Física y química en 3 º de la ESO

La Materia: temperatura y calor

1. Temperatura

La temperatura de un cuerpo es una magnitud que nos informa sobre el grado de agitación de las partículas que forman dicho cuerpo. Cuanto mayor es la agitación de las partículas mayor será la temperatura del cuerpo.

El S.I. utiliza la escala Kelvin (K) para expresar la temperatura, sin embargo no es la única, destaca el uso de la escala centígrada o Celsius (ºC), y de la escala Fahrenheit (ºF) en los países anglosajones.

El aparato utilizado para conocer la temperatura de un cuerpo es el termómetro.

Para encontrar equivalencias entre una y otra escala de temperatura utilizaremos las siguientes fórmulas:

T(K) = t (ºC) + 273

t (ºC) = T (K) – 273

 

2. Calor

El calor es una manifestación de energía. Podemos definir calor como la energía que se intercambia entre dos cuerpos como consecuencia de una diferencia de temperatura.

El calor se representa con la letra Q.

La unidad de medida del Calor en el S.I. es el Julio (J) aunque también, resulta habitual usar la caloría (cal).

1 cal = 4,18 J

El calor fluye del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura, hasta que ambos se encuentren a la misma temperatura, en ese instante diremos que se ha alcanzado un equilibrio térmico y la temperatura alcanzada se denomina temperatura de equilibrio.

Al calor absorbido por un cuerpo se le asigna signo positivo (+) ya que representa una ganancia de energía.

Al calor cedido por un cuerpo se le asigna signo negativo (-) ya que indica una pérdida de energía.

3. Calor específico

El calor específico (Ce) es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado.

En el Sistema Internacional de unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramo y kelvin; en ocasiones también se expresa en calorías por gramo y grado centígrado.

Ce​=J/(kg·K)

El calor específico del agua es una caloría por gramo y grado centígrado, es decir, hay que suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado.

En esta tabla vemos valores de calor específico para algunas sustancias:

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Calor

El calor es una cantidad de energía y es una expresión del movimiento de las moléculas que componen un cuerpo.

Cuando el calor entra en un cuerpo se produce calentamiento y cuando sale, enfriamiento. Incluso los objetos más fríos poseen algo de calor porque sus átomos se están moviendo. (Ver:Termodinámica, Tercera Ley )

Al aplicar calor, sube la temperatura.

Temperatura

La temperatura es la medida del calor de un cuerpo (y no la cantidad de calor que este contiene o puede rendir).

Diferencias entre calor y temperatura

Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo, esto no es así. El calor y la temperatura están relacionadas entre sí, pero son conceptos diferentes.

Como ya dijimos, el calor es la energía total del movimiento molecular en un cuerpo, mientras que la temperatura es la medida de dicha energía. El calor depende de la velocidad de las partículas, de su número, de su tamaño y de su tipo. La temperatura no depende del tamaño, ni del número ni del tipo.

Por ejemplo, si hacemos hervir agua en dos recipientes de diferente tamaño, la temperatura alcanzada es la misma para los dos, 100° C, pero el que tiene más agua posee mayor cantidad de calor.

El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si añadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye.

La temperatura no es energía sino una medida de ella; sin embargo, el calor sí es energía.

Misma temperatura, distinta cantidad de calor.

Cambios de estado

En la naturaleza existen tres estados usuales de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Al aplicarle calor a una sustancia, esta puede cambiar de un estado a otro. A estos procesos se les conoce como Cambios de estado . Los posibles cambios de estado son:

-de estado solidó a liquido, llamado fusión.

-de estado liquido a solidó, llamado solidificación.

-de estado liquido a gaseoso, llamado vaporización

-de estado gaseoso a liquido, llamado condensación

-de estado solidó a gaseoso, llamado sublimación progresiva.

-de estado gaseoso a sólido, llamado sublimación regresiva.

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Todos sabemos intuitivamente de qué estamos hablando. Por medio del tacto notamos la temperatura al tocar un cuerpo ya que unas terminaciones nerviosas situadas en la piel se encargan de ello.
Los gatos poseen termosensores en la nariz que les permiten distinguir variaciones de 0.2ºC.

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Vamos estudiar el comportamiento de un gas para tratar de asociar esta sensación a una magnitud (algo que podemos medir) y para comprender qué cualidades de la materia manifiesta. Toda la materia está formada por partículas en continua agitación:. incluso los sólidos, que a simple vista parecen estar en reposo, la tienen. En los sólidos las vibraciones son pequeñas. Si la energía de agitación es muy grande, se pueden llegar a romper los enlaces entre las moléculas y entre los átomos. Las partículas se desenlazan y vibran libres, rotan, chocan entre si y contra las paredes del recipiente.

Este estado de la materia se llama gaseoso. El gas trata de ocupar todo el volumen del recipiente que lo contiene: trata de expandirse.
No todas las partículas se mueven en la misma dirección y con la misma velocidad. A cada estado concreto se le puede asignar una velocidad media.
En esta animación puedes ver las moléculas de un gas en continua agitación.
En un gas la temperatura es una magnitud (algo que podemos medir) que se relaciona con la medida de la velocidad media con que se mueven las partículas (por lo tanto con su energía cinética o nivel de agitación).
La temperatura no depende del número de partículas que se mueven sino de su velocidad media: a mayor temperatura mayor velocidad media. No depende por tanto de la masa total del cuerpo: si dividimos un cuerpo con una temperatura "T" en dos partes desiguales las dos tienen la misma temperatura.
La temperatura es una magnitud que refleja el nivel térmico de un cuerpo (su capacidad para ceder energía calorífica) y el calor es la energía que pierde o gana en ciertos procesos (es un flujo de energía entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas).
Nivel térmico es el nivel de agitación. Comparando los niveles térmicos sabemos hacia donde fluye el calor.
La temperatura refleja el nivel térmico de un cuerpo e indica el sentido en que fluye el calor.
La temperatura está relacionada con la presión

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¿Cómo se mide la temperatura?
Nuestro tacto detecta la temperatura, pero carece de la capacidad de medirla con rigor.

Realizando esta experiencia lo comprenderás: Introduce una mano en un recipiente frío y la otra en uno caliente, y luego las dos manos juntas en otro recipiente con agua templada. La primera mano la encontrará caliente y la otra fría.

Del cuerpo que está a mayor temperatura decimos que "está más caliente" y a veces, erróneamente, se dice "que tiene más calor". Los cuerpos no tienen calor, tienen energía interna y tienen temperatura. Reservamos el término "calor" para la energía que se transfiere de un cuerpo a otro. Esta energía es fácil de medir, pero la energía total que tiene el cuerpo no.
Si un cuerpo recibe energía calorífica aumenta la agitación de las partículas que lo forman (átomos, moléculas o iones) y se pueden producir también cambios en la materia: dilatación, cambios de color (piensa en una barra de metal al calentarla), variación de su resistencia a la conducción, etc. Estos cambios se pueden utilizar para hacer una escala de temperatura.
Al poner en contacto dos sustancias la agitación de las partículas de una se transmite, mediante choques, a las partículas de la otra hasta que se igualan sus velocidades. Las partículas de la sustancia más caliente son más rápidas y poseen más energía. En cada impacto ceden parte de la energía a las partículas más lentas con las que entran en contacto. Las partículas de la sustancia que está a mayor T se frenan un poco, pero al mismo tiempo hacen que la más lentas aceleren.
Finalmente las partículas de las dos sustancias alcanzan la misma velocidad media y por lo tanto la misma temperatura: se alcanza el "equilibrio térmico".
Para diseñar un instrumento que mida la temperatura debemos escoger una cualidad de la materia que sea fácilmente observable, que varíe de manera importante con la agitación de sus partículas, que sea fácil de medir y que nos permita relacionar su variación con la agitación que tiene el cuerpo.
La cualidad elegida en los termómetros de mercurio es la dilatación, pero existen otros tipos de termómetros basados en otras cualidades.
Se utiliza el mercurio para construir termómetros porque es un metal que es líquido entre -20 ºC y 100ºC y porque se dilata mucho. Encerramos el metal dentro de un tubo fino (capilar) para que al dilatarse un poco avance mucho por el tubo (cuanto más fino sea el tubo más centímetros avanza). Midiendo longitudes de la columna podemos establecer una relación entre la dilatación y el nivel de agitación de la sustancia a medir.

¡Medimos la temperatura midiendo una longitud!

Se pueden tomar como base para medir las temperaturas otras propiedades que cambien con ella como el color, la resistencia eléctrica, etc. Aparatos basados en las anteriores propiedades son el pirómetro óptico, el termopar....

Esto posibilita el medir en distintos rangos de temperaturas. Piensa en lo que pasaría si midieras la temperatura de un alto horno con un termómetro de mercurio.

Pulsa aquí para conocer otros tipos de termómetros.

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Calibrado del termómetro. Escala Celsius de temperatura
Celsius, eligió como cero de temperatura para su escala la temperatura del hielo en contacto con agua. Las temperaturas inferiores, por lo tanto, serán negativas.
Para marcar ese punto en el termómetro, lo introducimos en una mezcla de agua y hielo y esperamos hasta que se estabilice la posición del mercurio de la columna. Marcamos ese punto en el vidrio (es el extremo de la columna de mercurio en ese momento) como punto 0.


Calentamos agua en un Erlenmeyer cerrado con un tapón bihoradado. Por un agujero del tapón sale un tubo y por él vapor, por el otro introducimos el termómetro. Se inserta hasta que el bulbo quede en un punto próximo a la superficie del agua.
La columna de mercurio sube pero cuando el agua empieza a hervir se para y no sube más. Marcamos el vidrio en ese punto como punto 100. Si la presión no es 1 atm. la temperatura de ebullición no será 100 ºC.
Dividimos la longitud del vidrio entre 0 y 100 en 100 partes iguales. A cada división le corresponde 1 grado centígrado.
Con el termómetro de mercurio medimos la temperatura del aire. Este es el dato climatológico más conocido. El termómetro recibe el calor trasmitido por conducción del aire que lo rodea.
¡No debemos exponer el termómetro al Sol para medir la temperatura del aire!
No debemos exponer un bulbo del termómetro a los rayos del Sol porque, en este caso, además del calor que recibe del aire recibe la radiación solar y recibe más cuanto mayor sea el bulbo del termómetro.

No sería correcta la lectura puesto que dos termómetros correctamente calibrados colocados en el mismo sitio y expuestos al Sol no marcan lo mismo: el que tenga el bulbo más grande marca una temperatura mayor.

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Esacalas de temperatura
A lo largo de los años se establecieron diferentes escalas. Ver historia de la temperatura
En 1967 se adoptó la temperatura del punto triple del agua como único punto fijo para la definición de la escala absoluta de temperaturas y la separación centígrada de la escala Celsius. El nivel cero quedaba a -273,15 K del punto triple y se definía como el cero absoluto o 0 K. Esta escala sustituyó a la escala centígrada o Celsius al definir el cero como el punto más bajo posible e inalcanzable en la práctica.
A la temperatura del cero absoluto no hay movimiento y desde él no se puede sacar calor. En ese estado todo el movimiento atómico y molecular se detiene, es la temperatura más baja posible. Todos los objetos tienen una temperatura más alta que el cero absoluto y por lo tanto emiten energía térmica o calor. El espacio interestelar casi vacío tiene temperatura ligeramente superior al 0 K.
En este esquema comparativo puedes ver las escalas más importantes:

Conversión de valores de temperaturas
La escala Celsius y la escala Kelvin tiene una transformación muy sencilla:

grados K=273.15 + grados C

En la transformación de grados centígrados a grados Fahrenheit debes tener en cuenta que cada grado centígrado vale 1,8 ºF ( 0 - 100 en la escala centígrada equivale a 32 - 210 en la escala Fahrenheit). Por lo tanto debes multiplicar los grados centígrados por 1,8 que equivale a 9/5 . Como el cero Celsisus corresponde al 32 Fahrenheit debes sumar 32:

gradosF=(9/5)*gradosC+32

Para la transformación inversa se despeja y queda:

gradosC=(5/9)*( grados F-32)

http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/Calor/

¿Qué es el calor? Durante muchos años se creyó que el calor era un componente que impregnaba la materia y que los cuerpo absorbían o desprendían según los casos. Lo que ves a la derecha es una manifestación del calor, es una llama, pero no es el calor. El calor es un concepto y por lo tanto no se ve. Si puedes percibir los efectos del calor.

Rumford, taladrando tubos de metal para construir cañones, se dio cuenta de que cuanto más roma estaba la broca más calor se desprendía. Si el calor estuviera retenido en el cuerpo impregnándolo saldría más cuanto más se desmenuzara la materia en virutas...pero no era así, era justamente al revés. (Benjamín Thomson - Conde Rumford )
¡El calor se generaba al rozar la broca con el metal! ¡La energía cinética de la broca se transformaba en calor!
El calor es por lo tanto una forma de energía. Es la "energía calorífica". Un inglés llamado J.P. Joule halló su equivalencia con las unidades del trabajo.
El Universo está hecho de materia y energía. La materia está compuesta de átomos y moléculas (que son grupos de átomos) y la energía hace que los átomos y las moléculas estén en constante movimiento: rotando alrededor de si mismas, vibrando o chocando unas con otras. Cuando la materia desaparece (a veces esto ocurre espontáneamente en las sustancias radiactivas) se transforma en energía (E=mc²)
El movimiento de los átomos y moléculas está relacionado con el calor o energía térmica. Al calentar una sustancia aumenta la velocidad de las partículas que la forman.
La cantidad total y absoluta de energía que tiene un cuerpo, que es la que podría teóricamente ceder, es muy difícil de precisar.
Nos referimos al calor como a esa energía que intercambian los cuerpos (energía de tránsito) y que podemos medir fácilmente.
El calor es una energía que fluye de los cuerpos que se encuentran a mayor temperatura a los de menor temperatura. Para que fluya se requiere una diferencia de temperatura. El cuerpo que recibe calor aumenta su temperatura, el que cede calor disminuye su temperatura. Resulta evidente que los dos conceptos, calor y temperatura, están relacionados.

Los cuerpos radian unos hacia otros pero el balance total del intercambio es favorable a uno y desfavorable al otro hasta que se alcanza el equilibrio térmico.
El calor es una energía de tránsito, sólo tiene sentido hablar de variación de calor mientras la energía fluye de un cuerpo a otro.
Es una energía degradada ya que es imposible recuperar toda la energía mecánica que se invirtió en producirlo. Se recupera energía mecánica haciéndolo fluir en las máquinas térmicas del foco caliente al frío y retirando parte de esa energía en forma de energía mecánica (movimiento) pero una parte importante del calor debemos arrojarla al entorno en el foco frío.
Los rendimientos de la máquinas se calculan por la relación de temperaturas entre las que funcionan y es imposible un rendimiento del 100%

R=(T₁-T₂)/ T₁

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¿Cómo se genera el calor?
La energía puede presentarse de muy diferentes formas y puede cambiar de una forma a otra.
Ya vimos la experiencia de Rumford en la que por rozamiento la broca transformaba energía cinética en energía calorífica. Pero existen otras transformaciones de energía.....

• La energía electromagnética (luz del Sol) calienta la Tierra. Esta es la primera fuente de toda la energía que llega a la Tierra y que luego se transforma en otros tipos de energía.
• Los cuerpos emiten energía calorífica en forma de radiación en el infrarrojo.
• Las reacciones química de combustión desprenden calor (exotérmicas), otras lo absorben (endotérmicas).
• La electricidad circulando por una resistencia la calienta.
• Un balón al chocar contra el suelo transforma su energía mecánica en calor al deformarse.
• Nuestros cuerpos transforman la energía química de los alimentos en calor: para vivir necesitamos unas 2.100.000 calorías al día.
• Las reacciones nucleares generan calor al desaparecer la masa.
• Al producir un sonido hacemos vibrar las partículas de aire y esta energía se transmite en el aire: las ondas transportan energía.

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¿Cómo se mide el calor?
El agua es importantísima en nuestra vida. Se ha utilizado para establecer la escala de Celsisus de temperaturas y tiene una excepcional cualidad que hizo que se eligiera para definir el patrón de la energía calorífica: el agua es una de las sustancias que, aunque reciba mucha energía calorífica, incrementa muy poco su temperatura.
Esta cualidad del agua es la responsable del clima benigno (poco oscilante entre el día y la noche) en las proximidades del mar para una misma latitud terrestre.
La capacidad del agua de "encajar" los impactos de calor "sin casi inmutarse" incrementando poco su temperatura se representa mediante una magnitud llamada "calor específico" (Ce) : calor que necesita 1 g de sustancia para aumentar 1 grado su temperatura.
En consecuencia, el calor específico del agua es 1 cal /g. grado.
Caloría
Se llama caloría " la cantidad de calor necesaria para que 1g de agua aumente 1º su temperatura" ( más exactamente para pasar de 14,5 º a 15,5º)
Una vez demostrado que el calor es una forma de energía se halló su equivalencia con otras unidades que surgieron del estudio de la energía mecánica. Hoy se utiliza siempre el S.I. y usamos como unidad de trabajo y de energía el julio (1 caloría=4,18 Julios ).

En el S.I. el Ce (agua)=4180 J/kg ºK.

Cada sustancia tiene un calor específico característico, casi siempre mucho menor que el del agua. Pulsa para ver un cuadro con calores específicos de sustancias

Capacidad calorífica
Pero la cantidad de calor que puede acumular o perder una masa de agua depende, además de su calor específico, de la masa de la sustancia. El producto de la masa por el calor específico se llama "capacidad calorífica".
Cuanta más capacidad calorífica tenga un cuerpo menos incremente su temperatura para un mismo aporte de calor. Es como la capacidad que tiene la sustancia para "encajar" el calor.
El calor necesario para un mismo incremento de temperatura de una cierta sustancia depende de su masa: cuanta más masa, más calor se requiere.
Uniendo todos los factores anteriores obtenemos la fórmula que nos da el calor cedido o absorbido por un cuerpo cuando varía su temperatura:

D Q=m _cuerpo· Ce _(cuerpo).( T_F- T_I)

Para medirlo necesitamos conocer el comportamiento de la sustancia frente al calor, es decir su Ce, su masa y el indicativo de su nivel térmico (su temperatura) antes y después de recibir o perder calor.
Pulsa aquí para ver gráficamente el comportamiento con el calor de las sustancias en distintas condiciones
A veces la sustancia recibe energía (calor) y no incrementa su temperatura. Es lo que ocurre en los cambios de estado. Un caso concreto lo tenemos en la fusión del hielo. Si suministramos calor a una mezcla formada por hielo fundido y hielo sin fundir el calor se emplea en fundir más hielo y la temperatura del agua no se incrementa.
La fórmula para hallar la cantidad de hielo que se funde con una determinada cantidad de calor es:

DQ=m· L _fusión

Donde L _fusión es el calor latente de fusión expresado en J/kg , una cantidad característica de cada sustancia. Indica la energía que debemos aportar para separa la moléculas al pasar de sólido a líquido.