CALOR Y TEMPERATURA6

1. La energía térmica

2. La temperatura: su medida y sus escalas

3. Calor y equilibrio térmico

4. Transmisión o transferencia del calor

ADAPTACIÓN CURRICULAR

6 Calor y temperatura. Adaptación curricular

Física y Química 2º ESO

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1. LA ENERGÍA TÉRMICAEl movimiento de los átomos y moléculas de las sustancias aumenta a medida que lo hace la temperatura.

Llamamos energía térmica a la energía asociada al movimiento de los átomos o moléculas de la sustancia.

El aumento de la temperatura y el del movimiento de las partículas están relacionados

Al calentar una sustancia aumentamos su energía térmica, y los átomos o moléculas de dicha sustancia se mueven cada vez más deprisa.

ACTIVIDADES

1.1. Observa las secuencias de imágenes del margen: las tres imágenes superiores muestran, en distintos tiempos, lo que sucede cuando se añade un colorante alimentario en agua fría. Las tres imágenes inferiores muestran lo mismo, en el mismo tiempo, pero cuando se añade el colorante alimentario en agua caliente. ¿Qué diferencias observas? ¿Se te ocurre alguna idea para explicar esa diferencia?

1.2. Si calientas un bloque de hielo, este se transforma en agua líquida. Si siguie-ras calentando el agua líquida, esta finalmente se transformará en vapor de agua. ¿En cuál de los tres estados dirías que se mueven las moléculas de agua más rápidamente?

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2. LA TEMPERATURA: SU MEDIDA Y SUS ESCALASA medida que calentamos una sustan-cia, sus moléculas o átomos se mueven más deprisa y su temperatura aumenta. Por tanto, podemos afirmar que:

La temperatura es la medida de la energía térmica o del movimien-to molecular de una sustancia.

El instrumento usado para medir la temperatura es el termómetro.

2.1. Las escalas de temperatura

Las escalas de temperatura más utilizadas son la escala Celsius o centígrada y la escala absoluta o Kelvin.

Escala Celsius o centígrada

Fue propuesta en 1742 por el sueco Anders Celsius. En esta escala se asigna el valor cero (0 °C) a la temperatura de congelación del agua, y el valor cien (100 °C) a la temperatura de ebullición del agua.

El intervalo entre estos dos valores se divide en cien partes iguales, cada una de las cuales corresponde a un grado.

Se simboliza con un circulito como superíndice seguido de la letra mayúscula C (correspondiente a Celsius).

Escala absoluta o Kelvin

Es la escala real o física que se relaciona directamente con el movimiento de las partículas. En ella, el valor 0 es la temperatura en la que no existiría movimiento; es decir, la energía térmica de una sustancia sería cero.

Así pues, el cero absoluto o cero Kelvin marca un límite natural de temperaturas; no puede existir ninguna temperatura inferior, pues la temperatura mide el movi-miento térmico de las partículas.

En esta escala, la temperatura de congelación del agua es de 273 K (se lee 273 Kelvin) aproximadamente, por lo que:

0 °C = 273 K

Las divisiones son iguales que en la escala Celsius; por tanto, la temperatura de ebullición del agua es de:

100 °C = 373 K

❚ Para convertir grados Celsius en Kelvin hay que sumar 273.

T (Kelvin) = t (°C) + 273

❚ Para convertir temperaturas Kelvin en Celsius hay que restar 273.

t (°C) = T (Kelvin) − 273

Termómetro digital.

cero absoluto−273

oxígeno líquido−180

alimentos enel congelador

−20

fusión de hielo0

cuerpo humano36,5

agua hirviendo100

mechero bunsen1 500

superficie del Sol6 000

temperaturaºC

–273

escalaCelsius

–100

0 oC

100 oC

200 oC

0 K

173 K

273 K

373 K

473 K

escalaKelvin

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ACTIVIDADES

2.1. Si tenemos dos cuerpos iguales y en uno de ellos las moléculas se mueven más lentamente que en el otro. ¿Cuál de ellos tendrá más temperatura?

2.2. En la fotografía del margen puedes ver un termómetro que mide en la escala centígrada o Celsius. ¿Qué temperatura exacta marca?

2.3. Expresa la temperatura del termómetro de la foto en Kelvin.

2.4. ¿A cuántos grados centígrados equivale el cero absoluto o 0 K?

2.5. ¿Puede existir una temperatura de −300 °C? ¿Por qué?

2.6. ¿Puede existir una temperatura de −10 K?

2.7. Completa las celdas en blanco de la siguiente tabla:

Temperatura (oC) Temperatura (K)

30

33

120

560

−183

2.8. La temperatura habitual del cuerpo humano es de 36,5 °C. Expresa dicha temperatura en Kelvin.

2.9. Expresa las siguientes temperaturas en la escala Kelvin:

a) 200 °C ________K

b) −65 °C ________K

c) 273 °C ________K

d) −1 °C ________K

e) 3850 °C ________K

f) 0 °C ________K

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2.10. Expresa las siguientes temperaturas en la escala Kelvin:

a) 20 K ________°C

b) 1 K ________°C

c) 0 K ________°C

d) 452 K ________°C

e) 298 K ________°C

f) 3500 K ________°C

2.11. Completa la siguiente tabla:

Propiedad Temperatura (°C) Temperatura (K)

Ebullición del agua

Cero absoluto

Congelación del agua

2.12. Expresa la temperatura del vaso de agua de la fotografía en Kelvin.

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3. CALOR Y EQUILIBRIO TÉRMICOLleva a cabo el siguiente experimento en casa o en clase:

❚ Coge un vaso o recipiente grande y uno más pequeño que quepa dentro del anterior.

❚ Llena el vaso o recipiente mayor con agua fría del grifo hasta media altura.

❚ Llena el vaso pequeño con agua, y caliéntalo al microondas o con una placa calefactora, con precaución de no quemarte.

❚ Introduce el vaso pequeño dentro del grande a la vez que introduces un termó-metro en el agua fría y otro en el agua caliente. Anota la temperatura inicial de cada vaso de agua.

❚ Deja progresar el experimento tal como está durante un tiempo (una o dos horas) y lee posteriormente las temperaturas de los dos termómetros.

ACTIVIDADES

3.1. ¿Qué sucede con la temperatura de los dos vasos después de bastante tiempo?

3.2. ¿Cuál de las siguientes frases te parece más acertada?

a) El vaso que se encuentra a mayor temperatura transfiere calor al vaso con agua más fría, hasta que las temperaturas se igualan.

b) El vaso que se encuentra a menor temperatura transfiere frío al vaso con agua más caliente, hasta que las temperaturas se igualan.

3.1. Equilibrio térmico

Abajo puedes ver la secuencia de equilibrio térmico mediante imágenes tomadas gracias a una cámara termográfica.

Como puedes ver en la primera imagen, un vaso caliente (en rojo y blanco) a 58,7 oC se ha introducido en una cubeta con agua fría (azul).

En las imágenes se observa que el calor se transmite desde el vaso caliente hacia el agua fría, hasta que finalmente se igualan las temperaturas (mismo color) en la imagen de la derecha.

Secuencia de equilibrio térmico.

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Como habrás podido deducir, cuando dos cuerpos o sistemas materiales que se encuentran a distinta temperatura entran en contacto, el de mayor temperatura transfiere energía térmica al otro hasta conseguir el equilibrio térmico (en el que las temperaturas se igualan).

El calor es la transferencia de energía térmica desde un cuerpo o sistema que se halla a mayor temperatura hasta otro de temperatura menor.

El calor se mide en unidades de energía, es decir, en julios (J).

Sin embargo, es muy habitual usar otra unidad, la caloría (cal), que se define como la cantidad de calor que debe suministrarse a un gramo de agua para elevar su temperatura un grado.

La equivalencia entre ambas unidades es la siguiente:

1 cal = 4,184 J

ACTIVIDADES

3.3. ¿A cuántos julios equivalen 20 calorías? ¿Y a cuántas calorías equivalen 1000 J?

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4. TRANSMISIÓN O TRANSFERENCIA DEL CALORLa transferencia de calor de un punto a otro o de un cuerpo o sistema mate-rial a otro tiene lugar a través de tres mecanismos: conducción, convección y radiación.

4.1. Conducción

Si calentamos el extremo de una varilla de metal, al cabo de poco tiempo todo el metal se habrá ca-lentado.

Esto se debe a que al calentar el extremo de la va-rilla, sus átomos empiezan a moverse más rápida-mente, empujando a los átomos vecinos y transfi-riendo, de esa manera, la energía térmica a toda la varilla.

El proceso por el que se transmite energía tér-mica de un punto a otro de un sólido se deno-mina conducción.

En la conducción se transmite energía térmica, pero no materia.

4.2. Convección

Al calentar el fondo de un recipiente con agua (o con cualquier fluido, ya sea líqui-do o gaseoso), se empieza a calentar el agua que se encuentra en la parte inferior del recipiente, haciéndose menos densa. Sin embargo, el agua de la superficie, aún fría, es más densa y desciende, mientras que el agua calentada asciende.

De ese modo se crean las denominadas corrientes de convección, por las que el agua (o fluido) caliente asciende mientras que el agua o fluido frío desciende para ser calentado, repitiéndose así el ciclo.

La convección es el proceso por el que se transfiere energía térmica de un punto a otro de cualquier fluido (líquido o gas) debido al movimiento del propio fluido.

En la convección se transmite energía térmica mediante el transporte de materia.

4.3. Radiación

Si acercas un termómetro a una bombilla, apreciarás que la temperatura del ter-mómetro subirá. Pero, además, si introduces el termómetro en una cámara de vacío, de la que has extraído el aire, y repites el experimento, comprobarás que la temperatura del termómetro sigue ascendiendo.

Al no haber medio material alguno (ni sólido ni fluido), el aumento de temperatura no se debe a fenómenos de conducción ni de convección. En este caso, la transfe-rencia de energía térmica se debe al fenómeno de radiación.

La radiación es el proceso de transferencia de energía térmica por el que los cuerpos emiten energía que puede propagarse por el vacío.

La radiación térmica es conocida también como radiación infrarroja.

agua

calie

nte

que

ascie

nde

agua

fría

que

desc

iende

Corrientes de convección durante el calentamiento del agua.

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ACTIVIDADES

4.1. ¿Cómo piensas que llega hasta nosotros el calor del Sol si entre la Tierra y el Sol solo hay espacio esencialmente vacío?

4.2. Observa las imágenes del margen; la de la izquierda es una fotografía normal de una vela ardiendo, mientras que la de la derecha es una imagen termográ-fica de la misma vela. La escala de colores de la parte inferior nos informa de la temperatura.

a) ¿Por qué se observa que el aire por encima de la llama está a mayor tem-peratura? ¿Qué fenómeno de transmisión del calor tiene lugar cuando arde una vela?

b) ¿Te quemarías la mano si la acercas a la llama por un lateral? ¿Por qué?

4.3. Observa ahora la siguiente secuencia: la imagen superior izquierda muestra un vaso de agua al que se han añadido unos cubitos. La cruz central de cada imagen muestra el punto cuya temperatura se mide y aparece reflejada en la parte superior.

a) ¿Cuál es la temperatura de los cubitos de hielo?

b) ¿Cuál es la temperatura inicial del agua?

c) ¿Qué temperatura tiene el agua que bordea a los cubitos?

d) ¿Quedan cubitos sin derretir en la imagen final? ¿Cuál es la temperatura final del agua?

4.4. ¿Cuál es el proceso de transmisión del calor que ha tenido lugar en la secuen-cia anterior, por el que finalmente se derriten los cubitos de hielo?

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4.5. Copia y completa las siguientes frases en tu cuaderno:

a) El calor puede transferirse por _____________, por _____________ y por _____________.

b) El caldo en el interior de una cacerola se va calentando en su totalidad por _____________.

c) El calor del interior de una vivienda se transfiere al exterior a través de puertas, paredes y ventanas por _____________.

d) La energía térmica procedente del Sol llega hasta nosotros por _____________.

4.6. Asigna el nombre del correspondiente proceso de transmisión del calor a cada uno de los siguientes apartados:

a) Se transfieren materia y energía térmica: _____________.

b) Se transfiere energía térmica, pero no materia: _____________.

c) Se transfiere sin necesidad de medio material: _____________.

4.7. ¿Mediante qué mecanismo de transmisión del calor se calienta el aire de una habitación cuando usamos los radiadores?

4.8. Cuando se pone a enfriar una bebida entre cubitos de hielo ¿se transfiere el frío de los cubitos a la bebida o, por el contrario, se transfiere el calor de la bebida a los cubitos de hielo?

4.9. Observa la imagen termográfica del margen correspondiente a una perso-na. ¿Cuál es el mecanismo de transmisión del calor que permite obtener estas imágenes gracias a la temperatura del cuerpo humano?

4.10. Infórmate del fenómeno de la circulación de las brisas marinas de día y de noche y explica con qué fenómeno de transmisión del calor está relaciona-do.

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1. Indica en cuáles de estos casos se moverán más rápido las moléculas (o los átomos):

a) Cubito de hielo – agua hirviendo en una cacerola.

b) Oro fundido – anillo de oro:

c) Aire contenido en un congelador – aire que se encuentra alrededor de la llama de una vela.

2. Rellena la siguiente tabla. ¿Son posibles todas las temperaturas que aparecen en la tabla?

Temperatura (°C) Temperatura (K)

250

273

100

−285

1570

6000

3. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y corrígelas en caso de que sean falsas:

a) El calor es la transferencia de energía térmica desde un cuerpo o sistema que se halla a menor temperatura hasta otro de temperatura mayor.

b) Si colocamos 1 g de metal fundido sobre un bloque de hielo de 1 kg, el metal se enfriará porque el bloque de hielo le cederá frío.

c) La caloría se define como la cantidad de calor que debe suministrarse a un gramo de agua para elevar su temperatura un grado.

EVALUACIÓN. SOLUCIÓN

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4. Completa las siguientes frases con el mecanismo de transmisión del calor que consideres adecuado.

a) El calor que nos llega del Sol lo hace por _____________.

b) El calor se transmite a lo largo de una barra de metal mediante _____________.

c) Los radiadores calientan el aire de una habitación mediante un mecanismo de _____________.

5. Explica qué es el equilibrio térmico y por un ejemplo de ello.