Unidad: Temperatura y calor

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Salvador Castilla Gómez
hace 6 años
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1 Unidad: Temperatura y calor Te has preguntado alguna vez por qué se deja un espacio entre los bloques de cemento que forman las veredas? O por qué los rieles de la línea férrea están formados por trozos metálicos con espacios entre ellos? El juguete que se muestra es una versión moderna del termoscopio de Galileo, observa el video para verlo en funcionamiento. Puedes explicar como funciona este aparato y cuál es su relación con el dejar espacio entre bloques de cemento o entre rieles? 1

La razón por la cual se deja espacio entre bloques de cemento o entre los rieles es para prevenir las consecuencias de los cambios de temperatura entre el día y la noche, o entre verano e invierno,

2 La razón por la cual se deja espacio entre bloques de cemento o entre los rieles es para prevenir las consecuencias de los cambios de temperatura entre el día y la noche, o entre verano e invierno, pues se ha observado que cuando la temperatura de un cuerpo aumenta, también aumentan todas las dimensiones del cuerpo. Este fenómeno se conoce como dilatación térmica y es el principio en que se basa el funcionamiento del termoscopio de Galileo y de los termómetros. A la derecha puedes ver una foto de un termoscopio de Galileo en su versión original. En esta versión del termoscopio inventado por Galileo primero se calienta con las manos el bulbo del tubo delgado y luego se introduce en el jarro con agua. Al enfriarse el aire, éste se contrae y el agua del jarro sube por el tubo. En la versión del juguete de la transparencia anterior, el calor de la mano causa la dilatación del aire encerrado, el cual fuerza al agua a subir por el tubo. 2

Otro juguete que se basa en el mismo principio es el pájaro bebedor que se muestra a la derecha. Puedes ver el video de este juguete que puede permanecer funcionando por horas.

3 Otro juguete que se basa en el mismo principio es el pájaro bebedor que se muestra a la derecha. Puedes ver el video de este juguete que puede permanecer funcionando por horas. En el caso del pájaro bebedor, la dilatación y contracción del gas en su interior es responsable del movimiento de la columna de líquido, que vuelca al pájaro y permite que este se moje la cabeza, causando uno de los cambios de temperatura que cambian el volumen del gas encerrado (te desafiamos a investigar en más detalle el funcionamiento de este juguete). Un termómetro, a diferencia de un termoscopio, usa la dilatación térmica de un líquido y posee una escala graduada para poder leer la temperatura. Para poder diseñar dicha escala debemos cuantificar como se dilatan los cuerpos. 3

Actividad: Dilatación Lineal Para un objeto con forma de barra, el aumento de largo del objeto cuando aumenta su temperatura es proporcional al largo del objeto y al cambio de temperatura del objeto.

4 Actividad: Dilatación Lineal Para un objeto con forma de barra, el aumento de largo del objeto cuando aumenta su temperatura es proporcional al largo del objeto y al cambio de temperatura del objeto. La constante de proporcionalidad se denomina el coeficiente de dilatación térmica α. Por ejemplo, para una barra que se calienta se cumple: L final L inicial =(L inicial) (coeficiente de dilatación) (T final T inicial) ΔL = L 0 α ΔT Estudiaremos un experimento que muestra el proceso de enfriamiento de dos barras metálicas. Cada barra metálica descansa sobre soportes en sus extremos y sobre otra barra pequeña que puede rodar libremente cuando el largo de la barra metálica cambia. Un pequeño espejo está adherido a esta rueda, y un haz de láser verde se refleja en dicho espejo. Al examinar cómo se mueve el haz del rayo laser obtenemos información del largo de las barras. 4

El video muestra dos barras que fueron calentadas usando vapor y que se contraen al bajar la temperatura, dos multímetros indican las temperaturas de cada barra en grados Celsius y dos punteros laser

5 El video muestra dos barras que fueron calentadas usando vapor y que se contraen al bajar la temperatura, dos multímetros indican las temperaturas de cada barra en grados Celsius y dos punteros laser permiten medir el cambio del largo de cada barra. Observa el video del experimento. 1. Cuál de las dos barras se contrajo más al disminuir su temperatura? 2. El cambio de temperatura de cada barra es parecido o es muy distinto? 3. Cuál de las dos barras tiene un mayor coeficiente de dilatación térmica? La dilatación de los objetos ocurre cualquiera sea su forma. En realidad, todas las dimensiones del objeto cambian en la misma proporción. Piensa por ejemplo qué sucede a una bola metálica que se calienta. 5

Una pregunta interesante surge en este experimento. Si se calienta el aro, se expande el agujero del aro?

6 La imagen a la derecha muestra una bola metálica que ya ha atravesado un aro del mismo diámetro. Si se calienta la bola con un soplete, podrá atravesar el aro? Observa el video para chequear tu respuesta. Una pregunta interesante surge en este experimento. Si se calienta el aro, se expande el agujero del aro? Para responder esta pregunta diseñamos el siguiente experimento. 4. Describe los cambios de temperatura que experimenta el aro en el video y si el agujero se expande o no cuando aumenta su temperatura. 6

7 Supongamos que el radio de una esfera cambia en un 1% cuando se somete a un aumento de temperatura de 100 C. 5. Cual es coeficiente de dilatación térmica α de este material? 6. En que porcentaje cambia el volumen de la esfera? 7

8 Actividad: Termómetros Tres amigos discuten sobre el funcionamiento de un termómetro. Estas son sus opiniones: Pedro: La lectura del termómetro cambia porque se expande el líquido en su interior. Juan: También se expande el área del cilindro por el que sube el líquido. Diego: Cierto, pero también se expande el bulbo del termómetro que contiene el líquido. 1. Con quién o quienes estás de acuerdo? 8

Distintos factores influyen en la lectura del termómetro, de forma que distintos materiales de fabricación determinan distintos largos de la columna líquida para una temperatura dada.

9 Distintos factores influyen en la lectura del termómetro, de forma que distintos materiales de fabricación determinan distintos largos de la columna líquida para una temperatura dada. Los termómetros mostrados funcionan debido a la dilatación térmica de alcohol y mercurio, y la dilatación de estos líquidos es lo que nos permite medir la temperatura. Observa el siguiente video. Para graduar un termómetro basta marcar en él dos puntos a los cuales se conozca con una buena precisión la temperatura del objeto en contacto con el termómetro. Tradicionalmente se escogen el punto de congelamiento del agua (mezcla de agua con hielo) y el punto de ebullición del agua (agua hirviendo a nivel del mar), a los que se le asignan los valores 0 C y 100 C respectivamente. 9

10 Preguntas adicionales Optativas: 2. Supongamos que un estudiante asigna a los puntos de congelación y ebullición del agua las temperaturas 50 E y +50 E respectivamente. Cuál es la relación entre Te así definida y la temperatura en grados Celsius Tc? 3. Tu profesor asigna a los puntos de congelación y ebullición del agua las temperaturas 0 P y 500 P respectivamente. Un grado profe ( P) es mayor o menor que 1 grado Celsius ( C)? Cuál es la relación entre Tp así definida y la temperatura en grados Celsius Tc? 4. Fahrenheit asignó 32 F y 212 F a los puntos de congelación y ebullición del agua respectivamente. Un F es mayor o menor que un C? A qué temperatura en grados Fahrenheit corresponden 50 C? Si la temperatura a la que arde el papel es 454 F, Cuál es el correspondiente valor en C? Haz un dibujo de dos termómetros con sus escalas puestas una al lado de la otra para ilustrar tu razonamiento. 5. Usando proporciones puedes encontrar la relación entre las escalas de Temperatura Fahrenheit y Celsius. Cuál es esa relación? 10

Actividad: Termómetros, el cero absoluto de temperatura Otro tipo de termómetro usa un gas que se dilata en vez de un líquido para medir temperaturas.

11 Actividad: Termómetros, el cero absoluto de temperatura Otro tipo de termómetro usa un gas que se dilata en vez de un líquido para medir temperaturas. En el siguiente video usamos una botella de aluminio y una manguera flexible doblada en U con un poco de agua en su interior que impide que escape el aire de la botella. Al calentar el aire de la botella su volumen tiende a aumentar, lo que se compensa subiendo parte de la manguera para mantener el volumen constante. Observa a continuación un gráfico que muestra los valores de presión y temperatura que se obtuvieron usando este termómetro. 1. El gráfico puede extrapolarse hasta llegar a la zona donde la presión del gas se hace cero. Según los datos presentados en el gráfico, A que temperatura se hace cero la presión del gas? 11

12 El descubrimiento anterior llevó a los científicos a hacer la hipótesis, posteriormente verificada experimentalmente, que existe en la naturaleza una temperatura mínima absoluta, es decir, que ningún cuerpo puede tener una temperatura menor a esa temperatura mínima. Dicha temperatura se conoce como el Cero Absoluto y su valor es de aproximadamente 273 grados Celsius bajo cero (T= 273 C). La escala de Temperatura Kelvin asigna el valor T=0 K al cero absoluto. Además, un aumento de temperatura de 1 K es igual a un aumento de temperatura de 1 C. 2. Si la temperatura de la sala de clases es de 27 C, Qué valor corresponde a esta temperatura en la escala Kelvin? La escala Kelvin de Temperatura es importante porque es la única escala de Temperaturas en que la Ley de los Gases Ideales que estudiarás más adelante es válida. 12

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