El calor y la temperatura

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1 2 El calor y la temperatura Contenidos Índice Energía térmica Medida de la temperatura Propagación del calor Equilibrio térmico 1. Energía térmica Se denomina energía térmica a la energía cinética media de un conjunto de partículas. De este modo, cualquier sustancia ya sea sólida, líquida o gaseosa tendrá energía térmica, puesto que sus partículas están en continuo movimiento. Las partículas en los estados de agregación Las partículas que forman las sustancias se agitan con más rapidez en estado gaseoso y con menos rapidez en estado sólido; esto significa que una misma sustancia tiene más energía térmica en estado gaseoso que en estado líquido, y más en estado líquido que en sólido. Aumenta la temperatura Sólido Líquido Gaseoso Aumenta el movimiento de las partículas Al aumentar la temperatura de una sustancia lo que hacemos es producir una mayor agitación térmica en sus partículas, es decir, sus partículas se mueven con mayor rapidez. 1

2 1.1. Temperatura y calor El concepto de energía térmica te permitirá entender a su vez dos conceptos que estamos acostumbrados a usar en la vida cotidiana, aunque con distintos matices: temperatura y calor. Estos conceptos no son sinónimos, cada término sirve para describir un fenómeno distinto. La temperatura es la forma que tenemos de medir la energía térmica de un cuerpo o sustancia. A mayor agitación térmica, mayor temperatura. Por otra parte, cuando ponemos dos cuerpos en contacto y están a distinta temperatura, ambos tienden a equilibrar sus temperaturas respectivas a una temperatura común. Es el denominado equilibrio térmico (profundizaremos en ello en el epígrafe 4). Este equilibrio se logra gracias a que la energía térmica del cuerpo a mayor temperatura (mayor energía térmica) se transfiere al cuerpo que tiene menor temperatura, es decir, menor energía térmica. El calor es la energía que se transfiere desde un cuerpo a más temperatura a un cuerpo a menos temperatura, cuando ambos se ponen en contacto. El calor comunicado a un cuerpo puede tener tres tipos de efectos: variación de la temperatura (que depende del tipo de material y de la masa del cuerpo), cambio de estado y dilatación o contracción. Temperatura (T) Cuando se calienta una sustancia, ese calor se invierte en subir su temperatura o cambiarla de estado (mientras dura el cambio de estado la temperatura es constante). Los cambios de estado de las sustancias puras se producen siempre a la misma temperatura. F D E Cambio de estado A Sólido B Cambio de estado Sólido y líquido C Líquido Líquido y gas Gas Tiempo (t) Los cuerpos no tienen calor, sino energía térmica. Cuando un cuerpo absorbe calor aumenta su temperatura, es decir, su energía térmica. Por otra parte, el frío es tan solo un sensación que percibimos a través de la piel, provocada por la pérdida de calor. 2

3 En el sistema internacional de unidades el calor se mide en julios (J), aunque es muy usual la caloría: 1 J = 0,24 cal 1 cal = 4,18 J Para usar estos datos es suficiente saber una sola de las identidades: > > Para pasar de julios a calorías debes multiplicar por 0,24 o dividir por 4,18. > > Para pasar de calorías a julios debes dividir por 0,24 o multiplicar por 4, Medida de la temperatura Para medir la temperatura se utiliza alguna propiedad de la materia que cambie cuando la energía térmica de un determinado cuerpo varía. Por ejemplo, sabemos que los cuerpos se dilatan al subir la temperatura (por eso se incluyen juntas de dilatación en puentes y vías de los trenes). El funcionamiento de los termómetros más comunes se basa en la dilatación de distintas sustancias líquidas empleadas para medir los cambios de temperatura. En concreto vamos a estudiar los termómetros de mercurio y los termómetros de alcohol. Ambos termómetros constan de un tubo de vidrio sellado, en cuyo interior se encuentra el líquido, que puede dilatarse uniformemente con la temperatura. Termómetros de mercurio El mercurio, de símbolo químico Hg, es un metal que se encuentra en estado líquido a partir de los 39 ºC. De este modo, no es muy útil a temperaturas demasiado bajas, pero sí a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente. Aunque ha sido muy usado en el pasado, desde 2009 está prohibida la compra y venta de estos termómetros, debido a que el mercurio es un elemento nocivo para la salud y el medio ambiente. Termómetros de alcohol El etanol (alcohol etílico) solidifica a 114 ºC, por tanto, los termómetros de alcohol son útiles a temperaturas muy bajas. Normalmente se introduce algún tipo de tinte en el alcohol para facilitar la lectura. Están sustituyendo paulatinamente a los antiguos termómetros de mercurio. Escalas de temperatura Existen varias escalas para medir la temperatura. Estamos habituados a usar el grado centígrado, pero existen otras formas. A continuación vamos a estudiar tres escalas distintas: escala Celsius, escala Fahrenheit y escala Kelvin o absoluta. Puedes pasar las temperaturas de una escala a otra usando las correspondientes expresiones matemáticas. Escala centígrada o Celsius En esta escala se toman dos puntos de referencia a presión atmosférica normal: el punto de congelación del agua y el punto de evaporación del agua. Se asignan los valores 0 para el primero de los puntos y 100 para el segundo. El espacio entre ambos 3

4 puntos se divide en cien unidades. A cada una de estas unidades se le llama grado Celsius (ºC). Debes entender que esta elección es arbitraria; depende de la sustancia utilizada y de la presión a la que se encuentra. El grado Celsius (ºC) fue introducido por Anders Celsius en Aunque no es la unidad del Sistema Internacional de Unidades sí se considera una unidad accesoria que se usa para definir el Kelvin (K), como verás más adelante. Escala Fahrenheit Atendiendo a mezclas de agua con otras sustancias, Daniel Gabriel Fahrenheit estableció su propia escala de temperatura en 1724, basada en los conocidos grados Fahrenheit (ºF). El 0 ºC corresponde a 32 ºF y el valor 100 ºC corresponde a 212 ºF. Correspondencia entre grados centígrados y Fahrenheit. Escala Kelvin La escala Kelvin posee un sentido realmente físico (no arbitrario), pues tiene una relación directa con la agitación térmica. Bajar la temperatura de un cuerpo significa disminuir la velocidad con la que se agitan las partículas que lo constituyen. En este punto seguramente se te ocurra una pregunta: existe una temperatura por debajo de la cual ya no se puede seguir bajando? Efectivamente, la temperatura, si continúa bajando por debajo de 0 ºC, llegará un momento en que ya no se pueda bajar más. Esta temperatura es 273 ºC. En este punto, el denominado cero absoluto, las partículas dejan de moverse por completo, es decir, la agitación térmica desaparece. Por ello la escala Kelvin no es subjetiva, no depende de con qué aparato se mide, simplemente depende de los aspectos íntimos de la materia. En esta escala, la temperatura de fusión del agua corresponde con 273 K, y la de ebullición con 373 K En esta ilustración puedes ver cómo cada escala comienza en un número diferente, dependiendo del concepto utilizado para definirla. El único cero real desde el punto de vista físico es el 0 K, que corresponde a 273 ºC y a 460 ºF, en las respectivas escalas Celsius (ºC) Kelvin (K) Fahrenheit (ºF) 32 4

5 Cómo transformar de una escala a otra? Para pasar de unas escalas a otras debes usar unas expresiones concretas. > > De K a ºC: T C = T K 273 > > De ºC a K (despejando de la anterior): T K = T C > > De ºC a ºF: T F = 9 T C > > De ºF a ºC (despejando de la anterior): T C = 5 (T F 32) 9 Para pasar de Kelvin a grados Fahrenheit y viceversa se usan las dos expresiones conjuntamente. 3. Propagación del calor Ya hemos mencionado que el calor se transfiere de cuerpos a más temperatura hacia cuerpos a menos temperatura. Se te puede ocurrir una pregunta: cómo se produce esta transferencia de calor? El calor puede transferirse de un cuerpo a otro mediante tres formas distintas: conducción, convección y radiación. Conducción Habrás observado en más de una ocasión que si se calienta un objeto de metal por un extremo, rápidamente todo el metal adquiere una temperatura elevada. Se ha producido una transferencia de calor desde el denominado foco térmico hacia las distintas zonas del metal. La conducción es el fenómeno mediante el cual se transfiere calor de un punto a otro de los sólidos. Desde el punto de vista de la energía térmica, al calentar un sólido se está transmitiendo energía cinética a las partículas en contacto con el foco térmico. Estas partículas a su vez consiguen agitar térmicamente a las partículas vecinas, transfiriendo así el calor por todo el sólido. Debes tener en cuenta que no todos los sólidos tienen la misma capacidad para transferir el calor. Hay materiales que tardan poco en calentarse porque transmiten de forma rápida la energía térmica de un punto a otro; son los materiales conductores del calor. Los metales son buenos conductores del calor. Por el contrario, otros materiales se calientan despacio porque conducen mal el calor, es decir, son sustancias que transmiten lentamente la energía térmica de un punto a otro; son los denominados aislantes del calor. Los plásticos o la madera son buenos aislantes. 5

6 Conducción en los metales En los metales la transmisión del calor por conducción es muy efectiva. Esa es la razón por la cual las sartenes y cacerolas tienen mangos de materiales plásticos. Partículas del sólido Sentido de propagación del calor Convección Cuando calientas un líquido por la parte inferior, son las partículas de esa zona las que sufren el efecto directo del foco térmico. Al aumentar su temperatura, tienden a subir, dejando espacio a las partículas que se encuentran en la parte superior a menor temperatura. Cuando las partículas que han bajado se calientan, suben, produciéndose de este modo la denominada corriente de convección. La convección es el fenómeno mediante el cual se transfiere calor en los fluidos (líquidos y gases) debido a las corrientes que se producen dentro de ellos. Gracias al concepto de convección podemos entender la formación de las nubes, la aparición de los vientos y las corrientes marinas. Al calentar el líquido de un recipiente por su parte inferior, su densidad disminuye y el líquido sube, dejando un espacio que es ocupado por el líquido más frío. Puedes observar cómo los trozos sólidos de comida describen un movimiento circular que se denomina corriente de convección. Radiación El Sol es capaz de calentar la Tierra y otros planetas y sin embargo entre dichos astros tan solo hay vacío. Se debe a que los cuerpos calientes pueden emitir calor hacia el vacío sin que se necesite el contacto con otros cuerpos. La radiación es el fenómeno mediante el cual los cuerpos calientes transfieren calor sin la necesidad de un medio material. 6

7 El calor propagado de esta forma recibe el nombre de radiación y la capacidad de absorción de dicha radiación depende del cuerpo que las reciba. 4. Equilibrio térmico Observa la siguiente imagen y trata de describir qué experimento se está realizando y qué ocurre con la temperatura del agua que contiene el recipiente pasados unos minutos. El recipiente de la derecha está a 50 ºC y el de la izquierda se encuentra a 10 ºC. Por tanto se producirá una transferencia de calor desde el sistema que está a 50 ºC hacia el sistema que está a 10 ºC. Esto significará que el primero perderá calor en beneficio del segundo. Esta transferencia de calor durará hasta que ambos sistemas se encuentren a una temperatura intermedia, es decir, mayor de 10 ºC pero menor de 50 ºC. El equilibrio térmico es una situación física en la cual dos sustancias o sistemas se encuentran en contacto y no se produce transferencia calorífica entre ellos, debido a que están a la misma temperatura. La temperatura exacta a la que lleguen los dos sistemas no será la temperatura media, puesto que dependerá tanto de las masas que tengan ambos sistemas como de sus calores específicos. El calor específico es la cantidad de calor que hay que suministrar a una unidad de masa de una sustancia o sistema para elevar su temperatura en una unidad de temperatura. Se representa mediante la letra C y se puede medir mediante diversas unidades; en la tabla se usan los J kg ºC 10º C 50º C 10< T ºC <50 Sustancia Sólidos elementales Calor específico Aluminio 900 Cobre 387 Oro 129 Hierro 448 Plomo 128 Vidrio 837 Mármol 860 Madera 1700 Alcohol (etílico) 2400 Mercurio 140 Agua (15 ºC) Cómo medir la transferencia de calor entre dos sistemas? Supongamos dos sistemas que entran en contacto térmico. El primer sistema tiene una masa m 1 y se encuentra a una temperatura T 1. El segundo sistema se caracteriza por tener una masa m 2 y encontrarse a una temperatura T 2. Supongamos T 1 >T 2. Pasado 7

8 un tiempo después del contacto, ambos se encontrarán a una temperatura de equilibrio térmico T e que es la que queremos calcular. En primer lugar debemos entender qué es lo que pasa desde el punto de vista físico. El cuerpo a mayor temperatura cede una determinada cantidad de calor (Q c ). El cuerpo que está a menor temperatura absorbe calor (Q a ). Para que ocurra el equilibrio térmico el calor cedido y el calor absorbido deben coincidir (se introduce el signo negativo porque hay que tener en cuenta el sentido en el que se produce la transferencia): T 1 Q c T 2 Q a Sistema A Q c = Q a Sistema B Q c = Q a La cantidad de calor cedida o absorbida se calcula mediante la expresión: donde, m masa del cuerpo o del sistema. Q = m C (T f T i ) C calor específico del cuerpo o del sistema. T i es la temperatura inicial del cuerpo o del sistema. T f temperatura final del cuerpo o del sistema. Ahora ya podemos resolver el problema. Sigue con atención los siguientes pasos. 1. Escribimos la expresión del calor cedido por el cuerpo que está inicialmente a mayor temperatura (T 1 ) mediante la expresión: Q c = m 1 C 1 (T e T 1 ) 2. Escribimos el calor absorbido por el cuerpo que está inicialmente a menor temperatura Q a = m 2 C 2 (T e T 2 ) 3. En ambos casos, consideramos la temperatura de equilibrio como temperatura final. Igualamos ambas expresiones, utilizando un signo negativo delante del calor cedido. Para entender mejor este proceso piensa que la temperatura de equilibrio T e será menor que la temperatura mayor T 1, por lo que (T e T 1 ) será negativo; por otro lado, la temperatura de equilibrio T e será mayor que la temperatura menor T 2, por lo que (T e T 2 ) será positivo. Para que los signos coincidan se introduce el signo negativo (no importa dónde): Q c = Q a m 1 C 1 (T e T 1 ) = m 2 C 2 (T e T 2 ) 8

9 4. Fíjate que todos son datos conocidos excepto lo que vamos buscando, es decir, la temperatura de equilibrio. Debes despejarla paso a paso con cuidado de no equivocarte. El resultado será: T e = m 1 C 1 T 1 + m 2 C 2 T 2 m 1 C 1 + m 2 C 2 5. Ya puedes sustituir los datos en la fórmula. 9

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