Transferencia de energía
FÍSICA 1-2 TEMA 5 Versión impresa CALOR Y TEMPERATURA Muchas veces, la energía de los cuerpos no se manifiesta en forma de trabajo, sino de calor. El calor es un tipo de manifestación de la energía de un cuerpo que depende de la temperatura y que puede transformarse en otros tipos de energía y trasmitirse de un cuerpo a otro. El calor se mide en julios, aunque -a menudo- se expresa en calorías. La equivalencia entre las dos unidades es: 1 cal = 4.184 J Hay tres consecuencias de este intercambio de calor entre los cuerpos: Variación de la temperatura. Dilatación o contracción. Cambio de estado. Variación de la temperatura Dos cuerpos a temperaturas diferentes intercambian calor cuando se ponen en contacto. El calor se desplaza de los cuerpos calientes hacia los más fríos (nunca al contrario) hasta que los dos cuerpos adquieren la misma temperatura. Cuando dos cuerpos están a la misma temperatura, decimos que se encuentran en equilibrio térmico. Dilatación de los cuerpos Cuando un cuerpo se calienta, su energía calorífica aumenta y se dilata: aumenta de volumen. En cambio, cuando un cuerpo se enfría se contrae y disminuye de volumen. El caso del agua es la excepción. Al disminuir su energía calorífica y pasar de líquido a sólido, se dilata en lugar de contraerse. La dilatación térmica es un fenómeno muy frecuente en la vida diaria. Los ingenieros lo deben tener en cuenta a la hora de instalar vigas metálicas: deben dejar espacios entre ellas. Se trata de las llamadas juntas de dilatación. Cambios de estado Al calentar un cuerpo, podemos conseguir que cambie de estado y que pase de sólido a líquido o de líquido a gas. Si lo enfriamos, podemos conseguir lo contrario: el paso de gas a líquido o de líquido a sólido. Cada sustancia necesita una energía determinada para calentarse y para cambiar de estado. Por ejemplo, el aceite necesita menos energía que el agua para calentarse y para cambiar de estado. Transferencia de energía 1
Movimiento molecular: la temperatura Los termómetros Los cuerpos están formados por moléculas. La energía calorífica que recibe un cuerpo se transmite a estas moléculas en forma de energía cinética. A más energía calorífica en un cuerpo, más rápido es el movimiento de sus moléculas. A menos, más lentos son sus movimientos. La temperatura es un parámetro que da una idea del grado de energía de estas moléculas; es decir, de la energía calorífica del cuerpo. A más energía calorífica en un cuerpo, mayor es la energía cinética de las moléculas y más grande es su temperatura. Únicamente cuando la temperatura es de 0 K (-273 ºC), las moléculas se paralizan por completo. Por ello, no puede estar nunca por debajo de este valor, conocido como el cero absoluto. El lugar más remoto del Universo se encuentra a una temperatura de 2 K (-271 ºC) y el más cálido, en el interior de las estrellas, a más de 1.000.000 K. En la Tierra, la temperatura más baja se ha registrado en la Antártida, por debajo de los -90 ºC y, la más alta, en el desierto de Libia, con valores cercanos a los 60 ºC. En los sólidos, el movimiento molecular es de vibración en el entorno de la posición del equilibrio. A más temperatura, la vibración es más energética, pero las moléculas ocupan siempre una distribución ordenada porque las fuerzas de atracción entre estas moléculas es intensa. En los líquidos, el movimiento molecular es de vibración muy energética, ya no ocupan una posición ordenada. Las fuerzas de atracción son más débiles y, a medida que la temperatura aumenta, estas fuerzas se debilitan todavía más. En los gases, se rompen las fuerzas de atracción molecular y las moléculas se pueden mover libremente por todo el recipiente en lugar de vibrar. Los termómetros miden la temperatura de un cuerpo. La mayoría se basan en la dilatación de un líquido, generalmente mercurio o alcohol. Constan de un tubo muy estrecho de vidrio, llamado capilar, cerrado por la parte superior y acabada por un pequeño depósito del líquido (mercurio o alcohol) por la parte inferior. Cuando el mercurio o el alcohol se calientan, se dilatan y ascienden por el capilar; cuando se enfrían, se contraen y descienden por el capilar. Una vez se alcanza el equilibrio térmico entre el termómetro y el exterior, la columna de alcohol o de mercurio se detiene a una determinada altura. Paralelamente a la columna del líquido, hay una escala que indica la temperatura. Transferencia de energía 2
FÍSICA 1-2 TEMA 5 Versión impresa Existen diferentes escalas para medir la temperatura, pero las más utilizadas son la escala Celsius y la escala absoluta o Kelvin. La escala Celsius fija el 0 en la temperatura de congelación del agua y el valor 100, en la temperatura de ebullición del agua. Dividiendo entre 100 la distancia que separa la columna del líquido entre estos dos valores, se define su grado Celsius. Para pasar de la escala Celsius a la Kelvin, es necesario aplicar la siguiente relación: T (ºC) = T (K) 273 Recuerda que la escala Kelvin empieza en 0 K Propagación del calor No todos los cuerpos son capaces de transferir el calor; sin embargo, los que tienen facilidad para hacerlo y lo consiguen rápidamente se llaman conductores térmicos, mientras que los que transmiten muy mal y lentamente el calor se llaman aislantes. Los metales suelen ser buenos conductores térmicos; mientras que la madera, el aire, el agua, el vidrio y el plástico -entre muchos otros- no son buenos conductores térmicos. Los materiales conductores transmiten de manera fácil y rápida el calor de un cuerpo a otro, o de un medio hacia otro. Pero únicamente pueden hacerlo de tres formas: por conducción, convección o radiación. La propagación del calor se puede producir por una combinación de estas tres formas, siempre de los cuerpos más calientes hacia los más fríos. Transmisión por conducción Es una transmisión por contacto, propia de los cuerpos sólidos. Cuando el extremo de un conductor térmico -un metal- toca una fuente de calor, éste se transmite a lo largo del conductor más allá del punto de contacto. Sucede así porque las partículas del metal más cercanas a la fuente de calor empiezan a vibrar cada vez más rápido. Este movimiento se transmite a las moléculas cercanas hasta que todas vibran con la misma intensidad. Transmisión por convección Los líquidos y los gases transmiten el calor mediante este mecanismo. Las partículas de los líquidos y de los gases que están más en contacto con una fuente de calor se mueven rápidamente, desplazándose. Esta parte de líquido o del gas se expande y su densidad disminuye., y el agujero resultante de esta expansión queda rápidamente reemplazado por el líquido o gas más alejado de la fuente de calor que, por lo tanto, es más frío. De esta manera, se crean unas corrientes que transportan el calor desde las zonas más calientes hacia las más frías y se denominan corrientes de convección. Transferencia de energía 3
Dilatación de los cuerpos La convección es la forma en que el calor se propaga en la atmósfera terrestre. El Sol calienta el suelo y éste hace lo propio con la capa de aire en contacto con él. Este aire caliente se expande y se eleva, y deja un agujero de aire que se rellena con el de más arriba, más frío. Este proceso hace que el aire se mueva de forma vertical y horizontal y así es como se forman las nubes y el viento, respectivamente. Transmisión por radiación Los cuerpos calientes desprenden energía en forma de radiación, llamada radiación térmica. Cualquier cuerpo por encima de 0 K -es decir, -273 ºC- emite calor en forma de radiación. Únicamente cuando están muy calientes, transfieren mucha energía a su alrededor y nuestros sentidos son capaces de percibirla. Cuando el calor emitido por la radiación de un cuerpo llega a otro más frío, la calienta. Esta radiación puede viajar a través del aire e incluso por el espacio vacío. Todos los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura, pero no todos lo hacen de la misma manera. Los gases son los que más se dilatan, seguidos de los líquidos y, finalmente, de los sólidos. De éstos últimos hay algunos que se dilatan muy bien (los metales, por ejemplo) y otros muy mal, como por ejemplo el vidrio que se rompe al calentarlo. Los gases se deben almacenar en envases de paredes rígidas porque sus moléculas alcanzan fácilmente mucha velocidad, provocando la dilatación del gas. Estas moléculas rápidas chocan con mucha fuerza contra las paredes del envase que las contiene, y si no son lo suficientemente rígidas, podrían acabar rompiéndose. Observa el grosor de las bombonas de butano o de los difusores de laca o de insecticida. LUZ Y SONIDO La luz y el sonido son unas determinadas formas de energía que se transmiten de un sitio a otro. La luz transfiere energía de un sitio a otro en forma de radiación, mientras que el sonido transporta energía mediante la vibración de las moléculas en un medio como el aire. Transferencia de energía 4
Propagación de la luz Propagación del sonido La reflexión y la refracción La luz, si no se encuentra con obstáculos y el medio es uniforme, viaja en línea recta. No requiere de ningún medio material para propagarse; es decir, puede viajar por el vacío, en el que viaja a una velocidad de casi 300.000 km/s. En otros medios, en cambio, la velocidad disminuye. Los cuerpos opacos no dejan pasar la luz, los translúcidos la dejan pasar parcialmente y los transparentes, totalmente. El sonido necesita de un medio material para propagarse: un gas, un líquido, o un sólido. En el aire, la velocidad de propagación del sonido es de 340 m/s; mientras que en el agua lo hace cuatro veces y media más rápido; y en el hierro, unas 15. El sonido se transmite mediante ondas. A medida que se propagan, van disipándose y perdiendo intensidad. La reflexión y la refracción son fenómenos característicos de las ondas. Tanto la luz como el sonido se propagan mediante ondas y, por lo tanto, se reflejan y se refractan. La reflexión es el cambio en la dirección del sonido y de la luz al incidir sobre una superficie reflectora, sin que haya un cambio en el medio de propagación. La refracción es el cambio en la dirección de propagación de la luz y del sonido al cambiar de medio de propagación. Por ejemplo, al pasar del aire al agua. Reflexión de la luz La reflexión de la luz se asemeja al rebote de una pelota contra la pared. El rayo reflejado sale de esta superficie formando un ángulo igual al incidente. Las superficies reflectoras más importantes son los espejos y, en menor grado, los vidrios y el agua. Reflexión del sonido La reflexión del sonido se produce cuando éste choca contra un obstáculo: una parte del sonido se refleja, mientras que la otra queda absorbida por el obstáculo. Un hecho relacionado con la reflexión del sonido es el eco. Al emitir un sonido ante un obstáculo, éste absorbe una parte; mientras que la otra se refleja y retorna al lugar en que se encuentra su emisor, que vuelve a oír el sonido emitido. Transferencia de energía 5
La descomposición de la luz La contaminación acústica y lumínica La refracción Cuando una onda como la de la luz viaja por un medio como es el aire e incide en otro con características diferentes, como el vidrio o el agua, se produce un cambio en la velocidad de propagación. Este cambio en la velocidad de propagación se manifiesta en un cambio en su dirección. Esta propiedad es la base de las lentes, que son de vidrio. Cuando los rayos de luz inciden en las lentes, estos rayos cambian su dirección de propagación. El resultado es que todos los rayos quedan concentrados o focalizados en un único punto. La luz solar es una mezcla de siete colores: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, azul oscuro y violeta. Podemos observarlos pasando una luz blanca por un prisma o por algún material transparente diferente al aire, como una gota de agua. Al incidir sobre este material, la luz blanca solar experimenta dos refracciones: una en la primera cara y la otra, en la segunda. Aunque en el aire todos los colores viajan a la misma velocidad, al entrar en el prisma, cada uno tiene una velocidad diferente y, por lo tanto, otro cambio de dirección. Por eso se dan fenómenos como el del arco iris. Contaminación acústica Las actividades humanas generan un ruido muy intenso que puede llegar a ser molesto e, incluso, perjudicial para la salud. Ejemplos: una moto muy ruidosa, un martillo hidráulico, el motor de un avión, gritos en la calle, hablar muy alto en clase, etc. Cuando el nivel sonoro del ambiente supera unos límites, se habla de contaminación acústica. Estos límites se miden en decibelios (db). El límite tolerable para nuestro oído es de 130 db, una cantidad superior a ésta nos causa dolor. El sonido de nuestra respiración tiene una intensidad de 10 db. Contaminación lumínica Una buena parte de la luz de las farolas se disipa en el aire. Este exceso innecesario de luz en la atmósfera genera lo que se conoce como contaminación lumínica. Todo esto representa un gasto energético importante y unos efectos negativos sobre algunos insectos y aves nocturnas, así como también sobre los vegetales sometidos permanentemente a la iluminación. Cada vez con más frecuencia se toman medidas para evitar este tipo de contaminación diseñando farolas y sistemas de iluminación que evitan la difusión de la luz hacia el cielo. Transferencia de energía 6