determinación de la temperatura: el termómetro.
Al igual que otras propiedades físicas, la temperatura se midió mucho antes de ser comprendida. Parece que
Galileo inventó (1593) el primer indicador de temperatura, aunque no se trataba de un verdadero termómetro,
ya que la graduación de su escala era arbitraria. Galileo simplemente invirtió un frasco largo de cuello estrecho
que contenía agua coloreada en una vasija con el mismo líquido -fig. -. El aire capturado en la pequeña bola
de la parte superior del frasco se expandía o contraía al calentarse o enfriarse y la columna bajaba o subía en
proporción.
FIG.
En los primeros termómetros, inventados por los académicos de Florencia en la década 1657-67, se mide la
temperatura como en nuestros termómetros actuales: por la dilatación de una columna de alcohol o de
mercurio. Newton usaba termómetros análogos de aceite de linaza y estimaba las temperaturas más
altas -inalcanzables por sus termómetros- por el tiempo que tardaban los cuerpos en enfriarse.
El uso de los termómetros de mercurio se extendió a partir de 1720 debido a la precisión de los que fabricaba
D. G. Fahrenheit (1686-1736) en Holanda. Estos termómetros venían calibrados por dos puntos fijos: el cero
de la escala correspondía a la temperatura de una mezcla de hielo y sal y se tomaba como 96 ºF (considerado
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como número mágico) la temperatura del cuerpo humano. En esta terrible escala, todavía usada en los paises
anglosajones, la fusión del hielo y la ebullición del agua corresponden a 32 ºF y 212 ºF, respectivamente.
A partir de 1742 se empezó a usar la escala sueca de A. Celsius (1701-1744), cuyos puntos fijos venían
determinados por la fusión del hielo (100 ºC) y la ebullición del agua (0 ºC). Nuestra escala centígrada actual
es la misma de Celsius pero invertida y con la especificación de que la calibración debe realizarse a la presión
atmosférica normal; el hielo funde por lo tanto a 0 ºC yel agua hierve a 100 ºC. Todas estas escalas son sumamente arbitrarias pero los termómetros de mercurio que las materializan son precisos y reproducibles y este
es el motivo de su aceptación hasta nuestros días.
Desde un punto de vista científico tienen más interés los termómetros de gas. El pri er termómetro de aire por
medida de la presión fue construído en 1702 por G. Amontons (1663-1705). Consistía en una pequeña
bombona llena de aire unida a un tubo en forma de U lleno de mercurio para medir la presión -fig. 3.17-.
Amontons estimó el extremo frío de este termómetro que corresponde a presión nula del aire de la bombona.
Este extremo fue llamado cero absoluto por J. H. Lambert (1728-1777), quien lo fijó en -270 ºC, la cual se
acerca bastante a nuestro valor actual de -273 ºC aproximadamente. Este es un valor muy especial; es el
límite inferior de las temperaturas -cero absoluto-, más allá del cual no puede extraerse más energía de la
sustancia.
FIG
W. Thomson, lord Kelvin (1824-1907), introdujo una nueva escala de temperaturas: la llamada escala
absoluta o escala Kelvin, que resultó coincidente con la de un termómetro de gas. Esta nueva escala
conserva los grados Celsius, pero empieza en 0 K (léase 'cero kelvin', no 'cero grados kelvin'). Así, el agua se
congela a 273 K y ebulle a 373 K y cualquier temperatura kelvin es numérica 273 grados mayor que el
correspondiente valor Celsius. En la búsqueda del cero absoluto nadie ha llegado más allá de unos frígidos
0'00000005 K y es probable que el 0 K no sea alcanzable. La fig. esquematiza las tres escalas citadas
Las temperaturas más altas concebibles hasta ahora se encuentran en el interior de ciertas estrellas (unos
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4.000 millones de grados Celsius parecen el tope teórico). Una bomba de hidrógeno se inflama a unos 40
millones de ºC y llega a alcanzar una temperatura diez veces mayor, mientras que el interior del Sol alcanza
tan sólo 15 millones de ºC. Entre las cosas más calientes que puede haber en un hogar está el filamento de
una bombilla que opera a unos 2.500 ºC y sólo una vez, cuando se funde, alcanza el punto de fusión del
wolframio: 3.410 ºC. El plomo funde a 327 ºC, el papel se quema a unos 230 ºC y bajamos a las temperaturas
propias de un horno para asar carne o hacer un pastel. Las temperaturas terrestres del aire han alcanzado
máximos de 58 ºC a la sombra en Libia y mínimos de -88'3 ºC en la pesadilla antártica, este pequeño intervalo
es más de lo que estamos preparados para resistir.
El hielo, por supuesto, se forma a 0 ºC, pero si se le añade sal común la temperatura de la mezcla descender
a -21 ºC. Este efecto se ha usado durante mucho tiempo para enfriar el helado hecho en casa. Para alcanzar
temperaturas mucho más bajas con facilidad tendríamos que usar un gas licuado, como el nitrógeno. Es un
fluido que parece agua y hierve a -196 ºC. El más exótico de todos los materiales es el maravilloso helio
líquido; hierve (en recipiente abierto) a -268'9 ºC.
FIG.
(Tomado de 'Física en perspectiva', de E. HECHT, y de 'Los principios de la física en su evolución histórica',
de C. SANCHEZ DEL RIO).
Actividad 3
Imagina que dispones de una gran barra de hielo -empleada para refrigerar pescado- y de un cubito de hielo. ¿Qué
puedes decir acerca de la temperatura de dichos bloques de hielo?.
Actividad 4
¿QUE ES LA TEMPERATURA?
Hay quienes sostienen que sólo las definiciones operacionales, es decir, las basadas en las mediciones, tiepág 4
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nen sentido. Desde este punto de vista,
la temperatura es lo que se mide con un termómetro.
Sin embargo, para otros, este tipo de definiciones, aunque útiles en la práctica, nos dicen muy poco acerca del
significado físico de las magnitudes. En esta perspectiva es preciso definir, en primer lugar, el concepto de
energía interna. Actualmente se acepta que las partículas (átomos o moléculas) que constituyen cualquier
cuerpo están siempre agitándose de forma más o menos desordenada. Se define entonces la energía interna
de un cuerpo como
la energía asociada al movimiento aleatorio de sus átomos o moléculas.
En resumen, la energía interna es la energía cinética del mundo microscópico.
La energía interna de un cuerpo puede aumentarse o disminuirse de varias formas. Puede aumentarse la
energía interna golpeando el cuerpo con un martillo, frotándolo o doblándolo, es decir, mediante un trabajo.
También se consigue el mismo efecto poniendo el cuerpo en contacto con algo que tenga una temperatura
más alta, como una llama, produciéndose un flujo de energía, en forma de calor, del cuerpo caliente al frío.
O puede iluminarse con energía electromagnética, esto es, mediante radiación. Todo lo que agite los átomos
produce un aumento de energía interna.
¿Qué es, entonces, la temperatura?. Aquí, de nuevo, no hay una respuesta sencilla totalmente satisfactoria.
Es una propiedad macroscópica que expresa el estado de agitación o movimiento desordenado de las
partículas; está relacionada, por tanto, con la energía interna. Diremos que
la temperatura es una medida de la concentración de energía interna.
Si la mayoría de las partículas de un cuerpo tienen una gran agitación y poseen, a nivel microscópico, mucha
energía cinética, entonces la temperatura del cuerpo será elevada, y viceversa.
Actividad 5
(a) Compara las energías internas de un gran bloque de hielo y de una taza de té caliente.
(b) ¿En qué cuerpo es mayor la concentración de energía interna, es decir, la energía interna por unidad de volumen? ¿Y
la temperatura?.
Actividad 6
Imagina que lanzas una manzana al aire.
(a) ¿Cambia la energía cinética de la manzana considerada como un todo?.
(b) ¿Se modifica la energía interna de la manzana?.
(c) ¿Aumenta la temperatura de la manzana?.
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3. ESTUDIO DE ALGUNOS FENOMENOS RELACIONADOS CON EL CALOR
3.1. Transmisión del calor
Actividad 7
(a) ¿Qué materiales son adecuados para el aislamiento térmico de una bebida caliente o del hielo?.
(b) ¿Por qué está más caliente el mango de una cuchara de metal que el de otra de madera o de plástico cuando están
metidas en agua caliente?.
Actividad 8
CONDUCCION
El calor pasa de los cuerpos calientes a los fríos de tres diferentes
maneras: conducción, convección y radiación.
Si colocas un extremo de un cuerpo en contacto con un foco caliente, dicho
extremo aumenta su temperatura. Esta parte más caliente cede energía, a
su vez, a las porciones del cuerpo adyacentes, que aumentan también su
temperatura y el proceso se repite. Así, la energía va pasando de cada
parte del cuerpo a la siguiente hasta llegar al otro extremo del mismo.
Decimos que el calor ha
pasado por conducción
de cada parte más caliente a la siguiente, más fría.
Todas las sustancias no tienen el comportamiento anterior,
clasificándose por ello en buenos y malos conductores del
calor. Pon ejemplos de ambos tipos de sustancias.
Actividad 9
CONVECCION
Estudiemos ahora la convección. También el calor puede
transferirse de esa manera: se produce una corriente de
convección cuando el cuerpo caliente se desplaza a otro lugar
donde se mezcla con otros más fríos a los que cede calor. Esto no
es posible, evidentemente, con los sólidos, pero sí en los líquidos
o con el aire.
Pon ejemplos de corrientes de convección.
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Actividad 10
RADIACION
El calor puede transmitirse asimismo con radiación. Resulta que todos los cuerpos -sólidos, líquidos y
gases- emiten radiación térmica de acuerdo con su temperatura. La naturaleza de estas radiaciones es
idéntica a la de las ondas de radio y televisión o a la de la luz que nos llega del Sol.
¿Conoces algún ejemplo de radiación térmica?.
3.2. Calor ganado o perdido por un cuerpo
Actividad 11
Considera el hecho habitual de calentar el desayuno colocándolo en la llama del gas. ¿Qué propiedad de los cuerpos es
la causa de que pase calor de unos a otros al ponerlos en contacto?. ¿En qué sentido se produce el flujo de energía?.
Actividad 12
A título de hipótesis, ¿de qué factores depende la cantidad de calor necesaria para variar la temperatura de un cuerpo?.
Actividad 13
(a) En la actividad anterior, ¿de cuántos factores depende la cantidad de calor?. ¿Cuántos experimentos debes realizar
para comprobar las hipótesis emitidas?.
(b) Procede a realizar los diseños experimentales teniendo en cuenta que una dificultad técnica que se presenta aquí es
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la medida de la cantidad de calor suministrada por la fuente caliente; precisa alguna forma, directa o indirecta, de
lograrlo.
Actividad 14
(a) Realiza la experiencia diseñada.
(b) De acuerdo con los resultados obtenidos, escribe la ecuación matemática que relaciona el calor absorbido con las
variables implicadas en el proceso.
Actividad 15
CANTIDAD DE CALOR
La cantidad de calor Q ganado o perdido por un cuerpo de masa m cuando experimenta un cambio de temperatura Δt se
calcula mediante:
Q = m c Δt
donde la constante de proporcionalidad c, que se denomina capacidad calorífica específica o calor específico,
representa
el calor necesario para aumentar en un grado la temperatura de la unidad de masa de una sustancia.
Un objeto con capacidad calorífica específica muy grande (como el agua) cambiará de temperatura -aumentando o
disminuyendo- sólo cuando se le suministre o extraiga gran cantidad de calor.
El gran pionero en el estudio de estos temas fue el doctor J. Black, profesor de Química de Glasgow. Dentro del
esquema operacional que introdujo, alrededor de 1.760, para cuantificar el calor, se define la caloría (cal) como
la cantidad de calor necesario para elevar 1 ºC, de 14'5 ºC a 15'5 ºC, la temperatura de 1 g de agua.
Como veremos más adelante, energía y calor están íntimamente relacionados, por lo que no tendría sentido hablar de
'calorías'; en el SI el calor se mide en julios. Sin embargo, por tradición, se emplean indistintamente las dos unidades.
Actividad 16
De una olla de estofado hirviendo sacamos una patata, una alubia, un tomate jugoso y una cebolla (en su mayor parte
agua). ¿Cuáles de estos alimentos pueden comerse con un poco de cuidado y cuáles es posible que te quemen la
lengua? ¿Por qué?.
Actividad 17
Con ayuda de la tabla de capacidades caloríficas específicas, contesta a las siguientes preguntas:
(a) ¿A cuál de estas sustancias habrá que proporcionar más calor para aumentar un grado su temperatura si se toma la
misma masa de todas ellas?.
(b) Suministramos la misma cantidad de calor a masas iguales de agua y hierro. ¿Para qué sustancia aumentará más la
temperatura?.
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TABLA DE CAPACIDADES CALORIFICAS ESPECIFICAS (c)
Sustancia
Aluminio
Bronce
Cobre
Hierro
Latón
Mercurio
Oro
Papel
Plata
Plomo
Tierra seca
Agua
Hielo
Etanol
Anilina
Gasolina
(cal/ºCg)
0,217
0,090
0,093
0,113
0,100
0,033
0,031
0,300
0,056
0,031
2,000
1,000
0,550
0,580
0,500
0,500
(J/Kkg)
907,1
376,2
388,7
472.3
418,0
137,9
129,6
1254,0
234,1
129,6
8360,0
4180,0
2299,0
2424,4
2090,0
2090,0
Actividad 18
Calcula la cantidad de calor necesaria para calentar 250 g de aluminio desde 20 ºC hasta 53 ºC.
(Respuesta: 1790 cal).
Actividad 19
Calcula la capacidad calorífica específica de una sustancia sabiendo que 53 g de la misma absorben 295'4 cal para
elevar su temperatura desde 20 ºC hasta 80 ºC. ¿De qué sustancia se trata?.
(Respuesta: 0'093 cal/º g).
3.3. Intercambio de calor entre dos cuerpos: equilibrio térmico
Actividad 20
Predice, sin necesidad de hacer cálculos, cuál será la temperatura final de una mezcla de las siguientes masas de agua.
Puedes dar la respuesta de forma aproximada.
(a) 100 g de agua a 80 ºC y 100 g de agua a 80 ºC
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(b) 100 g de agua a 40 ºC y 200 g de agua a 40 ºC
(c) 50 g de agua a 10 ºC y 50 g de agua a 70 ºC
(d) 100 g de agua a 20 ºC y 200 g de agua a 50 ºC.
Actividad 21
Ya se ha comentado lo que les sucederá a dos cuerpos, que están a diferente temperatura, al ponerlos en contacto.
Vamos ahora a profundizar en dicho proceso. A título de hipótesis, compara:
(a) las variaciones de temperatura de dichos cuerpos
(b) las cantidades de calor intercambiadas por los mismos.
Actividad22
Para que la hipótesis enunciada pueda ser contrastada experimentalmente es preciso expresarla en forma operativa:
Qganado + Qcedido = 0
para lo que se requiere que el sistema de los cuerpos en interacción térmica esté aislado. Un buen aislamiento se
consigue mediante un dispositivo conocido con el nombre de calorímetro; consta de dos recipientes metálicos y
pulimentados, introducido uno en otro y apoyados en unos tacos de corcho o poliestireno con el fin de reducir los
intercambios de calor con el ambiente. Otro modelo de calorímetro, el llamado vaso Dewar, está constituido básicamente
por un vaso de vidrio de paredes gruesas y huecas. En el interior de dichas paredes, al objeto de reducir los intercambios
de calor con el ambiente, se ha hecho el vacío.
Diseña y realiza una experiencia que permita contrastar la relación matemática mencionada.
Actividad 23
Para analizar los resultados obtenidos en la actividad anterior, vamos a seguir un procedimiento distinto al de otras
ocasiones. En lugar de recurrir a representaciones gráficas, calcularemos el valor teórico de la temperatura de
equilibrio o temperatura final y lo compararemos con el valor experimental.
Sean m1, c1 y t1 la masa, la capacidad calorífica específica y la temperatura inicial del cuerpo caliente y m2, c2 y t2 las
correspondientes magnitudes para el cuerpo frío. Se cumplirá que:
Qganado = m2 c2 (teq - t2)
Qcedido = m1 c1 (teq - t1)
por lo que:
m2c2(teq-t2) + m1c1(teq-t1) = 0
Sustituyendo en esta ecuación los valores que hemos elegido para los cuerpos caliente y frio, deducimos el valor teórico
de la temperatura de equilibrio. ¿Coincide con el valor obtenido experimentalmente? ¿Se confirma la hipótesis?.
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Actividad 24
EQUILIBRIO TERMICO
Cuando dos cuerpos a diferente temperatura entran en contacto, el calor fluye del más caliente al más frío
hasta que se igualan las temperaturas y se dice que ambos están en equilibrio térmico. Por ejemplo, dos
cucharillas de la misma masa, una de oro y otra de vidrio sumergidas en una taza de café caliente, alcanzan
una nueva temperatura de equilibrio junto con el café. Sin embargo, debido a su mayor capacidad calorífica
específica, la de vidrio habrá absorbido más calor -cedido por el café- que la de oro para lograr dicha
temperatura.
Al medir la temperatura de un cuerpo mediante el termómetro de mercurio estamos aplicando la noción de
equilibrio térmico, puesto que la columna de mercurio nos indica su propia temperatura, la cual aceptamos
que coincide con la del cuerpo al establecerse el equilibrio térmico entre ambos.
Como se verá en los ejercicios que siguen, una de las aplicaciones más interesantes del equilibrio térmico es
la determinación de capacidades caloríficas específicas.
Actividad 25
(a) Diseña un experimento que te permita calcular la capacidad calorífica específica de un sólido.
(b) Realiza el experimento diseñado.
Actividad 26
Determina la temperatura que se alcanza al mezclar:
(a) 2 kg de agua a 20 ºC con 2 kg de agua a 85 ºC
(b) 1 kg de agua a 25 ºC con 3 kg de agua a 25 ºC
(c) 3 kg de agua a 15 ºC con 5 kg de agua a 70 ºC.
(Respuesta: (a) 52'5 ºC; (b) 25 ºC; (c) 49'4 ºC).
Actividad 27
Un bloque de aluminio de 80 g de masa, que se encuentra a 16 ºC, se introduce en 120 g de agua a 40 ºC. Calcula la
temperatura de equilibrio.
(Respuesta: 37 ºC).
Actividad 28
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Se mezclan 150 g de agua a 50 ºC y 100 g de alcohol etílico. La temperatura de equilibrio es de 45 ºC. ¿Cuál era la
temperatura inicial del alcohol?.
(Respuesta: 32'1 ºC).
Actividad 29
Un trozo de hierro de 80 g se calienta en una estufa a 100 ºC y, seguidamente, se introduce en un calorímetro de latón
de 0'1 kg de masa que contiene 500 g de agua a 20 ºC. Cuando se alcanza el equilibrio la temperatura del conjunto (hierro,
calorímetro y agua) es de 21'4 ºC. ¿Cuál es la capacidad calorífica específica del hierro?.
(Respuesta: 0'113 cal/º g).
Actividad 30
Para determinar el calor específico de un sólido se calienta una muestra de éste de 40 g sumergiéndola en agua en
ebullición. Después, se introduce rápidamente en un calorímetro que contiene 120 g de agua a 20 ºC. La temperatura
final es de 28 ºC. ¿Cuál es la capacidad calorífica específica del sólido?.
(Respuesta: 0'3 cal/º g).
3.4. Dilatación de las sustancias
Actividad 31
Sabemos que cuando se eleva la temperatura de un cuerpo, generalmente éste aumenta su volumen; el fenómeno
recibe el nombre de dilatación cúbica. En el caso de cuerpos planos -tal como una lámina metálica- dicho aumento
repercute fundamentalmente en su superficie; se habla entonces de dilatación superficial. Mientras que en los cuerpos
alargados -por ejemplo, varillas-, el principal aumento se observa en la longitud; tenemos así la dilatación lineal.
Propón ejemplos de la vida ordinaria en los que se manifiesten los tres tipos de dilatación.
Actividad 32
(a) La dilatación lineal se utiliza en las llamadas láminas bimetálicas; se trata de láminas formadas por dos capas de
metales distintos -por ejemplo, cobre y hierro- fuertemente unidas. ¿Cómo se comporta una lámina bimetálica cuando
aumenta o disminuye su temperatura?.
(b) Presentación de dos montajes experimentales: termómetro bimetálico -fig. a.- y termostato -fig. b- en los que se
aprovecha la dilatación lineal de las láminas bimetálicas.
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FIG. a
FIG. b
3.5. Cambios de estado
Actividad 33
(a) Enumera los estados en que se presenta la materia.
(b) Indica mediante flechas en la fig. los nombres de los cambios de estado que conozcas.
(c) Señala, a partir de tu experiencia diaria, qué cambios de estado requieren absorción de calor y cuáles cesión del
mismo.
GAS
SÓLIDO
LÍQUIDO
FIG.
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Actividad 34
Propón experimentos sencillos para ilustrar el significado de los términos sublimación, evaporación y ebullición.
Actividad 35
CALOR LATENTE
Si realizas la experiencia de calentar un trozo de hielo de manera uniforme, obtienes una gráfica similar a la
mostrada en la fig. siguiente. En ella se señalan las características más importantes de cualquier cambio de
estado, a saber:
» El cambio de estado se produce a una temperatura definida para cada sustancia pura.
» Mientras dura el cambio de estado la temperatura se mantiene constante.
» El calor que es necesario aportar o extraer para que una unidad de masa cambie de estado recibe el nombre
(por cierto, poco afortunado) de calor latente. Esta magnitud, que se representa por la letra L, depende
únicamente del tipo de sustancia. En el SI, se mide en 'julios por kilogramo' (J/Kg), aunque todavía se
mantiene la unidad tradicional de 'caloría por gramo' (cal/g).
Temperatura ºC
vapor
sobrecalentado
líquido + vapor
temperatura
vaporización
líquido
sólido + líquido
temperatura
fusión
sólido
Tiempo (s)
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TABLA DE CALORES LATENTES
Sustancia
Fusión (Lf)
Vaporización (Lv)
(cal/g)
(J/kg)
(cal/g)
(J/kg)
Agua
Etanol
Benceno
80,0
26,1
30,1
334.000
109.000
126.000
540,0
201,0
94,3
2.257.200
840.000
394.000
Aluminio
Cobre
Hierro
Mercurio
Oro
Plata
Plomo
94,5
49,5
65,8
2,6
15,1
25,1
5,5
395.000
205.000
275.000
11.000
63.000
105.000
23.000
Actividad 36
Alberto coloca una pieza de zinc en un horno que está a 1000 ºC. Lee la temperatura a la que está el zinc cada minuto
y obtiene los siguientes datos: 30 ºC, 70 ºC, 200 ºC, 420 ºC, 420 ºC, 420 ºC, ...
¿Por qué presenta el termómetro varias lecturas de 420 ºC?.
Alejandro continúa leyendo la temperatura del zinc. Dí si:
(a) la temperatura permanece siempre a 420 ºC
(b) la temperatura se eleva hasta 1000 ºC
(c) no lo sé.
Actividad 37
(a) ¿Qué masa de hielo a 0 ºC se puede fundir con 10.000 cal?.
(b) ¿Qué masa de agua a 100 ºC se puede hervir con la misma cantidad de calor?.
(Respuesta: (a) 125 g; (b) 18'5 g).
Actividad 38
Se calienta un trozo de hielo de 0'5 kg de masa desde - 10 ºC hasta 90 ºC. Este proceso se puede analizar descompuesto
en tres fases:
I. Calentamiento del hielo desde -10 ºC hasta 0 ºC, que es su temperatura de fusión.
II. Fusión del hielo a 0 ºC; pasa a agua a 0 ºC.
III. Calentamiento del agua desde 0 ºC hasta 90 ºC.
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Calcula la cantidad de calor necesaria en cada una de estas tres fases. Utiliza los datos de las tablas correspondientes.
(Respuesta: 2.750, 40.000 y 45.000 cal).
Actividad 39
Se calienta un trozo de hielo de 250 g de masa, que se encuentra a -20 ºC, hasta transformarlo en vapor de agua a 100
ºC. ¿Qué cantidad de calor se necesita en el proceso?.
(Respuesta: 183.504 cal).
4. EL CALOR: UNA FORMA DE TRANSFERIR ENERGIA
Actividad 40
Después de haber visto una descripción de los fenómenos relacionados con el calor, vamos a investigar acerca de su
naturaleza íntima. Las ideas que vienen a continuación tardaron mucho tiempo en adquirir forma en la mente de los
físicos, por lo que presentamos un desarrollo histórico de las mismas.
LA TEORIA DEL CALORICO
Aristóteles consideraba el Fuego como uno de los cuatro elementos y en virtud de esta hipótesis podía
explicar de forma cualitativa gran parte del comportamiento observado en los cuerpos calientes.
Posteriormente, se pensó que el calor era un fluido material -llamado calórico por Lavoisier en 1.787-. Así, un
cuerpo caliente tendría mucho contenido de calórico y un cuerpo frío, poco. A partir de los experimentos
realizados durante los siglos XVII y XVIII se fueron asignando propiedades al calórico:
- Las partículas de calórico, al contrario de la materia ordinaria, se repelen entre sí.
- Las partículas de calórico son atraídas por las de la materia ordinaria.
- La cantidad de calórico permanece constante en todos los procesos térmicos.
La idea de que el calor era una forma de materia no debería sorprendernos, pues la teoría del calórico resultó
bastante útil, como veremos seguidamente. Después de todo, las hipótesis falsas pueden explicar cosas, al
menos superficialmente.
Explica, mediante la teoría del calórico, los principales fenómenos relacionados con el calor:
(a) El equilibrio térmico que se alcanza cuando dos cuerpos a diferente temperatura se ponen en contacto.
(b) La dilatación de las sustancias al calentarlas.
(c) Los cambios de estado.
(d) El "calor que aparece" cuando se frotan o golpean los cuerpos.
Actividad 41
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EL CONDE RUMFORD Y LA PERFORACION DE LOS CAÑONES
Benjamín Thomson (1753-1814) nació de familia humilde en Massachusetts. A los 19 años marchó a la
pequeña ciudad de Rumford como maestro de escuela, pero pronto se casó con una viuda de 33 años -rica,
por supuesto- y se retiró. Hacia 1.798 abandonó su pais natal a causa de sus simpatías reales durante la
revolución y vino a vivir a Europa. Tenía un talento especial para congraciarse con gente importante: el
general Washington estuvo a punto de ofrecerle una comisión, lo mismo que el primer cónsul de Francia:
Napoleón. Su segundo matrimonio, en 1.805, con la acaudalada, graciosa e incorregible viuda de Lavoisier
fue un desastre de corta duración. Era aficionado a cultivar rosas y a ella le encantaba regarlas con agua
hirviendo.
Durante un tiempo desempeñó simultáneamente los puestos de ministro de la Guerra, ministro de Policía,
Chambelán de la Corte y Consejero de Estado al servicio del elector de Baviera. Cuando éste le nombró
conde, tomó la denominación de Rumford y de ahí en adelante se le conoció por este título. A pesar de sus
muchas ocupaciones políticas, aún tuvo tiempo para comenzar una serie de experimentos relativos a la
naturaleza del calor. He aquí uno de sus experimentos descrito por él mismo:
Estando encargado, como superintendente, del taladro de cañones de la fábrica del arsenal militar de Munich,
quedé sorprendido por el grado considerable de calor (hoy diríamos 'por la elevada temperatura') que adquiere,
en un tiempo muy pequeño, una pieza de latón cuando es perforada; y por el 'calor', todavía más intenso, de
las virutas metálicas provenientes de la perforación.
Apareció así la idea de que el calor puede engendrarse en cantidades enormes mediante el rozamiento. Esto
condujo a Rumford a realizar experimentos con las virutas y el metal en bruto del cañón; vió que las
capacidades caloríficas específicas eran iguales.
Los partidarios del calórico hubieran dicho que éste era 'extraido' del latón por la taladradora. Pero Rumford
demostró que podía continuarse generando calor mientras la pieza de latón se siguiese perforando. Era en
apariencia inextinguible, por lo que no podía ser una sustancia material. Rumford aceptó entonces la teoría
alternativa, vigente en el siglo XVII, de que el "calor era una manifestación del movimiento". Sin embargo,
habrían de pasar aún varias décadas antes que el calórico fuera rechazado para siempre.
¿Qué hechos, de los narrados en la lectura anterior, no pueden explicarse con la teoría del calórico?.
Actividad 42
HACIA UNA LEY DE CONSERVACION DE LA ENERGIA
Durante la primera mitad del siglo XIX, una serie de contribuciones diversas mostraron que existía una relación entre el calor y otras formas de energía. La conversión de energía cinética en calor, como ocurre al
martillear un clavo sobre un yunque, era de general conocimiento; lo mismo ocurría con la liberación de calor
en las reacciones químicas.
En la fábrica de cañones, Rumford aseguraba: 'Puede obtenerse más calor usando más pienso para la
alimentación de los caballos'. Todo iba como en una circunferencia: la energía química almacenada en las
moléculas de forraje vigorizaba a los caballos, los cuales realizaban trabajo en la maquinaria que movía la
perforadora contra la pieza de latón, que se calentaba por rozamiento.
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En 1842 se reunieron en un ensayo diversas ideas básicas sobre la interconexión del calor y el trabajo. Fue
escrito por el joven y desconocido médico alemán J.R. Mayer (1814-1878). Con un estilo atrevido,
especulativo, propuso que las distintas formas de energía
son cuantitativamente indestructibles y cualitativamente convertibles; todas las manifestaciones de la energía
(potencial, cinética, trabajo, calor) son transformables unas en otras y la energía como un todo se conserva.
Su ensayo -un trabajo genial, seguramente- no tenía, sin embargo, una confirmación experimental exacta y
fue ridiculizado por ello y tildado de aficionado. Esto, unido a la muerte de dos de sus hijos, provocó en Mayer
trastornos mentales. Casi al final de su vida se recuperó y fue testigo del triunfo de sus ideas, recibiendo el
reconocimiento que merecía.
Una vez establecido que trabajo y calor son manifestaciones de una misma cosa -la energía-, el paso
siguiente fue encontrar una relación cuantitativa, numérica, entre los mismos. Apareció, entonces, el
importante trabajo del científico 'amateur' Joule.
James P. Joule (1818-1889) fue un próspero
cervecero de Manchester que se dedicó a la ciencia
desde una temprana edad. Europa, en los años 1830,
se encontraba en pleno apogeo de la revolución
tecnológica. La industria dependía de la máquina de
vapor para obtener la potencia mecánica generada
por el calor suministrado por los combustibles.
Faraday había descubierto la inducción
electromagnética y los primeros generadores de
corriente eléctrica. En esta atmósfera, Joule concibió
la idea, sostenida simultáneamente por otros investigadores, de una posible relación cuantitativa entre el
trabajo y el calor.
Joule realizó una serie de experimentos, cada vez más exactos, sobre la
producción de calor en el agua por efecto del rozamiento. El aparato que
utilizó estaba formado por una rueda de paletas de latón que giraban
horizontalmente en un recipiente lleno de agua -fig. adjunta-. El
movimiento de la rueda se conseguía por medio de las pesas que caían.
El trabajo efectuado por el peso al caer se transformaba por fricción en
calor, con lo que se elevaba la temperatura del agua.
Se observó que la cantidad de calor producido por fricción de los cuerpos, tanto sólidos como líquidos, era
siempre proporcional a la cantidad de energía gastada. Joule encontró la siguiente equivalencia:
1 cal = 4'18 J
que expresamos en la unidad de energía actual: el julio o joule, denominada así en su honor.
En los últimos años de la década de 1860 el calórico era ya un concepto moribundo. Las experiencias de
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Joule aportaron una argumento definitivo en favor de la idea de que:
el calor es una forma de transferir energía de un cuerpo a otro.
(a) ¿De acuerdo con el texto anterior, cuál es la aportación fundamental de Mayer?.
(b) ¿Por qué es importante el trabajo de Joule?.
(c) Si tuvieses que asignar los calificativos "teórico" y "experimental" a los dos científicos citados, ¿cómo lo harías?.
Actividad 42
En un experimento similar al de Joule, se deja caer una pesa de 30 kg desde una altura de 2 m y se observa una
elevación de temperatura de 0'56 ºC, siendo la masa del agua de 250 g. Calcula:
(a) el trabajo realizado por el peso
(b) el calor producido en el agua y absorbido por ésta;
(c) la equivalencia entre julios y calorías.
(Respuesta: (a) 588 J; (b) 140 cal; (c) 4'2 J/cal).
Actividad 43
EL CONCEPTO DE CALOR
Estamos ya en condiciones de establecer un concepto científico y actual de calor. El calor es un parámetro
que describe las interacciones entre los sistemas; de manera más precisa: en un proceso de transferencia de
energía, la diferencia de temperaturas entre dos sistemas determina la transferencia de calor. Por ejemplo,
cuando una llama de gas calienta una masa de agua, hay una diferencia de temperatura entre la llama
(temperatura de combustión) y el agua. Así, el calor se transfiere de un sistema (gas y aire) a otro (agua).
Dicho de otra manera:
cuando dos sistemas macroscópicos a diferente temperatura son puestos exclusivamente en interacción
térmica, se denomina calor a la energía neta que se transfiere del sistema inicialmente a más alta temperatura al inicialmente a más baja temperatura.
Hay que hacer constar que frente a la noción intuitiva de que el calor es
ALGO (¿temperatura?) CONTENIDO
EN UN SISTEMA
el concepto presentado establece que es
ENERGIA EN TRANSFERENCIA ENTRE DOS SISTEMAS
Finalmente, es importante percatarse de que el calor es únicamente un modo de alterar la energía interna de
un sistema. Por ejemplo, una masa de agua a temperatura T1 y energía interna E1 puede alcanzar la
temperatura T2 y energía interna E2 tanto al ser calentada -por ejemplo, cuando se da la transferencia de
calor-, como al ser agitada con un molinillo -por ejemplo, el experimento de Joule en que está implicado el
trabajo-.
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Actividad 44
LEY DE CONSERVACION DE LA ENERGIA
Después de todos los experimentos y teorías mencionados en las actividades anteriores, los científicos estuvieron en condiciones de enunciar la ley de conservación de la energía en su forma más general, incluyendo los
procesos térmicos; dicha ley establece que:
la energía no puede crearse ni destruirse, sino sólo convertirse de una forma en otra.
En otro contexto, esta ley fundamental también se conoce como primera ley de la termodinámica.
Veamos ahora cómo se puede interpretar todo tipo de acontecimientos desde el punto de vista del concepto de energía.
Lee atentamente los ejemplos que siguen y discute con tus 'compas' las preguntas formuladas.
(a) Imagina que un bocadillo de 4 N de peso cae 20 m desde un andamio, dando un golpe en la mano que lo recoge. La
energía potencial gravitatoria inicial (80 J) se transforma completamente en energía cinética un 'pelín' antes de llegar a la
mano. Si pasamos por alto una pequeña pérdida de energía en forma de sonido, el bocadillo llega al reposo
compartiendo con la mano 80 J de energía. A consecuencia del choque, esta energía se reparte, como energía interna,
entre el bocadillo y la mano y tanto uno como otra aumentarán ligeramente su temperatura. ¿Qué pasaría si en lugar del
bocadillo llega a la Tierra un meteorito con una gran energía cinética?.
(b) Si sumerges un reloj de bolsillo recién dado cuerda en una taza de agua aislada y lo dejas hasta que se acabe la
cuerda, la temperatura del agua debe aumentar. ¿Por qué?.
(c) Un gas que se expande empujando hacia arriba un pistón hará un trabajo al levantar el peso del pistón. La energía
interna del gas se convierte en energía potencial gravitatoria del pistón y la temperatura del gas disminuye. Inversamente,
si comprimes repetidamente el pistón de una bomba de bicicleta, ¿qué sucede?.
(d) Se sabe que los motores Diesel operan sin bujías, comprimiendo el combustible en un cilindro hasta que su
temperatura aumenta lo suficiente para que se produzca el autoencendido. ¿Cómo es posible que aumente la
tamperatura del combustible si no se introduce calor desde el exterior?.
(e) Parte de la energía cinética de un nave espacial que vuelve a entrar en la atmósfera se convierte deliberadamente en
energía interna en una pantalla térmica; la nave decelera a medida que la pantalla se evapora. Compara este proceso
con el que sucede en la Tierra cuando un coche se detiene.
(f) Una pelota gigante rebota eternamente en una cámara de vacío.¿Sí o no?.
(g) Critica la siguiente frase: "Son imposibles las máquinas de movimiento perpetuo autoabastecidas que realicen
trabajo".
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Lectura
El calor puede transferirse de un lugar a otro por tres métodos diferentes: conducción en sólidos, convección en fluidos (líquidos
o gases) y radiación a través de cualquier medio transparente a ella. El método elegido en cada caso es el que resulta más
eficiente. Si hay una diferencia de temperatura el calor siempre viajará del lugar más caliente al más frío.
CONDUCCIÓN:
Imagen térmica infrarroja de dos tazas de café llenas
de un líquido caliente. Note como el calor del líquido
hace que las tazas brillen. El calor se transfiere del
líquido caliente a las tazas por conducción.
La conducción tiene lugar cuando dos objetos a diferentes
temperaturas entran en contacto. El calor fluye desde el objeto más
caliete hasta más frío, hasta que los dos objetos alcanzan a la misma
temperatura. La conducción es el transporte de calor a través de una
sustancia y se produce gracias a las colisiones de las moléculas. En el
lugar donde los dos objetos se ponen en contacto, las moléculas del
objeto caliente, que se mueven más deprisa, colisionan con las del
objeto frío, que se mueven más despacio. A medida que colisionan las
moléculas rápidas dan algo de su energía a las más lentas. Estas a su
vez colisionan con otras moléculas en el objeto frío. Este proceso
continúa hasta que la energía del objeto caliente se extiende por el
objeto frío. Algunas sustancias conducen el calor mejor que otras. Los
sólidos son mejores conductores que los líquidos y éstos mejor que los
gases. Los metales son muy buenos conductores de calor, mientras
que el aire es muy mal conductor. Puede experimentar como el calor
se transfiere por conducción siempre que toca algo que está más
caliente o más frío que su piel, por ejemplo cuando se lava las manos
en agua caliente o fría.
CONVECCIÓN:
En líquidos y gases la convección es usualmente la forma más
eficiente de transferir calor. La convección tiene lugar cuando
áreas de fluido caliente ascienden hacia las regiones de fluido
frío. Cuando ésto ocurre, el fluido frío desciende tomando el
lugar del fluido caliente que ascendió. Este ciclo da lugar a
una continua circulación en que el calor se transfiere a las
regiones frías. Puede ver como tiene lugar la convección
cuando hierve agua en una olla. Las burbujas son las regiones
calientes de agua que ascienden hacia las regiones más frías
de la superficie. Probablemente usted este familiarizado con
la expresión: "el aire caliente sube y el frío baja" - que es una
descripción de el fenómeno de convección en la atmósfera. El
calor en este caso se transfiere por la circulación del aire.
Imagen térmica infrarroja mostrando como hierve el aceite en
una sartén. El aceite está tranfiriendo calor hacia fuera de la
sartén por convección. Note las partes calientes (amarillas)
de aceite caliente ascendente y las partes frías del aceite que
desciente. Imagen cortesía de K.-P. Möllmann and M.
Vollmer, Universidad de Ciencias Aplicadas
Brandenburg/Germany.
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RADIACIÓN:
Tanto la conducción como la convección requieren la presencia de
materia para transferir calor. La radiación es un método de
transferencia de calor que no precisa de contacto entre la fuente y el
receptor del calor. Por ejemplo, podemos sentir el calor del Sol aunque
no podemos tocarlo. El calor se puede tranferir a través del espacio
vacío en forma de radiación térmica. Esta, conocida también
como radiación infrarroja, es un tipo de radiación electromagnética (o
luz). La radiación es por tanto un tipo de transporte de calor que
consiste en la propagación de ondas electromagnéticas que viajan a la
velocidad de la luz. No se produce ningún intercambio de masa y no se
necesita ningún medio.
Imagen térmica infrarroja del centro de nuestra
galaxia. Este calor, procedente de numerosas
estrellas y nubes interestelares, ha viajado unos
24,000 años luz (aproximadamente
240,000,000,000,000,000 km!) a traves del espacio
en forma de radiación hasta llegar a nuestros
telescopios infrarrojos.
Los objetos emiten radiación cuando electrones en niveles de energía
altos caen a niveles de enrgía bajos. La energía que se pierde es
emitida en forma de luz o radición electromagnética. La energía
aborbida por los átomos hace que sus electrones "salten" a niveles de
energía superiores. Todos los objetos absorben y emiten radición.
( Este es un "applet" de java que muestra como un átomo absorbe y
emite radición). Cuando la absorción de energía está equilibrada con
la emisión, la temperatura del objeto permanece constante. Si la
absorción de energía domina, la temperatura del objeto aumenta, si la
emisión domina, la temperatura disminuye.
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