capitulo11-Calor

CALOR

Capítulo11

TERMOMETRÍATERMOMETRÍATERMOMETRÍATERMOMETRÍATERMOMETRÍA

TEMPERATURA

Es una magnitud escalar que mide el grado de agitación molecular deun cuerpo.

TermómetroEs aquel instrumento que sirve para indicar la temperatura de un cuerpo.Este aparato está basado en el fenómeno de la dilatación que produceel calor en la sustancia encerrada en un tubo de vidrio (mercurio, alco-hol, gas, etc).

ESCALAS TERMOMÉTRICAS

Para poder medir las diferentes temperaturas esnecesario establecer una serie de referencias,cuyo conjunto constituye la escala termométrica.Así para disponer de una escala práctica y fácilde verificar en cualquier aparato destinado amedir temperatura, se eligen dos puntos fijosque se obtienen al establecerse los estados deequilibrios térmico en condiciones rigurosamen-te controladas; luego se divide en intervalo cadauno de los cuales recibe el nombre de grado.En la actualidad se usan con mayor frecuencialas escalas termométricas propuestas por los físicos: Celsius (1 701-1 744),Fahrenheit (1 686 – 1 736) y Kelvin (1 824 – 1 907).

Las moléculas de agua se mueven rápidamente, lue-go su temperatura será alta.

Las moléculas de agua se mueven lentamente, luegosu temperatura será baja.

Termómetro de mercurio

Jorge Mendoza Dueñas244

A) Escala Celsius (Centígrada)Para construir esta escala se toman dos pun-tos fijos: Uno que es el punto de fusión delhielo a una atmósfera y el otro, el punto deebullición del agua a una atmósfera. A estospuntos se le atribuyen las temperaturas de 0 °Cy 100 °C, respectivamente. Enseguida se divideel intervalo entre los dos puntos en pequeñosintervalos de 1 °C (1 grado centígrado).La graduación del termómetro podrá tam-bién extenderse por debajo de 0 °C y por en-cima de 100 °C.

B) Escala FahrenheitPara construir esta escala se toma dos pun-tos fijos: Uno que es el punto de fusión de unamezcla de NaCl, NH4Cl y el hielo fundente; yel otro, la temperatura normal del cuerpohumano, a las cuales se atribuyen las tempe-raturas de 0 °F y 100 °F, respectivamente. Enesta escala, el termómetro marca 32 gradosFahrenheit (32 °F) en la fusión del hielo y 212 °Fen la ebullición del agua; intervalo que con-tiene 180 partes iguales o grados “F”.

Relación entre “C” y “F”:

C F

100

32

180= −

C F

5

32

9= −

C) Escala KelvinSe sabe que la temperatura no tiene un límitesuperior, pero si uno inferior. Métodos moder-nos de la Física de bajas temperaturas han con-seguido bajar la temperatura de un cuerpo,máximo a la vecindad de -273 °C; pero no seha conseguido llegar hasta ella, ni bajar más.La temperatura de -273 °C se denomina CeroAbsoluto y un gran Físico del siglo XIX, llama-do Kelvin, propuso la construcción de una es-cala termométrica cuyo cero fuese el cero ab-soluto y cuyos intervalos de 1 grado fueraniguales a las de la escala Celsius. A esta escalase le da el nombre de escala Kelvin o escalaAbsoluta.

Relación entre “C” y “K”:

Determinación de Altas Temperaturas

K C= +273

El termómetro de mercurio no puede utilizarsepara temperaturas superiores a 350 °C porquehierve a 360 °C; pero se fabrican tipos con en-voltura de cuarzo y atmósfera de nitrógeno quepermiten utilizar el mercurio para medir hasta750 °C.Los instrumentos destinados a medir altas tem-peraturas se designan generalmente con el nom-bre de pirómetros.

100 °C 212 °F

C F

0 °C 32 °F

K

273 K

0 K

C

0 °C

-273 °C

Calor 245

DILADILADILADILADILATTTTTACIÓNACIÓNACIÓNACIÓNACIÓN

ConceptoEs aquel fenómeno físico que consiste en el cam-bio de dimensiones que experimenta un cuerpocuando aumenta o disminuye la temperatura.Esto es debido a lo siguiente: cuando la tempe-ratura aumenta, las moléculas de un cuerpo semueven con mayor intensidad y tratarán de ocu-par el mayor volumen posible, el cuerpo cederáy se dilatará.El estudiante deberá tener en cuenta que todo cuer-po al dilatarse lo hace en sus tres dimensiones; sinembargo, a veces puede interesarnos la variaciónde su longitud solamente, como el caso de los alam-bres; o quizás la variación de una superficie, (casode una pizarra).

Ilustración

En el presente capítulo estudiaremos las tres cla-ses de dilataciones.

DILATACIÓN LINEAL

Es aquella dilatación que aparece en cuerpos enque se hace notoria la longitud, esto no significaque sus demás dimensiones no se dilatan, ¡si se di-latan!; pero en mínima escala.

L L Tf o= + ⋅1 α ∆b g

Lf : longitud final

Lo : longitud inicial

∆T = Tf – To : variación de temperatura

α : coeficiente de dilatación lineal (°C−1)

DILATACIÓN SUPERFICIAL

Es el aumento superficial que experimenta un cuer-po al ser calentado.

Sf : superficie final

So : superficie inicial


β : coeficiente de dilatación superficial (°C−1)

DILATACIÓN VOLUMÉTRICA

El volumen de un cuerpo aumenta cuando éste secalienta. Este aumento de volumen recibe el nom-bre de dilatación volumétrica o cúbica.

S S Tf o= + ⋅1 β ∆b g

Ilustración

Ilustración

Vf : volumen final

Vo : volumen inicial


γ : coeficiente de dilatación volumétrica (°C−1)

V V Tf o= + ⋅1 γ ∆b g

T T2 1>Temperatura T1 Temperatura T2


OBJETIVO

Ilustración

OBSERVACIÓN

Los coeficientes de dilatación dependen deltipo de material, además:

γ = 3 αβ = 2 α

Sustancia ααααα (°C−−−−−1)

Plomo 29×10−6

Zinc 26×10−6

Aluminio 23×10−6

Latón 18×10−6

Cobre 17×10−6

Acero 11×10−6

Vidrio (común) 9×10−6

Vidrio (pirex) 3,2×10−6

Diamante 0,9×10−6

Sustancia γγγγγ (°C−−−−−1)

Aire 36,0×10−4

Eter 16,0×10−4

Alcohol 11,0×10−4

Petróleo 9,20×10−4

Glicerina 5,0×10−4

Mercurio 1,82×10−4

Agua 1,80×10−4

Coeficientes de dilatación lineal de sólidos

Coeficientes de dilatación volumétrica de fluídos

EXPERIENCIA: DILATACIÓN DELOS SÓLIDOS

MATERIAL A EMPLEARSE

− Un soporte.− Un anillo metálico.− Una bola de acero cuyo diámetro sea igual al

diámetro interior del anillo.− Un mechero.

Demostrar que los sólidos se dilatan por efectode un incremento en su temperatura.

NÚMERO DE ALUMNOS: Dos

PROCEDIMIENTO:

1.- Colocar el anillo en la posición mostrada, (fig. a).

2.- Introducir la bola de acero con ayuda de unacuerda, (fig. b).

3.- Extraer la bola y calentarlo en el mechero.

4.- Tratar de introducir nuevamente al anillo conayuda de la cuerda.

PREGUNTAS

1.- La bola caliente. ¿Se introduce en el anillo?Sí-No. ¿Porqué?

2.- ¿Qué se dilató, el anillo o la bola? ¿Por qué?

3.- ¿Qué pasaría si la bola fría, se trata de intro-ducir en el anillo caliente? Inténtelo.

fig. a fig. b

Calor 247

ConceptoEs una parte de la física que se encarga de realizarlas mediciones referentes al calor.

CALORCALORCALORCALORCALOR

Es una magnitud escalar que mide el “paso de ener-gía” (energía en tránsito) de un cuerpo a otro, ex-clusivamente por diferencia de temperatura.

CALORIMETRÍACALORIMETRÍACALORIMETRÍACALORIMETRÍACALORIMETRÍA

Unidad de Calor en el S.I.:

Unidades Tradicionales del Calor:

Joule (J)

Caloría – gramo (cal).- Se define así a la cantidadde calor que se le debe suministrar a un gramo deagua para que aumente su temperatura en 1 °C(14,5 °C a 15,5 °C).

Kilocaloría (kcal).- Se define así a la cantidad de ca-lor que se le debe suministrar a 1 kg de agua para quesu temperatura aumente en 1 °C (14,5 °C a 15,5 °C).

Brittish Thermal Unit (B.T.U.).- Se define así a lacantidad de calor que se le debe adicionar a unalibra de agua para que su temperatura aumente en1 °F (63 °F a 64 °F).

Equivalencias

1 kcal = 1 000 cal1 B.T.U. = 252 cal

PROPAGACIÓN DEL CALOR

La transmisión de calor se efectúa mediante tresmecanismos.

A) Conducción.- Es la transferencia de calor a tra-vés de un cuerpo sin transporte de materia, estose debe a que la energía cinética de las molécu-las del extremo caliente, transmite por choquesa las moléculas vecinas y así sucesivamente.Algunos cuerpos buenos conductores condu-cen bien el calor, en tanto que otros, llamadosmalos conductores o aislantes lo conducenmal (los metales son buenos conductores; lamadera, el carbón y el azufre son malosconductores).

T Cf = °15 5,

T Co = °14 5,

T Cf = °15 5,

T Co = °14 5,

T Ff = °64

T Fo = °63

Cuando tocamos con la mano un pedazo de hierro y un pedazo de madera,que según el termómetro tiene la misma temperatura, sentimos como si el hie-rro estuviese más caliente. La diferencia notada se debe a la rapidez con que elhierro conduce el calor a nuestra mano.

B) Convección.- Sólo se efectúa en los fluídos(líquidos y/o gases); consiste en la transferen-cia de calor de un lugar a otro por transportede masa caliente.

agua

¡Ay!


c) Radiación.- Todo cuerpo cuya temperaturasea mayor al cero absoluto, emite radiacióntérmica que viene ser infrarroja, semejantesa las ondas luminosas; se propagan en línearecta y con una velocidad en el vacío de300 000 km/s (también se propagan en cuer-pos transparentes). Cuando inciden sobre uncuerpo opaco, estas absorben la energíatransportada y se transforma en calor:

Las masas de agua del fondoson las primeras en calentarse;ahora como su densidad dismi-nuye, estas se desplazan haciaarriba y su lugar es reemplaza-do por otra masa fría, este pro-ceso se repite por ciclos.

El sistema de calefacción de las casas serealizan utilizando el sistema deconvección.

La persona absorbe el calor de lafogata, en su mayor parte por ra-diación.

CAPCAPCAPCAPCAPACIDAD TÉRMICAACIDAD TÉRMICAACIDAD TÉRMICAACIDAD TÉRMICAACIDAD TÉRMICAO CALORÍFICA (O CALORÍFICA (O CALORÍFICA (O CALORÍFICA (O CALORÍFICA (C)))))

Es una característica de cada cuerpo, es decir quediferentes trozos de un mismo material pueden te-ner diferentes “C”. La capacidad térmica se mide porla cantidad de calor comunicado al cuerpo para au-mentar su temperatura en un grado, (por la escalaelegida de temperatura).

CALOR ESPECÍFICO (CALOR ESPECÍFICO (CALOR ESPECÍFICO (CALOR ESPECÍFICO (CALOR ESPECÍFICO (Ce)))))

Es aquella magnitud escalar que indica la cantidadde calor que debe suministrarse a la “Unidad demasa” de una sustancia para que su temperaturase incremente en un grado, (escogido).El calor específico, es una característica de cadamaterial.

CQ

T=

∆

Pero la fórmula que más se empleará es:

Unidad de Calor Específico en el S.I.:

Unidades Tradicionales:

CeQ

m T=

∆

Q Ce m T= ∆

Q = calor entregado o calor perdido

Ce = calor específico del cuerpo


m = masa del cuerpo

Joule

kg C°

Equivalencias:

cal

g C

kcal

kg C

B T U

lb F° ° °, ,

. . .

1 1 1kcal

kg C

cal

g C

B T U

lb F°=

°=

°. . .

Sustancia Ce (cal/g °C)

Hielo 0,5

Agua 1,0

Vapor de agua 0,5

Aluminio 0,217

Cobre 0,093

Vidrio 0,199

Hierro 0,113

Plomo 0,031

Mercurio 0,033

Plata 0,056

Tabla de calores específicos:

La Tierra recibe el calor del Sol por ra-diación, pero sólo la porción expues-ta al Sol.

Calor 249

EQUILIBRIO TÉRMICOEQUILIBRIO TÉRMICOEQUILIBRIO TÉRMICOEQUILIBRIO TÉRMICOEQUILIBRIO TÉRMICO

El mecanismo de transferencia de calor podrá en-tenderse del modo siguiente:

El cuerpo a temperatura más alta tiene mayor ener-gía de vibración en sus partículas atómicas, cuandose coloca en contacto con el cuerpo más frío quetiene una energía de agitación menor; las partículasdel cuerpo caliente entregan energía a las del cuer-po frío, que pasan a tener mayor agitación, produ-ciendo un aumento de temperatura de este cuerpoy un descenso en la del cuerpo caliente. Se produjouna transferencia de energía y después un paso decalor del cuerpo caliente hacia el cuerpo frío. Cuan-do las dos temperaturas se igualan, las moléculas delos cuerpos tienen, en promedio, la misma energíade agitación. Pueden existir en cada cuerpo, indivi-dualmente, partículas con energía de agitación di-versa; pero en promedio, la energía es la misma paralos dos cuerpos.

Si tomamos dos cuerpos a diferentes temperatu-ras y los colocamos en un ambiente aislado, seobserva que uno de ellos se calienta, mientras queel otro se enfría, hasta que al final los dos cuerposquedan a la misma temperatura, llamada tempe-ratura de equilibrio.

Supongamos:

CALORÍMETRO

Es aquel recipiente térmicamente aislado que seutiliza para determinar el calor específico de unsólido o líquido cualquiera; para ello se sigue el si-guiente procedimiento:

A) El cuerpo cuyo calor específico se desea calcular se ca-lienta hasta una temperatura superior a la del calorí-metro y el líquido que contiene.

B) El cuerpo así calentado se sumerge en el líquido quecontiene el calorímetro, de manera que el líquido y elcalorímetro se calientan mientras que el cuerpo sumer-gido se enfría. Al final todo el sistema queda a una solatemperatura, llamada Temperatura de Equilibrio. Si sedesprecia las pérdidas de calor con el medio ambiente,se puede decir entonces que el calor perdido por elcuerpo caliente es igual al calor ganado por el

calorímetro y líquido contenido en él.

Las moléculas de mayor temperatu-ra, empujarán a las de menor tempe-ratura y harán que éstas se muevanmás rápido, sin embargo para esto, lasmoléculas (80 °C) perderán energía ybajarán la rapidez de su movimiento.

Finalmente todo el sistema tendrá unmovimiento promedio (energía pro-medio), es decir habrá ocurrido elEquilibro Térmico.

Ilustración

Q Qganado perdido=

EQUIVEQUIVEQUIVEQUIVEQUIVALENTE MECÁNICO DE CALORALENTE MECÁNICO DE CALORALENTE MECÁNICO DE CALORALENTE MECÁNICO DE CALORALENTE MECÁNICO DE CALOR

Es aquel valor que nos indica la relación existenteentre la energía mecánica y la energía calorífica.

W J Q= ⋅

J = equivalente mecánico de calorQ = calor ganadoW = energía perdida

Valores “J”: J = 4,186 Joule/calJ = 427 kg – m / kcalJ = 778 lb – pie/B.T.U.

Las moléculas de agua se muevenmás rápido, tienen mayor energía devibración.

Las moléculas de agua se muevenmás lento, tienen menor energía devibración.

Veamos lo que pasa cuando se mez-clan. Un cuerpo de mayor tempera-tura con otro de menor temperatura.

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA TEMPERATURA DE EQUILIBRIO


CAMBIO DE ESTCAMBIO DE ESTCAMBIO DE ESTCAMBIO DE ESTCAMBIO DE ESTADO DE UNA SUSTADO DE UNA SUSTADO DE UNA SUSTADO DE UNA SUSTADO DE UNA SUSTANCIAANCIAANCIAANCIAANCIA

Si a un cuerpo que está a una determinada tem-peratura en estado sólido se le calienta progre-sivamente, se puede observar que, al llegar a unapresión y temperatura determinada, se convier-te gradualmente en un líquido. Si se continúacalentando ese líquido, llega un momento enque se convierte gradualmente en vapor.

Se llama cambio de estado, al fenómeno queconsiste en el paso de un estado cualquieraa otro, por adición o sustracción de calor.

Todo cambio de estado se realiza a una temperatu-ra y presión constante y depende de cada sustancia.Así tenemos que el hielo se convierte en líquido a0 °C y 1 atmósfera de presión, y el agua se convierteen vapor a 100 °C y 1 atmósfera de presión. Para otrocuerpo estos valores son diferentes. Cuando un cuer-po cambia de estado, adquiere otras propiedadesque le son inherentes a su nuevo estado.En el aspecto macroscópico podemos distinguirtres estados de la materia: El sólido, el líquido yel gaseoso.

Ilustración

Recientemente se estudió un cuarto estado deno-minado “Plasma”. El plasma es un gas cuyos consti-tuyentes están cargados eléctricamente oionizados. Su comportamiento depende mucho dela presencia de fuerzas eléctricas y magnéticas.Como la mayor parte de la materia del Universoexiste en forma de plasma, varios investigadores enel campo de la Física Moderna se han dedicado asu estudio.

CALOR LACALOR LACALOR LACALOR LACALOR LATENTE (TENTE (TENTE (TENTE (TENTE (L)))))

Es la cantidad de calor que se le debe adicionar oquitar a la unidad de masa de una sustancia, paraque cambie de estado. La cantidad de calor absor-bida o emitida durante el cambio de estado se usapara realizar dicho fenómeno; esto es, para quebraro unir la ligazón o separación respectiva, entre losátomos o moléculas del cuerpo. Sin producir porlo tanto, una elevación o disminución de la tempe-ratura. Resumiendo: En un cambio de estado, latemperatura permanece constante.

Existen dos tipos de calor latente:

A) Calor Latente de Fusión (Lf)Es la cantidad de calor que se le debe sumi-nistrar o quitar a la unidad de masa de unasustancia, que está en condiciones de cam-biar de estado, para que pase del estado sóli-do al líquido o viceversa. Así, el plomo se fun-de a 327 °C y a la presión de 1 atm, y el hieloque está a O °C y a 1 atm se necesita adicio-narle 80 calorías, para derretir un gramo.

Q m Lf= ⋅

o En el caso de agua:

Lf = 80 cal/g

ó Lf = 144 B.T.U. / lb

o Para una masa “m”:

Calor 251

B) Calor latente de Vaporización (Lv)Es la cantidad de calor que se le debe adicio-nar o quitar a la unidad de masa de una sus-tancia, que está en condiciones de cambiarde estado, para que pase del estado líquidoal estado gaseoso o viceversa. Así tenemosque si el agua está a 100 °C y 1 atmósfera depresión, entonces para que pase a vapor deagua un gramo de este líquido se necesita adi-cionarle una cantidad de 540 calorías.

o En el caso de agua:

Lv = 540 cal/g

ó Lv = 970 B.T.U. / lb

o Para una masa “m”:

Q m Lv= ⋅

OBSERVACIONES

El estudiante debe darse cuenta que ya conoce-mos dos fórmulas para calcular el calor:

− La primera fórmula se aplica cuando la tem-peratura varía.

− La segunda fórmula se aplica cuando hay uncambio de estado; recuerde que “L” es el calorlatente, puede ser de fusión o de vaporización,según sea el caso.

Q Ce m T= ∆ Q m L= ⋅

1 g1 atm + 80 cal =

1 g1 atm

1 g1 atm- 80 cal =

1 g1 atm

1 g1 atm

1 g1 atm

+ 540 cal =

vapor de agua 100 °C vapor de agua 100 °C


TESTTESTTESTTESTTEST

1.- El agua que obtiene calor de vaporización está:

a) En ebullición.b) En congelación.c) En calentamiento.d) En enfriamiento.e) Reposo.

2.- Para transformar el vapor a agua, ésta debe:

a) Evaporarse.b) Condensarse.c) Ganar calor.d) Congelarse.e) Fusionarse.

3.- ¿Cuál de las siguientes, es la temperatura de congela-ción del agua?

a) –273 °Cb) 0 °Fc) 32 °Cd) 32 °Fe) 100 °C

4.- La temperatura de ebullición del agua, es la tempera-tura a la que:

a) Obtiene calor de fusión.b) Pierde calor de vaporización.c) Obtiene calor de vaporización.d) Pierde calor de fusión.e) No se puede predecir.

5.- Si una muestra de agua está hirviendo, y la tempera-tura que indica el termómetro no es su punto de ebu-llición, puede deberse a:

a) Una presión atmosférica aumentada.b) Un termómetro defectuoso.c) Agua impura.d) Las 3 razones anteriores.e) Un mal día.

6.- El calor se transfiere más fácilmente por conduccióna través de:

a) Metales.b) Líquidos.c) Gases.d) Espacio.e) Madera.

7.- El calor se transfiere en un cuarto debido principal-mente a:

a) La convección.b) El intercambio de calor.c) La conducción.d) La absorción.e) La radiación.

8.- El calor produce corriente de convección en:

a) Sólidos y líquidos.b) Líquido y gases.c) Varios y gases.d) Líquidos y varios.e) Sólo sólidos.

9.- ¿Cuál de los siguientes, es el peor conductor de calor?

a) Cobre.b) Hierro.c) Agua.d) Plata.e) Oro.

10.- Un aparato utilizado para medir la energía térmica sellama:

a) Termómetro.b) Máquina térmica.c) Calorímetro.d) Caloría.e) Mechero.

Calor 253Ciencia y Tecnología 253

La Tierra - fuente de calorLa Tierra - fuente de calorLa Tierra - fuente de calorLa Tierra - fuente de calorLa Tierra - fuente de calor

La Tierra es internamente una gran fuen-te de energía calorífica, en promediopor cada 100 metros de profundidadhay un aumento de 3 °C; así tenemosque a 6 km de profundidad la tempe-ratura supera los 2 000 °C.

Ejemplo típicos de este fenómeno son los volcanes, los lagostermales y la centrales geotérmicas en donde el vapor de aguaproveniente del subsuelo llega a una turbina térmica transformandoasí el calor en energía eléctrica.

El agua hierveEl agua hierveEl agua hierveEl agua hierveEl agua hierve

Todos sabemos que el agua hierve cuandoalcanza una temperatura de 100 °C, siem-pre y cuando la presión sea de 1 atmósfera;veamos que sucede cuando aumentamos lapresión del agua (haciendo uso de una ollaa presión), si en una de estas ollas se consigue aumentar la presión a dos atmósferas (1 520 mmHg), el agua,cuando alcance los 100 °C de temperatura seguirá siendo líquido y cambiará al estado gaseoso cuando sutemperatura llegue a 121 °C y es que, a mayor presión se necesita mayor temperatura para que el líquidohierva, mientras que a menor presión se necesitará menor temperatura para el mismo efecto.Es por ello que en la sierra (por ejemplo donde la altitud es3 160 m) cuando la presión es 526 mmHg el agua hierve a 90 °C yes por esta razón que los alimentos no consiguen cocinarse comple-tamente ya que el agua no es tan caliente cuando hierve.

Dilatación térmicaDilatación térmicaDilatación térmicaDilatación térmicaDilatación térmica

Cuando se construye un edificio hay que tener en cuenta la dilatacióntérmica. Si el edificio se calienta pero carece de espacio para dilatarsesurgen fuerzas internas que hacen fisurar la estructura, en tal sentidoes conveniente utilizar una junta.

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