El calor y la temperatura

Contenidos
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El calor y
la temperatura
Índice
1 Energía térmica
2 Medida de la temperatura
3 Propagación del calor
4 Equilibrio térmico
1. Energía térmica
Se denomina energía térmica a la energía cinética media de un conjunto de partículas.
De este modo, cualquier sustancia ya sea sólida, líquida o gaseosa tendrá energía
térmica, puesto que sus partículas están en continuo movimiento.
Las partículas en los estados de agregación
Las partículas que forman las sustancias se agitan con más rapidez en estado gaseoso y con menos rapidez en estado sólido; esto significa que una misma sustancia tiene más energía térmica
en estado gaseoso que en estado líquido, y más en estado líquido que en sólido.
© algaida editores, S. A.
Aumenta la temperatura
Sólido
Líquido
Gaseoso
Aumenta el movimiento de las partículas
algaida
Al aumentar la temperatura de una sustancia lo que
hacemos es producir una
mayor agitación térmica
en sus partículas, es decir,
sus partículas se mueven
con mayor rapidez.
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Unidad 2:
El calor y la temperatura
1.1. Temperatura y calor
El concepto de energía térmica te permitirá entender a su vez dos conceptos que
estamos acostumbrados a usar en la vida cotidiana, aunque con distintos matices: temperatura y calor. Estos conceptos no son sinónimos, cada término sirve para describir
un fenómeno distinto.
La temperatura es la forma que tenemos de medir la energía térmica de un cuerpo o sustancia. A mayor agitación térmica, mayor temperatura.
Por otra parte, cuando ponemos dos cuerpos en contacto y están a distinta temperatura, ambos tienden a equilibrar sus temperaturas respectivas a una temperatura común.
Es el denominado equilibrio térmico (profundizaremos en ello en el epígrafe 4). Este
equilibrio se logra gracias a que la energía térmica del cuerpo a mayor temperatura
(mayor energía térmica) se transfiere al cuerpo que tiene menor temperatura, es decir,
menor energía térmica.
El calor es la energía que se transfiere desde un cuerpo a más temperatura a un
cuerpo a menos temperatura, cuando ambos se ponen en contacto.
El calor comunicado a un cuerpo puede tener tres tipos de efectos: variación de la
temperatura (que depende del tipo de material y de la masa del cuerpo), cambio de
estado y dilatación o contracción.
Temperatura (T)
Cuando se calienta una sustancia, ese calor se invierte
en subir su temperatura o cambiarla de estado (mientras
dura el cambio de estado la temperatura es constante).
Los cambios de estado de las sustancias puras se producen siempre a la misma temperatura.
F
D
E
Cambio de
estado
A
Sólido
Cambio de
estado
Sólido y líquido
C
Líquido
Líquido y gas
Gas
Tiempo (t)
Los cuerpos no tienen calor, sino energía térmica. Cuando un cuerpo absorbe calor
aumenta su temperatura, es decir, su energía térmica. Por otra parte, el frío es tan solo
un sensación que percibimos a través de la piel, provocada por la pérdida de calor.
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B
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En el sistema internacional de unidades el calor se mide en julios (J), aunque es
muy usual la caloría:
1 J = 0,24 cal
1 cal = 4,18 J
Para usar estos datos es suficiente saber una sola de las identidades:
>>Para pasar de julios a calorías debes multiplicar por 0,24 o dividir por 4,18.
>>Para pasar de calorías a julios debes dividir por 0,24 o multiplicar por 4,18.
2. Medida de la temperatura
Para medir la temperatura se utiliza alguna propiedad de la materia que cambie cuando la energía térmica de un determinado cuerpo varía. Por ejemplo, sabemos que los
cuerpos se dilatan al subir la temperatura (por eso se incluyen juntas de dilatación en
puentes y vías de los trenes). El funcionamiento de los termómetros más comunes se
basa en la dilatación de distintas sustancias líquidas empleadas para medir los cambios
de temperatura. En concreto vamos a estudiar los termómetros de mercurio y los termómetros de alcohol. Ambos termómetros constan de un tubo de vidrio sellado, en cuyo
interior se encuentra el líquido, que puede dilatarse uniformemente con la temperatura.
Termómetros de mercurio
El mercurio, de símbolo químico Hg, es un metal que se encuentra en estado líquido
a partir de los –39 ºC. De este modo, no es muy útil a temperaturas demasiado bajas,
pero sí a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente. Aunque ha sido muy usado
en el pasado, desde 2009 está prohibida la compra y venta de estos termómetros, debido a que el mercurio es un elemento nocivo para la salud y el medio ambiente.
Termómetros de alcohol
El etanol (alcohol etílico) solidifica a –114 ºC, por tanto, los termómetros de alcohol son útiles a temperaturas muy bajas. Normalmente se introduce algún tipo de
tinte en el alcohol para facilitar la lectura. Están sustituyendo paulatinamente a los
antiguos termómetros de mercurio.
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Escalas de temperatura
Existen varias escalas para medir la temperatura. Estamos habituados a usar el grado
centígrado, pero existen otras formas. A continuación vamos a estudiar tres escalas distintas: escala Celsius, escala Fahrenheit y escala Kelvin o absoluta. Puedes pasar las temperaturas de una escala a otra usando las correspondientes expresiones matemáticas.
Escala centígrada o Celsius
En esta escala se toman dos puntos de referencia a presión atmosférica normal: el
punto de congelación del agua y el punto de evaporación del agua. Se asignan los
valores 0 para el primero de los puntos y 100 para el segundo. El espacio entre ambos
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puntos se divide en cien unidades. A cada una de estas unidades se le llama grado
Celsius (ºC). Debes entender que esta elección es arbitraria; depende de la sustancia
utilizada y de la presión a la que se encuentra. El grado Celsius (ºC) fue introducido
por Anders Celsius en 1742. Aunque no es la unidad del Sistema Internacional de
Unidades sí se considera una unidad accesoria que se usa para definir el Kelvin (K),
como verás más adelante.
Escala Fahrenheit
Atendiendo a mezclas de agua
con otras sustancias, Daniel Gabriel
Fahrenheit estableció su propia escala de temperatura en 1724, basada en los conocidos grados Fahrenheit (ºF). El 0 ºC corresponde a 32
ºF y el valor 100 ºC corresponde a
212 ºF.
Correspondencia entre grados centígrados y Fahrenheit.
Escala Kelvin
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
373
212
323
180
273
32
-271
-272
-273
2
1
0
-458
-459
-460
Celsius (ºC)
Kelvin (K)
Fahrenheit (ºF)
En esta ilustración puedes ver cómo cada escala comienza en un número diferente, dependiendo del concepto
utilizado para definirla. El único cero real desde el punto de vista físico es el 0 K, que corresponde a –273 ºC y a
–460 ºF, en las respectivas escalas.
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La escala Kelvin posee un sentido realmente físico (no arbitrario), pues tiene una
relación directa con la agitación térmica. Bajar la temperatura de un cuerpo significa
disminuir la velocidad con la que se agitan las partículas que lo constituyen. En este
punto seguramente se te ocurra una pregunta: ¿existe una temperatura por debajo de la
cual ya no se puede seguir bajando? Efectivamente, la temperatura, si continúa bajando
por debajo de 0 ºC , llegará un momento en que ya no se pueda bajar más. Esta temperatura es –273 ºC. En este punto, el denominado cero absoluto, las partículas dejan
de moverse por completo, es decir, la agitación térmica desaparece. Por ello la escala
Kelvin no es subjetiva, no depende de con qué aparato se mide, simplemente depende
de los aspectos íntimos de la materia. En esta escala, la temperatura de fusión del agua
corresponde con 273 K, y la de ebullición con 373 K.
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¿Cómo transformar de una escala a otra?
Para pasar de unas escalas a otras debes usar unas expresiones concretas.
>>De K a ºC:
TC = TK– 273
>>De ºC a K (despejando de la anterior):
>>De ºC a ºF:
TK = TC + 273
TF = 9 TC + 32
5
>>De ºF a ºC (despejando de la anterior):
TC =
5 · (TF – 32)
9
Para pasar de Kelvin a grados Fahrenheit y viceversa se usan las dos expresiones
conjuntamente.
3. Propagación del calor
Ya hemos mencionado que el calor se transfiere de cuerpos a más temperatura
hacia cuerpos a menos temperatura. Se te puede ocurrir una pregunta: ¿cómo se
produce esta transferencia de calor? El calor puede transferirse de un cuerpo a otro
mediante tres formas distintas: conducción, convección y radiación.
Conducción
Habrás observado en más de una ocasión que si se calienta un objeto de metal por
un extremo, rápidamente todo el metal adquiere una temperatura elevada. Se ha
producido una transferencia de calor desde el denominado foco térmico hacia las
distintas zonas del metal.
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La conducción es el fenómeno mediante el cual se transfiere calor de un punto a
otro de los sólidos.
Desde el punto de vista de la energía térmica, al calentar un sólido se está transmitiendo energía cinética a las partículas en contacto con el foco térmico. Estas partículas a su vez consiguen agitar térmicamente a las partículas vecinas, transfiriendo
así el calor por todo el sólido. Debes tener en cuenta que no todos los sólidos tienen
la misma capacidad para transferir el calor. Hay materiales que tardan poco en calentarse porque transmiten de forma rápida la energía térmica de un punto a otro; son
los materiales conductores del calor. Los metales son buenos conductores del calor.
Por el contrario, otros materiales se calientan despacio porque conducen mal el calor,
es decir, son sustancias que transmiten lentamente la energía térmica de un punto a
otro; son los denominados aislantes del calor. Los plásticos o la madera son buenos
aislantes.
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Conducción en los metales
En los metales la transmisión del calor por conducción es muy efectiva.
Esa es la razón por la
cual las sartenes y cacerolas tienen mangos de
materiales plásticos.
Partículas del sólido
Sentido de propagación del calor
Convección
Cuando calientas un líquido por la parte inferior, son las partículas de esa zona las
que sufren el efecto directo del foco térmico. Al aumentar su temperatura, tienden a
subir, dejando espacio a las partículas que se encuentran en la parte superior a menor
temperatura. Cuando las partículas que han bajado se calientan, suben, produciéndose de este modo la denominada corriente de convección.
La convección es el fenómeno mediante el cual se transfiere calor en los fluidos
(líquidos y gases) debido a las corrientes que se producen dentro de ellos.
Gracias al concepto de convección podemos entender la formación de las nubes, la
aparición de los vientos y las corrientes marinas.
Al calentar el líquido de un recipiente por su parte inferior, su
densidad disminuye y el líquido
sube, dejando un espacio que es
ocupado por el líquido más frío.
Puedes observar cómo los trozos
sólidos de comida describen un
movimiento circular que se denomina corriente de convección.
El Sol es capaz de calentar la Tierra y otros planetas y sin embargo entre dichos astros tan solo hay vacío. Se debe a que los cuerpos calientes pueden emitir calor hacia
el vacío sin que se necesite el contacto con otros cuerpos.
La radiación es el fenómeno mediante el cual los cuerpos calientes transfieren
calor sin la necesidad de un medio material.
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Radiación
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El calor propagado de esta forma recibe el nombre de radiación y la capacidad de
absorción de dicha radiación depende del cuerpo que las reciba.
4. Equilibrio térmico
Observa la siguiente imagen y trata de describir qué experimento se está realizando y
qué ocurre con la temperatura del agua que contiene el recipiente pasados unos minutos.
El recipiente de la derecha está a 50 ºC
y el de la izquierda se encuentra a 10 ºC.
Por tanto se producirá una transferencia
de calor desde el sistema que está a 50 ºC
hacia el sistema que está a 10 ºC. Esto significará que el primero perderá calor en
beneficio del segundo. Esta transferencia
de calor durará hasta que ambos sistemas
se encuentren a una temperatura intermedia, es decir, mayor de 10 ºC pero menor
de 50 ºC.
El equilibrio térmico es una situación
física en la cual dos sustancias o sistemas se encuentran en contacto y no se
produce transferencia calorífica entre
ellos, debido a que están a la misma
temperatura.
La temperatura exacta a la que lleguen
los dos sistemas no será la temperatura
media, puesto que dependerá tanto de las
masas que tengan ambos sistemas como de
sus calores específicos.
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El calor específico es la cantidad de calor que hay que suministrar a una unidad de masa de una sustancia o sistema para elevar su temperatura en una
unidad de temperatura. Se representa
mediante la letra C y se puede medir
mediante diversas unidades; en la tabla
J
se usan los
kg · ºC
50º C
10º C
10< T ºC <50
Sustancia
Sólidos
elementales
Calor
específico
Aluminio
900
Cobre
387
Oro
129
Hierro
448
Plomo
128
Vidrio
837
Mármol
860
Madera
1700
Alcohol (etílico)
2400
Mercurio
Agua (15 ºC)
140
4186
4.1. ¿Cómo medir la transferencia de calor entre dos sistemas?
Supongamos dos sistemas que entran en contacto térmico. El primer sistema tiene
una masa m1 y se encuentra a una temperatura T1. El segundo sistema se caracteriza por
tener una masa m2 y encontrarse a una temperatura T2 . Supongamos T1>T2 . Pasado
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un tiempo después del contacto, ambos se encontrarán a una temperatura de equilibrio
térmico Te que es la que queremos calcular.
En primer lugar debemos entender qué es lo que pasa desde el punto de vista físico.
El cuerpo a mayor temperatura cede una determinada cantidad de calor (Qc). El cuerpo
que está a menor temperatura absorbe calor (Qa). Para que ocurra el equilibrio térmico el
calor cedido y el calor absorbido deben coincidir (se introduce el signo negativo porque
hay que tener en cuenta el sentido en el que se produce la transferencia):
Qc
T1
T2
Qa
Sistema A
– Qc = Qa
Sistema B
– Qc = Qa
La cantidad de calor cedida o absorbida se calcula mediante la expresión:
Q = m · C · (Tf – Ti)
donde,
m ➝ masa del cuerpo o del sistema.
C ➝ calor específico del cuerpo o del sistema.
Ti ➝ es la temperatura inicial del cuerpo o del sistema.
Tf ➝ temperatura final del cuerpo o del sistema.
Ahora ya podemos resolver el problema. Sigue con atención los siguientes pasos.
1.Escribimos la expresión del calor cedido por el cuerpo que está inicialmente a
mayor temperatura (T1) mediante la expresión:
Qc = m1 · C1 · (Te – T1)
2. Escribimos el calor absorbido por el cuerpo que está inicialmente a menor temperatura
3. En ambos casos, consideramos la temperatura de equilibrio como temperatura final.
Igualamos ambas expresiones, utilizando un signo negativo delante del calor cedido.
Para entender mejor este proceso piensa que la temperatura de equilibrio Te será
menor que la temperatura mayor T1, por lo que (Te – T1) será negativo; por otro
lado, la temperatura de equilibrio Te será mayor que la temperatura menor T2, por
lo que (Te – T2) será positivo. Para que los signos coincidan se introduce el signo
negativo (no importa dónde):
–Qc = Qa
–m1· C1· (Te – T1) = m2 · C2 · (Te – T2)
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Qa = m2 · C2 · (Te – T2)
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4. Fíjate que todos son datos conocidos excepto lo que vamos buscando, es decir, la
temperatura de equilibrio. Debes despejarla paso a paso con cuidado de no equivocarte. El resultado será:
Te =
m1· C1· T1 + m2· C2 · T2
m1 · C1 + m2 · C2
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5. Ya puedes sustituir los datos en la fórmula.
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