II.- CAPITULO 2: MATERIALES y CALOR LA ENERGÍA TÉRMICA o

II.- CAPITULO 2: MATERIALES y CALOR
La Energía en general ,se manifiesta de muchas formas, pudiendo transformarse, conservarse y
degradarse. Las fuentes de energía se clasifican en dos grupos: RENOVABLES (ilimitadas e inagotables
como: energía geotérmica, energía solar, energía eólica y otras) y las NO RENOVABLES( poseen una
duración limitada como: los combustibles fósiles tales como petróleo, carbón, gas etc)
LA ENERGÍA TÉRMICA o interna representa la Energía Interna total de la materia, o sea la suma
de su energía moleculares cinética y potencial. Las moléculas al interior de una sustancia “vibran” en torno a
un punto de equilibrio con una frecuencia (f) y una amplitud (A). Esta energía interna es “PROPORCIONAL
a su TEMPERATURA y/o su MASA”., y por lo tanto sus energías potenciales son elásticas y las energías
cinéticas son de rotación y de traslación..La energía interna se manifiesta a través de la temperatura.
Es muy importante diferenciar TEMPERATURA de ENERGÏA INTERNA, pues puede que dos sustancias
estén en EQUILIBRIO TËRMICO, o sea a IGUAL TEMPERATURA pero tener DIFERENTES
ENERGIAS INTERNAS. Pero dos cuerpos EN EQUILIBRIO TERMICO solo tendrán ENERGIAS
INTERNAS DIFERENTES si poseen MASAS DIFERENTES y dos cuerpos con la MISMA MASA tendrán
la MISMA ENERGÏA si sus TEMPERATURAS son IGUALES..
Ej: un jarro con 1000 cc de H2O a 80ºC y una taza con 250 cc de H2O también a 80 º C , tendrá MAYOR
ENERGÏA el que tiene MAYOR NUMERO de MOLËCULAS ( osea la del jarro) y al MEZCLARLOS NO
HAY TRANSFERENCIA de ENERGÏA TËRMICA porque están a la MISMA TEMPERATURA.
CALOR: Recordemos lo ya dicho CALOR (Q) es la TRANSFERENCIA de ENERGÏA TËRMICA
desde un cuerpo de MAYOR temperatura a una de MENOR temperatura., cuando se ponen en contacto
térmico. Se CEDE o se ABSORBE calor. Su unidad es el JOULE (J) pues corresponde a energía, además
otras unidades son la CALORIA (cal): cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un GRAMO
de agua en un grado Celsius. Y la Cal KILOCALORIA (kcal o Cal): cantidad de calor necesaria para elevar
la temperatura de un KILOGRAMO de agua en un grado Celsius.
1 kcal = 1000 cal = 4186 joule
1 cal = 4,186 joule
NOTAS:
 Es importante estipular que el “CALOR” SÓLO EXISTE CUANDO NO HAY EQUILIBRIO
TÉRMICO, es decir cuando la temperatura de dos cuerpos son iguales se dice que alcanzaron su
equilibrio térmico, por lo tanto ya NO HAY trasferencia de ENERGIA, o sea NO HAY CALOR.
 . El CALOR No SE PUEDE GUARDAR, es decir UN TERMO, NO GUARDA CALOR si no
que MANTIENE LA TEMPERATURA.
 Cuando SELLAMOS LAS PUERTAS es para EVITAR que salga calor desde la casa al
exterior, no para que no entre el frío.
 Un cuerpo “ABSORVE” calor cuando AUMENTA su temperatura y “CEDE” calor cuando
DISMINUYE su temperatura.
CALOR ESPECIFICO (c): Algunos alimentos se conservan caliente más tiempo que otros.
Por Ej: 1) Las papas hecha puré se pueden comer más fácilmente que las cebollas hervidas en el mismo
cocimiento que el puré. 2) La cubierta de aluminio o alusafoil se puede retirar del horno con los dedos sin
quemarse, en cambio el alimento que está contenido en su interior casi no se puede tocar o comer por lo
caliente que está. 3) Un trozo de pan tostado se enfría rápidamente al sacarlo del tostador, en cambio una sopa
debemos esperar unos minutos antes de consumirla a pesar que está calentada en la cocina a una temperatura
similar a la que tiene el tostador. Es decir, diferentes substancias tienen diferente capacidad para
“almacenar” Energía interna.
Si se calienta 1 cubo de agua se demora 15 minutos en “ebullir”, en cambio igual cantidad de
Hierro sobre la misma flama “ebulle” en sólo 2 minutos y si fuera un cubo de plata tardaría menos de 1
minuto en “ebullir”. Se observa que materiales diferentes requieren cantidades diferentes de calor para
elevar la temperatura de una masa del material a un número específico de grados. Los diferentes
materiales absorben energía en diferente forma. La energía puede incrementar el movimiento de vibración
oscilatoria, lo cual incrementa la temperatura, o puede convertir la energía potencial, lo cual incrementará los
estados de vibración interna de las moléculas sin que haya incremento de la temperatura, En general existe
una combinación de ambos casos.
Un gramo de agua requiere de 1 caloría de energía para elevar su temperatura en 1ºC.
Pero se requiere sólo , aproximadamente 1/8 de esa energía para elevar la temperatura de 1 gramo de
Hierro, en 1ºC. El agua “absorbe” más calor que el Hierro, es decir se dice que el Hierro tiene menor “calor
específico” o capacidad calórica específica que el agua.
“CALOR ESPECÍFICO de una sustancia se define como: “ la cantidad de calor que se requiere
para elevar la temperatura de una unidad de masa de la sustancia en 1 grado”
c = Q / m tº
Es una característica de cada material. Su unidad es J/kg
ºC, pero es más común expresarla en cal /g ºC.
Ej: el calor específico del agua es 1 ( cal /g ºC) o 4,184 J /kgºC, y esto significa que es necesario
proporcionar 1 caloría a un gramo de masa de agua para que esta eleve su temperatura en un grado Celsius
El agua tiene mucha más capacidad para almacenar energía que todos los materiales. Una cantidad
relativamente pequeña de agua absorbe una gran cantidad de calor para una elevación de temperatura muy
pequeña. Por ésta razón, EL AGUA ES UN AGENTE ENFRIADOR MUY ÚTIL y se le emplea en los
sistemas de enfriamiento o refrigeración de la mayoría de los autos y en general de aparatos de aire
acondicionado.
El agua también requiere mucho tiempo para enfriarse, muy útil en los “guateros” y en el clima
pues el agua de los mares tardar en enfriarse y eso permite que por ejemplo el clima en Europa sea mas
tibio que en Canadá (igual latitud geográfica) debido a que las corriente frías del Golfo de México tardan en
llegar a aguas del atlántico norte y mar mediterráneo.
Según la definición de calor específico podemos decir que: “La CANTIDAD de CALOR (Q) necesaria para
cambiar la temperatura de un material es PROPORCIONAL a la MASA (m) del material y al CAMBIO de
TEMPERATURA (tº )” .
Por lo tanto: Cuando la TEMPERATURA AUMENTA, la t y Q son positivos,
quiere decir que el CALOR FLUYE hacia el sistema o es ABSORBIDO por este y
Q= m* c tº
si la TEMPERATURA DISMINUYE, t y Q son negativos, el CALOR FLUYE
hacia afuera o es CEDIDO por el sistema.
El calor específico de una sustancia, nos indica la “facilidad” con que el cuerpo puede aumentar o
disminuir de temperatura cuando absorbe o cede calor. . Mientras MAYOR es el CALOR
ESPECÍFICO es más DIFICIL VARIAR LA TEMPERATURA, por lo tanto se require de MAYOR
CALOR para AUMENTAR LA TEMPERATURA y liberará más calor al enfriarse. .
NOTA: La calefacción por radiadores a gas, petróleo o carbón o electricidad calientan grandes volúmenes de
agua a altas temperaturas, el agua circula por las cañerías a los radiadores que están en contacto con el aire
que esta más frío, por lo tanto el agua busca el “equilibrio térmico” cediendo calor al medio ambiente frío
calefaccionado la habitación.
CAPACIDAD CALORICA (C): es la relación entre el CALOR (Q) ABSORBODO o CEDIDO por
un cuerpo con respecto a la VARIACION de TEMPERATURA (tº) que experimenta .
C= Q / tº
Su unidad es el Joule/ºK, pero como 1ºK es equivalente a
1ºC, podemos decir que también es válido joule/ºC o
cal/ºC.
La capacidad calórica es una PROPIEDAD que tienen los cuerpos y NO considera SU MASA , es decir
DOS OBJETOS del MISMO MATERIAL pero de DISTINTA MASA tienen DISTINTA CAPACIDAD
CALÖRICA.. Si CONSIDERAMOS la MASA del objeto, sería una PROPIEDAD del MATERIAL y en este
caso hablamos de CALOR ESPECIFICO.
TEMPERATURA de EQUILIBRIO o PRINCIPIO de las MEZCLAS:
Si dos cuerpos están a distinta temperatura y se ponen en contacto térmico en un sistema aislado ( no se
transfiere energía a través de las paredes del sistema) el CALOR FLUIRÄ del objeto de MAYOR
TEMPERATURA hacia el de MENOR TEMPERATURA, hasta alcanzar una TEMPERATURA de
EQUILIBRIO. La ENERGIA se CONSERVA( sistema aislado) y por lo tanto el CALOR CEDIDO por el
de MAYOR temperatura es IGUAL al CALOR ABSORBIDO por el de MENOR temperatura.
/Q cedido/ = / Q absorbido/
Esto se conoce como PRINCIPIO de las MEZCLAS. El calor total transferido hacia o desde el
SISTEMA es cero.
Q cedido + Q absorbido = 0
m1 c1 ( T - T1 )= - m2 c2 (T - T2 )
donde: T = Temperatura de equilibrio , c 1 y c2 calores específicos de las sustancias.1 y 2 ; m1 y m2 son las
masa de ambos cuerpos o sustancias, y T 1 y T2 son las temperaturas iniciales de las dos substancias.
EJERCICIOS RESUELTOS:
1.- El sistema de enfriamiento de una máquina hidráulica contiene 12 litros de agua. ¿Cuánto calor
absorbe si su temperatura se eleva de 20º a 150ºC?
La masa será:
m=*V
el volumen en litros se debe transformar a cm3 : 1L/12L = 1000cm3/x,
entonces
x = 12.000 cm3
Luego:
m= 1 g/cm3 * 12000 cm3
= 12.000 g
De la ecuación de cantidad de calor : Q = mctº = (12000g)(1cal/gºC)(150 - 20)ºC
= 1560000cal
Es decir, la cantidad de calor que absorbe la máquina térmica es de 1.560 Kcal.
2.- Ochenta perdigones de cobre se calientan a 90ºC y luego se introducen en 80 g de agua que se
encuentra a 10ºC contenida en un calorímetro ideal. La temperatura final de la mezcla es de 18ºC. ¿Cuál
es la masa de cada perdigón de cobre? ( c cu = 0,093 cal/gºC; CH2O = 1 cal/gºC )
Como:
Q cedido + Q absorbido = 0
m cu c cu t cu + m H2O c H2O t H2O = 0
m Cu * 0,093 * (18º - 90º) + 80 * 1 *( 18º - 10º) = 0
-6,7 cal/g * mCu + 640 cal = 0
mCu = -64 cal / -6,7 cal/g
donde:
mCu = 95,5 g
por lo tanto la masa de cada perdigón :
m = 95,5 g /80
m = 1,2 g
3.- ¿Qué cantidad de calor se transfiere por segundo, mediante la conducción, a través de un muro de
concreto de 2 mt e altura, 4 mt de longitud y 0,5 mt de espesor, si un lado del muro se mantiene a 25ºC y
el otro a 5ºC? ( k concreto = 1,30 J/smºC )
Q/t = k A ( T2 - T1 / L )
= ( 1,30 * 2 * 4 ) * ( 25 - 5 / 0,5 )
= 416 J/s
CAMBIOS de ESTADO o fase: el estado o fase de la materia pueden ser: SÓLIDO, LIQUIDO y
GAS , pudiendo pasar de un estado a otro según una alteración física que puede llamarse FUSION,
SOLIDIFICACION, VAPORIZACION y CONDENSACION. Cuando la sustancia absorbe o cede calor
experimenta un cambio de temperatura , excepto durante un cambio de fase, donde permanece constante.
Durante el “ cambio de fase” la ENERGÏA suministrada no aumenta la Energía cinética de traslación sino que
se rompen los enlaces intermoleculares.
A) La FUSION es el cambio de fase de un SÓLIDO a un LIQUIDO. y la
TEMPERATURA a la cual se produce se le llama “ Punto de fusión”.
El CALOR LATENTE de
FUSION (Lf ) es el calor Q necesario por unidad de masa m para
cambiar una sustancia de la fase
sólida a la líquida en su punto de fusión.
También se puede decir que la CANTIDAD de CALOR (Q) necesaria para cambiar de fase
sólida a líquida, una masa m de sustancia pura será:
donde : Lf es el calor latente de fusión de cada sustancia , medido en cal/gr. Algunos
Q = Lf * m
valores: Helio=1,25 ; nitrógeno= 6,09 ; oxígeno= 3,30 : alcohol= 24,9 ; agua= 79,7 ;
azufre= 9,10 ; polmo= 5,85 ; aluminio= 94,8 ; plata= 21,1 ; oro= 15,4 ; cobre= 32,0
B) La SOLIDIFICACION cambia de líquido a sólido y ocurre a la misma
temperatura que la fusión, pero es el proceso inverso.. En este caso se “extrae” la misma cantidad de
calor, por unidad de masa, que se proporcionó para la fusión. Por lo tanto el calor latente de solidificación es
igual al calor latente de fusión, pero con sentido negativo que indica que se esta liberando calor.
C) La VAPORIZACION de un LIQUIDO a GAS puede ocurrir de dos formas:
1.- por “ evaporación” :que es gradual y afecta a la superficie libre del líquido y para un rango amplio
de temperatura .
Rapidez de evaporación: depende de diversos factores: A) de la temperatura del líquido: a > tº > rapidez de
evaporación y mayor es la Energía cinética de las moléculas las que se pueden escapar a través de la
superficie libre del liquido. B) de la superficie libre del líquido: a > área de superficie libre del líquido > es la
rapidez con que se evapora, es decir las moléculas llegan a la superficie del líquido y se evaporan. C) el
número de moléculas: a < nº de moléculas cercanas a la superficie libre del líquido cuando se esta cambiando
de fase, > es la rapidez de evaporación. Las moléculas cercanas a la superficie libre pueden volver al líquido y
retardar la evaporación. Ej: en un día húmedo la ropa mojada tarda más en secarse.
2.- la “ ebullición” : que es violenta y afecta a todo el líquido para una temperatura determinada y
específica para cada líquido. Por Ej: para el agua es a los 100°C.
La temperatura a la cual se produce el cambio se le llama “ PUNTO DE EBULLICIÓN” . El CALOR
LATENTE de VAPORIZACION (Lv) es el calor Q necesario por unidad de masa m para transformar
una sustancia desde la fase líquida a la gaseosa.
Algunos valores: helio= 4,99; nitrógeno= 48; oxígeno= 50,9; alcohol=204; agua=
Lv = Q /m
540; azufre= 77,9; plomo= 208; aluminio= 2720; plata= 558; oro= 377; cobre= 121o
D) La CONDENSACIÖN es el cambio de gas a líquido y ocurre a la misma
temperatura que la vaporización pero en sentido inverso. Los calores latentes de condensación y
vaporización son iguales pero de signos diferentes, lo que indica que se está liberando calor.
Una SUSTANCIA PUEDE EXPERIMENTAR VARIOS CAMBIOS de FASE, por ejemplo:
 El hielo cambia de -20ºC a 0ºC al absorber una cantidad de calor:
Q = mh ch Th = 1*0,5*20º = 10 cal
 Cuando el hielo alcanza 0ºC se transforma en agua y absorbe una cantidad de calor:
Q = Lfa ma = 80 cal/g * 1 g = 80 cal
 El agua cambia de 0ºC a 100ºC absorbiendo calor
Q = macata = 1 g *1cal/g * 100º = 100 cal
 Cuando el agua alcanza 100ºC se transforma en vapor al absorber un calor
Q = Lvama= 540cal/g* 1g = 540 cal
Por lo tanto la cantidad total de calor suministrado a la sustancia como hielo a -20ºC hasta vapor de agua
a 100ºC es de 730 cal.
T ºC
sólo vapor
Agua y vapor
Hielo y agua
Q (cal/g )
-20ºC
10
80
100
540
NOTA:
Durante el cambio de fase la temperatura permanece constante.
A un gas a alta temperatura en que sus átomos pierden sus electrones se le llama “plasma” o cuarto estado de la materia.
El calor liberado al frotar bruscamente la cabeza de un fósforo contra el costado de la caja hace que la pólvora se encienda.
El refrigerador es un artefacto tecnológico típico donde se producen distintos tipos de cambio de fase, permitiendo
conservar los alimentos manteniéndolos a bajas temperaturas a pesar de que el medio ambiente sea caluroso.
Para que el agua líquida en las calles en climas muy helados no se solidifique provocando accidentes al resbalarse las
personas u autos, en las calles se hecha sal para que el punto de fusión baja hasta los -12ºCy así se consigue que el agua en
las calles siga siendo líquida .
PROPAGACION o transferencia de CALOR:
El calor se puede PROPAGAR o
TRANSFERIR por:
A) CONDUCCIÓN: proceso donde se transfiere calor o energía térmica mediante el “choque de
moléculas” adyacentes a través de un medio material, sin desplazamiento del medio.
Ej: varilla de metal y en un extremo se coloca “hielo”. Al calentar el extremo opuesto se transfiere calor
por conducción y el hielo se derrite porque hay un aumento de la actividad molecular al interior de la
varilla desde el extremo calentado, que va traspasándose hasta llegar al hielo. Además de un choque
atómico de las moléculas también hay un movimiento de los electrones libres de los átomos. La mayoría
de los METALES son BUENOS CONDUCTORES de calor. Además son buenos conductores de
electricidad..
Cuando en una habitación se “siente” más fría la baranda de fierro de una escala que la madera de
la pared o de sus escalones aunque ambas estén en contacto con el aire y por lo tanto están en
equilibrio térmico es porque cada material tiene la propiedad física de tener un distinto
COEFICIENTE de CONDUCTIVIDAD TËRMICA. Por ej: para el Aluminio es de 0,5 cal/cmºCs,
para el hierro de 0,163, para el Cobre es de 0,9, para el vidrio de 0,002, la madera tiene 0,0003 cal/cmºCs
de coeficiente de conductividad térmica. Con estos valores podemos inferir que el Hierro es mucho más
conductor del calor que la madera.
NOTA:




Los cuerpos con mayor conductividad térmica transfieren más rápidamente el calor, mientras que aquellos
aislantes térmicos o de baja conductividad retardan la transferencia de calor. Esto es usado para conservar
el calor del cuerpo humano al usar ropa térmica. También los sacos de dormir emplean esta característica.
Los termo paneles ( dos vidrios con espacio al vacío entre ellos) emplean esta conductividad para impedir
el traspaso de las temperaturas bajas al interior e las casas.
El aire es uno de los peores conductores térmicos y es empleado para aislar los cuerpos, es así que el aire
encerrado entre las fibras de nuestra ropa nos permite no sentir mucho el frío. (Parkas de plumas)
El agua también es un mal conductor térmico.10
B) CONVECCIÓN: es el procedimiento de transferencia de calor por el medio “del movimiento
real de la masa de un fluido” Ej: Si colocamos un papel en forma de espiral por encima de la llama de
una vela, se observa transferencia de energía térmica al moverse el papel cuando se eleva el aire caliente
calentado debido a la flama de la vela. En este caso es calor se transfiere mediante el “movimiento de
masas” en vez de ir pasando a través de las moléculas vecinas como en el caso de la conducción . El
medio material “se mueve”.
La “corriente de convección” es la base de los sistemas para calentar el agua en una tetera o para
calentar o enfriar las casas. En estos casos, una corriente de un líquido o de gas que absorbe energía de
un lugar, lo lleva a otro lugar, donde lo libera a una porción más fría del fluido. Ej. Brisa del mar desde
mar a tierra en días (durante el día ) calurosos se debe al menor calor específico que tiene la Tierra
respecto al mar. Al tener la Tierra un menor calor específico que el agua, se calienta y emite rápidamente
el calor, así la Tierra es capaz de calentar la capa de aire que se encuentra sobre ella, el cual asciende,
entonces es espacio que deja es llenado por aire frío que proviene del mar produciéndose la “ brisa
marina”. En las noches el sentido de la corriente convectiva se invierte debido a que el agua de mar se
enfría más lentamente que la superficie terrestre y por ende el aire más cálido sobre el mar asciende y el
aire más frío proveniente de la Tierra ocupa su lugar produciéndose una corriente de aire de Tierra hacia
el mar.
NOTA:
Las corrientes marinas son corrientes de convección producto de la absorción de calor del sol, como la
corriente fría de umbolt (próxima a las costas de Chile) y las corrientes cálida del Niño que provova lluvias
abundantes.

Durante los días calurosos se produce una brisa suave desde el mar hacia la tierra (playas) .Durante la
noche el sentido de esa brisa es de las playas hacia el mar. Esto es causado po la diferencia de los calores
específicos del agua salada y de la arena.
C) RADIACIÓN: proceso donde la energía térmica se transmite a través de “Ondas
electromagnéticas”
Ej: una fogata, estufa o salamandra al tener la mano cerca del fuego , la transferencia de calor es la
“radiación térmica” lo que implica una EMISIÓN O ABSORCIÓN DE ONDAS
ELECTROMAGNÉTICAS que se originan a nivel atómico. Estas ondas viajan a una velocidad de la
luz ( 3 x 10 8 m/s y no requieren de presencia de un medio material para propagarse.. El SOL es la
fuente más evidente de este tipo de transmisión de calor y así la Tierra puede recibir una enorme cantidad
de calor , la que es aprovechada por el hombre en los paneles solares. ( en las casas se aprovecha para
calentar agua y para transformar esta energía térmica en energía eléctrica para los usos domésticos al
interior de la casa). Existen por ej., la radiación infrarroja ( que se utiliza para abrir las puertas de un
edificio al detectar mediante el calor que emiten las personas, la presencia de ellas y así las puertas a
través de un mecanismo eléctrico se abren).
Una persona que se encuentra a la misma temperatura que sus alrededores “irradia” y “absorbe”
calor con la misma rapidez.
NOTA:

Gracias a la radiación electromagnética que emiten los cuerpos en el universo se pueden estudiar
astronómicamente las características de esos cuerpos ( planetas, estrellas, asteroides, etc) .

Los objetos oscuros elevan su temperatura debido a la absorción de energía electromagnética del Sol, en cambio
los
objetos blancos y brillantes absorben muy poca energía térmica del Sol. Por esta razón se recomienda
usar ropa blanca en los días calurosos y negra en días fríos.

Los termómetros infrarrojos actuales usan este tipo de transferencia de calor para medir la temperatura
corporal e los niño a través del oído.