Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ Trabajo prácTico De Física “Calor y temperatura” profesor: juan carlos serruya alumnos: gonzalez gisela, camaño cecilia campos melisa, tasso andrea div.: 2do. “b” – cens 452 Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya I Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ Índice Contenido Página Calor I Calor recibido y Calor entregado II Calor de Fusión y de Vaporización IV Temperatura V Diferencia entre calor y temperatura VI Relación entre el calor y la temperatura VII Nociones de temperatura VIII Temperatura final de una mezcla IX Medida de la temperatura, Escalas termométricas XI Escala Celsius, Fahrenheit, Kelvin XII Conversión de valores de temperatura XIII Dilatación y termometría, Otras propiedades térmicas XIV Aplicación de las escalas termométricas, Cantidades de calor, Ecuación calorimétrica XV Unidades de calor, Calor especifico y capacidad calorífica XVI Medida del calor XVII Calor y trabajo, relación entre calor y trabajo XVIII Maquinas térmicas XIX Aplicación de la relación calor/trabajo, Energía, trabajo y calor XX Unidades de calor XXI Capacidad calorífica XXII Calor especifico, Calor especifico del agua XXIII Calorímetro XXIV Métodos modernos en la medida de calores específicos XXVI Calor especifico de sólidos y gases XXVII Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya II Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ Foco calorífico, Radiación térmica Desarrollo de termómetros y escalas de temperatura XXVIII XXX Calibrado de termómetros. Escala Celsius de temperatura XXXII Transferencia de calor, Conducción XXXIV Convección XXXV Radiación XXXVI Efecto invernadero XXXVII La historia del calor XXXVIII Cero absoluto XXXIX Fenómenos cerca del cero absoluto XL Calor y temperatura, Radiación y temperatura XLI Variaciones de temperatura XLII La temperatura en los gases XLIII Sensación térmica XLIV Temperatura seca, Temp. radiante, Temp. húmeda, Medición de la Temperatura del aire XLV Tipos de termómetros XLVI ¿Cómo se produce el calor? XLVII Extremos de la tierra: el lugar más caliente y el mas frio XLVIII Dilatación XLIX Calentamiento global: causas y consecuencias L Conservación del calor en el océano LI Advección de calor LII Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya III Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya IV Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya V Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ CALOR Y TEMPERATURA CALOR El calor puede ser definido como la energía resultante de diferentes tipos de combustiones. En el caso del calor que recibe la Tierra del Sol, debemos entonces hablar del calor o energía que hace posible la vida al generar las condiciones ambientales propicias para la misma. Por otro lado, el calor también es entendido como la sensación relacionada con la temperatura, sensación que se da principalmente en las temporadas de verano y que puede ser descripta en el lenguaje coloquial como una sensación sofocante. Como energía, el calor puede ser producido por diferentes métodos. Entre las más comunes encontramos a las reacciones químicas y a las nucleares, siendo las segundas las que toman lugar en el Sol. Otros modos de generar calor es a través de la fricción (método a partir del cual el ser humano descubrió el fuego) o de la disipación de ondas electromagnéticas. Una vez generado, el calor puede ser transferido a los objetos o espacios a través de métodos como la convección, la radiación y la conducción. Obviamente, la presencia de calor sobre una superficie tiene por consecuencia la elevación de su temperatura y la consiguiente adquisición de calor interno. De acuerdo a las leyes de la termodinámica, el calor de un objeto o superficie se mantiene si el sistema de calor del susodicho elemento es cerrado, como sucede por ejemplo con el Sol. El calor es, además, la energía que se transfiere de un cuerpo a otro al salir de ese sistema cerrado hasta llegar a uno nuevo. Cuando se habla de calor como la temperatura estacional típica del verano, se está haciendo referencia al fenómeno ambiental que hace que los espacios estén naturalmente cálidos sin necesidad de calefacción artificial. A lo largo de las últimas décadas, la temperatura del Planeta Tierra ha mostrado importantes variaciones, sobre todo por el aumento del calor y de las temperaturas de su superficie y de su atmósfera, creándose el ya conocido fenómeno del efecto invernadero. Si le damos un martillazo con toda la fuerza a una moneda. Queda caliente. ¿Por qué? Rta: Porque la energía cinética que tenía el martillo se transformó en calor. El calor es una forma de energía. Esa es la idea. Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya VI Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ Si colocamos una olla en el fuego. El agua se calienta. Desde el punto de vista de la física lo que estás haciendo es entregarle energía. Más se sube la temperatura, más energía se le entrega. Acá en calor ellos definen la energía calórica así : 1 Kilocaloría (1 Kcal): Es la energía que hay que entregarle a 1 Kg de agua para que aumente su temperatura en 1 ºC. De la misma manera, definen la caloría (cal) como una unidad 1000 veces menor. Es decir, 1 cal sería la energía que hay que entregarle a 1 gramo de agua para que aumente su temperatura en 1 º C. La equivalencia es: 1 Kcal = 1000 cal. En la vida diaria esto se usa muchas veces al revés. Cuando en un paquete de galletitas dice: “valor energético 400 calorías cada 100 g de producto”, generalmente esas 400 calorías son 400 Kilocalorías. Entre nosotros esto significa que 100 g de galletitas tienen una energía tal que podrían elevar la temperatura de 400 litros de agua en 1 ºC o la de 4 litros de agua de 0 a 100 ºC. En energía mecánica no se habla de calorías sino de Joules. Calorías y joules representan energía pero medida en diferentes unidades. La equivalencia es esta: 1 Kcal = 4186 Joules CALOR RECIBIDO Y CALOR ENTREGADO Si se tiene un pedazo de fierro a 20 ºC. Si se lo calienta y ahora está a 80ºC. Pregunta: ¿Cómo se sabe qué cantidad de calor se le entregó? Rta: La fórmula que se usa para calcular esto es: En esta fórmula Q es el calor que recibió o que entregó el cuerpo. Puede ir en cal o en Kcal. (Según en qué unidades se haya puesto el calor específico c ). Si Q da (+) el cuerpo recibió calor (se calentó). Si Q da (-) el cuerpo entregó calor. (Se enfrió). Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya VII Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ m es la masa del cuerpo. Va en kg o en g. Tf y Ti son las temperatura final e inicial que tiene el cuerpo. Van en ºC. ¿Qué es c? c es lo que se llama CALOR ESPECIFICO DEL CUERPO. Sus unidades son: calorías [c]= Kcal . o g . ºC Kg . ºC El calor específico es una cantidad que expresa cuantas kilocalorías hay que entregarle a un Kg de una sustancia para lograr que su temperatura aumente en 1 ºC. Cada sustancia tiene su propio calor específico. Por ejemplo, el calor específico del agua vale 1. El del hierro vale 0,1. Eso quiere decir que es 10 veces más difícil calentar agua que hierro. (Hay que entregar 10 veces más energía). Aclaración: “Cuando se dice ¨calentado¨ quiere decir ¨calentado o enfriado¨. Si se deja una olla con agua hirviendo, va tardar más en enfriarse que un pedazo de hierro”. Entre paréntesis, esto es lo que pasa con el agua del mar. Se calienta durante el día y a la noche sigue caliente. Eso no pasa ni con las piedras ni con la arena de la playa. Están muy calientes durante el día pero apenas se va el sol, se enfrían enseguida. Esto pasa por que el c de las piedras y de la arena es chico. Resumiendo: El calor específico de un cuerpo es una especie de inercia térmica. Es una magnitud que da una idea de la resistencia que opone un cuerpo a ser calentado o enfriado. (a cambiar su temperatura ). Por último... ¡cuidado al usar la ecuación Q = c.m (Tf -Ti ) ! Sólo se puede hacer si la sustancia NO cambia de estado. Es decir, mientras sea sólida, líquida o gaseosa, pero NO mientras cambia de sólido a líquido, de líquido a vapor, etc. Por ejemplo: Calcular que cantidad de calor hay que entregarle a una masa de 3 kg de agua para calentarla de 20 a 100 ºC. Idem para 3 Kg de hierro. Planteo del calor entregado a cada cuerpo. Para el agua: Q = c.m (Tf -Ti ) Q QH2O = 1 H2O = 240 kcal Para el hierro: Q = c.m (Tf -Ti ) Q Kcal . 3 Kg . ( 100ºC –20ºC ) Kg . ºC Qfe = 0,1 Kcal Kg . ºC . 3 Kg . ( 100ºC –20ºC ) = 24 kcal Fe Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya VIII Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ la cantidad de calor que hay que entregarle al agua es 10 veces mayor. Esto pasa porque el c del agua es 10 veces mayor que el c del fe. CALOR DE FUSION Y DE VAPORIZACION Si se tiene hielo. Para derretirlo debemos entregarle calor. La cantidad de calor que hay que entregarle a una sustancia para derretirla (fundirla) se llama calor latente de fusión. Para el hielo vale 80 Kcal / Kg (u 80 cal / g). Lo mismo si se necesita evaporar agua. El calor latente de de vaporización para el agua es Lv = 540 cal / g (o kcal / kg). Estos valores de Lv y Lf significan lo siguiente: Para derretir 1 kg de hielo hay que entregar 80 kcalorias. (O lo que es lo mismo, para congelar 1 kg de agua hay que quitarle 80 kcal). Para evaporar un kg de agua hay que entregarle 540 kcal. (y para condensar 1 kg de vapor hay que quitarle 540 kcal). La fórmula que se usa para calcular la cantidad de calor que hay que entregarle a una cierta masa para que se derrita, se congele, se evapore o se condense es: ¡Atención! Esta fórmula vale sólo si el cuerpo cambia de estado. (Es decir, si pasa de sólido a líquido, de líquido a vapor, etc.). También hay que tener en cuenta que mientras una sustancia cambia de estado, la temperatura se mantiene constante. No aumenta ni disminuye. Ejemplo: Calcular la cantidad de calor que hay que entregarle a un cubito de hielo de 50 g que está a - 30 ºC para derretirlo y obtener agua a 0 ºC. Veamos: Primero debemos llevarlo de –30 ºC a 0 ºC. La cantidad de calor a entregar es: Q = c.m (Tf -Ti) = 0,5 cal g . ºC 50 g . [ 0 ºC – ( -30ºC ) ] cal Q = 25 ºC . 30 ºC Q = 750 cal Para derretir el hielo se necesitará: Q = m. L = 80 cal / g . 50 g Q = 4000 cal Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya IX Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ Entonces la cantidad de calor total que se necesitará es 750 cal + 4000 cal. Qtot = 4750 cal TEMPERATURA La temperatura es aquella propiedad física o magnitud que nos permite conocer las temperaturas, es decir, nos da una acabada idea de cuanto frío o calor presenta el cuerpo de una persona, un objeto o una región determinada. Entonces, si le medimos la temperatura a un objeto caliente este tendrá una temperatura mayor. La temperatura está íntimamente relacionada con la energía interna del sistema termodinámico de un cuerpo, en tanto, esta energía, a su vez, está relacionada con el movimiento de las partículas que integran ese sistema, de lo que se desprende que a mayor temperatura de ese sistema sensible, la temperatura de ese cuerpo u objeto será mayor. La única y más precisa forma de medir la temperatura es a través de un termómetro, el o los cuales pueden estar calibrados según diversas escalas de medición de la misma. La unidad de temperatura en el sistema internacional de unidades es el Kelvin, en tanto y fuera de un contexto científico nos encontramos con el uso de otras escalas como ser la escala Celsius o centígrada y en aquellos países de origen anglosajón la Fahrenheit. Un concepto estrechamente vinculado al de la temperatura es el de sensación térmica, porque contrariamente a lo que muchos creen el calor o el frío que percibimos estará determinado por la sensación térmica que con la temperatura real. Por eso en épocas de mucho frío o de mucho calor, se suele prestar más atención y hacer mayor hincapié en la sensación de frío y de calor que impera más que en la temperatura real que capaz no nos dice realmente lo que nuestro cuerpo siente. Entonces, la sensación térmica es la forma en la cual el cuerpo humano percibe la temperatura de los objetos y del entorno, aunque obviamente esta medición es mucho más compleja y estará supeditada y permeable a diferentes sensaciones, es posible simular en un termómetro la sensación térmica tal cual la percibe un cuerpo humano. El calor representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ambos. El tipo de energía que se pone en juego en los fenómenos caloríficos se denomina energía térmica. El carácter energético del calor lleva consigo la posibilidad de transformarlo en trabajo mecánico. Sin embargo, la naturaleza impone Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya X Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ ciertas limitaciones a este tipo de conversión, lo cual hace que sólo una fracción del calor disponible sea aprovechable en forma de trabajo útil. Las ideas acerca de la naturaleza del calor han variado apreciablemente en los dos últimos siglos. La teoría del calórico o fluido tenue que situado en los poros o intersticios de la materia pasaba de los cuerpos calientes (en los que supuestamente se hallaba en mayor cantidad) a los cuerpos fríos, había ocupado un lugar destacado en la física desde la época de los filósofos griegos. Sin embargo, y habiendo alcanzado a finales del siglo XVIII su pleno apogeo, fue perdiendo credibilidad al no poder explicar los resultados de los experimentos que científicos tales como Benjamín Thomson (1753-1814) o Humphry Davy (1778-1829) realizaron. Una vieja idea tímidamente aceptada por sabios del siglo XVII como Galileo Galilei o Robert Boyle resurgió de nuevo. El propio Benjamín Thompson, según sus propias palabras, aceptó la vuelta a aquellas « viejas doctrinas que sostienen que el calor no es otra cosa que un movimiento vibratorio de las partículas del cuerpo ». Las experiencias de James Prescott Joule (1818-1889) y Julius Lothar von Mayer (1814-1878) sobre la conservación de la energía, apuntaban hacia el calor como una forma más de energía. El calor no sólo era capaz de aumentar la temperatura o modificar el estado físico de los cuerpos, sino que además podía moverlos y realizar un trabajo. Las máquinas de vapor que tan espectacular desarrollo tuvieron a finales del siglo XVIII y comienzos del XIX eran buena muestra de ello. Desde entonces las nociones de calor y energía quedaron unidas y el progreso de la física permitió, a mediados del siglo pasado, encontrar una explicación detallada para la naturaleza de esa nueva forma de energía, que se pone de manifiesto en los fenómenos caloríficos. DIFERENCIA ENTRE CALOR Y TEMPERATURA Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo este no es el caso. El calor y la temperatura están relacionadas entre sí, pero son conceptos diferentes. El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de la energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo. Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua puede ser la misma que la temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene más calor porque tiene más agua y por lo tanto más energía térmica total. El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si añadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye. Las temperaturas más altas tienen lugar cuando las moléculas se están moviendo, vibrando y rotando con mayor energía. Si tomamos dos objetos que tienen la misma temperatura y los ponemos en contacto, no habrá transferencia de energía entre ellos porque la energía media de las partículas en cada objeto es la misma. Pero si la temperatura de uno de los objetos es más ala que la otra, habrá una transferencia de energía del objeto más caliente al objeto más frío hasta que los dos objetos alcancen la misma temperatura. La temperatura no es energía sino una medida de ella, sin embargo el calor sí es energía. Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XI Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ RELACIÓN ENTRE EL CALOR Y LA TEMPERATURA Para elevar la temperatura de los cuerpos hay que suministrarles calor, según la fórmula: Q = mc T, en donde m = la masa del cuerpo c = el calor específico del cuerpo T = la diferencia de temperaturas El calor específico (c) de un cuerpo es la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Celsius la temperatura de un kilogramo de la sustancia. Mientras más elevado sea el calor específico, menos conductor será el material. He aquí una tabla con algunos calores específicos: Sustancia c, calor específico en J/(kg Co) plata 230 alcohol etílico 2400 vidrio 840 agua 4186 hierro 450 vapor de agua 2010 mármol 860 madera 1700 hielo 2100 Al elevarse la temperatura de un cuerpo en estado sólido, éste pasa en general por varias etapas: 1) sólido 2) fusión: de sólido a líquido 3) líquido 4) vaporización: de líquido a vapor 5) vapor Al experimentar la fusión o la vaporización, los materiales requieren una determinada cantidad de calor llamada calor de fusión o calor de vaporización. Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XII Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ He aquí una tabla con calores de fusión y de vaporización: Punto de Calor de Punto de Calor de fusión fusión ebullición (oC) vaporización (oC) (J/kg) –114 104,000 78 850,000 agua 0 333,000 100 2,260,000 hierro 1808 289,000 3023 6,340,000 plata 961 88,000 2193 2,300,000 Sustancia alcohol etílico (J/kg) Los siguientes ejemplos muestran cómo se calcula la cantidad de calor necesaria para efectuar estos cambios. Ejemplo A: ¿Cuánto calor se necesita para elevar la temperatura de 20 kg de hierro de 10 oC hasta 90 oC? Solución: Q = (20)(450)(90 – 10) = 720,000 Joules Ejemplo B: ¿Cuánto calor se necesita para elevar la temperatura de 2 kg de hielo de –3 oC hasta formar agua a 25 oC? Solución: Q = calor en etapa sólida + calor de fusión + calor de etapa líquida = (2)(2100, del hielo)(0 – –3) + (2)(333,000) + (2)(4186, del agua)(25 – 0) = 12,600 + 666,000 + 209,300 = 887,900 Joules NOCIONES DE TEMPERATURA Las nociones científicas de calor y temperatura se apoyan en la idea intuitiva que nos transmite nuestro propio cuerpo. Así, esa sensación fisiológica revelada por el tacto, que permite clasificar los cuerpos en fríos y calientes, da lugar a la idea de temperatura y por extensión a la de calor. Sin embargo, la física va más allá de estas nociones intuitivas y busca representaciones que puedan ser expresadas en forma numérica, esto es, como magnitudes o atributos medibles. La experiencia demuestra que cuando dos cuerpos, uno frío y otro caliente, se ponen en contacto durante un tiempo prolongado, terminan por alcanzar un estado de equilibrio entre ambos que se Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XIII Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ denomina equilibrio térmico. En ese estado no es posible distinguir cuál de ambos está más frío y cuál más caliente. La propiedad que tienen en común los cuerpos que se encuentran en equilibrio térmico es precisamente la temperatura. Junto con esta definición descriptiva de lo que se entiende en física por temperatura, con frecuencia se utiliza otra definición de tipo operacional, que indica mediante qué procedimiento u operación queda determinada dicha magnitud. Según este criterio la temperatura sería lo que miden los termómetros. Ambas definiciones de temperatura hacen referencia a fenómenos observables y facilitan un estudio científico de los mismos,pero no explican en qué consiste realmente esa magnitud que, aparentemente, no mantiene relación alguna con las otras magnitudes de la física como la longitud, la masa, el tiempo o la fuerza, por ejemplo. El desarrollo de una teoría cinética para la materia fue realizado sobre la base de esas viejas ideas a las que se refería Benjamín Thompson, con aportaciones sucesivas de científicos tales como Clausius (1822-1888), Maxwell (1831-1879), Boltzmann (1844-1906) y Gibbs (1839-1903), y proporcionó una explicación a la noción de temperatura y a otros conceptos clave para la comprensión de los fenómenos caloríficos. La teoría cinético-molecular de la materia recibe ese nombre porque admite que las diferentes partículas, átomos y moléculas, que constituyen las sustancias están en continuo movimiento (en griego kinesis significa movimiento). En los cuerpos sólidos este movimiento es de vibración en torno a puntos fijos o de equilibrio. En los gases el movimiento es desordenado y zigzagueante, a consecuencia de los choques de las moléculas del gas entre sí y con el recipiente que las contiene. En los líquidos, como estado intermedio, pueden darse ambos tipos de movimientos moleculares. La teoría cinético-molecular establece que la energía asociada a esos movimientos moleculares internos es la responsable de los fenómenos caloríficos, y llega a demostrar que cuando se promedian las energías cinéticas individuales de las partículas en movimiento, la energía que resulta es directamente proporcional a la temperatura del cuerpo expresada en grados Kelvin. Representando ese valor medio por < Ec> y la temperatura en grados Kelvin por T, la anterior conclusión puede expresarse en la forma: T < Ec > siendo (8.1) el símbolo de proporcionalidad directa. Junto a la definición de la temperatura, basada en nuestro sentido del tacto y apoyada en la observación de los fenómenos correspondientes, que la presenta como una propiedad que caracteriza el grado de calor de los cuerpos y rige su transmisión de unos a otros, la teoría cinética propone otra, compatible con la anterior, pero que ofrece la ventaja de explicar cuál es su naturaleza. La temperatura es una medida del nivel de esa agitación térmica o interna de las partículas que constituyen un cuerpo, nivel expresado por el valor de su energía cinética media. Cuanto mayor es la energía media de agitación molecular, tanto mayor es la temperatura que detecta la sensibilidad del hombre y que miden los termómetros. TEMPERATURA FINAL DE UNA MEZCLA Supongamos que coloco un hierro a 80 ºC en una olla con agua. Pregunta: Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XIV Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ ¿Cuál será la temperatura final del agua con el hierro ? Para explicar cómo se calcula esto, primero comentaré la idea de PARED ADIABATICA. Una superficie es adiabática si es aislante del calor, es decir, el calor no la puede atravesar. O sea, si se consiguiera un recipiente total y absolutamente adiabático, cualquier cosa caliente que se pusiera dentro no se enfriaría nunca. Esto es teórico. Los recipientes adiabáticos no existen en la realidad. Lo más parecido es un termo, pero como se sabe, el agua caliente puesta en un termo a la larga se enfría. En realidad, en un recipiente adiabático no puede salir calor de adentro, pero tampoco puede entrar el calor de afuera. Quiere decir que si se pone algo frío en un recipiente perfectamente adiabático, seguirá frío por los siglos de los siglos. (Esto es teórico). Entonces, si colocamos 1 kg de agua a 20 ºC en un recipiente adiabático. Ahora agregamos 1 kg de hierro a 80 ºC. Después de un tiempo van a estar a la misma temperatura. ( Tf tendrá que estar entre 20 y 80 ºC ). A continuación explicaremos como se calcula esa temperatura final. Entonces: El fe se va a enfriar (cede calor) y el agua se va a calentar (recibe calor). Como no puede salir calor del recipiente porque es adiabático, el calor que pierde el agua tiene que ser el calor que gana el fe. Entonces podemos colocar : Q ganado por el H2O = - Q cedido por el Fe Colocamos un signo menos al calor cedido por el hierro porque para el fe Tf es menor que Ti y nos va a dar negativo. Pasando al mismo miembro : Q ganado por el H2O + Q cedido por el Fe = 0 Conclusión: si nos dan 2 sustancias cualquiera, que inicialmente están a distinta temperatura, las ponen en un recipiente adiabático y me piden calcular la temperatura final, tengo que plantear siempre: Q ganado + Q cedido = 0 ECUACION PARA CALCULAR LA TEMPERATURA FINAL Entonces, si colocamos juntos 1 kg de fe a 80 ºC y 1 kg de agua a 20 ºC la Tf será: 1 kcal kg ºC . 1 kg . ( Tf – 20 ºC ) + 0,1 kcal . 1 kg . ( Tf – 80 ºC ) = 0 kg ºC Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XV Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ 1 kcal ºC Tf – 1 kcal ºC 20 ºC + 1,1 0,1 kcal kcal ºC Tf – 0,1 kcal ºC 80 ºC = 0 Tf – 28 kcal = 0 ºC Tf = 25,45 ºC Aclaraciones: La fórmula Q ganado + Q cedido = 0 sirve cuando se coloca juntos 2 cuerpos. Si nos dieran 3, la ecuación quedaría Q 1 + Q 2 + Q 3 = 0. (Idem si dieran 4) Si el calor específico de un cuerpo es por ejemplo 0,5 cal / g ºC y lo queremos pasar a kcal / kg ºC , directamente nos queda 0,5 kcal / kg ºC. Esto es porque 1 kg son justo 1000 g y 1 kcal son justo 1000 cal. Así que el asunto se compensa y queda igual. Temperatura de un gas monoatómico La temperatura de un gas ideal monoatómico es una medida relacionada con la energía cinética promedio de sus moléculas al moverse. La relación del tamaño de los átomos de helio respecto a su separación se conseguiría bajo una presión de 1950 atmósferas. Estos átomos a temperatura ambiente tienen una cierta velocidad media MEDIDA DE LA TEMPERATURA, ESCALAS TERMOMETRICAS A partir de la sensación fisiológica, es posible hacerse una idea aproximada de la temperatura a la que se encuentra un objeto. Pero esa apreciación directa está limitada por diferentes factores; así el intervalo de temperaturas a lo largo del cual esto es posible es pequeño; además, para una misma temperatura la sensación correspondiente puede variar según se haya estado previamente en contacto con otros cuerpos más calientes o más fríos y, por si fuera poco, no es posible expresar con precisión en forma de cantidad los resultados de este tipo de apreciaciones subjetivas. Por ello para medir temperaturas se recurre a los termómetros. ESCALAS TERMOMETRICAS En todo cuerpo material la variación de la temperatura va acompañada de la correspondiente variación de otras propiedades medibles, de modo que a cada valor de aquélla le corresponde un solo valor de ésta. Tal es el caso de la longitud de una varilla metálica, de la resistencia eléctrica de un metal, de la presión de un gas, del volumen de un líquido, etc. Estas magnitudes cuya variación está ligada a la de la temperatura se denominan propiedades termométricas, porque pueden ser empleadas en la construcción de termómetros. Para definir una escala de temperaturas es necesario elegir una propiedad termométrica que reúna las siguientes condiciones: Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XVI Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ a. La expresión matemática de la relación entre la propiedad y la temperatura debe ser conocida. b. La propiedad termométrica debe ser lo bastante sensible a las variaciones de temperatura como para poder detectar, con una precisión aceptable, pequeños cambios térmicos. c. El rango de temperatura accesible debe ser suficientemente grande. ESCALA CELSIUS Una vez que la propiedad termométrica ha sido elegida, la elaboración de una escala termométrica o de temperaturas lleva consigo, al menos, dos operaciones; por una parte, la determinación de los puntos fijos o temperaturas de referencia que permanecen constantes en la naturaleza y, por otra, la división del intervalo de temperaturas correspondiente a tales puntos fijos en unidades o grados. El científico sueco Anders Celsius (1701-1744) construyó por primera vez la escala termométrica que lleva su nombre. Eligió como puntos fijos el de fusión del hielo y el de ebullición del agua, tras advertir que las temperaturas a las que se verificaban tales cambios de estado eran constantes a la presión atmosférica. Asignó al primero el valor 0 y al segundo el valor 100, con lo cual fijó el valor del grado centígrado o grado Celsius (ºC) como la centésima parte del intervalo de temperatura comprendido entre esos dos puntos fijos. ESCALA FAHRENHEIT En los países anglosajones se pueden encontrar aún termómetros graduados en grado Fahrenheit (ºF). La escala Fahrenheit difiere de la Celsius tanto en los valores asignados a los puntos fijos, como en el tamaño de los grados. Así al primer punto fijo se le atribuye el valor 32 y al segundo el valor 212. Para pasar de una a otra escala es preciso emplear la ecuación: t(ºF) = 1,8 · t(ºC) + 32 donde t(ºF) representa la temperatura expresada en grados Fahrenheit y t(ºC) la expresada en grados Celsius o centígrados. ESCALA KELVIN La escala de temperaturas adoptada por el SI es la llamada escala absoluta o Kelvin. En ella el tamaño de los grados es el mismo que en la Celsius, pero el cero de la escala se fija en el -273,16 ºC. Este punto llamado cero absoluto de temperaturas es tal que a dicha temperatura desaparece la agitación molecular, por lo que, según el significado que la teoría cinética atribuye a la magnitud temperatura, no tiene sentido hablar de valores inferiores a él. El cero absoluto constituye un límite inferior natural de temperaturas, lo que hace que en la escala Kelvin no existan temperaturas bajo cero (negativas). La relación con la escala centígrada viene dada por la ecuación: T(K) = t(ºC) + 273,16 siendo T(K) la temperatura expresada en grados Kelvin o simplemente en Kelvin. Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XVII Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ Conversión de valores de temperaturas Las siguientes fórmulas asocian con precisión las diferentes escalas de temperatura: Kelvin Kelvin K=K Grado Celsius C=K− 273,15 Grado Grado Grado Grado Celsius Fahrenheit Rankine Réaumur K=C+ 273,15 K = Ra K = Re + 273,15 C = (Ra C=C C = (F - 32) Grado Grado Newton Delisle K = (Ro - K = N K = (F + 459,67) Grado Rømer 491,67) C = Re 7,5) + 273,15 K= 373,15 - + 273,15 De C = (Ro - C = N C = 100 7,5) - De F = (Ro - Grado F=K - F=C + F= F Fahrenheit 459,67 32 Grado Rankine Ra = K Grado Réaumur Grado Rømer Grado Newton Grado Delisle Ra = (C + Ra = F + 459,67 273,15) Re = (F - 32) Re = (K − 273,15) +7,5 N = (K 273,15) +7,5 N=C F = Re + 32 Ra = Ra Ra = (Ro Ra = Re + Ra = N 7,5) + 491,67 + 491,67 491,67 Re = (Ra - 7,5) 32 + F=N 32 + F = 121 De Ra = 171,67 De Re = (Ro - Re = N Re = 80 - 7,5) De Re = Re Re = C Ro =(K Ro = C 273,15) F = Ra − 459,67 491,67) Ro = (F - 32) +7,5 N = (F - 32) Ro = Ra 491,67 +7,5 Ro = N Ro = Re +7,5 N = (Ra 491,67) De = De = De = (100 De = (121 - F) (671,67 (373,15 - C) K) Ra) +7,5 N = (Ro N = Re Ro = 60 Ro = Ro - De N = 33 N=N 7,5) De De = (80 - De = (60 - De = (33 - De = Re) Ro) Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya N) De XVIII Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ DILATACION Y TERMOMETRIA El hecho de que las dimensiones de los cuerpos, por lo general, aumenten regularmente con la temperatura, ha dado lugar a la utilización de tales dimensiones como propiedades termométricas y constituyen el fundamento de la mayor parte de los termómetros ordinarios. Los termómetros de líquidos, como los de alcohol coloreado empleados en meteorología o los de mercurio, de uso clínico, se basan en el fenómeno de la dilatación y emplean como propiedad termométrica el volumen del líquido correspondiente. La longitud de una varilla o de un hilo metálico puede utilizarse, asimismo, como propiedad termométrica. Su ley de variación con la temperatura para rangos no muy amplios (de 0º a 100 ºC) es del tipo: lt = l0 (1 + a–t) donde lt representa el valor de la longitud a t grados centígrados, l0 el valor a cero grados y es un parámetro o constante característica de la sustancia que se denomina coeficiente de dilatación lineal. La ecuación anterior permite establecer una correspondencia entre las magnitudes longitud y temperatura, de tal modo que midiendo aquélla pueda determinarse ésta. Una aplicación termométrica del fenómeno de dilatación en sólidos lo constituye el termómetro metálico. Está formado por una lámina bimetálica de materiales de diferentes coeficientes de dilatación lineal que se consigue soldando dos láminas de metales tales como latón y acero, de igual longitud a 0 ºC. Cuando la temperatura aumenta o disminuye respecto del valor inicial, su diferente da lugar a que una de las láminas se dilate más que la otra, con lo que el conjunto se curva en un sentido o en otro según que la temperatura medida sea mayor o menor que la inicial de referencia. Además, la desviación es tanto mayor cuanto mayor es la diferencia de temperaturas respecto de 0 ºC. Si se añade una aguja indicadora al sistema, de modo que pueda moverse sobre una escala graduada y calibrada con el auxilio de otro termómetro de referencia, se tiene un termómetro metálico. OTRAS PROPIEDADES TERMOMETRICAS Algunas magnitudes físicas relacionadas con la electricidad varían con la temperatura siguiendo una ley conocida, lo que hace posible su utilización como propiedades termométricas. Tal es el caso de la resistencia eléctrica de los metales cuya ley de variación con la temperatura es del tipo: R = R0 (1 + at + bt2) siendo R0 el valor de la temperatura a 0 ºC y a y b dos constantes características que pueden ser determinadas experimentalmente a partir de medidas de R para temperaturas conocidas y correspondientes a otros tantos puntos fijos. Conocidos todos los parámetros de la anterior ecuación, la medida de temperaturas queda reducida a otra de resistencias sobre una escala calibrada al efecto. Los termómetros de resistencia emplean normalmente un hilo de platino como sensor de temperaturas y poseen un amplio rango de medidas que va desde los -200 ºC hasta los 1200 ºC. Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XIX Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ Los termómetros de termistores constituyen una variante de los de resistencia. Emplean resistencias fabricadas con semiconductores que tienen la propiedad de que su resistencia disminuye en vez de aumentar con la temperatura (termistores). Este tipo de termómetros permiten obtener medidas casi instantáneas de la temperatura del cuerpo con el que están en contacto. APLICACIÓN DE LAS ESCALAS TERMOMETRICAS La relación existente entre las escalas termométricas más empleadas permite expresar una misma temperatura en diferentes formas, esto es, con resultados numéricos y con unidades de medida distintas. Se trata, en lo que sigue, de aplicar las ecuaciones de conversión entre escalas para determinar la temperatura en grados centígrados y en grados Fahrenheit de un cuerpo, cuyo valor en Kelvin es de 77 K. Para la conversión de K en ºC se emplea la ecuación t(ºC) = T(K) - 273 es decir: t(ºC) = 77 - 273 = - 196 ºC Para la conversión en ºF se emplea la ecuación: t(ºF) = 1,8 · t(ºC) + 32 t(ºF) = 1,8 · (- 196) + 32 = - 320,8 ºF CANTIDADES DE CALOR Aun cuando no sea posible determinar el contenido total de energía calorífica de un cuerpo, puede medirse la cantidad que se toma o se cede al ponerlo en contacto con otro a diferente temperatura. Esta cantidad de energía en tránsito de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura es precisamente lo que se entiende en física por calor. ECUACION CALORIMETRICA La experiencia pone de manifiesto que la cantidad de calor tomada (o cedida) por un cuerpo es directamente proporcional a su masa y al aumento (o disminución) de temperatura que experimenta. La expresión matemática de esta relación es la ecuación calorimétrica. Q = c · m · (Tf - Ti) (1) Donde Q representa el calor cedido o absorbido, m la masa del cuerpo y Tf y Ti las temperaturas final e inicial respectivamente. Q será positivo si la temperatura final es mayor que la inicial (Tf > Ti) y negativo en el caso contrario (Tf < Ti). La letra c representa la constante de proporcionalidad correspondiente y su valor es característico del tipo de sustancia que constituye el cuerpo en cuestión. Dicha constante se denomina calor específico. Su significado puede deducirse de la ecuación (1). Si se despeja c, de ella resulta: Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XX Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ (2) El calor específico de una sustancia equivale, por tanto, a una cantidad de calor por unidad de masa y de temperatura; o en otros términos, es el calor que debe suministrarse a la unidad de masa de una sustancia dada para elevar su temperatura un grado. UNIDADES DE CALOR La ecuación calorimétrica (1) sirve para determinar cantidades de calor si se conoce la masa del cuerpo, su calor específico y la diferencia de temperatura, pero además permite definir la caloría como unidad de calor. Si por convenio se toma el agua líquida como sustancia de referencia asignando a su calor específico un valor unidad, la caloría resulta de hacer uno el resto de las variables que intervienen en dicha ecuación. Una caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado centígrado (1 ºC) la temperatura de un gramo de agua. Esta definición, que tiene su origen en la época en la que la teoría del calórico estaba en plena vigencia, se puede hacer más precisa si se considera el hecho de que el calor específico del agua varía con la temperatura. En tal caso la elevación de un grado centígrado a la que hace referencia la anterior definición ha de producirse entre 14,5 y 15,5 ºC a la presión atmosférica. Una vez identificado el calor como una forma de energía y no como un fluido singular, la distinción entre unidades de calor y unidades de energía perdió significado. Así, la unidad de calor en el SI coincide con la de energía y es el joule (J), habiendo quedado la caloría reducida a una unidad práctica que se ha mantenido por razones históricas, pero que va siendo progresivamente desplazada por el joule. CALOR ESPECÍFICO Y CAPACIDAD CALORIFICA La ecuación calorimétrica puede escribirse también en la forma: Q = C(Tf - Ti) (3) Expresando así que en un cuerpo dado la cantidad de calor cedido o absorbido es directamente proporcional a la variación de temperatura. La nueva constante de proporcionalidad C recibe el nombre de capacidad calorífica (4) y representa la cantidad de calor que cede o toma el cuerpo al variar su temperatura en un grado. A diferencia del calor específico, la capacidad calorífica es una característica de cada cuerpo y se expresa en el SI en J/K. Su relación con el calor específico resulta de comparar las ecuaciones (1) y (3) en las que ambas magnitudes están presentes: Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XXI Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ C = m · c (5) De acuerdo con esta relación, la capacidad calorífica de un cuerpo depende de su masa y de la naturaleza de la sustancia que lo compone. Aplicación de la determinación del calor específico El calor específico de un cuerpo puede determinarse mediante el calorímetro. Dado que éste es un atributo físico característico de cada sustancia, la comparación del valor obtenido con los de una tabla estándar de calores específicos puede ayudar a la identificación de la sustancia que compone el cuerpo en cuestión. Se pretende identificar el metal del que está formada una medalla. Para ello se determina su masa mediante una balanza que arroja el valor de 25 g. A continuación se calienta al «baño María», hasta alcanzar una temperatura de 85 ºC y se introduce en el interior de un calorímetro que contiene 50 g de agua a 16,5 ºC de temperatura. Al cabo de un cierto tiempo y tras utilizar varias veces el agitador, la columna del termómetro del calorímetro deja de subir señalando una temperatura de equilibrio de 19,5 ºC. ¿De qué metal puede tratarse? Si se aplica la ecuación de conservación de la energía expresada en la forma, calor tomado = - calor cedido, resulta: Q1= - Q2 m1c1(T - T1) = - m2c2(T - T2) Considerando en este caso el subíndice 1 referido al agua y el 2 referido a la moneda. Sustituyendo valores en la ecuación anterior, se tiene: 50 · 1 (19,5 - 16,5) = - 25 · c2 (19,5 - 85) Operando y despejando c2 resulta: 150 = 1 637,5 · c2 c2 = 0,09 cal/g · ºC Si se compara el resultado con una tabla de calores específicos de metales, se concluye que puede tratarse de cobre. Otras propiedades físicas como el color, por ejemplo, confirmarán el resultado. MEDIDA DEL CALOR De acuerdo con el principio de conservación de la energía, suponiendo que no existen pérdidas, cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto, el calor tomado por uno de ellos ha de ser igual en cantidad al calor cedido por el otro. Para todo proceso de transferencia calorífica que se realice entre dos cuerpos puede escribirse entonces la ecuación: Q1 = - Q2 Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XXII Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ en donde el signo - indica que en un cuerpo el calor se cede, mientras que en el otro se toma. Recurriendo a la ecuación calorimétrica, la igualdad anterior puede escribirse en la forma: m1 · c1 · (Te - T1) = -m2 · c2 · (Te - T2) (6) Donde el subíndice 1 hace referencia al cuerpo frío y el subíndice 2 al caliente. La temperatura Te en el equilibrio será superior a T1 e inferior a T2. La anterior ecuación indica que si se conocen los valores del calor específico, midiendo temperaturas y masas, es posible determinar cantidades de calor. El aparato que se utiliza para ello se denomina calorímetro. Un calorímetro ordinario consta de un recipiente de vidrio aislado térmicamente del exterior por un material apropiado. Una tapa cierra el conjunto y dos pequeños orificios realizados sobre ella dan paso al termómetro y al agitador, los cuales se sumergen en un líquido llamado calorimétrico, que es generalmente agua. Cuando un cuerpo a diferente temperatura que la del agua se sumerge en ella y se cierra el calorímetro, se produce una cesión de calor entre ambos hasta que se alcanza el equilibrio térmico. El termómetro permite leer las temperaturas inicial y final del agua y con un ligero movimiento del agitador se consigue una temperatura uniforme. Conociendo el calor específico y la masa del agua utilizada, mediante la ecuación calorimétrica se puede determinar la cantidad de calor cedida o absorbida por el agua. En este tipo de medidas han de tomarse las debidas precauciones para que el intercambio de calor en el calorímetro se realice en condiciones de suficiente aislamiento térmico. Si las pérdidas son considerables no será posible aplicar la ecuación de conservación Q1 = - Q2 y si ésta se utiliza los resultados estarán afectados de un importante error. La ecuación (6) puede aplicarse únicamente a aquellos casos en los cuales el calentamiento o el enfriamiento del cuerpo problema no lleva consigo cambios de estado físico (de sólido a líquido o viceversa, por ejemplo). A partir de ella y con la ayuda del calorímetro es posible determinar también el calor específico del cuerpo si se conocen las temperaturas T1, T2 y Te, las masas m1 y m2 y el calor específico del agua. CALOR Y TRABAJO RELACION ENTRE CALOR Y TRABAJO Si calor y trabajo son ambos formas de energía en tránsito de unos cuerpos o sistemas a otros, deben estar relacionadas entre sí. La comprobación de este tipo de relación fue uno de los objetivos experimentales perseguidos con insistencia por el físico inglés James Prescott Joule (1818-1889). Aun cuando efectuó diferentes experimentos en busca de dicha relación, el más conocido consistió en determinar el calor producido dentro de un calorímetro a consecuencia del rozamiento con el agua del calorímetro de un sistema de paletas giratorias y compararlo posteriormente con el trabajo necesario para moverlas. La energía mecánica puesta en juego era controlada en el experimento de Joule haciendo caer unas pesas cuya energía potencial inicial podía calcularse fácilmente de modo que el trabajo W, como variación de la energía mecánica, vendría dado por: Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XXIII Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ W = DEp = m · g · h siendo m la masa de las pesas, h la altura desde la que caen y g la aceleración de la gravedad. Por su parte, el calor liberado por la agitación del agua que producían las aspas en movimiento daba lugar a un aumento de la temperatura del calorímetro y la aplicación de la ecuación calorimétrica: Q = m c (Tf - Ti) Permitía determinar el valor de Q y compararlo con el de W. Tras una serie de experiencias en las que mejoró progresivamente sus resultados, llegó a encontrar que el trabajo realizado sobre el sistema y el calor liberado en el calorímetro guardaban siempre una relación constante y aproximadamente igual a 4,2. Es decir, por cada 4,2 joules de trabajo realizado se le comunicaba al calorímetro una cantidad de calor igilal a una caloría. Ese valor denominado equivalente mecánico del calor se conoce hoy con más precisión y es considerado como 4,184 joules/calorías. La relación numérica entre calor Q y trabajo W puede, entonces, escribirse en la forma: W (joules) = 4,18 · Q (calorías) La consolidación de la noción de calor como una forma más de energía, hizo del equivalente mecánico un simple factor de conversión entre unidades diferentes de una misma magnitud física, la energía; algo parecido al número que permite convertir una longitud expresada en pulgadas en la misma longitud expresada en centímetros. MAQUINAS TERMICAS Junto a la conversión de trabajo en calor puesta de manifiesto en las experiencias de Joule, la transformación efectuada en sentido inverso es físicamente realizable. Los motores de explosión que mueven, en general, los vehículos automóviles y la máquina de vapor de las antiguas locomotoras de carbón, son dispositivos capaces de llevar a cabo la transformación del calor en trabajo mecánico. Este tipo de dispositivos reciben el nombre genérico de máquinas térmicas. En todas las máquinas térmicas el sistema absorbe calor de un foco caliente; parte de él lo transforma en trabajo y el resto lo cede al medio exterior que se encuentra a menor temperatura. Este hecho constituye una regla general de toda máquina térmica y da lugar a la definición de un parámetro característico de cada máquina que se denomina rendimiento y se define como el cociente entre el trabajo efectuado y el calor empleado para conseguirlo. Expresado en tantos por ciento toma la forma: Ninguna máquina térmica alcanza un rendimiento del cien por cien. Esta limitación no es de tipo técnico, de modo que no podrá ser eliminada cuando el desarrollo tecnológico alcance un nivel superior al actual; se trata, sin embargo, de una ley general de la naturaleza que imposibilita la transformación íntegra de calor en trabajo. Por tal motivo las transformaciones energéticas que Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XXIV Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ terminan en calor suponen una degradación de la energía, toda vez que la total reconversión del calor en trabajo útil no está permitida por las leyes naturales. APLICACIÓN DE LA RELACION CALOR/TRABAJO En una experiencia como la de Joule se ha utilizado un peso de 10 kg que se ha elevado a una altura de 2 m. Si el calorímetro completo incluyendo las aspas equivale a una masa de agua de 1,5 kg y la temperatura inicial es de 15 ºC, determínese la temperatura final que alcanzará el agua, admitiendo que todo el trabajo mecánico se convierte en calor dentro del calorímetro. (Considérese el calor específico del agua c = 4,18 · 10 3 J/kg · K). De acuerdo con el principio de conservación de la energía, el trabajo mecánico se convierte íntegramente en calor: W=Q Siendo en este caso W = m g h y Q = m' c (Tf - Ti). Igualando ambas expresiones y despejando Tf se tiene: m g h = m' c (Tf - Ti) Y sustituyendo resulta finalmente: Es decir: tf (ºC) = 288 - 273 = 15 ºC ENERGIA, TRABAJO Y CALOR La energía se puede definir como toda propiedad que se puede producir a partir de trabajo o que puede convertirse en trabajo, incluyendo el propio trabajo. Como existen diferentes formas de trabajo, habrá diferentes manifestaciones de energía. Así por ejemplo, existe trabajo eléctrico, y energía eléctrica, trabajo mecánico y energía mecánica, etc. Se ha estudiado que el trabajo mecánico es el producto de una fuerza por el desplazamiento de su punto de aplicación. También las demás formas de trabajo son el producto de una fuerza generalizada conocida también como factor de intensidad y un desplazamiento generalizado o factor de capacidad. Por ejemplo en el trabajo eléctrico, la fuerza generalizada es la fuerza electromotriz y el desplazamiento generalizado la cantidad de electricidad que circula por un conductor. Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XXV Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ Hemos visto que cuando dos o mas sistemas diferentes se ponen en contacto entre sí a través de una pared diatérmana, alcanzan el estado de equilibrio térmico. Las transformaciones que sufren los sistemas para alcanzar el estado de equilibrio térmico, se estiman provocadas por el pasaje de un cuerpo a otro de una forma de energía llamada calorífica o simplemente calor. Según dijimos antes, si el calor es una forma de energía podrá producirse a través de un trabajo o bien convertirse en trabajo. Esto ha sido demostrado experimentalmente ya que es posible producir calor a partir de trabajo mecánico (por ejemplo por rozamiento), o bien a partir de un trabajo eléctrico haciendo pasar electricidad a través de una resistencia. También es posible aunque en parte, convertir el calor en trabajo mediante una máquina térmica como veremos más adelante. Como el calor se puede transmitir de un sistema o cuerpo a otro, debido a un desequilibrio térmico, desde el punto de vista termodinámico puede considerarse como una energía en tránsito. En tal caso, la diferencia de temperatura que provoca el pasaje de calor es el factor de intensidad o fuerza generalizada, mientras que el factor de capacidad o desplazamiento generalizado es la capacidad calorífica. El pasaje de calor, de un cuerpo a otro, puede provocar la disminución de temperatura de uno y el aumento de temperatura del otro. En el primer caso se dice que el cuerpo pierde calor, y se lo toma arbitrariamente como negativo, mientras que en el otro caso el cuerpo gana o absorbe calor, tomándose como positivo. Esto puede llevar a pensar que el calor es una sustancia que puede transmitirse de un cuerpo a otro, tal como se suponía hasta el año 1.800 y a la que se dio el nombre de calórico. Mas adelante veremos que tal idea es errónea ya que el calor no está asociado al sistema sino que solo "existe" o tiene sentido hablar de él, cuando hay transmisión o pasaje de un sistema a otro debido una diferencia de temperatura. Cuando a un cuerpo se le suministra energía calorífica y su temperatura aumenta dicha energía recibe el nombre de "calor sensible”. (Cambio de temperatura) Si en cambio el cuerpo no modifica su temperatura pero sufre variación en su estado físico, la energía calorífica se denomina "calor latente”. Por ej. Calor latente de fusión, de vaporización, etc. (cambio de estado físico). UNIDADES DE CALOR La medida del calor se realiza mediante los cambios que provoca en los sistemas. La unidad de medida se escoge como aquella que provoca un cambio unitario Así por ejemplo, se define como "caloría” , (cal) a la cantidad, de calor que se debe suministrar a 1 gramo de agua pura, para elevar su temperatura 1 ºC, entre 14,5 ºC y 15,5 ºC. Se define como kilocaloría (kcal), o Caloría grande o Gran Caloría (CAL) a la cantidad de calor que se debe suministrar a 1 kg de agua pura, para elevar su temperatura 1 ºC entre 14,5 y 15,5 ºC. Se cumple entonces que: 1 kcal = 1000 cal Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XXVI Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ En la definición de las unidades de calor se especifican las temperaturas del incremento de 1 ºC, debido a que la cantidad de calor necesaria para provocar dicha elevación de temperatura varía según el intervalo de temperaturas escogido. CAPACIDAD CALORIFICA Cuando un sistema absorbe calor sensible, o sea que sufre un incremento de temperatura ΔT, siendo Q el calor absorbido, se denomina Capacidad Calorífica Media del sistema a la relación: C = Q/ ΔT donde ΔT = Tf − Ti (temperatura inicial – temperatura final) Puede entonces definirse también como la cantidad de calor necesaria para elevar en 1 º la temperatura de un cuerpo. De acuerdo a la definición de caloría que hemos dado anteriormente es evidente que la capacidad calorífica de 1 gr de agua a 15 ºC aproximadamente, es igual a 1. La capacidad calorífica es una propiedad extensiva porque depende de la cantidad de sustancia que forma el sistema. Como también depende de la temperatura, el valor de Q obtenido de la ecuación anterior solo es válido para el intervalo de temperaturas entre Tf y Ti. Para definir la capacidad calorífica a una temperatura dada, es necesario hacer lo más pequeño posible al intervalo de temperaturas, haciendo tender hacia ella, el valor de la otra temperatura. Así por ej. el valor de la capacidad calorífica verdadera a temperatura Ti será: Como la cantidad de calor Q depende del camino o proceso, seguido para obtener el incremento de temperatura ΔT (o sea que no es función de estado), la ecuación anterior podrá escribirse: Donde δQ es una cantidad de calor infinitamente pequeña o diferencial inexacta, ya que no es la diferencial de una función real. Como la cantidad de calor para provocar un mismo incremento ΔT a la misma cantidad de masa, varía según las condiciones en que se lo suministre, la capacidad calorífica de un cuerpo dependerá también del proceso que se haya seguido en la transferencia de calor. Así por ej., para elevar en un grado la temperatura de un gas a volumen constante, se requiere menos calor que si se lo calienta a presión constante. Esto significa que la “capacidad calorífica a volumen constante” Cv es menor que la “capacidad calorífica a presión constante” C p. UNIDADES Las unidades de la capacidad calorífica son: cal. grado-1. Calor específico Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XXVII Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ Calorímetro Calor específico de sólidos y gases CALOR ESPECÍFICO Se denomina calor específico a la capacidad calorífica correspondiente a la unidad de masa del sistema. Así, denominamos m a la masa del sistema, cuya capacidad calorífica media es: Donde c es el calor específico medio, para el intervalo de temperatura ΔT. El calor específico es una propiedad intensiva, o sea independiente de la masa del sistema. Como su valor depende le la temperatura, lo mismo que la capacidad calorífica, para definirlo a una cierta temperatura debemos disminuir todo lo posible el intervalo ΔT haciendo tender las temperaturas al valor adoptado; o sea Donde c es el calor específico verdadero a una temperatura T. Unidades Cuando la masa se expresa en gr, el calor específico correspondiente a la capacidad calorífica de 1 gr del sistema, siendo sus unidades: cal. gr –1 . grado–1; pudiendo expresarse también, evidentemente: kcal. Kgr–1. grado –1. Cuando la masa se expresa en moles, es decir, en el número de pesos moleculares gr del sistema, el calor específico corresponde a la capacidad calorífica de 1 mol, de sistema y se lo denomina: “capacidad calorífica molar”, “calor molar” o directamente “calor específico molar”. Sus unidades serán: cal. mol–1 . grado–1 Cuando la masa se expresa en átomos-gramo, la capacidad calorífica de 1 átomo-gramo se denomina “calor atómico” y se expresa en cal . at . gr–1 . grado–1. CALOR ESPECÍFICO DEL AGUA Como ya dijimos, el calor específico del agua varía con la temperatura. En la figura se ha representado la variación del calor específico del agua entre las temperaturas de 0 y 100 ºC, manteniendo la presión constante de 1 atmósfera. Se puede observar que el valor es 1 en las proximidades Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XXVIII Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ de 15 ºC, debido a la forma escogida para definir la unidad de calor. CALORIMETRO Medida de la capacidad calorífica y calores específicos La capacidad calorífica de un sistema puede ser negativa, nula, positiva o infinita, según el tipo de proceso que experimente el sistema durante el intercambio de calor, ya que como vimos antes, el calor depende del camino o proceso para obtener el incremento de temperatura. Si el proceso se realiza a presión constante, la capacidad calorífica se denomina a presión constante y se designa por el símbolo Cp. Será entonces: Análogamente, en un proceso a volumen constante se puede definir la capacidad calorífica a volumen constante que se expresa por la relación: Donde Qp y Qv son las cantidades elementales de calor intercambiadas a presión y volumen constante respectivamente. Cp depende de P y T y Cv depende de V y T. En general Cp y Cv son distintas y toman valores particulares para cada sistema. Aunque las capacidades caloríficas son funciones de dos variables, dentro de un intervalo pequeño de variación, pueden considerarse constantes. En el caso de un sólido o de un líquido los valores de Cp y Cv son muy parecidos, pero en un gas son muy distintos. En los métodos de medida de la capacidad calorífica cuyos fenómenos ocurran a presión constante, las capacidades y calores específicos medidos, corresponderán entonces a presión constante. Entre los métodos utilizados para medir capacidades caloríficas o calores específicos podemos distinguir fundamentalmente el método eléctrico y el método de las mezclas. El primero se utiliza modernamente casi con exclusividad ya que las medidas pueden hacerse con un alto grado de precisión. El método de las mezclas solo da una medida aproximada del valor medio de Cp en un intervalo de temperatura próximo a la temperatura ambiente. El recipiente utilizado para efectuar las medidas de calor se denomina calorímetro, que en su forma más sencilla es una vasija de paredes aisladas que aloja en su interior el termómetro y agitador. Además contiene un líquido calorimétrico que generalmente es el agua. Equivalente en agua del calorímetro Para efectuar medias calorimétricas es necesario conocer la capacidad calorífica de los elementos que forman el calorímetro. Es evidente que para un mismo aparato la suma de dichas capacidades caloríficas será una constante, y se la ha denominado “equivalente en agua del calorímetro”. Se define como equivalente en agua del calorímetro al peso de agua que necesita la Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XXIX Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ misma cantidad de calor que el termómetro, agitador, paredes del calorímetro, etc, para elevar su temperatura el mismo número de grados. El equivalente en agua es así la capacidad calorífica de una masa de agua, de igual valor a la suma de las capacidades caloríficas de los elementos del calorímetro, se expresa en cal. grado-1. Se determina experimentalmente. Calorímetro de las mezclas Este aparato tiene la característica ya descripta y ha sido denominado impropiamente calorímetro de agua. Las determinaciones se efectúan a intervalos de temperaturas próximas a la temperatura del medioambiente; y se supone que el calor específico del agua es constante e igual a la unidad. El método consiste en introducir en el calorímetro una cantidad conocida de agua, a una temperatura determinada, y luego colocar dentro de ella cierta masa de la sustancia cuyo calor específico se desea conocer y a una temperatura superior conocida. Se mide la elevación de temperatura del agua, hasta que alcance el equilibrio térmico con la sustancia problema. Si llamamos M1 a la masa del agua, t1 a su temperatura inicial que es la misma del calorímetro; Mt, Ma Mp las masas del termómetro, agitador y paredes del calorímetro cuyos calores específico son respectivamente ct , ca y cp ; m2 la masa de la sustancia cuyo calor específico c2 se desea conocer y que se introduce a temperatura t2; y por último t a la temperatura de equilibrio, siendo t2 > t > t1; de acuerdo a la definición de calor específico, medio, el calor cedido por la sustancia problema será: Q2 = M2.c2.(t2 − t) Y el calor absorbido por el agua, las paredes del calorímetro, el termómetro y agitador: siendo el calor específico del agua igual a 1). Q1 = (M1 + Mt .ct + Ma .ca + Mp .cp) . (t - t1) Como los cuerpos forman parte de un sistema aislado y solo intercambian calor, deberá ser: Q1 = Q2; además, de acuerdo a la definición de equivalente en agua: E = Mt .ct + Ma .ca + Mp .cp En consecuencia M2 .c2 (t2 − t) = (M1 + E) (t − t1) De donde Esta expresión permite calcular el calor específico medio de la sustancia entre las temperaturas t2 y t. El equivalente en agua del calorímetro E se puede determinar agregando una masa conocida de agua M2, a temperatura t2 sobre otra de agua M 1 a temperatura t1 inferior a t2. Siendo t la temperatura de equilibrio, se deberá cumplir de acuerdo con lo dicho anteriormente que: Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XXX Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ M2 (t2 − t) = (M1 + E) (t − t1) De donde: También se puede determinar el valor de E colocando en la masa M1 de agua, a temperatura t1, un conductor eléctrico de resistencia conocida R y pasando una intensidad de corriente definida i durante un tiempo determinado T hasta temperatura t. La energía eléctrica consumida se transmite totalmente al agua en forma de calor, de acuerdo con la expresión: 0,24.R.i2 .τ = Q (cal) = (M1 + E) (t − t1) De donde: METODOS MODERNOS DE MEDIDA DE CALORES ESPECIFICOS Los métodos modernos de deidad de calores específicos se basan en una doble transferencia simultánea de energía por parte del cuerpo cuyo calor específico va a determinarse. Por una parte recibe calor de una resistencia eléctrica y por el otro cede calor al medio más frío que lo rodea. En un intervalo de tiempo infinitesimal, dT, el calor absorbido por el sistema será: δQ = δQ1 − δQ2 = c.dt Siendo R el valor de la resistencia, i la intensidad de corriente, δQ1 = 0,24.R.i2 .dτ luego Medida de cv Los métodos de medida que hemos descriptos se utilizan para la determinación de los calores específicos a presión constante cp. Como para un sólido la medida precisa de cv es casi imposible, se mide primeramente cp y luego se utilizan fórmulas teóricas que relacionan cp y cv. Lo mismo se hace en el caso de los líquidos y los gases. Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XXXI Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ En estos últimos cp y cv están relacionados por las ecuaciones del exponente adiabático y de Mayer. CALOR ESPECIFICO DE SOLIDOS Y GASES Calores específicos de sólidos Las medidas de cp para los sólidos revelan que el calor específico a presión constante varía muy poco con la presión, sin embargo, su variación con la temperatura es muy importante. Por ej., representando la variación de cp en función a la temperatura para el cobre, se observa que cuando la temperatura aproxima al 0 absoluto, cp tiende a 0, mientras que al aumentar la temperatura, su valor se eleva en forma continua. Este comportamiento de cp lo cumplen la mayoría de los metales puros y muchos compuestos, pero hay excepciones. Como se dijo antes, el calor específico a volumen constante cv, es casi imposible de medir, en consecuencia su valor se determina a partir del valor de cp y aplicando ecuaciones que relacionen ambos calores. Al igual que cp, el calor específico a volumen constante varía muy poco con la presión, pero con la temperatura su variación es notable. El diagrama para el cobre muestra que a bajas temperaturas cp y cv son casi iguales, mientras que a temperaturas elevadas se diferencian mucho, tendiendo cv a un valor constante. Otras características de los calores específicos de los sólidos es que los valores son inferiores a 1 cal / gr ºC, salvo el litio para temperaturas superiores a 100 ºC. Además los cuerpos de mayor peso atómico poseen los menores calores específicos. En el caso de las aleaciones, la capacidad calorífica de la aleación se puede calcular sumando las capacidades caloríficas de sus componentes. Los sólidos cumplen la Ley de Dulong y Petit, que establece que para todos los cuerpos simples el calor atómico es sensiblemente constante e igual aproximadamente a 6,4 cal / at gr ºC. Calores específicos de líquidos Al igual que en los sólidos, los calores específicos varían poco en función de la presión pero sí notablemente con respecto a la temperatura. Los valores son en general menores que 1 cal / gr ºC, y a la temperatura de fusión el calor específico de un líquido es mayor que el del sólido a la misma temperatura. Calores específicos de gases En los gases, los valores de cp son mayores que los de cv, pues a presión constante el gas se dilata realizando cierto trabajo para vencer la presión exterior, y entonces se necesita absorber una Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XXXII Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ cantidad de energía equivalente a ese trabajo. En los gases se mide generalmente cp directamente y el valor de cv se deduce de las relaciones que lo vinculan con cp. La medida de cv es imposible realizarla con gran exactitud debido a que la capacidad calorífica de la masa gaseosa que puede contener un recipiente cualquiera es pequeña, o por lo menos del mismo orden que este. FOCO CALORIFICO Se entiende por foco calorífico a todo cuerpo cuya masa sea tan grande que pueda absorber o ceder una cantidad ilimitada de calor sin experimentar variación apreciable de su temperatura ni de cualquiera otra variable termodinámica. O sea que un foco calorífico posee una capacidad calorífica infinita. Una gran masa de agua como el océano, o de aire como la atmósfera, son ejemplos prácticos de focos caloríficos. Debe tenerse en cuenta que en la realidad un foco calorífico sufre algún cambio en sus variables termodinámicas al absorber o ceder calor, sin embargo, estos cambios son tan extremadamente pequeños que es imposible medirlos. RADIACION TERMICA La naturaleza de la radiación a confundido a los científicos por siglos. Maxwell propuso que esta forma de energía viaja como una vibración eléctrica y perturbación magnética a través del espacio en una dirección perpendicular a dicha perturbación. En el diagrama, la oscilación eléctrica (rojo) y la oscilación magnética (azul) son perpendiculares (la eléctrica en el plano xy y la magnética en el xz). Las ondas están viajando en dirección x. Una onda electromagnética puede ser definida en términos de frecuencia de oscilación designada por la letra griega nu (v). La onda se mueve en línea recta con velocidad constante (designada como c si este movimiento es a través del vacío); la distancia entre picos sucesivos es la longitud de onda ( )y es igual a la velocidad entre la frecuencia. El espectro electromagnético cubre una gran cantidad de longitudes de onda, desde ondas muy cortas hasta muy largas. La única región del espectro electromagnético la cual es sensible a nuestro ojos es el rango "visible" identificado en el diagrama con los colores del arcoiris. Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XXXIII Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ El sol no es el único objeto que provee energía radiante; algunos objetos cuya temperatura es mayor que el 0 K pueden emitir algo de energía radiante. El desafío de los científicos fue como esta energía radiante está relacionada a la temperatura del objeto. Si un objeto está colocado dentro de un recipiente cuyas paredes están a temperatura uniforme, se espera que el objeto alcance el equilibrio térmico con las paredes del recipiente y el objeto pueda emitir energía radiante semejante a las paredes del recipiente. Así un objeto absorbe e irradia la misma cantidad de energía. Ahora las superficies negras absorben toda la radiación incidente sobre ellos y estos pueden irradiarla de la misma manera si están en equilibrio térmico. La radiación en equilibrio térmico es llamada Radiación de cuerpo negro. La primera relación entre la temperatura y la energía radiante fue deducida por J. Stefan en 1884 y teóricamente explicada por Boltzmann con la siguiente ecuación: Donde la energía total es por unidad de área por segundo emitido por un cuerpo negro, T es la temperatura absoluta y la constante Stefan-Boltzmann. La mayor pregunta hacia finales de siglo pasado era explicar la manera como la energía total emitida por un cuerpo negro es desplegada en varias frecuencias y longitudes de onda. La teoría clásica de Maxwell de oscilaciones electromagnéticas falla en explicar la distribución de energía observada. Este dilema fue dejado a Max Planck el cual lo resolvió planteando que la energía de las oscilaciones debe estar cuantizada, es decir la energía puede no tomar cualquier valor pero puede cambiar por pasos, siendo el tamaño de cada paso o quantum proporcional a la frecuencia de oscilación e igual a hv, donde h es la constante de Planck. Con esta proposición, Planck derivó la distribución de la energía de los cuerpos negros y mostró que es definida por su temperatura. Así, si la temperatura de un cuerpo negro es especificada, la Ley de Planck puede usarse para calcular la energía emitida por el cuerpo como una función de la longitud de onda, y si la distribución de energía del cuerpo radiante es medida, entonces, ajustándole una curva de Planck puede determinarse su temperatura. En las curvas presentadas se observa que el cuerpo más caliente emite más energía a longitudes de onda más cortas. La temperatura de la superficie del sol es 6000 K y su pico en la curva de Planck están en el rango visible. Para cuerpos más fríos que el sol, el pico dentro de su curva de Planck cambia a una mayor longitud de onda hasta que la temperatura que alcanza es tal que emite poca energía radiante en el rango visible. Esta figura (adaptada del libro Termo-Física de Adkins) presenta varias curvas de Plank para cuerpos negros. La línea punteada presenta la variación con la longitud de onda y la temperatura de los picos de la curva. Esta es la representación gráfica de la Ley de Wien, la cual dice (max)~0.29/T donde (max) es la longitud de onda de el máximo brillo en cm y T es la temperatura absoluta de el cuerpo negro. El cuerpo humano tiene una temperatura alrededor de los 310 K e irradia primeramente en el infrarrojo. Si una fotografía de una humano es tomado con un cámara sensitiva a la región de las longitudes de onda se puede obtener una "imágen térmica". Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XXXIV Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ DESARROLLO DE TERMOMETROS Y ESCALAS DE TEMPERATURA La reseña histórica más interesante en el Desarrollo de los Termómetros y sus escalas aquí expresada se basó en "Temperature" de T.J Quinn y "Heat" de James M. Cork. Uno de los primeros intentos para hacer un estándar de temperaturas ocurrió alrededor de AD 170, cuando Galeno,en sus notas médicas, propone un estándar de temperatura "neutral" completando cantidades iguales para la ebullición del agua y el hielo. Sobre cualquier lado de esta temperatura tenía cuatro grados de calor y cuatro grados de frío respectivamente. Los primeros equipos usados para medir la temperatura fueron llamado Termoscopios. Consistían en un bulbo de vidrio que tiene un largo tubo extendido hacia abajo colocado dentro de un recipiente que contiene agua con colorante (aunque Galileo en 1610 utilizó vino). Algo del aire contenido dentro del bulbo se expulsa, por lo cual el líquido se eleva a través del tubo para tomar su lugar. Como el aire remanente del bulbo se calienta o enfría, el nivel de líquido en el tubo varia reflejo del cambio de la temperatura del aire. Colocando una escala grabada sobre el tubo, se puede medir en forma cuantitativa estas fluctuaciones. El aire dentro del bulbo es referido como medio termométrico, siendo aquel medio cuya propiedad cambia con la temperatura. En 1641 el primer termómetro sellado que usó líquido en vez de aire como medio termométrico fue desarrollado por Ferdinand II, Gran Duque de Toscana. Su termómetro usó un equipo sellado en vidrio dentro del cual había alcohol, con 50 "grados" marcados sobre el tubo pero un "punto fijo" para el cero de la escala no fue utilizado, Estos fueron referidos como termómetros de "espíritu". Robert Hook, párroco de la Sociedad Real, en 1664 usó un tinte rojo en alcohol. Su escala, para la cual todos los grado representaban un igual incremento de volumen equivalente alrededor de 1/500 partes de el volumen del líquido del termómetro, necesitó solo un punto fijo. El seleccionó el punto de congelamiento del agua. Por una escala presentada de esta manera, Hook presentó que un mismo estandar puede ser establecido para termómetros de tamaños diferentes. El termómetro original de Hook quedó conocido como un estándar del Gresham College y fue usado por la Sociedad Real hasta 1709. (El primer registro meteorológico inteligible usó esta escala). En 1702, el astrónomo Ole Roemer de Copenhagen basó su escala en dos puntos fijos: nieve (o hielo comprimido) y el punto de ebullición del agua, y registró la temperatura diaria en Copenhagen desde 1708 a 1709 con su termómetro. Fue en 1724 que Gabriel Fahrenheit usó mercurio como liquido termométrico. La expansión térmica del mercurio es amplia y suavemente uniforme, esto permite que no se adhiera a el vidrio y permanece líquido ante un amplio rango de temperaturas. Su apariencia plateada hace que sea fácil de leer. Fahrenheit describió como calibró la escala de mercurio de su termómetro de la siguiente manera: “Colocando el termómetro en un mezcla de sal de amonio o agua salada, hielo, y agua, un punto sobre la escala pudo ser encontrado el cual llamé cero. Un segundo punto fue obtenido de la misma manera, si la mezcla es usada sin sal. Denotando este punto como 30. Un tercer punto designado como 96 fue obtenido colocando el termómetro en la boca para adquirir el calor del cuerpo humano." (D.G Fahrenheit, Phil. Trans. (London) 33, 78, 1724). Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XXXV Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ Sobre esta escala, Fahrenheit midió el punto de ebullición del agua obteniendo 21 2. Después adjudicó el punto de congelamiento del agua a 32 así que el intervalo entre el punto de congelamiento y ebullición del agua puede ser representado por el número racional 180. Temperaturas medidas sobre esta escala son designadas como grados Fahrenheit (°F). En 1745 Carlos Linneo de Upsala, Suecia, describió una escala en la cual el punto de congelamiento del agua era 100 y el punto de ebullición cero haciendo esto una escala centígrada. Anders Celsius (1701-1744) usó la escala al revés en la cual cero representó el punto de congelamiento y 100 el punto de ebullición del agua, manteniendo los 100 grados entre los dos puntos. En 1948 el término Grado Centígrado fue reemplazado por el de Grados Celsius. Temperaturas medidas sobre una escala centígrada, con el punto de congelamiento del agua como cero, son designadas como grados Celsius (°C). Para convertir de grado Centígrado a Fahrenheit multiplique por 1.8 y sume 3 2. °F=1.8° C+32. (o puede dejar que alguien lo haga por usted) En 1780, J.A. C. Charles, físico francés, presentó que para un mismo incremento de temperatura, todos los gases tienen el mismo aumento de volumen. Porque los coeficientes de expansión de los gases son tal que están muy cerca uno del otro, con esto es posible establecer una escala de temperatura basada en un solo punto fijo en vez de dos, tal como en la Fahrenheit o Celsius. Esto nos lleva a termómetro que usen gas como medio termométrico. En este termómetro de gas a volumen constante el bulbo B que contiene hidrógeno (por ejemplo) bajo un cierta presión ,se conecta con un manómetro de mercurio por medio de un tubo de volumen muy pequeño. (El bulbo B es la porción sensible a la temperatura y debe procurarse que todo sea de mercurio). El nivel de mercurio en C puede adjudicarse al elevarse o no el nivel en el reservorio R. La presión del hidrógeno la cual es "x" varía en relación lineal con la temperatura, es la diferencia entre los niveles D y C más la presión encima de D. P. Chappuis in 1887 dirigió extensos estudios sobre los termómetros de gas con presión constante o con volumen constante usando hidrógeno, nitrógeno y bióxido de carbono como medios termométricos. Basado en estos resultados, el Comite Internacional de Pesos y Medidas adoptó la escala de hidrógeno a volumen constante tomando como puntos fijos el punto de hielo (0° C) y de vapor (100° C) como escala práctica para la meteorología internacional. Experimentos con termómetros de gas han divulgado que es muy pequeña la diferencia en la lectura de temperaturas utilizando diferentes gases. Así es posible, fijar una escala de temperatura que sea independiente del medio termométrico si este es un gas a baja presión. En este caso, todos los gases se comportan como un gas ideal y tienen una relación muy simple entre la presión, temperatura y volumen: pV=(constante)T. Esta temperatura es llamada temperatura termodinámica y es aceptada en la actualidad como medida fundamental de temperatura. Note que hay una definición natural del cero en esta escala; es el punto donde la presión del gas ideal se hace cero, por lo tanto la temperatura es cero. La discusión sobre el cero absoluto se hará posteriormente. En 1933, El Comité Internacional de Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XXXVI Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ Pesos y Medidas adoptó como punto fijo el punto triple del agua, (la temperatura a la cual el agua el hielo, agua líquido y vapor coexisten en equilibrio), este valor es 273,16, la unidad de temperatura de esta escala fue llamada Kelvin, por Lord Kelvin (Williams Thompson) 18241907, y su símbolo es K. (no utiliza grados). Para convertir de Celsius a Kelvin sumo 273,16: K=°C+273,16. Temperatura Termodinámica es la temperatura fundamental, su unidad es el Kelvin la cual se define como una fracción de 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua. Sir William Siemens en 1871 propuso un termómetro donde medio termométrico es un conductor metálico cuya resistencia cambia con la temperatura. El platino no se oxida a altas temperaturas y tiene un cambio relativamente uniforme con la temperatura en un amplio rango. El termómetro de resistencia de platino es ampliamente usado como termómetro termoeléctrico y cubre un rango de temperaturas que va desde -260° C a 1235° C. Algunas temperatura fueron adoptadas como Referencias Primarias tal como las definió la Escala Internacional de Temperaturas Prácticas en 1968. La Escala de Internacional de Temperaturas en 1990 adoptó por el Comité Internacional de Pesos y Medidas los siguientes estándares mantenidos desde 1989. Entre 0,65K y 5,0 K, la temperatura se definió en términos de la presión de vapor (relación de temperaturas del isótopo de Helio). Entre 3,0 K y el punto triple del Neón (24,5561 K) la temperatura se definió por medio de un termómetro de gas (Helio). Entre el punto triple del hidrógeno (13,8033 K) y el punto de congelamiento de la plata (961,78 oC) la temperatura se definió por medio de termómetros de resistencia de platino. Por encima del punto de congelamiento de la plata la temperatura se definió en términos de la Ley de Radiación de Planck T.J. Seebeck en 1826 descubrió que cuando alambres de diferentes metales son fusionados en un terminal y calentados, fluye corriente de uno a otro. La fuerza electromotriz generada puede ser cuantitativamente relacionada con la temperatura y así el sistema puede ser usado como termómetro, conocido como termocouple. La termocouple es usada en la industria y diferentes metales son usados: níquel / aluminio y platino / platino-rodio, por ejemplo. El Instituto Nacional de Estándares y Tecnologías (NIST) mantiene bases de datos para estandarizar termómetros. Para las medidas a muy bajas temperaturas, la susceptibilidad magnética de una sustancia paramagnética es usada como una cantidad física termométrica. Para algunas sustancias, la susceptibilidad magnética varía inversamente con la temperatura. Cristales como (cerrous magnesium nitrate y chromic potassum alum) han sido usados para medir temperaturas por debajo de 0,05 K; estos cristales son calibrados en un rango de helio líquido.Este diagrama y las últimas ilustraciones de este texto fueron tomadas del archivo de imágenes del Laboratorio de Bajas Temperaturas de la Universidad Tecnológica de Helsinki. Para estas temperaturas tanto o más bajas que estas, el termómetro es también usado como mecanismo de enfriamiento. Algunos laboratorios de bajas temperaturas conducen interesantes aplicaciones e investigaciones teóricas sobre como alcanzar la temperatura más baja posible, como trabajarlas y encontrarle aplicaciones. CALIBRADO DE TERMOMETROS. ESCALA CELSIUS DE TEMPERATURA Celsius, eligió como cero de temperatura para su escala la temperatura del hielo en contacto con agua. Las temperaturas inferiores, por lo tanto, serán negativas. Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XXXVII Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ 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 (es el extremo de la columna de mercurio en ese momento) 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 100 ºC. Dividimos la longitud del vidrio entre 0 y 100 en 100 partes iguales. A cada división le corresponde 1 grado centígrado. Con el termómetro de mercurio medimos la temperatura del aire. Este es el dato climatológico más conocido. El termómetro recibe el calor trasmitido por conducción del aire que lo rodea. ¡No debemos exponer el termómetro al Sol para medir la temperatura del aire! No debemos exponer un bulbo del termómetro a los rayos del Sol porque, en este caso, además del calor que recibe del aire recibe la radiación solar y recibe más cuanto mayor sea el bulbo del termómetro. Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XXXVIII Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ No sería correcta la lectura puesto que dos termómetros correctamente calibrados colocados en el mismo sitio y expuestos al Sol no marcan lo mismo: el que tenga el bulbo más grande marca una temperatura mayor. TRANSFERENCIA DE CALOR En física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están en distinto nivel energético. 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. La conducción requiere contacto físico entre los cuerpos que intercambian calor, pero en la radiación no hace falta que los cuerpos estén en contacto ni que haya materia entre ellos. La convección se produce a través del movimiento de un líquido o un gas en contacto con un cuerpo de temperatura diferente. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación. CONDUCCION 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. Fórmulas y leyes El flujo de calor conducido 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). Campo de temperatura: T = T(x;y;z;t) t: tiempo Campo estacionario: T = T(x;y;z) Gradiente térmico: T = ∂T.i /∂x + ∂T.j /∂y + ∂T.k /∂z = ∂T/∂A | n /m.a i,j, k, n: versores La variación de temperatura por unidad de longitud se denomina gradiente de temperatura: ΔT/L. Intensidad de flujo de calor: Φ = ΔQ/ΔA.Δt [J/m ².s] =[watt/m ²] [cal/cm ².h] Flujo: H = ΔQ/Δt [J/s] =[watt] [cal/h] Flujo lineal: H = k.A.ΔT/L [J/s] =[watt] [cal/h] Flujo radial: H = 2.π.k.L.ΔT/ln (r2/r1) [J/s] =[watt] [cal/h] Flujo esférico: H = 4.π.k.r1.r2.ΔT/(r2- r1) [J/s] =[watt] [cal/h] Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XXXIX Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ H: flujo de calor [J/s]. k: conductividad térmica del material [J/s.m.°C]. A: sección de conducción. L: longitud desde el punto de más calor al de menos calor. a) Régimen estacionario: Φ = - λ . T b) Régimen estacionario y flujo en una sola dirección: ΔQ = - λ .ΔA.ΔT.Δt.Δl c) Régimen no estacionario: ²T = ∂T ²/∂x ² + ∂T ²/∂y2 + ∂T2/∂z2 = ∂T/ α .∂t α = λ /ce.Δ Procedimiento general: i - se resuelve (c), obteniendo T. ii - con (a) se calcula Φ . iii - con Φ se calcula H. 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. CONVECCION 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 densidad (masa por unidad de volumen) 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 hidrodinámica. H = h.A.ΔT [J/s] =[watt] [cal/h] H: flujo de calor [J/s]. h: coeficiente de convección [cal/s.cm ².°C]. A: superficie de contacto. 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 Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XL Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ 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. De forma similar, en una cámara vertical llena de gas, como la cámara de aire situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el aire situado junto al panel exterior (que está más frío) desciende, mientras que al aire cercano al panel interior (más caliente) asciende, lo que produce un movimiento de circulación. El calentamiento de una habitación mediante un radiador no depende tanto de la radiación como de las corrientes naturales de convección. Debido a la convección, los radiadores deben colocarse cerca del suelo (y los aparatos de aire acondicionado cerca del techo) para que la eficiencia sea máxima. De la misma forma, la convección natural es responsable del tiraje de las chimeneas. La convección también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde el interior del Sol hasta su superficie. RADIACION 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, o bien que no exista materia entre ellas. 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. H = A.e. σ .T4 [J/s] =[watt] [cal/h] H: flujo de calor [J/s]. A: superficie que emite o recibe. e: poder emisor, número no dimensional, que esta entre 0 y 1. σ : constante de radiación (σ = 5,6699.10-8.W/m ².K4). 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 la había postulado anteriormente Max Planck. La expresión matemática de esta ley, llamada ley 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, el poder emisor de una superficie es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. H = A.e. σ .T4 Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XLI Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ El factor de proporcionalidad (σ) se denomina constante (de radiación) de Stefan-Boltzmann. Según 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 o reflejar la radiación incidente. 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 (superficie negra ideal o cuerpo negro e = 1); las que reflejan mucha radiación y absorben poco son malos emisores (e = 0). 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. 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. El vidrio, por ejemplo, transmite grandes cantidades de radiación ultravioleta, de baja longitud de onda, pero es un mal transmisor de los rayos infrarrojos, de alta longitud de onda. Una consecuencia de la ley de Planck es que la longitud de onda a la que un cuerpo emite la cantidad máxima de energía radiante disminuye con la temperatura. La ley de desplazamiento de Wien, que afirma que la longitud de onda que corresponde a la máxima energía, multiplicada por la temperatura absoluta del cuerpo, es igual a una constante, 2.878 micrómetros-Kelvin. Este hecho, junto con las propiedades de transmisión del vidrio antes mencionadas, explica el calentamiento de los invernaderos. La energía radiante del Sol, máxima en las longitudes de onda visibles, se transmite a través del vidrio y entra en el invernadero. En cambio, la energía emitida por los cuerpos del interior del invernadero, predominantemente de longitudes de onda mayores, correspondientes al infrarrojo, no se transmiten al exterior a través del vidrio. Así, aunque la temperatura del aire en el exterior del invernadero sea baja, la temperatura que hay dentro es mucho más alta porque se produce una considerable transferencia de calor neta hacia su interior. 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. En ingeniería, los procesos de transferencia de calor suelen diseñarse de forma que aprovechen estos fenómenos. Por ejemplo, las cápsulas espaciales que regresan a la atmósfera de la Tierra a velocidades muy altas están dotadas de un escudo térmico que se funde de forma controlada en un proceso llamado ablación para impedir un sobrecalentamiento del interior de la cápsula. La mayoría del calor producido por el rozamiento con la atmósfera se emplea en fundir el escudo térmico y no en aumentar la temperatura de la cápsula. EFECTO INVERNADERO Término que se aplica al papel que desempeña la atmósfera en el calentamiento de la superficie terrestre. La atmósfera es prácticamente transparente a la radiación solar de onda corta, absorbida Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XLII Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ por la superficie de la Tierra. Gran parte de esta radiación se vuelve a emitir hacia el espacio exterior con una longitud de onda correspondiente a los rayos infrarrojos, pero es reflejada de vuelta por gases como el dióxido de carbono, el metano, el óxido nitroso,los halocarbonos y el ozono, presentes en la atmósfera. Este efecto de calentamiento es la base de las teorías relacionadas con el calentamiento global. El contenido en dióxido de carbono de la atmósfera ha venido aumentando un 0,4% cada año como consecuencia del uso de combustibles fósiles como el petróleo, el gas y el carbón; la destrucción de bosques tropicales por el método de cortar y quemar también ha sido un factor relevante que ha influido en el ciclo del carbono. La concentración de otros gases que contribuyen al efecto invernadero, como el metano y los clorofluorocarbonos, está aumentando todavía más rápido. El efecto neto de estos incrementos podría ser un aumento global de la temperatura, estimado en 2 a 6 °C en los próximos 100 años. Un calentamiento de esta magnitud alteraría el clima en todo el mundo, afectaría a las cosechas y haría que el nivel del mar subiera significativamente. De ocurrir esto, millones de personas se verían afectadas por las inundaciones. LA HISTORIA DEL CALOR El Calor fue una incógnita para el hombre durante mucho tiempo donde por supuesto hubo de ser también un dios de la antigüedad. Inicialmente se creía que era algo que estaba dentro de las cosas y así es como al romper una piedra, esta liberaba cierta cantidad de calor. Posteriormente la teoría del Flogisto, propuesta por J. J. Becher en el sigo XVII, y popularizada por Georg Ernst Stahl, donde planteaba el calor de una forma muy particular que al menos explicaba algunos fenómenos: El primero que puso de relieve los errores de la teoría fue Lomonosov quien formuló mucho antes que Lavoisier la obtención de los metales y los principios que regían la combustión. La primera mención del calor como una entidad física definida que puede medirse como una cantidad, fue de un médico escocés llamado James Black (1728-1799). Planteaba el calor como un fluido que llamó "calórico", capaz de penetrar todos los cuerpos materiales aumentando su temperatura. Definió la unidad de calor como la cantidad necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua un grado Farenheit (actualmente caloría=calor capaz de elevar un grado centígrado la temperatura de un gramo de agua). Además de la definición original de "caloría" introdujo la noción de capacidad calorífica y de calor latente. Para Lavoisier (Tratado Elemental de Química, 1789) las moléculas de todos los cuerpos de la naturaleza están en un estado de equilibrio entre la atracción que tiende a aproximarlas y la acción del calórico que tiende a separarlas; según su mayor o menor cantidad de calórico los cuerpos son gases, líquidos o sólidos. El calórico se haría visible en las llamas, formadas en su mayor parte por el calórico desprendiéndose de los cuerpos. Las distintas sustancias presentan distintas solubilidades para el calórico, lo que explicaba la variación del calor específico entre las sustancias. Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XLIII Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ La teoría del calórico fue ampliamente aceptada, e incluso explicaba los experimentos de Joule sobre la equivalencia entre calor y energía, diciendo que al frotar o taladrar un cuerpo se rompen vesículas microscópicas que contienen el calórico que, así se libera produciendo el calor. Pero éste fue el comienzo de la pérdida de adeptos de una teoría que cada vez presentaba más problemas, como la masa nula del calórico. El calor es movimiento, y esta idea se le ocurrió a un soldado profesional, Benjamin Thomson nacido en Massachussetts, y fue desarrollada por experimentos realizados en una fábrica de cañones. En su artículo en London Philosophical Transactions (1799) escribía:"¿Qué es el calor? No puede ser una sustancia material. Me parece difícil, si no absolutamente imposible, imaginarme que el calor sea otra cosa que aquello que en este experimento (perforación del cañón) estaba siendo suministrado continuamente al trozo de metal cuando el calor aparecía, a saber, movimiento." Las ideas de Thomson fueron desarrolladas varias décadas después por el físico alemán Julius Robert Mayer en su artículo "Observaciones sobre las fuerzas de la naturaleza inanimada, publicado en 1842. Mayer dispuso un experimento en una fábrica de papel donde la pulpa contenida en una gran caldera era removida por un mecanismo movido por un caballo. Pero quien, finalmente, llegó a medir el equivalente mecánico del calor por un método parecido fue el inglés James Prescott Joule. Joule estableció que hay una proporcionalidad directa entre el trabajo realizado y el calor producido. En 1843, al anunciar el resultado de sus estudios, escribía: "El trabajo realizado por un peso de una libra que desciende 772 pies en Manchester, elevará la temperatura de una libra de agua en un grado Farenheit". Esta es la cifra que, expresada en estas u otras unidades, se usa ahora universalmente siempre que se ha de traducir la energía térmica en energía mecánica o viceversa. A partir de ahí, en la segunda mitad del siglo XIX, comenzó el estudio de la comprensión de las leyes que permiten transformar la energía mecánica en calorífica y viceversa por científicos tan relevantes como el físico alemán Rudolph Clausius y el inglés Lord Kelvin. Finalmente quedaron establecidas la primera y la segunda ley de la termodinámica, o estudio de la circulación de la energía calorífica y de cómo produce movimiento. CERO ABSOLUTO El cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible. A esta temperatura el nivel de energía del sistema es el más bajo posible, por lo que las partículas, según la mecánica clásica, carecen de movimiento; no obstante, según la mecánica cuántica, el cero absoluto debe tener una energía residual, llamada energía de punto cero, para poder así cumplir el principio de indeterminación de Heisenberg. El cero absoluto sirve de punto de partida tanto para la escala de Kelvin como para la escala de Rankine. Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XLIV Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ Así, 0 K (o lo que es lo mismo, 0 R) corresponden, aproximadamente, a la temperatura de −273,15 °C o −459,67 °F. Según la tercera ley de la termodinámica, el cero absoluto es un límite inalcanzable. La mayor cámara frigorífica actual sólo alcanza los -271 °C. La razón de ello es que las moléculas de la cámara, al llegar a esa temperatura, no tienen energía suficiente para hacer que ésta descienda aún más. La entropía de un cristal ideal puro y perfecto sería cero. Si los átomos que lo componen no forman un cristal perfecto, su entropía debe ser mayor que cero, por lo que la temperatura siempre será superior al cero absoluto y el cristal siempre tendrá imperfecciones inducidas por el movimiento de sus átomos, necesitando un movimiento que lo compense y, por lo tanto, teniendo siempre una imperfección residual. Cabe mencionar que a 0 K absolutamente todas las sustancias se solidificarían y que según el actual modelo del calor, las moléculas perderían toda capacidad de moverse o vibrar. Hasta ahora la temperatura más cercana al cero absoluto ha sido obtenida en laboratorio por científicos del MIT en 2003. Se obtuvo enfriando un gas en un campo magnético hasta medio nanokelvin (5·10−10 K) por encima del cero absoluto. Fenómenos cerca del cero absoluto Condensado de Bose-Einstein en un átomo de rubidio. El color rojo indica una velocidad elevada, y el blanco-azulado una baja velocidad. La imagen de la derecha es la muestra más fría de las tres. Al aproximarse al cero absoluto se pueden producir en algunos materiales ciertos fenómenos, como el Condensado de Bose-Einstein, o algunos superfluidos como el helio II. En 1924, Albert Einstein y el físico indio Satyendranath Bose predijeron la existencia de un fenómeno denominado Condensado de Bose-Einstein. En dicho estado, los bosones se agrupan en el mismo estado cuántico de energía. Este fenómeno se confirmó en 1995, y desde entonces se han investigado muchas de sus propiedades. A temperaturas muy próximas al cero absoluto se pueden formar superfluidos, o incluso frágiles moléculas que no existen a mayores temperaturas para su estudio, entre otros fenómenos. En la actualidad se puede encontrar una aplicación práctica en el acelerador de partículas LHC del CERN. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) alcanza una temperatura de 1,9 K. Los experimentos que se llevarán a cabo en este acelerador de partículas requieren la criogenización de ciertos circuitos para conseguir superconductores. Esto es posible gracias a la combinación de compresores de Helio alimentados con nitrógeno líquido, el cual entra a los circuitos aproximadamente a 80 K (-193,15 °C) para ir bajando de temperatura en su transcurso por el circuito de los 3 compresores. La temperatura más baja alcanzada en el LHC fue de 1,8 K. Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XLV Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ CALOR Y TEMPERATURA: El calor equivale a la energía calorífica que contienen los cuerpos la temperatura es la medida del contenido de calor de un cuerpo. Mediante el contacto de la epidermis con un objeto se perciben sensaciones de frío o de calor, siendo está muy caliente. Los conceptos de calor y frío son totalmente relativos y sólo se pueden establecer con la relación a un cuerpo de referencia como, por ejemplo, la mano del hombre. Lo que se percibe con más precisión es la temperatura del objeto o, más exactamente todavía, la diferencia entre la temperatura del mismo y la de la mano que la toca. Ahora bien, aunque la sensación experimentada sea tanto más intensa cuanto más elevada sea la temperatura, se trata sólo una apreciación muy poco exacta que no puede considerarse como medida de temperatura. Para efectuar esta última se utilizan otras propiedades del calor, como la dilatación, cuyos efectos son susceptibles. La dilatación es, por consiguiente, una primera propiedad térmica de los cuerpos, que permite llegar a la noción de la temperatura. La segunda magnitud fundamental es la cantidad de calor que se supone reciben o ceden los cuerpos al calentarse o al enfriarse, respectivamente. La cantidad de calor que hay que proporcionar a un cuerpo para que su temperatura aumente en un número de unidades determinado es tanto mayor cuanto más elevada es la masa de dicho cuerpo y es proporcional a lo que se denomina calor específico de la sustancia de que está constituido. Cuando se calienta un cuerpo en uno de sus puntos, el calor se propaga a los que son próximos y la diferencia de temperatura entre el punto calentado directamente y otro situado a cierta distancia es tanto menor cuando mejor conducto del calor es dicho cuerpo. Si la conductibilidad térmica de un cuerpo es pequeña, la transmisión del calor se manifiesta por un descenso rápido de la temperatura entre el punto calentado y otro próximo. Así sucede con el vidrio, la porcelana, el caucho, etc. En el caso contrario, por ejemplo con metales como el cobre y la plata, la conductibilidad térmica es muy grande y la disminución de temperatura entre un punto calentado y el otro próximo es muy reducida. Se desprende de lo anterior que el estudio del calor sólo puede hacerse después de haber definido de una manera exacta los dos términos relativos al propio calor, es decir, la temperatura, que se expresa en grados, y la cantidad de calor, que se expresa en calorías. RADIACION Y TEMPERATURA: La superficie terrestre recibe energía proveniente del Sol, en forma de radiación solar emitida en onda corta. A su vez, la Tierra, con su propia atmósfera, refleja alrededor del 55% de la radiación incidente y absorbe el 45% restante, convirtiéndose, ese porcentaje en calor. Por otra parte, la tierra irradia energía, en onda larga, conocida como radiación terrestre. Por lo tanto, el calor ganado de la radiación incidente debe ser igual al calor perdido mediante la radiación terrestre; de otra forma la tierra se iría tornando, progresivamente, más caliente o más Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XLVI Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ fría. Sin embargo, este balance se establece en promedio; pero regional o localmente se producen situaciones de desbalance cuyas consecuencias son las variaciones de temperatura. VARIACIONES DE TEMPERATURA: La cantidad de energía solar recibida, en cualquier región del planeta, varía con la hora del día, con la estación del año y con la latitud. Estas diferencias de radiación originan las variaciones de temperatura. Por otro lado, la temperatura puede variar debido a la distribución de distintos tipos de superficies y en función de la altura. Ejercen influencia sobre la temperatura: La variación diurna, distribución latitudinal, variación estacional, tipos de superficie terrestre y la variación con la altura. Variación diurna: Se define como el cambio en la temperatura, entre el día y la noche, producido por la rotación de la tierra. Variación de la temperatura con la latitud: En este caso se produce una distribución natural de la temperatura sobre la esfera terrestre, debido a que el ángulo de incidencia de los rayos solares varía con la latitud geográfica. Variación estacional: Esta característica de la temperatura se debe al hecho que la Tierra circunda al Sol, en su órbita, una vez al año, dando lugar a las cuatro estaciones: verano, otoño, invierno y primavera. Como se sabe, el eje de rotación de la Tierra está inclinado con respecto al plano de su órbita; entonces el ángulo de incidencia de los rayos solares varía, estacionalmente, en forma diferente para ambos hemisferios. Es decir, el Hemisferio Norte es más cálido que el Hemisferio Sur durante los meses de junio, julio y agosto, porque recibe más energía solar. Recíprocamente, durante los meses de diciembre, enero y febrero, el Hemisferio Sur recibe más energía solar que el similar del Norte y, por lo tanto, se torna más cálido. Variaciones con los tipos de superficie terrestre: La distribución de continentes y océanos produce un efecto muy importante en la variación de temperatura. Al establecerse diferentes capacidades de absorción y emisión de radiación entre tierra y agua (capacidad calorífica), podemos decir que las variaciones de temperatura sobre las áreas de agua experimentan menores amplitudes que sobre las sólidas. Sobre los continentes, se debe resaltar el hecho de que existen diferentes tipos de suelos en cuanto a sus características: desérticos, selváticos, cubiertos de nieve, etc. Tal es así que, por ejemplo, suelos muy húmedos, como pantanos o ciénagas, actúan en forma similar a las superficies de agua, atenuando considerablemente las variaciones de temperatura. Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XLVII Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ También la vegetación espesa tiende a atenuar los cambios de temperatura, debido a que contiene bastante agua, actuando como un aislante para la transferencia de calor entre la Tierra y la atmósfera. Por otro lado, las regiones desérticas o áridas permiten grandes variaciones en la temperatura. Esta influencia climática tiene a su vez su propia variación diurna y estacional. Como ejemplo ilustrativo de este hecho podemos citar que una diferencia entre las temperaturas máximas y mínimas puede ser de 10°C, o menos, sobre agua, o suelos pantanosos o inundados, mientras que diferencias de hasta 40°C, o más, son posibles sobre suelos rocosos o desiertos de arena. En la Meseta Siberiana, al Norte de Asia, la temperatura promedio en julio es de alrededor de 10°C y el promedio en enero alrededor de -40°C; es decir, una amplitud estacional de alrededor de 50°C. El viento es un factor muy importante en la variación de la temperatura. Por ejemplo, en áreas donde los vientos proceden predominantemente de zonas húmedas u oceánicas, la amplitud de temperatura es generalmente pequeña; por otro lado, se observan cambios pronunciados cuando los vientos prevalecientes soplan de regiones áridas, desérticas o continentales. Como caso interesante, se puede citar que en muchas islas, la temperatura permanece aproximadamente constante durante todo el año. Variaciones con la altura: A través de la primera parte de la atmósfera, llamada troposfera, la temperatura decrece normalmente con la altura. Este decrecimiento de la temperatura con la altura recibe la denominación de Gradiente Vertical de Temperatura, definido como un cociente entre la variación de la temperatura y la variación de altura, entre dos niveles. En la troposfera el G.V.T. medio es de aproximadamente 6.5° C / 1000 m. Sin embargo a menudo se registra un aumento de temperatura, con la altura, en determinadas capas de la atmósfera. A este incremento de la temperatura con la altura se la denomina inversión de temperatura. Una inversión de temperatura se puede desarrollar a menudo en las capas de la atmósfera que están en contacto con la superficie terrestre, durante noches despejadas y frías, y en condiciones de calma o de vientos muy suaves. Superada esta capa de inversión térmica, la temperatura comienza a disminuir nuevamente con la altura, restableciéndose las condiciones normales en la troposfera. Puede ocurrir que se produzcan inversiones térmicas, en distintos niveles de altura de la troposfera inferior o media. Esto se debe, fundamentalmente, al ingreso de aire caliente en algunas capas determinadas, debido a la presencia de alguna zona frontal. En términos generales, la temperatura decrece a lo largo de toda la troposfera, hasta alcanzar la región llamada estratosfera (variable con la latitud y la época del año), donde la temperatura no decrece si no que permanece aproximadamente constante o, inclusive, aumenta con la altura. La zona de transición entre la troposfera y la estratosfera recibe el nombre de tropopausa. La temperatura en los gases Para un gas ideal, la teoría cinética de gases utiliza mecánica estadística para relacionar la temperatura con el promedio de la energía total de los átomos en el sistema. Este promedio de la Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XLVIII Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ energía es independiente de la masa de las partículas, lo cual podría parecer contraintuitivo para muchos. El promedio de la energía está relacionado exclusivamente con la temperatura del sistema, sin embargo, cada partícula tiene su propia energía la cual puede o no corresponder con el promedio; la distribución de la energía, (y por lo tanto de las velocidades de las partículas) está dada por la distribución de Maxwell-Boltzmann. La energía de los gases ideales monoatómicos se relaciona con su temperatura por medio de la siguiente expresión: , donde (n= número de moles, R= constante de los gases ideales). En un gas diatómico, la relación es: El cálculo de la energía cinética de objetos más complicados como las moléculas, es más difícil. Se involucran grados de libertad adicionales los cuales deben ser considerados. La segunda ley de la termodinámica establece sin embargo, que dos sistemas al interactuar el uno con el otro adquirirán la misma energía promedio por partícula, y por lo tanto la misma temperatura. En una mezcla de partículas de varias masas distintas, las partículas más masivas se moverán más lentamente que las otras, pero aun así tendrán la misma energía promedio. Un átomo de Neón se mueve relativamente más lento que una molécula de hidrógeno que tenga la misma energía cinética. Una manera análoga de entender esto es notar que por ejemplo, las partículas de polvo suspendidas en un flujo de agua se mueven más lentamente que las partículas de agua. Para ver una ilustración visual de éste hecho vea este enlace. La ley que regula la diferencia en las distribuciones de velocidad de las partículas con respecto a su masa es la ley de los gases ideales. En el caso particular de la atmósfera, los meteorólogos han definido la temperatura atmosférica (tanto la temperatura virtual como la potencial) para facilitar algunos cálculos. Sensación térmica Es importante destacar que la sensación térmica es algo distinto de la temperatura tal como se define en termodinámica. La sensación térmica es el resultado de la forma en que la piel percibe la temperatura de los objetos y/o de su entorno, la cual no refleja fielmente la temperatura real de dichos objetos y/o entorno. La sensación térmica es un poco compleja de medir por distintos motivos: El cuerpo humano mide la temperatura a pesar de que su propia temperatura se mantiene aproximadamente constante (alrededor de 37 °C). Por lo tanto, no alcanza el equilibrio térmico con el ambiente o con los objetos que toca. Las variaciones de calor que se producen en el cuerpo humano generan una diferencia en la sensación térmica, desviándola del valor real de la temperatura. Como resultado, se producen sensaciones de temperatura exageradamente altas o bajas. Entonces el valor cuantitativo de la sensación térmica está dado principalmente por la gradiente de temperatura que se da entre el objeto y la parte del cuerpo que está en contacto directo y/o indirecto con dicho objeto (que está en función de la temperatura inicial, área de contacto, Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya XLIX Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ densidad de los cuerpos, coeficientes termodinámicos de transferencia por conducción, radiación y conveccción, etc). Sin embargo, existen otras técnicas mucho más sencillas que intentan simular la medida de sensación térmica en diferentes condiciones mediante un termómetro: Temperatura seca Se le llama temperatura seca del aire de un entorno (o más sencillamente: temperatura seca) a la temperatura del aire, prescindiendo de la radiación calorífica de los objetos que rodean ese ambiente concreto, y de los efectos de la humedad relativa y de los movimientos de aire. Se puede obtener con el termómetro de mercurio, respecto a cuyo bulbo, reflectante y de color blanco brillante, se puede suponer razonablemente que no absorbe radiación. Temperatura radiante La temperatura radiante tiene en cuenta el calor emitido por radiación de los elementos del entorno. Se toma con un termómetro de bulbo, que tiene el depósito de mercurio encerrado en una esfera o bulbo metálico de color negro, para asemejarlo lo más posible a un cuerpo negro y así absorber la máxima radiación. Para anular en lo posible el efecto de la temperatura del aire, el bulbo negro se aísla en otro bulbo que se fue hecho al vacío. Las medidas se pueden tomar bajo el sol o bajo sombra. En el primer caso se tendrá en cuenta la radiación solar, y se dará una temperatura bastante más elevada. También sirve para dar una idea de la sensación térmica. La temperatura de bulbo negro hace una función parecida, dando la combinación de la temperatura radiante y la ambiental. Temperatura húmeda Temperatura de bulbo húmedo o temperatura húmeda, es la temperatura que da un termómetro bajo sombra, con el bulbo envuelto en una mecha de algodón húmedo bajo una corriente de aire. La corriente de aire se produce mediante un pequeño ventilador o poniendo el termómetro en un molinete y haciéndolo girar. Al evaporarse el agua, absorbe calor rebajando la temperatura, efecto que reflejará el termómetro. Cuanto menor sea la humedad relativa del ambiente, más rápidamente se evaporará el agua que empapa el paño. Este tipo de medición se utiliza para dar una idea de la sensación térmica, o en los psicrómetros para calcular la humedad relativa y la temperatura del punto de rocío. MEDICION DE LA TEMPERATURA DEL AIRE: El instrumento utilizado para medir temperaturas se llama termómetro. Existen varios tipos de termómetros, cuya construcción varia según el uso a que se destinan y su modo de utilización. Todos los termómetros miden la temperatura y sus variaciones aprovechando el efecto producido por el calor sobre un cuerpo. Generalmente se utiliza la dilatación que acompaña a un incremento de calor. La dilatación del mercurio contenido en un tubo cerrado de vidrio, constituye el fundamento del termómetro científico más común. Algunas veces se utiliza alcohol en lugar de mercurio. Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya L Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ En meteorología, las temperaturas que mayormente se miden son las siguientes: Temperatura del aire o ambiente.- es la temperatura del aire registrada en el instante de la lectura. Punto de rocío (Temperatura de punto de rocío)..- es la temperatura a la cuál el aire alcanza la saturación, es decir se condensa. Esta temperatura es medido por medio del Psicrómetro, Instrumento consistente en un termómetro de bulbo seco y uno de bulbo húmedo, que se utiliza para medir el contenido de vapor de agua en el aire. Temperatura Máxima.- es la mayor temperatura registrada en un día, y que se presenta entre las 14:00 y las 16:00 horas. Temperatura Mínima..- es la menor temperatura registrada en un día, y se puede observar en entre las 06:00 y las 08:00 horas. TIPOS DE TERMOMETROS I. TERMÓMETROS DE VIDRIO O TERMÓMETROS DE LÍQUIDO Los termómetros de vidrio o también denominados termómetros de líquido son los más conocidos. Hasta fecha reciente se utilizaban los de mercurio, pero debido a la prohibición de esta substancia por su peligrosidad, han sido substituidos por los de alcohol coloreado. Estos termómetros suelen ser de vidrio sellado. La temperatura se obtiene de ver en una escala marcada en el mismo termómetro hasta que nivel llega el líquido (mercurio o alcohol) que hay en su interior a causa de la dilatación/contracción del mismo debido al cambio de temperatura. La escala para la medición de temperatura más usada suele ser la Celsius (grados centígrados ºC), cuyo nombre viene de su descubridor Anders Celsius (S.XVIII). También se puede visualizar en grados Fahrenheit, inventor del termómetro de mercurio en por éste en 1714 y que viene representada por el símbolo ºF. II. TERMÓMETROS DE RESISTENCIA Los termómetros de resistencia basan la toma de temperatura en un alambre de platino integrado dentro del termómetro. Este alambre va ligado a una resistencia eléctrica que cambia en función de la temperatura. Es un termómetro que es muy lento en la toma de temperatura, pero preciso. Se suele usar para tomar la temperatura del exterior. III. TERMOPAR O PAR TÉRMICO (TERMÓMETROS DE CONTACTO) Se trata de termómetros que miden la temperatura a partir de una resistencia eléctrica que produce un voltaje el cual varía en función de la temperatura de conexión. Es un termómetro de toma la temperatura de forma rápida y se suelen usar en laboratorios. Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya LI Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ IV. TERMÓMETROS SIN CONTACTO O PIRÓMETROS Se trata de lo último en termómetros y la medición de la temperatura se basa en la radiación de calor que desprenden los objetos (cada objeto tiene una emisividad concreta) cuando se calientan. Se denominan también termómetros infrarrojos y se utilizan, entre otras cosas, para medir temperaturas elevadas o de objetos en movimiento o que estén a distancia. La gran ventaja de este tipo de termómetros es que no requieren tocar el objeto y se puede conocer al instante la temperatura en la pantalla digital. V. TERMÓMETROS BIMETÁLICOS Estos termómetros están formados por dos láminas de metales de distintos coeficientes de dilatación. Cuando hay cambio de temperatura, uno de los dos metales se curva antes que el otro y el movimiento se traduce en una aguja que a su vez marca en una escala la temperatura. VI. TERMÓMETROS DE GAS Pueden funcionar a presión contacte o a volumen contante y debido a su tamaño, precio y complejidad sólo se utilizan como termómetros patrón en laboratorios con el objetivo de poder calibrar otros termómetros, ya que es un sistema muy preciso de medición de temperatura. VII. TERMÓMETROS DIGITALES Un circuito electrónico toma la temperatura y la información se envía a un microchip que la procesa y la muestra en una pantalla digital numéricamente. Suelen ser muy comunes para aplicaciones muy diversas en el hogar, medicina, industria... al ser económicos, rápidos, precisos y fáciles de usar. Existen incluso termómetros digitales subacuáticos (sumergibles). ¿Cómo SE PRODUCE EL CALOR? El Universo está hecho de materia y energía. La materia está compuesta de átomos y moléculas (que son grupos de átomos) y la energía hace que los átomos y las moléculas estén en constante movimiento - rotando alrededor de sí mismas, vibrando o chocándose unas con otras. El movimiento de los átomos y moléculas crea una forma de energía llamada calor o energía térmica, que está presente en todo tipo de materia. Incluso en los vacios más fríos de espacio hay materia que posee calor, muy pequeño pero medible. La energía puede presentarse de muy diferentes formas y pude cambiar de una a otra. Muchos tipos de energía pueden convertirse en calor. La energía electromagnética (luz), la electrostática (o eléctrica), la mecánica, la química, la nuclear, el sonido y la térmica, pueden calentar una sustancia haciendo que se incremente la velocidad de sus moléculas. Si ponemos energía en un sistema éste se calienta, si quitamos energía se enfría. Por ejemplo, si estamos fríos podríamos ponernos a saltar para entrar en calor. Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya LII Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ Estos son algunos ejemplos de los diferentes tipos de energía que pueden convertirse en energía térmica (calor). (1) La energía mecánica se convierte en energía térmica siempre que botamos una pelota. Cada vez que la pelota rebota en el suelo parte de la energía de su movimiento (energía cinética) se convierte en calor, haciendo que la pelota cada vez rebote menos. Imagen térmica infrarroja de una pelota de tenis antes (izquierda) y después (derecha) de ser golpeada por la raqueta. (2) La energía térmica puede ser transferida de unos objetos a otros haciendo que se calienten. Cuando calentamos agua en una cazuela, el calor de la estufa hace que las moléculas de la cazuela empiecen a vibrar más deprisa, haciendo que la cazuela se caliente. El calor de la cazuela hace a su vez que las moléculas de agua se muevan más deprisa calentándose. Por lo tanto cuando calentamos algo no estamos más que incrementando la velocidad de sus moléculas. (3) La energía eléctrica se convierte en energía térmica cuando usamos estufas eléctricas, tostadores o bombillas. (4) Nuestros cuerpos convierten a energía química de los alimentos que comemos en calor. (5) La luz del Sol se convierte en calor y hace que la superficie de la Tierra esté caliente. EXTREMOS DE LA TIERRA: EL LUGAR MAS CALIENTE Y EL MAS FRIO El más caliente Sería muy difícil definir cuál es el lugar más caliente de la Tierra, obviando el centro de ésta claro. Sin embargo, existen varios candidatos como por ejemplo el Valle de la Muerte en Estados Unidos cuya temperatura promedio en verano no baja de los 38 grados, o la región de Dallol en Etiopía con una temperatura constante durante todo el año que promedia los 34º centígrados. De todas maneras, existe un lugar muy particular que durante un día se convirtió literalmente en un infierno alcanzando la mayor temperatura alguna vez registrada. El suceso ocurrió en el desierto de El Azizia, Libia, un 13 de Septiembre de 1922 y fue registrado por una estación meteorológica de avanzada mantenida por exploradores europeos en la región. Las cifras fueron tales que marcaron unos Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya LIII Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ 57.8º C dentro de la estación y se calcula que unos 66º C al sol. Debido a que el lugar donde se realizó la medición se encontraba cerca de una extensa fuente de agua, la cual amortiguó el calor, se cree que la temperatura en el desierto pudo superar los 70 grados centígrados. El más frío A diferencia del lugar más caliente el lugar más frío del planeta tiene un campeón insuperable: La Antártica. No obstante, la menor temperatura registrada hasta el momento ocurrió en la estación Vostok un 31 de Julio de 1983 cuando los instrumentos de medición llegaron a marcar unos 89.6 grados bajo cero. El desgarrador frío fue tal que la tripulación de la estación irónicamente debió de encerrarse en los grandes refrigeradores industriales del complejo, ya que las paredes metálicas y aislante térmicos de estos aminoraban el frío externo. Al salir uno de los investigadores encontró con asombro que varios bidones de fluido anticongelante estaban solidificados. DILATACION La experiencia muestra que los sólidos se dilatan cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían. La dilatación y la contracción ocurren en tres (3) dimensiones: largo, ancho y alto. A la variación en las dimensiones de un sólido causada por calentamiento (se dilata) o enfriamiento (se contrae) se denomina Dilatación térmica. La dilatación de los sólidos con el aumento de la temperatura ocurre porque aumenta la energía térmica y esto hace que aumente las vibraciones de los átomos y moléculas que forman el cuerpo, haciendo que pase a posiciones de equilibrio más alejadas que las originales. Este alejamiento mayor de los átomos y de las moléculas del sólido produce su dilatación en todas las direcciones. Dilatación Lineal Es aquella en la que predomina la variación en una (1) dimensión de un cuerpo, es decir: el largo. Ejemplo : dilatación en hilos, cabos y barras. Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya LIV Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ Dilatación Superficial Es aquella en la que predomina la variación en dos (2) dimensiones de un cuerpo, es decir: el largo y el ancho. Dilatación Volumétrica Es aquella en la predomina la variación en tres (3) dimensiones de un cuerpo, es decir: el largo, el ancho y el alto. CALENTAMIENTO GLOBAL: CAUSAS Y CONSECUENCIAS ¿Qué es el calentamiento global? El calentamiento global refiere a un aumento gradual de la temperatura en la atmósfera terrestre y en los océanos registrada en las últimas décadas. Si bien no lo indica el término, suele ser asociado este aumento de la temperatura a las actividades realizadas por el hombre. La producción excesiva de dióxido de Carbono aumenta la existencia de los gases con efecto invernadero que son aquellos que captan los fotones infrarrojos que proviene de la tierra al ser calentada por el sol pero no generan ninguna reacción química, rotan aumentando la temperatura del aire. Una proyección en el tiempo La proyecciones en el tiempo acerca del calentamiento global, si se toma como base las medidas e incrementos actuales son terribles, peligran lo glaciares y los polos, todo eso hielo derretido generaría inundaciones mortales y un desequilibrio ecológico imposible de controlar. La tala Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya LV Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ descontrolada de árboles empeora de manera alarmante la situación. Grandes extensiones de selvas y bosques son desforestadas para el uso de la madera o para liberar la tierra y plantar semillas nocivas como la soja que agotan la tierra en dos cosechas dejándola seca y pedregosa o para usarlas para el pastoreo continúo. Biodiversidad, una responsabilidad de todos Esto implica la pérdida de la biodiversidad del planeta. Es verdad que las grandes empresas y fábricas son muy responsables de esta situación. Más real aun es que si no se refuerzan las políticas ecológicas y las leyes que controlen las causas del calentamiento global, los esfuerzos aislados se perderán. Pero la responsabilidad se extiende de manera individual a cada persona que habita el planeta, por habitarlo y porque aun estamos a tiempo de revertir la situación entre todos. Este plazo de posibilidad conjunta se cerrara en diez años. ¿Cómo colaborar a reducir los efectos de la contaminación en el cambio climático? Hay algunas cosas sencillas que puedes hacer para disminuir el calentamiento global, pues implican directa o indirectamente una menor producción de dióxido de carbono con efecto invernadero. Cambia tus focos de luz por aquellos clasificados como de bajo consumo. Restringe al máximo tu uso de agua y en particular de agua caliente. Recicla tu basura aunque el consejo exacto es producir la menor cantidad de basura posible. No conduzcas, utiliza medios de transporte que no produzcan dióxido de carbono, la bicicleta es una buena opción. Compra papel reciclado y recicla tu papel. Siempre educa respecto a estos temas a niños y también a adultos. Crear conciencia de la realidad y de los efectos de nuestras acciones es la única posibilidad de corregir los efectos nocivos de la actividad humana. No hay razones para no solucionar este problema puesto que contamos con la información y los medios necesarios para hacerlo. CONSERVACION DEL CALOR EN EL OCEANO Los componentes del balance de calor entre el océano y la atmosfera serán: Qs = razón de ganancia a través de la superficie del mar (+). Transmisión de calor por radiación. Qb = razón neta de pérdida por el mar por radiación de onda larga a la atmósfera y al espacio (-). Transmisión de calor por radiación. Qh = razón de ganancia o pérdida a través de la superficie del mar por conducción (+; -). Transmisión de calor por conducción. Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya LVI Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ Qe = razón de ganancia /pérdida a través de la superficie por condensación/evaporación (+;-). Transmisión de calor latente (calor de transformación). Donde se han omitido otras fuentes de calor, por ejemplo, el que aporta el interior de la Tierra y el calor generado por las olas en la rompiente, entre otros. Advección de calor Las corrientes marinas llevan calor (advectan calor). Este medio de transporte de calor es realizado por la divergencia del campo horizontal de velocidad. De tal manera que la ecuación de conservación de calor para una porción del océano, digamos la capa superior, se puede expresar como: Razón de almacenamiento de calor + divergencia del transporte de calor = flujo neto de calor océano-atmósfera. El flujo neto de calor océano-atmósfera (NHF) viene dado por los componentes NHF = Qs - Qb - Qh - Qe Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya LVII Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ BiBliografía LIBRO Transferencia de calor y de masa Física para la ciencia y la tecnología, Vol. 2ª (5ta. Edición) Calor y temperatura AUTOR Cengel, Vunus Paul A. Tipler y Gene Mosca M. D. Zemansky / R. H. Dittman Transmisión del calor Bados / Estrada Transferencia de calor Manrique Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya LVIII Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ NOMBRE: CALOR Y TEMPERATURA ACTIVIDADES 1- Unir según corresponda: CALOR º CELSIUS TEMPERATURA PAPEL QUE DESEMPEÑA LA ATMOSFERA EN EL CALENTAMIENTO DE LA TIERRA EFECTO INVERNADERO ENERGIA RESULTANTE DE DIFERENTES TIPOS DE COMBUSTIONES ESCALA TERMOMETRICA PROPIEDAD FISICA QUE NOS PERMITE MEDIR LA TEMPERATURA 2- Coloca V (verdadero) ó F (falso): a) La escala Kelvin no es una escala termométrica. b) El calor es igual a la temperatura. c) La conducción es el único modo de transferencia de calor en los sólidos. d) El efecto invernadero es el papel que desempeña la atmosfera en el enfriamiento de la superficie terrestre. Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya LIX Alumnos: TASSO ANDREA, CAMPOS MELISA, CAMAÑO CECILIA, GONZALEZ GISELA Div.: 2do. “B” – CENS 452 _____________________________________________________________________________________________ NOMBRE: CALOR Y TEMPERATURA Cuestionario: 1- ¿Qué es calor? 2- ¿A que se denomina temperatura? 3- ¿Cuál es la diferencia entre calor y temperatura? 4- ¿Cuáles son las tres escalas termométricas más conocidas? 5- ¿Mediante que procesos se transfiere el calor? 6- ¿Qué es el Efecto invernadero? Trabajo Práctico de Física – CALOR Y TEMPERATURA Profesor Juan Carlos Serruya LX
