CALOR Y TEMPERATURA, SON LO MISMO?

Transcripción

1 CALOR Y TEMPERATURA, SON LO MISMO? Los términos de calor y temperatura se emplean con mucha frecuencia en nuestra vida cotidiana, pero qué significan? Suponiendo que hiciéramos el experimento, que está en la figura. Como te habrás percatado estamos hablando de dos magnitudes físicas: la temperatura y el calor, con las cuales has interactuado en la actividad experimental; por ello es muy importante que distingas la diferencia entre dichas magnitudes. En la vida cotidiana se dice que se tiene calor cuando uno está expuesto a la radiación solar o una temperatura alta del medioambiente. Sin embargo, en la física calor tiene un significado diferente. Cuando se mezcla un litro de agua hirviendo con otro litro de agua a la temperatura ambiente se observa que el agua adquiere una temperatura intermedia, entre la ebullición del agua y la del ambiente. De esta experiencia concluimos que, entre dos cuerpos con diferentes temperaturas que entran en contacto térmico, la temperatura del cuerpo más caliente disminuye y la temperatura del cuerpo más frío aumenta. Si se dejan en contacto durante cierto tiempo, alcanzan una temperatura común de equilibrio cuyo valor está comprendido entre las temperaturas iniciales. Cuando ocurre dicho proceso, se dice que se transfirió energía en forma de calor del cuerpo más caliente al cuerpo más frío. Esto se debe a que las partículas del cuerpo más caliente tienen más energía cinética, más agitación que las del segundo; al ponerlos en contacto, las partículas del primero golpean sobre las del segundo y aumentan el movimiento de éstas. Aumentándose así la temperatura del segundo y disminuyéndose la temperatura del primero El término calor sólo debe usarse cuando se describe la energía que se transmite de un cuerpo a otro como consecuencia de las diferencias de temperatura entre dichos cuerpos. Es decir, el calor es la energía que fluye del cuerpo a cierta temperatura a otro de temperatura menor. No debemos confundir los conceptos de calor y temperatura. Por experiencia sabemos que están relacionados; sin embargo, no se refieren al mismo fenómeno. La temperatura de la flama de un cerillo es mucho mayor que la de un radiador de calor, pero no es capaz de proporcionar el calor que requiere una habitación en

2 se transforma. tiempos fríos y que sí puede proporcionar el radiador. Para diferenciar con mayor precisión los conceptos de calor y temperatura tenemos que revisar lo que sucede en los cuerpos a nivel molecular. Las partículas o moléculas que componen un material no están quietas, sino que se mueven constantemente; debido a esto, tienen energía cinética, además de la energía potencial que poseen por las posiciones que ocupan. A la suma de estas energías (cinética y potencial, relacionadas con el movimiento y las disposiciones aleatorias de sus moléculas) se le llama energía interna. La parte de esta energía que se debe a la agitación de sus moléculas es la energía térmica del cuerpo. En otras palabras, la energía térmica es la parte de la energía interna que cambia cuando cambia la temperatura del sistema. Por eso afirmamos que cuando un material está caliente tiene más energía térmica que cuando está frío. Si el sistema produce un trabajo, el aumento en su energía interna no es tan grande. Pero cuando no lo realiza, todo el calor se convierte en energía interna. Es decir: La energía no se crea ni se destruye, sólo Cuando se produce una transferencia de Calor, se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se puede transferir mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden ocurrir al mismo tiempo, puede suceder que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se trasmite 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. CONDUCCIÓN TÉRMICA La conducción es una transferencia de calor entre los cuerpos sólidos. Si una persona sostiene uno de los extremos de una barra metálica, y pone en contacto el otro extremo con la llama de una vela, de forma que aumente su temperatura, el calor se trasmitirá hasta el extremo más frío por conducción. Los átomos o moléculas del extremo calentado por la llama, adquieren una mayor energía de agitación, la cual se trasmite de un átomo a otro, sin que estas partículas sufran ningún cambio de posición, aumentando entonces, la temperatura de esta región. Este proceso continúa a lo largo de la barra y

3 después de cierto tiempo, la persona que sostiene el otro extremo percibirá una elevación de temperatura en ese lugar. Existen conductores térmicos, como los metales, que son buenos conductores del calor, mientras que existen sustancias, como plumavit, corcho, aire, madera, hielo, lana, papel, etc., que son malos conductores térmicos (aislantes). CONVECCIÓN TÉRMICA 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. Cuando un recipiente con agua se calienta, la capa de agua que está en el fondo recibe mayor calor (por el calor que se ha trasmitido por conducción a través de la cacerola); esto provoca que el volumen aumente y, por lo tanto, disminuya su densidad, provocando que esta capa de agua caliente se desplace hacia la parte superior del recipiente y parte del agua más fría baje hacia el fondo. El proceso prosigue, con una circulación continua de masas de agua más caliente hacia arriba, y de masas de agua más fría hacia abajo, movimientos que se denominan corrientes de convección. Así, el calor que se trasmite por conducción a las capas inferiores, se va distribuyendo por convección a toda la masa del líquido. La transferencia de calor en los gases y líquidos puede efectuarse por conducción. El proceso de convección es el respon-

4 sable de la mayor parte del calor que se trasmite a través de los fluidos. El calentamiento de una habitación mediante una estufa no depende tanto de la radiación como de las corrientes naturales de convección, que hacen que el aire caliente suba hacia el techo y el aire frío del resto de la habitación se dirija hacia la estufa. Debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, las estufas 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 de la ascensión del agua caliente y el vapor en las calderas de convección natural, y del tiro 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. RADIACIÓN TÉRMICA 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. Los procesos de convección y de conducción sólo pueden ocurrir cuando hay un medio material a través del cual se pueda transferir el calor, mientras que la radiación puede ocurrir en el vacío. Si se tiene un cuerpo caliente en el interior de una campana de vidrio sin aire, y se coloca un termómetro en el exterior de la campana, se observará una elevación de la temperatura, lo cual indica que existe una trasmisión de calor a través del vacío que hay entre el cuerpo caliente y el exterior. Escala Celsius: La temperatura se expresa en ºC (grados Celsius). Las temperaturas de referencia son: la temperatura de fusión del hielo, a la que se asigna el cero (0 ºC) y la temperatura de ebullición del agua, a la que se asigna el valor cien (100 ºC). Escala Fahrenheit. La temperatura se expresa en ºF (grados Fahrenheit). Las temperaturas de referencia son: la temperatura de fusión del hielo, a la que se asigna el treinta y dos (32 ºF) y la temperatura de ebullición del agua, a la que se asigna el valor doscientos doce (212 ºF). La temperatura Celsius (TC) y la Fahrenheit (TF) (muy utilizada en los países anglosajones) se relacionan por la expresión siguiente: 1.- Para convertir los grados Celsius a Kelvin K = ºC Escala Kelvin. La temperatura se mide en K (kelvin). El kelvin es la unidad de temperatura en el

5 Sistema Internacional. En esta escala la temperatura de fusión del hielo es de 273 K y la de ebullición del agua 373 K. La temperatura Kelvin (TK) se relaciona con la Celsius (TC) por las expresiones siguientes: Temperatura K = ºC ; ºC = ºK Para convertir de grados Fahrenheit a grados Celcius ºC = ºF Cambios de fase Por tanto, podemos decir que las transferencias de calor producen cambios en el estado físico de la materia. De donde: La fusión se presenta cuando una sustancia pasa de sólido a líquido. La solidificación es el cambio del estado de una sustancia al pasar de líquido a sólido. La evaporización es el cambio de estado de agregación de una sustancia al pasar de líquido a gaseoso. Puede producirse por evaporación, que se presenta cuando un líquido se transforma en vapor sin necesidad de que el líquido alcance la temperatura de ebullición y se efectúa sólo en la superficie del líquido. También se produce por ebullición, cuando se le suministra energía calorífica a un líquido, por lo que a una determinada temperatura toda la masa de dicho líquido comienza a hervir; de esta manera se produce su cambio de estado de sólido a gaseoso, proceso que continúa mientras se le suministra calor y exista líquido. La sublimación es el cambio de estado en que un sólido pasa a gaseoso sin pasar por el estado líquido, o viceversa. Llamado Deposición Ejemplos de sustancias que presentan sublimación :son, entre otras, el yodo, el dióxido de carbono (CO 2 ), comúnmente llamado hielo seco o nieve carbónica, que se usa como refrigerante ya que reduce la temperatura. También habrás observado que en salones de eventos artísticos se producen efectos de niebla; esto se logra con la sublimación del dióxido de carbono o hielo seco. Ya hemos señalado que el punto de ebullición de una sustancia depende de la presión a la que esté sometida; a mayor presión, como en la olla express, el agua hierve a mayor temperatura; pero a menor presión, como en la cima de una montaña, al ser menor la presión atmosférica, el agua hervirá a una menor temperatura. En la gráfica siguiente se muestra la llamada curva de vaporización del agua, que señala la temperatura a la cual hierve, de acuerdo con la presión que recibe. Observa que a menor presión, menor temperatura para su ebullición y viceversa. Observa también que al nivel del mar donde la presión es de 1 atmósfera = 760 mm de Hg, el agua hierve a 100 C. En la ciudad de México la presión atmosférica es menor por estar a mayor altura sobre el nivel del mar; mide aproximadamente 0.77 atmósferas = 586 mm de Hg y la temperatura a la que hierve el agua es de unos 92 C. A una presión de 218 atmósferas el agua ya no se puede evaporar y llega a lo que se denomina su punto crítico.

6 Trabajo extra y opcional (valor sorpresa ) Relaciona la física con tu comunidad Reúnete con otros dos compañeros o compañeras y pónganse de acuerdo para intercambiar ideas, compartir sus experiencias, investigar y visitar los lugares indicados. Todo ello les permitirá encontrar explicaciones correctas respecto de los efectos del calor sobre los objetos. 1. Visiten cuando menos cuatro establecimientos en los cuales se utilice una fuente de calor para realizar su actividad de producción comercial. Pueden ser, entre otros: una tortillería, una vulcanizadora, una fábrica de ladrillos, una tintorería, un taller mecánico donde reparen mofles o radiadores, una rosticería, una lonchería, una panadería, etc. Pidan permiso para revisar cómo realizan su trabajo, qué fuente de calor usan, y pregunten al encargado cuál es su costo promedio ambiental. mensual. Elaboren un escrito entre todos dónde detallen una explicación (con fotos) que describa lo que se realiza en cada establecimiento visitado, qué efectos produce el calor sobre los objetos, de dónde procede el que utilizan, su costo y, si es el caso, qué tipo de contaminación produce y por qué. 2. Visiten una biblioteca o por vía Internet investiguen las características de las fuentes de calor que utilizan los establecimientos visitados y, de ser posible, propongan cómo podría un establecimiento reducir su consumo de energía calorífica, en caso de que hubieran detectado un mal uso o desperdicio de ella. Si así fuera, una vez puestos de acuerdo y luego de recibir la opinión de su profesor(a), regresen al establecimiento visitado y propónganle al dueño o encargado la manera en que pueden reducir su consumo de energía calorífica. Esto redundará en disminuir costos y contaminación.