1. CONCEPTO Temperatura Temperatura, propiedad de los sistemas que determina si están en equilibrio térmico. Por tanto el concepto de temperatura se deriva de la idea de medir el calor o frialdad relativos y de la observación de que el suministro de calor a un cuerpo conlleva un aumento de su temperatura mientras no se produzca la fusión o ebullición. La temperatura depende de la energía cinética media (o promedio) de las moléculas de una sustancia; según la teoría cinética (Termodinámica), la energía puede corresponder a movimientos rotacionales, vibracionales y traslacionales de las partículas de una sustancia. La temperatura, sin embargo, sólo depende del movimiento de traslación de las moléculas. En teoría, las moléculas de una sustancia no presentarían actividad traslacional alguna a la temperatura denominada cero absoluto. En el caso de dos cuerpos con temperaturas diferentes, el calor fluye del más caliente al más frío hasta que sus temperaturas sean idénticas y se alcance el equilibrio térmico (Transferencia de calor). Así como por ejemplo cuando introducimos la mano derecha en un deposito de mano caliente y la mano izquierda en un deposito de agua helada, si después de haberlas tenido unas instantes en esta posición introducimos simultáneamente las dos manos en un depósito de agua tibia, la mano derecha experimentará una sensación de frío, mientras la sensación de la mano izquierda será de calor. Por tanto, los términos de temperatura y calor, aunque relacionados entre sí, se refieren a conceptos diferentes: la temperatura es una propiedad de un cuerpo y el calor es un flujo de energía entre dos cuerpos a diferentes temperaturas. Los cambios de temperatura tienen que medirse a partir de otros cambios en las propiedades de una sustancia. Por ejemplo, el termómetro de mercurio convencional mide la dilatación de una columna de mercurio en un capilar de vidrio, ya que el cambio de longitud de la columna está relacionado con el cambio de temperatura. Si se suministra calor a un gas ideal contenido en un recipiente de volumen constante, la presión aumenta, y el cambio de temperatura puede determinarse a partir del cambio en la presión según la ley de Gay-Lussac, siempre que la temperatura se exprese en la escala absoluta. Para establecer los diversos grados de la noción de frío o caliente se recurre a la observación de un dispositivo físico denominado termómetro. Termómetro.- Instrumento empleado para medir la temperatura de los cuerpos, se basa en el fenómeno de la dilatación que sufren los líquidos al ser calentados. Generalmente, todos los termómetros están formados por un bulbo o pequeño recipiente que contiene el líquido que se va a dilatar en comunicación con el
capilar. Al calentar el depósito y, por lo tanto, el líquido, este sube por el capilar indicando su nivel la temperatura alcanzada. congelación del agua y de 100 C a su punto de ebullición. Se toma como puntos fijos de los termómetros: El punto de fusión del hielo o punto inferior. El Punto de ebullición del agua o punto superior. El termómetro más utilizado es el de mercurio, formado por un capilar de vidrio de diámetro uniforme comunicado por un extremo con una ampolla llena de mercurio. El conjunto está sellado para mantener un vacío parcial en el capilar. Cuando la temperatura aumenta, el mercurio se dilata y asciende por el capilar. La temperatura se puede leer en una escala situada junto al capilar. El termómetro de mercurio es muy utilizado para medir temperaturas ordinarias; también se emplean otros líquidos como alcohol o éter. 2. ESCALAS DE TEMPERATURA Escala Fahrenheit.- Una de las primeras escalas, establecida por el físico alemán Gabriel Daniel Fahrenheit. Según esta escala, a la presión atmosférica normal, el punto de solidificación del agua (y de fusión del hielo) es de 32 F, y su punto de ebullición es de 212 F. Escala Centígrada O Celsius.- Ideada por el astrónomo sueco Anders Celsius y utilizada en casi todo el mundo, asigna un valor de 0 C al punto de Escala Absoluta O Kelvin.- Es la escala más empleada en ciencia, inventada por el matemático y físico británico William Thomson, lord Kelvin. En esta escala, el cero absoluto, que está situado en - 273,15 C, corresponde a 0 K, y una diferencia de un kelvin equivale a una diferencia de un grado en la escala centígrada. K-273 = ºC = ºF-32 = R-492 5 5 9 9
3. EFECTOS DE LA TEMPERATURA La temperatura desempeña un papel importante para determinar las condiciones de supervivencia de los seres vivos. Así, las aves y los mamíferos necesitan un rango muy limitado de temperatura corporal para poder sobrevivir, y tienen que estar protegidos de temperaturas extremas. Las especies acuáticas sólo pueden existir dentro de un estrecho rango de temperaturas del agua, diferente según las especies. Por ejemplo, un aumento de sólo unos grados en la temperatura de un río como resultado del calor desprendido por una central eléctrica puede provocar la contaminación del agua y matar a la mayoría de los peces originarios. Los cambios de temperatura también afectan de forma importante a las propiedades de todos los materiales. A temperaturas árticas, por ejemplo, el acero se vuelve quebradizo y se rompe fácilmente, y los líquidos se solidifican o se hacen muy viscosos, ofreciendo una elevada resistencia por rozamiento al flujo. A temperaturas próximas al cero absoluto, muchos materiales presentan características sorprendentemente diferentes. A temperaturas elevadas, los materiales sólidos se licúan o se convierten en gases; los compuestos químicos se separan en sus componentes. La temperatura de la atmósfera se ve muy influida tanto por las zonas de tierra como de mar. En enero, por ejemplo, las grandes masas de tierra del hemisferio norte están mucho más frías que los océanos de la misma latitud, y en julio la situación es la contraria. A bajas alturas, la temperatura del aire está determinada en gran medida por la temperatura de la superficie terrestre. Los cambios periódicos de temperatura se deben básicamente al calentamiento por la radiación del Sol de las zonas terrestres del planeta, que a su vez calientan el aire situado por encima. Como resultado de este fenómeno, la temperatura disminuye con la altura, desde un nivel de referencia de 15 C en el nivel del mar (en latitudes templadas) hasta unos -55 C a 11.000 m aproximadamente. Por encima de esta altura, la temperatura permanece casi constante hasta unos 34.000 m. 1. CONCEPTO Calor Calor, en física, es la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo. 2. UNIDADES DE CALOR En las ciencias físicas, la cantidad de calor se expresa en las mismas unidades que la energía y el trabajo, es decir, en julios (S.I.). Pero en la práctica actual y por tradición se emplea aún las siguientes unidades:
1) Caloría.- Es la cantidad de calor necesaria que requiere un 1 gramo de agua a 1 atmósfera de presión para elevar su Tº 1 ºC. en la actualidad y debido al desarrollo de la técnica del frío; se utiliza la frigoría, o cantidad de calor que hay que quitar a 1 gramo de agua para bajar su Tº 1 ºC. Esta unidad se denomina a veces caloría pequeña o caloría gramo para distinguirla de la caloría grande, o kilocaloría, que equivale a 1.000 calorías y se emplea en nutrición. 2. Kilocaloría.- Es la cantidad de calor que necesita un kilo de agua para elevar su Tº 1 ºC. 3. B.T.U. (British Thermal United). - Es la unidad térmica inglesa para medir el calor, que se define de la siguiente manera: Es la cantidad de calor que nesecita una libra masa de agua pura para subir 1º Fahrenheit de 63ºF a 64ºF 1 B.T.U. 1 Lb ºF 1 B.T.U. 454 g ºF 1 B.T.U. 252 g ºc 1 B.T.U. 252 Cal 1 B.T.U. 0.252 K-Cal 1 K-Cal 1000 B.T.U. 1 k-cal 3.97 B.T.U. 1 Cal 4.2 J 1 J 0.24 Cal Según la ley de conservación de la energía, todo el trabajo mecánico realizado para producir calor por rozamiento aparece en forma de energía en los objetos sobre los que se realiza el trabajo. Joule fue el primero en demostrarlo de forma fehaciente en un experimento clásico: calentó agua en un recipiente cerrado haciendo girar unas ruedas de paletas y halló que el aumento de temperatura del agua era proporcional al trabajo realizado para mover las ruedas. Cuando el calor se convierte en energía mecánica, como en un motor de combustión interna, la ley de conservación de la energía también es válida. Sin embargo, siempre se pierde o
disipa energía en forma de calor porque ningún motor tiene una eficiencia perfecta. (Caballo de vapor) 3. CALOR LATENTE El cambio de temperatura de una sustancia conlleva una serie de cambios físicos. Casi todas las sustancias aumentan de volumen al calentarse y se contraen al enfriarse. El comportamiento del agua entre 0 y 4 C constituye una importante excepción a esta regla (véase Hielo). Se denomina fase de una sustancia a su estado, que puede ser sólido, líquido o gaseoso. Los cambios de fase en sustancias puras tienen lugar a temperaturas y presiones definidas (Regla de las fases). El paso de sólido a gas se denomina sublimación, de sólido a líquido fusión, y de líquido a vapor vaporización. Si la presión es constante, estos procesos tienen lugar a una temperatura constante. La cantidad de calor necesaria para producir un cambio de fase se llama calor latente; existen calores latentes de sublimación, fusión y vaporización (Destilación; Evaporación). Si se hierve agua en un recipiente abierto a la presión de 1 atmósfera, la temperatura no aumenta por encima de los 100 C por mucho calor que se suministre. El calor que se absorbe sin cambiar la temperatura del agua es el calor latente; no se pierde, sino que se emplea en transformar el agua en vapor y se almacena como energía en el vapor. Cuando el vapor se condensa para formar agua, esta energía vuelve a liberarse (véase Condensación). Del mismo modo, si se calienta una mezcla de hielo y agua, su temperatura no cambia hasta que se funde todo el hielo. El calor latente absorbido se emplea para vencer las fuerzas que mantienen unidas las partículas de hielo, y se almacena como energía en el agua. Para fundir 1 kg de hielo se necesitan 19.000 julios, y para convertir 1 kg de agua en vapor a 100 C, hacen falta 129.000 julios. 4. CALOR ESPECÍFICO La cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia se conoce como calor específico. Si el calentamiento se produce manteniendo constante el volumen de la sustancia o su presión, se habla de calor específico a volumen constante o a presión constante. En todas las sustancias, el primero siempre es menor o igual que el segundo. El calor específico del agua a 15 C es de 4.185,5 julios por kilogramo y grado Celsius. En el caso del agua y de otras sustancias prácticamente incompresibles, no es necesario distinguir entre los calores específicos a volumen constante y presión constante ya que son aproximadamente iguales. Generalmente, los dos calores específicos de una sustancia dependen de la temperatura. Tipos de Calor: De acuerdo a su naturaleza podemos clasificar de dos maneras: Calor Sensible.- Es aquella donde existe variación de temperatura y se determina con la siguiente relación: Ce: Calor específico Q = Ce.m. t
Q : Cantidad de Calor Cambios De Estados Físicos Ce Hielo = 0.5 cal/grºc Ce agua = 1 cal/gr ºC. m : Masa de cuerpo Ce Vapor = 05. cal/grºc t: variación de temperatura Ce cuerpo Humano = 0.83 cal/grºc. Calor Latente.- Es aquella donde en la sustancia hay cambio de estado sin cambiar de temperatura. Q = ml Donde M = masa de la sustancia L = Calor especifico latente del proceso Ls,f = Calor latente de solidificación o fusión = 80 cal/gr Lv,c = Calor Latente de vaporización o condensación = 540 cal/gr Lv = calor latente de vaporización del cuerpo humano =580 cal/gr 5. TRANSFERENCIA DE CALOR Los procesos físicos por los que se produce la transferencia de calor son la conducción y la radiación. Un tercer proceso, que también implica el movimiento de materia, se denomina convección. La conducción requiere contacto físico entre
los cuerpos o las partes de un cuerpo que intercambian calor, pero en la radiación no hace falta que los cuerpos estén en contacto ni que haya materia entre ellos. La convección se produce a través del movimiento de un líquido o un gas en contacto con un cuerpo de temperatura diferente. donde : K = Conductividad del material para músculo animal y grasa K = 5x10-5 kcal/s.m.ºk B.- POR CONVECCION.- Se produce cuando una sustancia baña a un cuerpo de superficie A. H = qa T donde: q = Constante de transmisión de calor por convección para el hombre desnudo: q = 1.7 x 10-3 Kcal/s.m 2 C.- Por RADIACION.- Se produce cuando un cuerpo entrega calor por radiación desde una superficie de área A y a una T se determina con : H = AeσT σ = 4 cons tan te de Boltzmann = 5.67x10 8 2 W / m K 4 = 1,36x10 11 2 Kcal / m k 4 e= Emisividad de la sup erficie. Dilatación de los cuerpos A.- POR CONDUCCION.- Si un cuerpo de área A esta en contacto con otro y presenta una diferencia de temperaturas t = t 1 t 2 a lo largo de una longitud L la tasa de transporte de calor desde el extremo de alta temperatura hasta el extremo de baja temperatura por conducción es : Dilatación, aumento de tamaño de los materiales, a menudo por efecto del aumento de temperatura. Los diferentes materiales aumentan más o menos de tamaño, y los sólidos, líquidos y gases se comportan de modo distinto. H = KA t L
Dilatación sólidos.- Los sólidos al calentarse, experimentan tres clases de dilataciones: en longitud o lineal, en superficie o superficial y en volumen o cúbica. a) Dilatación Lineal.- Es el aumento de longitud que experimentan los cuerpos por efecto del calor. La Dilatación lineal se demuestra con el perímetro de cuadrante que se basa en la dilatación de una varilla metálica que va fija en unos de los extremos de un soporte; al calentarse la varilla se alarga y mueve la aguja hacia la derecha marcando en un cuadrante. Cuando la varilla se enfría el agua vuelve a su primera posición. L = α L 0 T L: Variación de longitud α : Coeficiente de dilatación L 0: Longitud inicial T: Variación de Tº volumétrica o cúbica se evidencia por medio del anillo de Gravesande. V = T V 0 T V: Variación de volúmen T : Coeficiente de dilatcion cúbica V 0: Volumen Inicial T: Variación de Tº T : 3α b) Dilatación Superficial.- Es el aumento superficial que experimenta un cuerpo por accion del calor. S = β S 0 T S: Variación de la superficie β : Coeficiente de dilatación S 0: Superficie inicial T: Variación de Tº β : 2α c) Dilatación Cúbica.- El volumen de un cuerpo aumenta cuando este se calienta, la dilatación Dilatación Líquida.- Para los líquidos, el coeficiente de dilatación cúbica (cambio porcentual de volumen para un determinado aumento de la temperatura) también puede encontrarse en tablas y se pueden hacer cálculos similares. Los termómetros comunes utilizan la dilatación de un líquido por ejemplo, mercurio o alcohol en un tubo muy fino (capilar) calibrado para medir el cambio de temperatura.
Dilatación térmica de los gases.- Es muy grande en comparación con la de sólidos y líquidos, y sigue la llamada ley de Charles y Gay-Lussac. Esta ley afirma que, a presión constante, el volumen de un gas ideal (un ente teórico que se aproxima al comportamiento de los gases reales) es proporcional a su temperatura absoluta. Otra forma de expresarla es que por cada aumento de temperatura de 1 ºC, el volumen de un gas aumenta en una cantidad aproximadamente igual a 1/273 de su volumen a 0 ºC. Por tanto, si se calienta de 0 ºC a 273 ºC, duplicaría su volumen. Calor y temperatura La gráfica representa el cambio de temperatura que se produce al suministrar calor al agua (a 1 atmósfera de presión). A 0 C y 100 C se le puede suministrar calor sin cambiar su temperatura. Este calor latente rompe los enlaces que mantienen unidas las moléculas, pero no aumenta su energía cinética. Para vaporizar un gramo de agua hace falta aproximadamente siete veces más calor que para fundirlo. Esa diferencia se refleja en las distintas longitudes de las partes horizontales de la gráfica. Las pendientes de las líneas inclinadas representan el número de grados de aumento de temperatura por cada julio de calor suministrado a un gramo de agua. El 'calor específico' del agua es de 4.185,5 julios por kilogramo y grado, es decir, hacen falta 4.185,5 julios de energía para aumentar en un grado la temperatura de un kilogramo de agua. PROBLEMAS 1.- La temperatura de una persona antes de ingresar a una cámara de hielo es de 100ºF y después de salir de ella es 98.6ºF. Qué cantidad de Calor habrá perdido si su peso corporales de 80 kg? 2.- Una persona ingiere 200 gramos de crema de helados que se encuentra a -15ºC al mismo que se le atribuye un calor latente de fusión de 50cal/gr Cuánto calor absorbe la masa helada si después de ser ingerida toma la temperatura del cuerpo? 3.-Una persona cuya superficie mide 1.8 m2 lleva un abrigo de 0.01 m de espesor, de conductividad térmica de 10 5 Kcal / s. m.º K A.- Si la temperatura de la piel es de 34ºC y el exterior del abrigo se halla a -10º Cuál es la tasa de perdida de calor?, b.- se halla adecuadamente vestido la persona? Explique. 4.- Un estudiante, un día de verano desea tomar una limonada a 288ºK, suponiendo que dispone un vaso Pirex con 600 mlit. de este líquido a temperatura ambiente de 89,6ºF. Qué cantidad de hielo debe agregarse para lograr su deseo? Considere 200 gr la masa del vaso con Ce = 1.5 cal/grºc. 5.- Una persona desnuda de área superficial 1.8 m 2 y temperatura cutánea de 33ºC, se halla en una habitación a 10ºC. suponga e = 0.85 a).- Cuánto calor irradia por segundo dicha persona?, b).- Cuál es la pérdida neta de calor de dicha persona por radiación?
6.- Un varón desnudo en una playa un día resplandeciente recibiendo radiación solar a razón de 480 kcal/hr, si el área de la superficie efectiva del hombre es 0.90 m 2 y la temperatura cutánea es de 32ºC, sabiendo que la temperatura del medio ambiente es de 30ºC. a).- Cuál es la energía neta ganada por radiación en cada hora, b).- Si hay un viento de 4 m/s, encuentre la pérdida de energía por convección por hora si se cumple : q = 10.45 V + 10 4