domingo, 6 de noviembre de 2016
domingo, 9 de octubre de 2016
Equilibrio térmico: concepto de temperatura
Como
sabes, la noción de frío o calor es subjetiva y surge de la experiencia diaria,
por lo que no resulta útil para realizar un tratamiento científico. Para ello
es necesario introducir el concepto de temperatura como medida de la intensidad
de estas sensaciones, pero su definición debe ser lo suficientemente rigurosa
como para que no exista ambigüedad.
Cuando
ponemos en contacto dos cuerpos, uno más caliente que otro, experimentalmente
se observa que el cuerpo caliente se va enfriando progresivamente, mientras que
el cuerpo frío se va calentando. En términos de la magnitud que queremos
definir, la temperatura, el cuerpo caliente disminuye su temperatura mientras
que el cuerpo frío la aumenta. Si dejamos evolucionar el sistema el suficiente
tiempo, llega un momento en el que la temperatura de los dos cuerpos ya no
cambia, por lo que cesa el intercambio de energía. A este estado se le conoce
como equilibrio térmico.
Este hecho permite dar una primera
definición de temperatura:
La temperatura es
la magnitud común a dos cuerpos que se encuentran en equilibrio térmico.
Esta
definición se conoce también como el "Principio cero de la
termodinámica".
También
es posible dar una definición de temperatura como medida de la energía cinética
de las partículas, esto es, del movimiento de las partículas, ya que cuanta más
energía cinética tienen las partículas de un cuerpo, más rápidamente se mueven
y se comprueba experimentalmente que su temperatura es mayor.
Según
la teoría cinética, cuando dos cuerpos se ponen en contacto, se produce una
transferencia de energía cinética de las partículas del cuerpo caliente a las
del cuerpo frío hasta que en un momento dado la energía cinética media de las
partículas de ambos cuerpos es igual, y por tanto tienen la misma temperatura.
La temperatura de
un cuerpo es una medida de la energía cinética media de las partículas que lo
forman.
Esta
aproximación microscópica al concepto de temperatura nos resultará útil en el estudio
del calor y su transmisión. Ahora tienes una idea clara de lo que es la
temperatura, pero para que sea útil necesitamos saber medirla.
Los
dispositivos que miden la temperatura se denominan termómetros.
Los
más habituales eran los de mercurio (ahora prohibidos por los daños
medioambientales que puede producir este metal), basados en la relación entre
la longitud de la columna de mercurio y la temperatura. En los termómetros
actuales se utiliza la variación de la conductividad de determinados metales al
cambiar la temperatura.
Los
termómetros miden las temperaturas según una escala termométrica,
que permiten graduarlos. Para ello se escogen dos fenómenos que ocurran siempre
a la misma temperatura, que se denominan puntos fijos. Posteriormente se les asigna
arbitrariamente una temperatura y se divide el intervalo entre ellos en partes
iguales, cada una de las cuales le da la denominación de grado (excepto en la
escala Kelvin, en la que se prescinde de esta denominación: no se dice 200
grados Kelvin, sino 200 Kelvin).
Actualmente siguen utilizándose tres escalas:
Escala Celsius (ºC)
|
Escala Fahrenheit (ºF)
|
Escala Kelvin o Absoluta (K)
|
|
Punto Fijo 1
|
Fusión hielo; 0
|
Fusión hielo; 32
|
Fusión del hielo; 273
|
Punto Fijo 2
|
Ebullición agua; 100
|
Ebullición agua; 212
|
Ebullición agua; 373
|
Divisiones
|
100
|
180
|
100
|
Uso principal
|
Vida cotidiana
|
Países anglosajones
|
Ciencia y tecnología
|
Los puntos de fusión del hielo y de
ebullición del agua están medidos a presión atmosférica.
La transformación entre valores para las
escalas termométricas puede obtenerse a partir de las siguientes relaciones:
- T (K) = T (ºC) + 273
- T (ºC)/100 = (T (ºF) -32)/180
La
unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el Kelvin y
es la unidad que debes utilizar a la hora de resolver aquellos problemas en los
que aparezcan temperaturas.
Un
Kelvin tiene el mismo tamaño que un grado Celsius, por lo que los intervalos
entre temperaturas son equivalentes en ambas escalas.
Autoevaluación
1.- Un
termómetro situado en el aeropuerto de New York marca una temperatura de 77 ºF,
¿Cuál es la temperatura en grados Celsius y en Kelvin?
a) 27 ºC y 300 K
|
b) 25 ºC y 300 K
|
c) 25 ºC y 298 K
|
d) 27 ºC y 298 K
|
2.- La temperatura mínima que
se anuncia para el comienzo de la primavera en Huanguelén es de 38 ºF. ¿Consideras
apropiado abrigarte antes de salir a la calle?
sábado, 1 de octubre de 2016
¿Cómo medimos el calor transferido?
Cuando se transfiere energía en forma de calor a
un cuerpo, su temperatura aumenta como consecuencia del incremento de la
energía cinética media de sus partículas. Como en cualquier disciplina
científica, es necesario poder cuantificar esta transferencia para realizar
cálculos y predicciones en aquellas circunstancias en las que interviene el
calor.
Dado que, como se ha visto, el calor es una
forma de energía, su unidad en el sistema internacional será el julio o joule (J),
aunque existe otra unidad de uso habitual en la medida del calor: la caloría.
El calor
se mide en el S.I. en julios o joules (J), pero también en calorías (cal). Una caloría
se define como la energía necesaria para elevar un grado la temperatura de un
gramo de agua. La relación entre julio y caloría es: 1 cal = 4.18 J
En la gráfica de la imagen se observa que el alcohol aumenta significativamente más rápido su temperatura, hasta que alcanza su temperatura de ebullición (78 ºC), momento en el que cesa de aumentar. Lo mismo sucede con el agua, que se calienta más lentamente y tiene un punto de ebullición más alto (100ºC).
Por lo tanto, es necesario introducir una nueva
magnitud que exprese el diferente comportamiento de las sustancias al ser
calentadas.
Si se transfiere una misma cantidad de calor a dos
sistemas distintos, el aumento de temperatura experimentado por cada uno de
ellos no es siempre el mismo, sino que depende de su naturaleza y composición.
El parámetro que relaciona el incremento de la temperatura con el calor
suministrado se denomina calor específico (ce) de una sustancia, definido como
la energía absorbida al calentarse un kilogramo de una sustancia y elevar su
temperatura un Kelvin o un grado centígrado. Es característico de cada
sustancia y se mide en el S.I. en J/(kg·K).
El aumento de temperatura
viene dado por tanto por el cociente: 
de modo que el calor
intercambiado puede escribirse como:
La energía transferida a un cuerpo de masa m para que
su temperatura pase de una inicial (Ti) a otra final (Tf) viene dada por la
expresión:
donde ce
es el calor específico de la sustancia en cuestión.
Destacar
también que, debido a que aparece una diferencia de temperaturas, es
equivalente utilizar la escala Kelvin o la Celsius, pues ambos
grados son equivalentes.
Esta relación explica por
qué es necesario suministrar más calor a unas sustancias que a otras para
aumentar su temperatura: cuanto mayor sea su calor específico, más energía será
necesario suministrar. Por ejemplo, los metales tienen un calor específico
relativamente bajo, mientras que la madera o el agua lo tienen elevado.
Ejercicio resuelto:
Una cacerola contiene medio litro de agua a 25
ºC. Si el calor específico del agua es de 4180 J/(kg·K), calcula la cantidad de
energía necesaria para llevar todo el agua a la temperatura de ebullición (100
ºC).
Si hay medio litro de agua, como la densidad del
agua es dH2O = 1000 kg/m3 = 1 kg/L, esto quiere decir que tenemos 0.5 kg de
agua, y aplicando la ecuación para el calor transferido:
Q = m·ce·ΔT = 0.5 Kg·4180J/(Kg.K)·(373 K – 298 K)
= 156750 J
Problema:
Cuando suministramos 67500 J en forma de calor a un
bloque de acero, observamos que su temperatura aumenta 75 ºC. Si el calor
específico del acero es de 450 J/(kg·K), ¿cuál es la masa del bloque?
martes, 27 de septiembre de 2016
Calor
Cuando se ponen en contacto dos cuerpos que se
encuentran a distinta temperatura, se verifica una transferencia de energía
desde el cuerpo más caliente al más frío, de forma que el primero se enfría
mientras que el segundo se calienta. Esta transferencia se realiza entre
sistemas sin que exista trabajo realizado. Este hecho sirve como definición de
calor:
Se
denomina calor (Q) al proceso de transferencia de energía entre dos sistemas a
diferente temperatura sin que se realice ningún trabajo.
Al entrar en contacto estos sistemas, se produce
un intercambio de energía en forma de calor desde el sistema más caliente hasta
el más frío, hasta que las temperaturas se igualan. Esto no quiere decir que en
ese momento cese todo intercambio de calor -de hecho están produciéndose continuamente-
sino que en promedio la energía intercambiada entre los sistemas es la misma,
por lo que no se produce variación en la temperatura.
Cuando un sistema está en equilibrio térmico,
todas sus partes tienen la misma temperatura; ahora prueba a tocar con una mano
la mesa o un libro que tengas cerca y con la otra cualquier objeto metálico.
¿Cuál de los dos está más caliente?
Ambos están a la misma temperatura, pero
entonces ¿por qué parece que el metal está más frío? La respuesta tiene que ver
con una propiedad de la materia: la conductividad térmica. No todos los
materiales conducen igual de bien el calor; concretamente, los metales conducen
muy bien el calor y, por ello, el calor fluye rápidamente de nuestra mano al
objeto metálico, y este calor extraído de nuestro cuerpo es lo que nos da la
sensación de frío. La madera o el papel son malos conductores, y por ello el
calor fluye más lentamente y parecen más calientes.
Pero el calor no se transmite únicamente mediante
conducción, sino que existen otros mecanismos de gran importancia: la
convección y la radiación.domingo, 4 de septiembre de 2016
lunes, 29 de agosto de 2016
Suscribirse a:
Entradas (Atom)