UNIDAD 6: ENERGÍA TÉRMICA

4º ESO
ENERGÍA TÉRMICA
ENERGÍA TÉRMICA
1.- La energía de los cuerpos.
2.- La temperatura.
2.1.- Medida de la temperatura.
2.2.- Calibrado de un termómetro.
2.3.- Escalas de temperatura.
3.- El calor.
3.1.- Calor específico.
3.2.- Calorímetro.
4.- Cambios de estado.
5.- Dilatación térmica:
5.1.-Sólidos
5.2.- Líquidos
5.3.- Gases.
1.- LA ENERGÍA DE LOS CUERPOS.
La materia está formada por átomos, moléculas o iones que se encuentran animados de
movimiento:
 En los sólidos, las partículas ocupan posiciones fijas aunque gozan de un
movimiento de oscilación alrededor de dicha posición.
 En los líquidos, la movilidad es algo mayor, pero mucho menor que en los gases:
las partículas pueden moverse unas respecto a otras, pero sin separarse del
conjunto.
 En los gases, la movilidad de las partículas es grandísima: las partículas se mueven
libremente en todas direcciones con distintas velocidades.
El movimiento desordenado de las partículas, caracterizado por su energía cinética, es lo
que se llama movimiento térmico.
Las partículas que forman la materia tienen energía cinética, debida a su movimiento, y
energía potencial, debido a la posición de unas respecto a otras. Para un cuerpo
determinado, la suma de estas energías cinética y potencial de todas las partículas que lo
forman, es su energía interna, U.
La energía interna de un cuerpo depende de:
 La cantidad de materia: cuanta más materia posea, más partículas tendrá y, por
tanto, la suma de las energías cinética y potencial de las partículas que lo forman
podrá ser mayor.
 El tipo de sustancia: las energías potenciales de las partículas que constituyen una
sustancia determinada dependen de las posiciones relativas de estas.
 La temperatura: es una magnitud relacionada con la energía cinética media de las
partículas.
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2.- LA TEMPERATURA.
Al hablar de la temperatura, todos sabemos intuitivamente de qué estamos hablando. Por
medio del tacto notamos la temperatura al tocar un cuerpo ya que unas terminaciones
nerviosas situadas en la piel se encargan de ello.
No todas las partículas se mueven en la misma dirección y con la misma velocidad. A cada
estado concreto se le puede asignar una velocidad media. La temperatura es una
magnitud (algo que podemos medir) que se relaciona con la velocidad media con que se
mueven las partículas (por lo tanto con su energía cinética o nivel de agitación). Cuando
la energía cinética que tienen las partículas de un cuerpo es elevada, su temperatura es alta
y, por el contrario, si la velocidad es baja, la temperatura es pequeña.
La temperatura no depende del número de partículas que se mueven, sino de su velocidad
media. No depende por tanto de la masa total del cuerpo: si dividimos un cuerpo con una
temperatura "T" en dos partes desiguales las dos tienen la misma temperatura.

En los experimentos realizadas hasta ahora, no se ha conseguido detener
completamente las partículas que forman la materia y, por tanto, anular su energía
cinética. Por extrapolación de los datos obtenidos en experimentos próximos a esta
temperatura, se ha determinado el valor de dicha temperatura, llamada cero absoluto.

No hay que confundir la temperatura con el calor. Un cuerpo que está a mayor
temperatura que otro, decimos que "está más caliente" y a veces, erróneamente, se dice
"que tiene más calor". La temperatura es una magnitud que refleja el nivel térmico de
un cuerpo (su capacidad para ceder energía calorífica) y el calor es la energía que
pierde o gana en ciertos procesos (es un flujo de energía entre dos cuerpos que están a
diferentes temperaturas). Los cuerpos no tienen calor, tienen energía interna y
tienen temperatura. Reservamos el término "calor" para la energía que se transfiere
de un cuerpo a otro. Esta energía es fácil de medir, pero la energía interna que tiene el
cuerpo no.
2.1.- Medida de la temperatura.
Nuestro tacto detecta la temperatura, pero carece de la
capacidad de medirla con rigor. Si introducimos una
mano en un recipiente frío y la otra en uno caliente, y
luego las dos manos juntas en otro recipiente con agua
templada, la primera mano la encontrará caliente y la
otra fría.
Para diseñar un instrumento que mida la temperatura debemos escoger una cualidad de la
materia que sea fácilmente observable y que varíe de manera importante con la agitación
de sus partículas. La temperatura se mide con los termómetros y la cualidad elegida en los
termómetros más usuales (de mercurio) es la dilatación, pero existen otros tipos de
termómetros basados en otras cualidades.
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Se utiliza el mercurio para construir termómetros porque es un metal que es líquido entre
-20 ºC y 100 ºC y porque se dilata mucho. Encerramos el mercurio dentro de un tubo fino
(capilar) para que al dilatarse un poco avance mucho por el tubo (cuanto más fino sea el
tubo más centímetros avanza). Midiendo longitudes de la columna podemos establecer una
relación entre la dilatación y la temperatura de la sustancia a medir.
2.2.- Calibrado de un termómetro.
Celsius, eligió como cero para su escala la temperatura
del hielo en contacto con agua. Las temperaturas
inferiores, por lo tanto, serán negativas.
Para marcar ese punto en el termómetro, lo introducimos
en una mezcla de agua y hielo y esperamos hasta que se
estabilice la posición del mercurio de la columna.
Marcamos ese punto en el vidrio como punto 0.
Calentamos agua en un Erlenmeyer cerrado con un
tapón bihoradado. Por un agujero del tapón sale un tubo
y por él vapor, por el otro introducimos el termómetro.
Se inserta hasta que el bulbo quede en un punto próximo
a la superficie del agua.
La columna de mercurio sube, pero cuando el agua
empieza a hervir se para y no sube más. Marcamos el
vidrio en ese punto como punto 100. Si la presión no es
1 atm la temperatura de ebullición no será 100ºC.
Dividimos la longitud del vidrio entre 0 y 100 en 100
partes iguales. A cada división le corresponde 1ºC.
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2.3.- Escalas de temperatura.
 Escala centígrada o Celsius:
tienen como puntos fijos el
punto de fusión del agua, 0ºC, y
el punto de ebullición del agua,
100ºC, y se divide el intervalo
en cien partes iguales. Cada una
de estas partes es un grado
centígrado.
 Escala
Kelvin
o
escala
absoluta de temperaturas:
conserva el valor del grado
centígrado, pero el punto de
fusión del agua es 273 K, y el de
ebullición 373 K.
El 0 K es la que hemos llamado
anteriormente el cero absoluto.
La relación entre las dos escalas
es
T(K) = T(ºC) + 273
 Escala Fahrenheit: se utiliza en países anglosajones y tiene como punto de fusión del
hielo 32 ºF y como de ebullición del agua 212 ºF.
Su relación con la escala centígrada es: T(ºF) = 1,8 . T(ºC) + 32
A.1.- Expresa en K y en ºF la temperatura de 25ºC.
A.2.- ¿Qué temperatura es mayor -10 ºC o 263 K?
A.3.- ¿A qué temperatura, corresponden en la escala Fahrenheit, la fusión y la ebullición
del agua?
3.- EL CALOR.
El calor y la temperatura son dos conceptos físicos que crean mucha confusión. La
materia está formada por partículas, átomos o moléculas, que poseen energía. Por ejemplo,
los gases están formados de partículas que se mueven a diferentes velocidades y, por tanto,
estas partículas tienen energía cinética. En los líquidos y los sólidos, sus partículas tienen
diferentes energías cinéticas de vibración, de rotación, etc. y además existen interacciones
entre las partículas, por lo que también tienen energía potencial. La medida de todas estas
energías (energía interna) nos da idea de su temperatura. Si un cuerpo tiene más
temperatura que otro es porque sus partículas tienen más energía.
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Supongamos dos cuerpos, A e B. El cuerpo A tiene 9 partículas con energías de valor 4 u,
y el cuerpo B tiene 6 partículas con energías de valor 9 u.
¿Cuál tiene más temperatura?:
El cuerpo B, porque sus partículas tienen mayor velocidad.
¿Qué cuerpo tiene más energía?:
El cuerpo B, ya que la energía de un cuerpo es la suma de las energías de sus
partículas, por lo tanto A tiene una energía de 36 u y B una energía de 54 u.
¿Qué pasa cuando se ponen en contacto cuerpos de distintas temperaturas?:
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
Las partículas chocan e intercambien energías; las partículas de más energía ceden parte
de esa energía a las partículas de menor energía hasta alcanzar el equilibrio térmico,
quedando todas con la misma energía. La energía total, 90 u, se repartirá entre las 15
partículas correspondiéndole a cada partícula una media de 6 u de energía.
El cuerpo A que tiene una energía térmica de 36 u y ahora tiene 54 u, y el cuerpo B que
tenía una energía térmica de 54 u ahora tiene 36 u. Esta energía que pasa de los cuerpos de
más temperatura a los de menos temperatura es el calor. El calor es una energía en
transito. No se debe decir que un cuerpo tiene calor, sino que un cuerpo tiene energía. Los
cuerpos pueden ceder o absorber calor. Si un cuerpo disminuye su temperatura es porque
cede calor, y si un cuerpo aumenta su temperatura es porque absorbe calor.
Este ejemplo puede hacernos pensar que el calor pasa de los cuerpos que tiene más energía
a los que tienen menos. Pero no es ese el criterio para saber como circula a calor, siempre
pasa calor de los cuerpos que tienen más temperatura a los que tienen menos
temperatura.
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Con el siguiente ejemplo se ve que puede pasar calor de un cuerpo que tiene menos
energía, pero más temperatura, a otro que tiene más energía, pero menos temperatura.
El cuerpo B tiene menos energía que A, pero como tiene más temperatura que A, pasará
calor del cuerpo B al cuerpo A.

Como el calor es una forma de energía, podemos expresar su medida en las unidades de
la energía mecánica ya conocidas como el julio, pero también se puede medir en las
unidades llamadas caloría (cal ) y kilocaloría ( Kcal ) a las que se les da el nombre de
unidades calóricas de energía. Entre estas unidades existen las siguientes equivalencias:
1 cal = 4,18 J
1 kcal = 1000 cal
Una caloría es la cantidad de calor que debe ceder o absorber un gramo de agua para
que su temperatura aumente 1ºC (entre 14,5 ºC y 15,5 ºC).
 El calor absorbido o cedido por un cuerpo es fácil de calcular, ya que:
Depende de la masa del cuerpo. A mayor masa, de una misma sustancia a la misma
temperatura, tendremos más partículas que pueden ceder o absorber energía, y por lo tanto,
el calor intercambiado será mayor. Cuesta más aumentar 10 ºC la temperatura de 2 kg de
agua que la temperatura de 1 kg de agua.
Depende de la variación de temperatura. Si varía más la temperatura de una misma masa de
sustancia, el calor involucrado será mayor. Cuesta más aumentar 20ºC la temperatura de 1 kg
de agua que 10ºC la temperatura de la misma cantidad de de agua.
Depende de la sustancia de que se trate. Si aportamos la misma cantidad de calor a una
misma masa de diferentes sustancias, unas aumentan la temperatura más que otras. Los
metales aumentan rápidamente la temperatura mediante un foco calorífico pero, sin embargo,
el agua aumenta lentamente la temperatura con las mismas condiciones. Para determinar esta
dependencia se define el calor específico.
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3.1.- Calor específico.
Se llama calor específico de una sustancia, Ce, al calor que hay que proporcionar a la
unidad de masa (1 kg), para que su temperatura aumente 1 K. Sus unidades son J/kg.K.
El calor específico es distinto para cada sustancia; no depende de la masa, pero sí del
estado físico en que se encuentre la sustancia (sólido, líquido o gas).
Matemáticamente se define como: Ce 
Q
m . ΔT
;
al despejar se obtiene: Q = m. Ce.  T
El calor absorbido o cedido por un cuerpo puede calcularse con la siguiente ecuación:
Q = m .Ce. (T-T0)
Siendo Q es el calor cedido o absorbido, m la masa, Ce el calor específico, T la
temperatura final y To la temperatura inicial.
De la fórmula se deduce que a la misma temperatura y para masas iguales, la energía
desprendida por un cuerpo depende de la sustancia.
Calores específicos ( J/kg.K)
medidos a 1 atm y 25ºC
Agua
4180
Hielo
2100
Cobre
386
Plomo
128
Hierro
447
plomo
cobre
hierro
HIELO
A.4.- ¿Qué quiere decir que el calor específico del hierro es 450 J/kg.K?
A.5.- En un bloque de hielo se introducen tres bolas de igual masa y a la misma
temperatura de hierro, cobre y plomo. ¿Cuál de ellas fundirá más hielo?. ¿Por qué?.
A.6.- Calcula la energía necesaria para elevar la temperatura de una masa de 200 g de
plomo desde 20ºC hasta 60ºC. Dato: Ce (plomo) = 128 J/kg.K.
A.7.- Tenemos 100 g de alcohol que inicialmente se encuentran a 20ºC. Calcula su
temperatura final si le transferimos 3000 J de energía. Dato: Ce(alcohol) = 2 400 J/kg.K.
A.8.- ¿Qué masa tiene un trozo de cobre si al pasar de 90ºC a 25ºC cede al ambiente
83.000 J en forma de calor?. Dato: Ce(cobre) = 386 J/kg.K
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A.9.- Al calentar por igual la misma masa de dos
sustancias diferentes, obtenemos la gráfica de la derecha.
¿Cuál de las dos tiene mayor calor específico?.
T(ºC)
A.10.- Determina el calor específico del hierro, si al
suministrarle a 5 g del metal 60 cal, experimenta un
incremento de temperatura de 112,2 ºC.
A
B
t(min)
En los problemas de equilibrio térmico el calor cedido por un cuerpo es igual y de signo
contrario al absorbido por el otro cuerpo:
Qcedido + Qabsorbido = 0
A.11.- ¿Qué cantidad de agua caliente a 65ºC hemos de mezclar con agua fría a 15ºC, para
que al final tengamos 50 litros de agua a 45ºC?. Dato:d agua = 1 kg/dm3.
3.2.- Calorímetros.
El recipiente donde se realizan las experiencias en las que se producen
variaciones de calor se llama calorímetro.
Se trata de un recipiente que contiene el líquido en el que se va a
estudiar la variación del calor y cuyas paredes y tapa deben aislarlo al
máximo del exterior.
A.12.- Una bola de hierro de 50 g que está a 90ºC se introduce en un
calorímetro que contienen 600 g de agua a 20ºC. ¿Cuál es la
temperatura final?.
Equivalente en agua de un calorímetro:
Cuando un líquido contenido en un calorímetro recibe calor
(energía) la absorbe, pero también la absorben las paredes del
calorímetro. Lo mismo sucede cuando pierde energía. Esta
intervención del calorímetro en el proceso se representa por su
equivalente en agua: su presencia equivale a añadir al líquido que
contiene, los gramos de agua que asignamos a la influencia del
calorímetro y que llamamos "equivalente en agua". El
"equivalente en agua" viene a ser "la cantidad de agua que
absorbe o desprende el mismo calor que el calorímetro".
Si el equivalente en agua es de 38 g, significa que al usar este
calorímetro, las paredes, el termómetro y el agitador se van a calentar, y que el calor
absorbido por todo ello equivale a calentar 38 g de agua, siempre que el calorímetro se use
con el mismo termómetro y el mismo agitador.
A.13.- Resuelve el ejercicio anterior, sabiendo que el equivalente en agua del calorímetro
son 50 g de agua?.
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4.- CAMBIOS DE ESTADO.
Al transferir energía a un cuerpo mediante calor, su temperatura generalmente aumenta.
Sin embargo, hay circunstancias en las que la energía transferida no aumenta la
temperatura de los cuerpos, sino que actúa sobre las fuerzas que se ejercen entre sus
partículas, modificando su estructura interna: se produce un cambio de estado.
Hay dos tipos de cambios de estado: los cambios progresivos (fusión, vaporización y
sublimación) son los que se producen cuando la sustancia absorbe calor y, los cambios
regresivos (solidificación, licuación y sublimación regresiva) se realizan cuando la
sustancia transfiere energía (cede calor) al entorno.
Un cambio de estado se caracteriza porque:
 No cambia la naturaleza de la sustancia.
 Se produce a temperatura constante para una
determinada presión.
 El calor que se absorbe o se cede por unidad
de masa, L, es un valor constante, que se
conoce como calor latente del cambio de
estado. Por tanto, el calor que acompaña al
cambio de estado de una masa m, que se
encuentra a la temperatura del cambio de
estado, es: Q = m. L
En las sustancias puras, la temperatura a la que se
produce un cambio de estado y el valor del calor latente son propiedades características.
Los cambios de estado son los siguientes:
FUSIÓN: Es el cambio de estado que experimenta un sólido cuando pasa a
líquido. Para una presión determinada, una sustancia pura tiene una
temperatura de fusión fija. La presencia de un soluto (sustancia disuelta),
aunque sea en pequeñas cantidades, disminuye la temperatura de fusión de
una sustancia. El proceso inverso es la SOLIDIFICACIÓN.
VAPORIZACIÓN: Es el cambio de estado que experimenta un líquido
cuando pasa a gas. Puede presentarse de dos maneras:
Ebullición: si el cambio de estado se produce en toda la masa y a una
temperatura y presión determinada. Para una presión determinada, una
sustancia pura tiene una temperatura de ebullición fija. La presencia de un
soluto (sustancia disuelta), aunque sea en pequeñas cantidades, aumenta la
temperatura de ebullición de una sustancia.
Evaporización: si el cambio de estado se produce solamente en la
superficie del líquido y a cualquier temperatura.
El proceso inverso es la LICUACIÓN o CONDENSACIÓN.
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SUBLIMACIÓN: Es el cambio de estado que experimenta un sólido
cuando pasa a gas. El proceso inverso se llama SUBLIMACIÓN
REGRESIVA.
SUBLIMACIÓN REGRESIVA
SOLIDIFICACIÓN
SÓLIDO
LICUACIÓN
LÍQUIDO
FUSIÓN
GASEOSO
VAPORIZACIÓN
SUBLIMACIÓN
A.14.- Determina el calor necesario para hacer pasar 200 g de hielo de 0ºC a agua líquida
a 0ºC.
Dato: Lfusión(hielo) = 3,35.105 J/kg
A.15.- Determina el calor que hace falta suministrar a 50 g de hielo a –5ºC para
convertirlos en agua líquida a 50ºC.
Datos: Lfusión(hielo) = 3,35.105 J/kg ; Ce(agua) = 4180 J/kg.K ; Ce(hielo) = 2100 J/kg.K
5.- DILATACIÓN TÉRMICA.
5.1.- SÓLIDOS.
a) Dilatación lineal
La dilatación lineal es aquella en la cual predomina la variación en una única
dimensión, o sea, en el ancho, largo o altura del cuerpo.
Para estudiar este tipo de dilatación, imaginemos una barra metálica de longitud
inicial L0 y temperatura T0.
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- Si calentamos esa barra hasta que la misma sufra una variación de temperatura Δt,
notaremos que su longitud pasa a ser igual a L (como podemos ver en la siguiente figura):
Matemáticamente podemos decir
que la dilatación es:
ΔL = L – L0
(I)
Pero si aumentamos el calentamiento, de forma de doblar la variación de
temperatura, o sea, 2.ΔT, entonces observaremos que la dilatación será el doble (2.ΔL).
Podemos concluir que la dilatación es directamente proporcional a la variación de
temperatura.
- Imaginemos dos barras del mismo material, pero de longitudes diferentes. Cuando
calentamos estas barras, notaremos que la mayor se dilatará más que la menor. Podemos
concluir que, la dilatación es directamente proporcional al largo inicial de las barras.
- Cuando calentamos igualmente dos barras de igual longitud, pero de materiales
diferentes, notaremos que la dilatación será diferente en las barras. Podemos concluir que
la dilatación depende del material (sustancia) de la barra.
De los ítems anteriores podemos escribir que la dilatación lineal es:
ΔL = L0 .α . ΔT
siendo:
(II)
L0 = longitud inicial.
L = longitud final.
ΔL = dilatación (ΔL > 0) ó contracción (ΔL < 0)
ΔT = T – T0 (variación de la temperatura)
α = es una constante característica del material que constituye la barra,
denominada como coeficiente de dilatación térmica lineal.
Poniendo la ecuación I en la II tendremos:
L – L0 = L0 .α . ΔT ;
L = L0 + L0 .α . ΔT ;
L = L0 ( 1 + α . ΔT)
Observaciones:
Todos los coeficientes de dilatación α, β o γ, tienen de unidad: (temperatura)-1 ==> ºC-1
A.16.- Un mástil de hierro mide 18 m a 20 ºC. Determina la altura que tendrá:
a) Un día de invierno a 2 ºC. b) Un día de verano a 37 ºC.
Dato: α (hierro) = 1,2.10-5 ºC-1
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b) Dilatación superficial
Es aquella en que predomina la variación en dos dimensiones, o sea, la variación
del área del cuerpo. Para estudiar este tipo de dilatación, podemos imaginar una placa
metálica de área inicial S0 y temperatura inicial T0. Si la calentáramos hasta la temperatura
final T, su área pasará a tener un valor final igual a S.
La dilatación superficial ocurre de
forma análoga a la de la dilatación
lineal; por tanto, podemos obtener las
siguientes ecuaciones:
ΔS = S0 .β . ΔT ; S – S0 = S0 .β . ΔT ; S = S0 + S0 .β . ΔT ;
S = S0 ( 1 + β. ΔT)
siendo: S = superficie final ; S0 = superficie inicial ; ΔT = variación de la temperatura
β = 2 α = coeficiente de dilatación superficial.
A.17.- ¿Cuál será el área de una placa de aluminio a 80 ºC si a 0 ºC su superficie mide 200
cm2?. Dato:  (alumino) = 2,4.10-5 ºC-1
c) Dilatación volumétrica
Es aquella en que predomina la variación en tres dimensiones, o sea, la variación
del volumen del cuerpo. Para estudiar este tipo de dilatación, podemos imaginar un cubo
metálico de volumen inicial V0 y la temperatura inicial θ0. Si lo calentamos hasta la
temperatura final, su volumen pasará a tener un valor final igual a V.
La dilatación volumétrica ocurrió de
forma análoga a la de la dilatación
lineal; por tanto, podemos obtener las
siguientes ecuaciones:
ΔV = V0 . γ. ΔT ; V – V0 = V0 . γ. ΔT ; V = V0 + V0 . γ. ΔT ;
V = V0 ( 1 + γ. ΔT)
siendo: V = Volumen final ; V0 = Volumen inicial ; ΔT = variación de la temperatura
γ = 3α = coeficiente de dilatación cúbico.
A.18.- Un cubo de acero tiene de arista 8 cm a la temperatura de 15 ºC. Calcula cuál será
su volumen si la temperatura sube hasta los 35ºC. Dato: α (acero) = 1,1.10-5 ºC-1
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5.2.- LÍQUIDOS.
En general, los líquidos también se dilatan al calentarse y se contraen al enfriarse. Al
transferir energía mediante calor a un líquido, sus partículas aumentan su energía cinética,
chocan con mayor frecuencia unas con otras y tienden a separarse más. La dilatación de
los líquidos es mayor que la de los sólidos porque sus moléculas tienen más libertad de
movimiento.
El agua líquida presenta una dilatación anómala debido a
su estructura molecular: al aumentar la temperatura, el
agua se contrae entre 0 y 4ºC y se dilata entre 4 y 100 ºC,
es decir, la densidad aumenta de 0 a 4ºC y disminuye
entre 4 y 100ºC.
5.3.- GASES.
Los gases se dilatan más que los sólidos y que los líquidos porque sus moléculas se
mueven con total libertad por todo el recipiente. Las distintas formas de calentar un gas
son a presión constante o a volumen constante.
Si un gas se calienta dejando que se expansione a presión constante, su incremento de
volumen será el siguiente:
ΔV = V0 . γ. ΔT ; V – V0 = V0 . γ. ΔT ; V = V0 + V0 . γ. ΔT ;
Si la temperatura inicial es T0 = 0ºC, el volumen V final será: V = V0 ( 1 + γ. T)

El físico francés Gay–Lussac investigó este fenómeno y descubrió que el coeficiente
de dilatación es igual para todos los gases
Por tanto:
=
;
donde T es la temperatura absoluta del gas.
Es decir, el volumen de una masa de gas a presión constante es directamente
proporcional al valor de su temperatura en Kelvin.

Si el gas se calienta a volumen constante (dentro de un recipiente cerrado), al
aumentar la temperatura, el incremento de la energía cinética de sus moléculas
producirá un aumento de los choques de las partículas entre sí y con las paredes del
recipiente, es decir, un incremento de la presión. La presión de gas es proporcional al
valor de la temperatura en kelvin:

Si el gas se comprime a temperatura constante, disminuirá su volumen y las partículas
chocarán con mayor frecuencia entre sí y con las paredes del recipiente. Una
disminución del volumen produce un aumento de la presión, y una expansión del gas
ocasiona una disminución de la misma. Esto fue investigado por el físico inglés
Rober Boyle:
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ACTIVIDADES FINALES
1.- ¿Qué cantidad de calor se necesita para elevar la temperatura de 100 g de aluminio de
20 ºC a 50 ºC?.
J
Dato: Calor específico del aluminio 890
K.kg
2.- Calcula el calor específico de una sustancia sabiendo que al introducir 100 g de ella,
que se encuentran a 100 ºC, en 500 cm3 de agua a 18 ºC, la temperatura final de la mezcla
es de 20,5 ºC.
3.- Si el agua del calentador se encuentra a una temperatura de 70 ºC y el agua corriente a
15 ºC, ¿Qué cantidad de agua de cada clase habrá que mezclar para obtener un baño de 40
litros templado a 40 ºC?
4.- En un recipiente que contiene 5 kg de agua a 293 K se introducen 1000 g de mercurio,
cuyo calor específico es 0,14 kJ/kg.K a 70 K. Calcula la temperatura final del equilibrio,
suponiendo que el recipiente no absorbe calor.
5.- Un calentador eléctrico de 200 W se sumerge en 2 kg de agua a 20 ºC. ¿A qué
temperatura llegará el agua al cabo de 5 minutos de haberlo conectado?
6.- Calcula el calor específico de un cuerpo sabiendo que para elevar en 10 K la
temperatura de 2 kg de dicho cuerpo se necesitan 83600 J.
7.- ¿Qué cantidad de calor se necesita para transformar 300 g de hielo que se encuentran a
-10ºC en vapor de agua a 100 ºC?.
J
J
Datos: Ce(hielo) = 2100
; Ce(agua) = 4180
K.kg
K.kg
Calor latente de fusión = 33 400 J/kg ; calor latente de vaporización = 2 245 000 J/kg
8.- Dibuja la gráfica P-V para un gas que mantiene constante su temperatura.
9.- Al calentar un líquido aumenta su volumen, mientras que su masa permanece
constante. ¿Qué ocurre con su densidad?
10.- Una varilla de cobre tiene 1 m de longitud a 0ºC. Averigua a qué temperatura deberá
calentarse para que su longitud sea 1,02 m.
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AMPLIACIÓN
EQUIVALENTE MECANICO DEL CALOR
En el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la
relación entre la unidad de energía, julio, y la unidad de calor, caloría.
Mediante esta experiencia simulada, se pretende poner de manifiesto la gran cantidad de
energía que es necesario transformar en calor para elevar apreciablemente la temperatura
de un volumen pequeño de agua.
Descripción.
Un recipiente aislado térmicamente contiene una cierta cantidad de agua, con un
termómetro para medir su temperatura, un eje con unas paletas que se ponen en
movimiento por la acción de una pesa, tal como se muestra en la figura.
La versión original del experimento, consta de dos pesas iguales que cuelgan
simétricamente del eje.
La pesa, que se mueve con velocidad prácticamente constante, pierde energía potencial.
Como consecuencia, el agua agitada por las paletas se calienta debido a la fricción.
Si el bloque de masa M desciende una altura h, la energía potencial disminuye en M.g.h, y
ésta es la energía que se utiliza para calentar el agua (se desprecian otras pérdidas).
Joule encontró que la disminución de energía potencial es proporcional al incremento de
temperatura del agua. La constante de proporcionalidad (el calor específico de agua) es
igual a 4,186 J/(g. ºC). Por tanto, 4,186 J de energía mecánica aumentan la temperatura de
1g de agua en 1º C. Se define la caloría como 4,186 J sin referencia a la sustancia que se
está calentando.
1cal = 4,186 J
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ENERGÍA TÉRMICA
En la simulación de la experiencia de Joule, se desprecia el equivalente en agua del
calorímetro, del termómetro, del eje y de las paletas, la pérdida de energía por las paredes
aislantes del recipiente del calorímetro, y otras pérdidas debidas al rozamiento en las
poleas, etc.
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Sea M la masa del bloque que cuelga, y h su desplazamiento vertical
m la masa de agua del calorímetro
T0 la temperatura inicial del agua y T la temperatura final
g = 9,8 m/s2 la aceleración de la gravedad
La conversión de energía mecánica íntegramente en calor se expresa mediante la siguiente
ecuación.
M.g.h = m.Ce.(T-T0)
Se despeja el calor específico del agua que estará expresado en J/(kg ºC).
Ce =
M.g.h
m.(T T0 )
Como el calor especifico del agua es por definición Ce = 1 cal/(g ºC), obtenemos la
equivalencia entre las unidades de calor y de trabajo o energía.
TERMÓMETRO DE MÁXIMA Y MÍNIMA
Para medir la temperatura máxima y mínima en un periodo de tiempo (se suelen tomar 24
horas) se utilizan los termómetros de máxima-mínima.
En la foto vemos que tiene dos escalas (dos columnas de
mercurio), una de máxima y otra de mínima. Las escalas están
invertidas, la de máximas aumenta de abajo arriba y la de
mínimas al revés, pero en las dos escalas las temperaturas bajo
cero están señaladas por números de color rojo.
Cada escala tiene una barrita azul (es un cursor deslizante) que
se mueve empujado por la columna de mercurio y “recuerda"
hasta donde llegó el mercurio. Su parte inferior muestra las
temperaturas mínima y máxima.
Fíjate que en el tubo de la izquierda, la parte baja del cursor está
frente a los 6 ºC. Hasta ahí lo llevó el mercurio cuando marcó la
temperatura mínima del día (cuando baja la temperatura el
mercurio sube por la columna de la izquierda hacia los valores
rojos y baja, en la de la columna de la derecha, también hacia
valores rojos-bajo cero-).
En la parte de máximas la columna de mercurio llevó el cursor azul hasta los 25 ºC (la
máxima alcanzada en el día).
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4º ESO
ENERGÍA TÉRMICA
La temperatura del aire que rodeaba el termómetro en el
momento de la foto era de 21 ºC y puede verse que la señalaba
los extremos de las dos columnas de mercurio.
Las lecturas son:
T máx = 25ºC ; T mín = 6ºC ; T actual = 21ºC
Pulsando en el botón central del termómetro los cursores azules
se desplazan hasta situarse en contacto con la columna de
mercurio.
En la foto se ve la acción de pulsar para arrastrarlos desde sus
posiciones "recuerdo" hasta las posiciones de contacto con el
mercurio. La parte baja de los cursores marcan los dos ahora la
temperatura actual 21ºC (momento de la foto).
SENSACIÓN TÉRMICA
A veces es más importante la sensación que los seres humanos
tenemos de la temperatura (sensación térmica) que la
temperatura real que mide el termómetro. El viento y la humedad del aire hacen que aún
teniendo dos días diferentes una misma temperatura, uno nos parezca más caluroso o frío
que el otro. El concepto de sensación térmica trata de aproximar el valor que marcan los
termómetros a las sensaciones que tenemos del calor y del frío. Este concepto explica
porqué, aunque la temperatura del aire que nos rodea sea la misma, unos días sentimos
más calor (o más frío) que otros.
El frío que notamos y que nos obliga a decir ¡tengo frío! está relacionado con la
temperatura del aire, pero también con otros factores, como pueden ser la velocidad del
viento, la humedad, etc.. Estos factores afectan a la pérdida de energía a través de nuestra
piel.
Nuestro organismo es mucho más sensible al frío que al calor pues mientras existen debajo
de la piel 250.000 puntos sensibles al frío sólo existen sólo 30.000 puntos sensibles al
calor.
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4º ESO
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Si estás dentro de una habitación en la que el aire está a 12 ºC sentirás distinta sensación si
las paredes son de madera, que si son de piedra. La radiación que intercambias con un tipo
de pared o con otro hace que tu sensación de frío varíe y tu perdida de energía sea
diferente.
Si el termómetro marca 20ºC con el viento en calma, notamos más calor que otro que
también marca 20ºC pero sopla brisa. Un día caluroso (25ºC ) con gran humedad (80%),
nos parece mucho más caluroso (27 ºC).
La sensación térmica también se mide en grados centígrados, que corresponden a la
temperatura "real" en la que notaríamos esa sensación térmica, cuando no existen
esas condiciones atmosféricas desfavorables (viento o humedad). Normalmente se da el
valor de la sensación térmica para la temperatura extrema del día.
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