Calor. Equilibrio térmico

Transcripción

1 Calor Es la energía que tiene un objeto debida al movimiento de sus átomos y moléculas que están constantemente vibrando, moviéndose y chocando unas con otras. Cuando añadimos energía a un objeto, sus átomos y moléculas se mueven más deprisa, incrementando su energía de movimiento o calor. Incluso los objetos más fríos poseen algo de calor porque sus átomos se están moviendo. Equilibrio térmico Cuando dos cuerpos a distintas temperaturas se ponen en contacto, terminan igualando sus temperaturas. Entonces se dice que se ha alcanzado el equilibrio térmico. Cuando dos sistemas entran en contacto, las partículas con mayor energía cinética transfieren, mediante choques, parte de su energía a las restantes partículas, de manera que al final la energía cinética media de todo el conjunto es la misma. Cuando dos sistemas en desequilibrio térmico entran en contacto, el de mayor temperatura transfiere energía térmica al de menor temperatura hasta conseguir el equilibrio térmico. Unidades de medida del calor El calor se mide en unidades de energía. Por tanto, en el Sistema Internacional su unidad es el julio (J). Sin embargo, la unidad tradicional para medir el calor es la caloría (cal). La equivalencia es: 1 cal = 4,184 J ó 1 J = 0,24 cal EXPERIMENTO: Para hacer este experimento necesitamos dos recipientes tranparentes de agua y colorante alimenticio. Llene un recipiente de agua caliente y otro de agua fría (con la misma cantidad de agua). Cuando el agua esté quieta ponga una gota de colorante alimenticio en el centro del recipiente. A medida que las moléculas de agua chocan con las moléculas del colorante, el colorante se expandirá. Como las moléculas del agua caliente se mueven más deprisa, chocarán con las moléculas de colorante con más fuerza y más frecuentemente, haciendo que el colorante se esparza más rápidamente en el agua caliente que en el agua fría.

2 COMO SE TRANSFIERE O TRANSMITE EL CALOR El calor puede transferirse de un lugar a otro por tres métodos diferentes: conducción en sólidos, convección en fluidos (líquidos o gases) y radiación a través de cualquier medio transparente a ella. El método elegido en cada caso es el que resulta más eficiente. Si hay una diferencia de temperatura el calor siempre viajará del lugar más caliente al más frío. CONDUCCIÓN: La conducción tiene lugar cuando dos objetos a diferentes temperaturas entran en contacto. El calor fluye desde el objeto más caliente hasta más frío, hasta que los dos objetos alcanzan a la misma temperatura. La conducción es el transporte de calor a través de una sustancia y se produce gracias a las colisiones de las moléculas. En el lugar donde los dos objetos se ponen en contacto, las moléculas del objeto caliente, que se mueven más deprisa, colisionan con las del objeto frío, que se mueven más despacio. A medida que colisionan las moléculas rápidas dan algo de su energía a las más lentas. Estas a su vez colisionan con otras moléculas en el objeto frío. Este proceso continúa hasta que la energía del objeto caliente se extiende por el objeto frío. Algunas sustancias conducen el calor mejor que otras. Los sólidos son mejores conductores que los líquidos y éstos mejor que los gases. Los metales son muy buenos conductores de calor, mientras que el aire es muy mal conductor. Puede experimentar como el calor se transfiere por conducción siempre que toca algo que está más caliente o más frío que su piel, por ejemplo cuando se lava las manos en agua caliente o fría. Imagen térmica infrarroja de dos tazas de café llenas de un líquido caliente. Note como el calor del líquido hace que las tazas brillen. El calor se transfiere del líquido caliente a las tazas por conducción.

3 CONVECCIÓN: En líquidos y gases la convección es usualmente la forma más eficiente de transferir calor. La convección tiene lugar cuando áreas de fluido caliente ascienden hacia las regiones de fluido frío. Cuando esto ocurre, el fluido frío desciende tomando el lugar del fluido caliente que ascendió. Este ciclo da lugar a una continua circulación en que el calor se transfiere a las regiones frías. Puede ver como tiene lugar la convección cuando hierve agua en una olla. Las burbujas son las regiones calientes de agua que ascienden hacia las regiones más frías de la superficie. Probablemente usted este familiarizado con la expresión: "el aire caliente sube y el frío baja" - que es una descripción de el fenómeno de convección en la atmósfera. El calor en este caso se transfiere por la circulación del aire. Imagen térmica infrarroja mostrando como hierve el aceite en una sartén. El aceite está transfiriendo calor hacia fuera de la sartén por convección. Note las partes calientes (amarillas) de aceite caliente ascendente y las partes frías del aceite que desciende. Imagen cortesía de K.-P. Möllmann and M. Vollmer, Universidad de Ciencias Aplicadas Brandenburg/Germany. RADIACION Tanto la conducción como la convección requieren la presencia de materia para transferir calor. La radiación es un método de transferencia de calor que no precisa de contacto entre la fuente y el receptor del calor. Por ejemplo, podemos sentir el calor del Sol aunque no podemos tocarlo. El calor se puede transferir a través del espacio vacío en forma de radiación térmica. Esta, conocida también como radiación infrarroja, es un tipo de radiación electromagnética (o luz). La radiación es por tanto un tipo de transporte de calor que consiste en la propagación de ondas electromagnéticas que viajan a la velocidad de la luz. No se produce ningún intercambio de masa y no se necesita ningún medio.

4 Los objetos emiten radiación cuando electrones en niveles de energía altos caen a niveles de energía bajos. La energía que se pierde es emitida en forma de luz o radición electromagnética. La energía absorbida por los átomos hace que sus electrones "salten" a niveles de energía superiores. Todos los objetos absorben y emiten radición. ( este es un "applet" de java que muestra como un átomo absorbe y emite radición). Cuando la absorción de energía está equilibrada con la emisión, la temperatura del objeto permanece constante. Si la absorción de energía domina, la temperatura del objeto aumenta, si la emisión domina, la temperatura disminuye. Imagen térmica infrarroja del centro de nuestra galaxia. Este calor, procedente de numerosas estrellas y nubes interestelares, ha viajado unos 24,000 años luz (aproximadamente 240, 000, 000,000,000,000 km!) a través del espacio en forma de radiación hasta llegar a nuestros telescopios infrarrojos. Como detectamos el calor Hay muchas formas de detectar el calor. El método a elegir depende de la fuente de calor; por ejemplo, no es lo mismo detectar el calor del aire, que el del fuego o el de un objeto en el espacio. Todos sentimos diferentes niveles de calor. Nuestra piel es un buen detector de calor que nos permite interpretar el movimiento molecular medio en un objeto como una sensación de frío o calor. Pero nuestra piel no siempre nos da medidas consistentes del calor. Para ésto necesitamos instrumentos especiales que pueden medir de forma precisa el calor, como un termómetro. Los termómetros y los otros instrumentos para medir la temperatura se usan para obtener una medida cuantitativa del

5 movimiento medio de las moléculas en la sustancia. Asignan a este movimiento molecular medio un número de grados a los que llamamos temperatura. Todos nosotros hemos usado termómetros para medir el calor, pero algunas veces necesitamos medirlo en sitios donde no podemos poner un termómetro, como por ejemplo en el espacio, en metales fundidos y en fuegos calientes. En estas situaciones necesitamos instrumentos que nos permitan medir el calor sin tocar la fuente de energía. Estos instrumentos miden la radiación térmica que es emitida por la fuente de calor. Ejemplos de estos tipos son las cámaras y detectores infrarrojos. Conjunto de detectores infrarrojo para medir el calor procedente de objetos en el espacio. Termómetro exterior para medir la energía térmica media en el aire. Cámara térmica infrarroja para tomar imágenes del calor. TEMPERATURA Es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia. Como lo que medimos en sus movimientos medio, la temperatura no depende del número de partículas en un objeto y por lo tanto no depende de su tamaño. Por ejemplo, la temperatura de un cazo de agua hirviendo es la misma que la temperatura de una olla de agua hirviendo, a pesar de que la olla sea mucho más grande y tenga millones y millones de moléculas de agua más que el cazo. EXPERIMENTO: Llena un contenedor grande y otro pequeño de agua tibia. Mide la temperatura de los dos y apunta tus resultados. Haz lo mismo con agua caliente o fría utilizando contenedores de diferente tamaño.

6 ESCALAS DE TEMPERATURA Se han inventado muchos instrumentos para medir la temperatura de forma precisa. Todo empezó con el establecimiento de una escala de temperaturas. Esta escala permite asignar un número a cada medida de la temperatura. A principios del siglo XVIII, Gabriel Fahrenheit ( ) creó la escala Fahrenheit. Fahrenheit asignó al punto de congelación del agua una temperatura de 32 grados y al punto de ebullición una de 212 grados. Su escala está anclada en estos dos puntos. Unos años más tarde, en 1743, Anders Celsius ( ) inventó la escala Celsius. Usando los mismos puntos de anclaje Celsius asignó al punto de congelación del agua una temperatura de 0 grados y al de ebullición una de 100 grados. La escala Celsius se conoce como el Sistema Universal. Es el que se usa en la mayoría de los países y en todas las aplicaciones científicas. Hay un límite a la temperatura mínima que un objeto puede tener. La escala Kelvin está diseñada de forma que este límite es la temperatura 0. La relación entre las diferentes escalas de temperatura es la siguiente: o K = o C o C = (5/9)*( o F-32) o F = (9/5)* o C