INTRODUCCIÖN

INTRODUCCIÖN
El calor desempeña papel sumamente importante en nuestra vida cotidiana; es algo que todos notamos desde
los primeros días en que nacemos sabemos distinguir las cosas frías de las calientes. Los sistemas de
calefacción nos mantienen cómodamente en el ambiente del hogar en el invierno; en el verano, preferimos
mantener mas baja la temperatura mediante el aire acondicionado; maquinas térmicas suministran energía
para automóviles camiones, locomotoras, aviones, cohetes, etc.; algunas accionan dinamos que producen
electricidad y hacen funcionar a televisores, aparatos domésticos, sistemas telefónicos, etc. Debemos la vida
misma al calor. Pero el calor es algo mas que una sensación. En cierto sentido, nuestro cuerpo es una maquina
térmica, donde el alimento que comemos es el combustible que nos provee de energía para nuestras diversas
actividades y que nos mantiene a una determinada temperatura, a la cual el cuerpo únicamente trabaja; si sube
o baja demasiado, se llega a la muerte.
El sol es la fuente de la mayor parte de calor que conocemos y es la fuente térmica que mantiene la vida en
este planeta. Asimismo el Sol es fuente del calor almacenado en combustibles como el petróleo y el carbón;
esta energía se libera cuando los quemamos.
El calor ha desconcertado siempre a los pensadores. ¿Qué es? ¿Cómo actúa?. La explicación más común,
hasta principios del siglo XIX, era que se trataba de un fluido invisible y sin peso que entraba y salía de las
cosas. Cuanto más caliente estaba el cuerpo, mas fluido o <<calórico>> tenían que otro de temperatura más
baja. Esta teoría sostenía que cuando un cuerpo calentaba a otro, era porque desde él más caliente se transfería
calórico al otro cuerpo al ponerse en contacto, con lo cual aumentaba la temperatura del cuerpo mas frío y
disminuía la del mas caliente. Aunque la teoría del calórico explicaba algunos fenómenos de la transferencia
de calor, correspondió a Benjamin Thompson, contribuir significativamente a lo que actualmente se acepta
como teoría correcta acerca de la naturaleza del calor. Las pruebas experimentales presentadas por el físico
británico Benjamin Thompson en 1798 y por el químico británico Humphry Davy en 1799 sugerían que el
calor, igual que el trabajo, corresponde a energía en tránsito (proceso de intercambio de energía). Entre 1840 y
1849, el físico británico James Prescott Joule, en una serie de experimentos muy precisos, demostró de forma
concluyente que el calor es una transferencia de energía, es decir, que una cantidad dada de energía mecánica
produce la misma cantidad de calor, y que puede causar los mismos cambios en un cuerpo que el trabajo. Esto
dio origen a un nuevo concepto del calor como forma de energía y al desarrollo de la teoría
cinético−molecular.
JUSTIFICACIÓN
Este tema es de suma importancia porque dependemos totalmente de este fenómeno y de su precisión; sin el
calor no podría existir la vida tanto animal como vegetal. Este es uno de los tantos fenómenos que tiene un
equilibrio tanto en el interior de los cuerpos como con el exterior o el medio ambiente; este equilibrio de
temperaturas no se puede perder y es por lo que los animales que viven en zonas muy frías tiene una piel muy
gruesa y nosotros nos cubrimos con ropa abrigada en invierno para mantener esa temperatura.
Además es un tema muy interesante porque existen distintas formas para percibir el traslado de esa
temperatura de un cuerpo a otro, estos traslados se hacen de manera invisible y solamente los podemos notar
mediante el contacto con dichos cuerpos, es decir, la sensación.
Y como sabemos que el calor nunca va a dejar de ser objeto de estudio, ya que es indispensable para nuestra
vida, necesitamos conocer un poco acerca de las distintas formas en la que se manifiesta este fenómeno para
comprender mejor los cambios biológicos y físicos que existen en este planeta.
CAPÍTULO I
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Calor significa, en física, transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos,
en virtud de una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de
mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce
la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energía no fluye desde un
objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo.
Teoría molecular
En la actualidad se sabe que la estructura elemental de los compuestos esta constituida por moléculas, siempre
en movimiento, en rápida vibración de uno a otro lado y de arriba a abajo. Según esta teoría el calor de un
cuerpo está directamente relacionado con la energía cinética o de movimiento de las moléculas que lo
componen; cuanto mayor es la energía cinética más caliente está el cuerpo; cuanto más caliente está una cosa,
más rápidamente se mueven sus partículas. Como las moléculas siempre se hayan en movimiento, todo lo
existente contiene algún calor. Incluso lo que parece frío encierra cierta medida de temperatura pues sus
moléculas se mueven.
Temperatura.
La sensación de calor o frío al tocar una sustancia depende de su temperatura, de la capacidad de la sustancia
para conducir el calor y de otros factores. Aunque, si se procede con cuidado, es posible comparar las
temperaturas relativas de dos sustancias mediante el tacto. Cuando se aporta calor a una sustancia, no sólo se
eleva su temperatura, con lo que proporciona una mayor sensación de calor, sino que se producen alteraciones
en varias propiedades físicas que pueden medirse con precisión. Al variar la temperatura, las sustancias se
dilatan o se contraen, su resistencia eléctrica cambia, y en el caso de un gas, su presión varía. La variación de
alguna de estas propiedades suele servir como base para una escala numérica precisa de temperaturas. La
temperatura depende de la energía cinética media (o promedio) de las moléculas de una sustancia.
A medida que los sólidos, líquidos o gases se calientan, por lo general se expanden. Cuando se enfrían, por lo
común se contraen. Estos efectos brindan una manera efectiva para medir la temperatura, esto es, el Grado de
calentamiento o Intensidad del calor de un cuerpo. Los instrumentos diseñados para medir la temperatura se
denominan termómetros; el más corriente consiste en un tubo de vidrio que lleva en la parte inferior una
cubeta de líquido, normalmente mercurio o alcohol coloreado. Al calentarse, el líquido se dilata y sube por el
tubo; si se enfría se contrae y desciende. Su nivel indica la temperatura. El alemán Gabriel Fahrenheit,
construyó el primer termómetro confiable en 1714.
Escalas termométricas.
Al determinar cualquier escala termométrica se seleccionan los llamados puntos fijos, que son los de
congelación y ebullición del agua a la presión atmosférica normal. En la actualidad se emplean diferentes
escalas de temperatura; entre ellas están la escala Celsius también conocida como escala centígrada, la escala
Fahrenheit, la escala Kelvin, la escala Rankine o la escala termodinámica internacional. En la escala Celsius,
el punto de congelación del agua equivale a 0 °C, y su punto de ebullición a 100 °C. Esta escala se utiliza en
todo el mundo, en particular en el trabajo científico. La escala Fahrenheit se emplea en los países anglosajones
para medidas no científicas y en ella el punto de congelación del agua se define como 32 °F y su punto de
ebullición como 212 °F. En la escala Kelvin, la escala termodinámica de temperaturas más empleada, el cero
se define como el cero absoluto de temperatura, es decir, −273,15 °C. La magnitud de su unidad, llamada
kelvin y simbolizada por K, se define como igual a un grado Celsius. Otra escala que emplea el cero absoluto
como punto más bajo es la escala Rankine, en la que cada grado de temperatura equivale a un grado en la
escala Fahrenheit. En la escala Rankine, el punto de congelación del agua equivale a 492 °R, y su punto de
ebullición a 672 °R.
En 1933, científicos de treinta y una naciones adoptaron una nueva escala internacional de temperaturas, con
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puntos fijos de temperatura adicionales basados en la escala Kelvin y en principios termodinámicos. La escala
internacional emplea como patrón un termómetro de resistencia de platino (cable de platino) para
temperaturas entre −190 °C y 660 °C. Desde los 660 °C hasta el punto de fusión del oro (1.063 °C) se emplea
un termopar patrón: los termopares son dispositivos que miden la temperatura a partir de la tensión producida
entre dos alambres de metales diferentes. Más allá del punto de fusión del oro las temperaturas se miden
mediante el llamado pirómetro óptico, que se basa en la intensidad de la luz de una frecuencia determinada
que emite un cuerpo caliente.
En 1954, un acuerdo internacional adoptó el punto triple del agua, es decir, el punto en que las tres fases del
agua (vapor, líquido y sólido) están en equilibrio, como referencia para la temperatura de 273,16 K. El punto
triple puede determinarse con mayor precisión que el punto de congelación, por lo que supone un punto fijo
más satisfactorio para la escala termodinámica. En criogenia, o investigación de bajas temperaturas, se han
obtenido temperaturas de tan sólo 0,00001 K mediante la desmagnetización de sustancias paramagnéticas. En
las explosiones nucleares se han alcanzado momentáneamente temperaturas evaluadas en más de 100 millones
de kelvin.
Existen diferentes clases de termómetros. Uno ampliamente conocido, el termómetro clínico, que se utiliza
para determinar la temperatura corporal. La normal del cuerpo se sabe ahora que es de unos 37°C, para la
mayoría de las personas. El otro tipo de termómetro es el termómetro diferencial, que se emplea para una
medición de temperatura muy precisa.
Medición de la cantidad de calor.
La calorimetría es la parte de la física que estudia la medida del calor. El conocer únicamente la temperatura
de un cuerpo no nos precisa totalmente el calor de que dispone. Cuanto mayor sea su masa más calor
precisaremos cederle para que aumente un intervalo su temperatura.
No todos los cuerpos responden de igual manera al estímulo del calor y es por lo que existe una propiedad
característica llamada coeficiente de dilatación lineal, como la cantidad de calor que es necesario suministrarle
a un gramo de masa para que aumente la temperatura 1°C.
Para medir la cantidad de calor empleamos la unidad denominada caloría que representa la cantidad de calor
necesario para elevar la temperatura de 1 gramo de agua a 1 atmósfera de presión desde 15 hasta 16 °C. Esta
unidad se denomina a veces caloría pequeña o caloría gramo para distinguirla de la caloría grande, o
kilocaloría, que equivale a 1.000 calorías y se emplea en nutrición.
Calor latente
El cambio de temperatura de una sustancia conlleva una serie de cambios físicos. Casi todas las sustancias
aumentan de volumen al calentarse y se contraen al enfriarse. El comportamiento del agua entre 0 y 4 °C
constituye una importante excepción a esta regla. Se denomina fase de una sustancia a su estado, que puede
ser sólido, líquido o gaseoso. Los cambios de fase en sustancias puras tienen lugar a temperaturas y presiones
definidas. El paso de sólido a gas se denomina sublimación, de sólido a líquido fusión, y de líquido a vapor
vaporización. Si la presión es constante, estos procesos tienen lugar a una temperatura constante. La cantidad
de calor necesaria para producir un cambio de fase se llama calor latente; existen calores latentes de
sublimación, fusión y vaporización. Si se hierve agua en un recipiente abierto a la presión de 1 atmósfera, la
temperatura no aumenta por encima de los 100 °C por mucho calor que se suministre. El calor que se absorbe
sin cambiar la temperatura del agua es el calor latente; no se pierde, sino que se emplea en transformar el agua
en vapor y se almacena como energía en el vapor. Cuando el vapor se condensa para formar agua, esta energía
vuelve a liberarse. Del mismo modo, si se calienta una mezcla de hielo y agua, su temperatura no cambia
hasta que se funde todo el hielo. El calor latente absorbido se emplea para vencer las fuerzas que mantienen
unidas las partículas de hielo, y se almacena como energía en el agua. Para fundir 1 kg de hielo se necesitan
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19.000 julios, y para convertir 1 kg de agua en vapor a 100 °C, hacen falta 129.000 julios.
Calor específico
No todos los materiales absorben calor en la misma proporción cuando se les somete a cambios iguales de
temperatura. Para ello se utiliza la unidad denominada calor específico que se refiere a la cantidad de calor
necesaria para aumentar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia. Si el
calentamiento se produce manteniendo constante el volumen de la sustancia o su presión, se habla de calor
específico a volumen constante o a presión constante. En todas las sustancias, el primero siempre es menor o
igual que el segundo. El calor específico del agua a 15 °C es de 4.185,5 julios por kilogramo y grado Celsius.
En el caso del agua y de otras sustancias prácticamente incompresibles, no es necesario distinguir entre los
calores específicos a volumen constante y presión constante ya que son aproximadamente iguales.
Generalmente, los dos calores específicos de una sustancia dependen de la temperatura.
Dilatación y contracción
Los cambios de temperatura pueden afectar el tamaño de los objetos. Normalmente, cuando aumenta su
temperatura y se calientan se dilatan o expanden; y cuando se enfrían o desciende su temperatura se contraen
y desciende su tamaño. En este principio se basa el termómetro.
La expansión de un sólido puede expresarse según una, dos o sus tres dimensiones. Así, hablamos de
expansión de sólidos lineal, superficial y en volumen. Al conocer la expansión lineal podemos hallar
fácilmente las expansiones superficial y en volumen. Esta expansión lineal se mide de acuerdo con el
coeficiente de expansión lineal: la variación de longitud de una unidad de longitud de material por cada
unidad de cambio de temperatura. Es importante observar que la cantidad de expansión depende tanto de la
longitud como del cambio de temperatura. Puesto que metales diferentes tienen coeficientes de expansión
distintos, un metal se expandirá más que otro cuando se le someta al mismo grado de calor.
Transmisión de calor.
Se define como el proceso por el cual se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre
diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante
convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede
ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos.
Conducción
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una
varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por
conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos,
pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando
existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también
tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemático francés Barón Joseph Fourier dio una
expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley
afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es
proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).
El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como el oro, la
plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales
como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy
mal el calor, y se conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario conocer la velocidad de conducción
del calor a través de un sólido en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Para averiguarlo se
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requieren técnicas matemáticas muy complejas, sobre todo si el proceso varía con el tiempo; en este caso, se
habla de conducción térmica transitoria.
Convección
Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un
movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado
convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su
densida suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y
menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento,
debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La
convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su
movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.
Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al
fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su
densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el
fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse por
conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede
al aire situado por encima, lo que produce un movimiento de circulación.
Radiación
La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que
intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación
es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas
electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la
única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. En 1905, Albert
Einstein sugirió que la radiación presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto fotoeléctrico, la
radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. La naturaleza
cuántica de la energía radiante se había postulado antes de la aparición del artículo de Einstein, y en 1900 el
físico alemán Max Planck empleó la teoría cuántica y el formalismo matemático de la mecánica estadística
para derivar una ley fundamental de la radiación. La expresión matemática de esta ley, llamada distribución de
Planck, relaciona la intensidad de la energía radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda
determinada con la temperatura del cuerpo. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe un máximo
de energía radiante. Sólo un cuerpo ideal cuerpo negro emite radiación ajustándose exactamente a la ley de
Planck. Los cuerpos reales emiten con una intensidad algo menor.
La contribución de todas las longitudes de onda a la energía radiante emitida se denomina poder emisor del
cuerpo, y corresponde a la cantidad de energía emitida por unidad de superficie del cuerpo y por unidad de
tiempo. Como puede demostrarse a partir de la ley de Planck: todas las sustancias emiten energía radiante sólo
por tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de
energía emitida. Además de emitir radiación, todas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque
un cubito de hielo emite energía radiante de forma continua, se funde si se ilumina con una lámpara
incandescente porque absorbe una cantidad de calor mayor de la que emite.
Las superficies opacas pueden absorber la radiación, generalmente, las superficies mates y rugosas absorben
más calor que las superficies brillantes y pulidas, y las superficies brillantes reflejan más energía radiante que
las superficies mates. Además, las sustancias que absorben mucha radiación también son buenos emisores; las
que reflejan mucha radiación y absorben poco son malos emisores. Por eso, los utensilios de cocina suelen
tener fondos mates para una buena absorción y paredes pulidas para una emisión mínima, con lo que
maximizan la transferencia total de calor al contenido de la cazuela.
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Algunas sustancias, entre ellas muchos gases y el vidrio, son capaces de transmitir grandes cantidades de
radiación. Se observa experimentalmente que las propiedades de absorción, reflexión y transmisión de una
sustancia dependen de la longitud de onda de la radiación incidente. Este tipo de radiación es la responsable
de transmisión de calor en el efecto invernadero.
Además de los procesos de transmisión de calor que aumentan o disminuyen las temperaturas de los cuerpos
afectados, la transmisión de calor también puede producir cambios de fase, como la fusión del hielo o la
ebullición del agua
Colegio Indoamericano S.C.
Alejandro Fuente Maraver
FÍSICA
Trabajo de investigación
CALOR
9 − Mayo − 2000
CAPÍTULO III
*Bibliografía*
Enciclopedia de las Ciencias. Ciencia físicas II.
Tomo 5. Ed. Grolier
Enciclopedia Encarta 1999. Microsoft.
Enciclopedia Juvenil. Ciencias. Tomo 5.
Ed Grolier
CAPÍTULO II
Conclusiones
Ahora que conocemos un poco mas acerca del tema de calor , podemos hacer una breve y sencilla definición e
lo que es calor:
=El calor es en realidad energía cinética o en movimiento de moléculas que vibran que se transmite de un
cuerpo a otro.
Con esta definición se nos da a notar que el calor y su transmisión se encuentra por todas partes, ya que en
todos los lugares de la Tierra existe la energía y en todas partes se necesita el equilibrio de calor para que se
puedan llevar a cabo los ciclos de la vid y los fenómenos meteorológicos, químicos, físicos y biológicos.
Con este trabajo de investigación llegamos a comprender él ¿por qué? de muchas cosas, como por ejemplo:
¿Por qué cuando tenemos frío nos tapamos con ropa abrigada y cuando tenemos calor no queremos estar en
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puros boxers o calzoncillos?
Ó ¿Por qué cuando queremos enfriar un café metemos la cuchara fría con la que lo meneamos?
Ó ¿Por qué en las vías del tren existe un espacio entre cada riel?
Todas estas preguntas tienen la misma respuesta: por el calor.
El calor es el responsable de dilatar los cuerpos y contraerlos, el de mantener un equilibrio térmico en nuestra
atmósfera y nuestro cuerpo, el de que exista fotosíntesis, ciclo del agua, tormentas, etc..
Simplemente sin el calor no dejaría de existir solamente la Tierra y la vida que hay en ella; si no que
desaparecería el completo universo, porque de calor fue de lo que se formo y por calor es por lo que sé esta
moviendo.
Espero que hayan entendido la importancia del calor y de su transmisión para buscar el equilibrio de
temperatura, y que por lo menos les haya servido este trabajo para que comprendan un poco mas como es el
funcionamiento de su cuerpo, de su planeta, de su Sistema Solar y de su Universo.
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