TEMPERATURAS E ISOTERMAS

TEMPERATURAS E ISOTERMASDefinicin de Temperatura.Como se sabe, toda la materia est compuesta de tomos y molculas que estn en movimiento permanente. En la fase slido las molculas estn muy cerca unas de otras, se atraen y prcticamente no se mueven, solo vibran en su lugar.En la fase liquida las molculas estn muy alejadas unas de otras y se mueven a gran velocidad. En la fase gaseosa las molculas estn mas alejadas unas de otras y la velocidad a la que se mueven es an mayor. La temperatura de un fluido se relaciona con el concepto microscpico del movimiento de las molculas que componen el fluido.El estado de la materia(slido, liquido y gaseoso), depender de las caractersticas propias de la vibracin molecular, es decir, si la energa cintica de las partculas aumenta o disminuye, entonces la temperatura del cuerpo (slido) o fluido (lquido o gas) tambin aumenta o disminuye, respectivamente.Similarmente, cuando un cuerpo o fluido se calienta o se enfra, su energa cintica y su temperatura tambin se incrementa o disminuye, respectivamente. La sensacin de calor o fro es quizs la que nos representamas fcilmente el concepto macroscpico de temperatura.

Es decir, mientras mayor sea la energa cintica promedio de las molculas, mayor ser la temperatura del fluido; es decir, la temperatura es proporcional al calor contenido en un cuerpo.

Las mediciones de temperatura se realizan en un ambiente con buena ventilacin y protegido de la radiacin solar para lo cual se utiliza un cobertizo meteorolgico, cuyo tamao varia segn el instrumento.

Tipos de termmetrosTermmetros lquidos (mercrio o alcohol):

Un termmetro de mercurio consta bsicamente de un deposito de vidrio que se prolonga en una varilla provista de un tubo capilar vaco, por el que asciende el liquido (mercurio o alcohol) al dilatarse como consecuencia de la absorcin de calor. Sobre la varilla se graba una escala graduada. El mercurio permite medir temperaturas superiores a -39 C, mientras que los termmetros de alcohol pueden medir valores por encima de -62C.Lmina bimetlica: Termgrafo.Este sensor de temperatura est constituido por dos lminas de metales distintos que estn pegadas entre s. Como los coeficientes de expansin trmica de ambos metales no son iguales, las lminas se flectan al cambiar la temperatura. Mediante un sistema de palancas, la deflexin se amplifica y se registra en una banda de papel.

Termocupla:El principio de medicin de este instrumento se basa en el hecho que en el punto de contacto de dos metales distintos se produce una diferencia de potencial elctrico, cuya magnitud depende de la temperatura a la cual se encuentra dicho punto. El cambio de potencial es del orden de 40 microvolts por cada grado de temperatura. Los metales ms frecuentemente utilizados en la construccin de termocuplas son el Cobre y el Constantan.

Principales procesos termodinmicos en la atmsfera.La condensacin del vapor de agua se produce en procesos en los cuales hay una variacin en el equilibrio entre las variables termodinmicas de volumen del aire, temperatura, presin y humedad.Las circunstancias favorables a la produccin de condensacin ms frecuentes en la atmsfera son las que provocan un descenso de la temperatura del aire, de manera que se llega a la saturacin.Fundamentalmente tenemos tres procesos: el enfriamiento por contacto, la mezcla de masas de aire a diferente temperatura y el enfriamiento dinmico por elevacin del aire.1.- El enfriamiento por contactoSe produce, por ejemplo, cuando pasa aire clido y hmedo por encima de una superficie fra.Tambin durante la noche, sobretodo en invierno y en calma, el suelo se enfra por radiacin y este enfriamiento se extiende a la capa de aire hmedo que se encuentra en contacto con l. En ambos casos, si el enfriamiento es suficiente para llegar a la temperatura que corresponde a la saturacin, se produce la condensacin del vapor de agua del aire en forma de roco sobre la superficie, de niebla o, incluso, de escarcha, como resultado del cambio de fase de gas a slido.El proceso se puede seguir sobre un diagrama de presin de vapor de saturacin del agua en funcin de la temperatura. Consideremos que inicialmente el aire tenga una temperatura y una humedad tal que pueda ser representado por el punto P de la figura. Si suponemos que el enfriamiento se produce a presin constante, mientras que el aire no llegue a la saturacin e la presin de vapor tambin permanecer constante. As, la evolucin del aire mientras se est enfriando puede seguirse en el diagrama, partiendo desde el punto P y yendo hacia la izquierda.

Tf se conoce con el nombre de punto de escarcha. Para que aparezca escarcha deben haber superficies apropiadas donde el vapor pueda depositarse en forma de cristales de hielo.

Si no se produce esta deposicin y el aire se contina enfriando, se llega a la curva en que la temperatura baja a lo mas mnimo, en este punto la temperatura es Td y recibe el nombre de punto de roco.

La condensacin se produce con mucha dificultad en el aire limpio; la humedad generalmente necesita una superficie adecuada para condensarse o depositarse. En el caso del roco o la escarcha, la condensacin se puede producir sobre el suelo o sobre una planta.Cuando la humedad del aire es tal que la presin de vapor es ms altacomo en la situacin que muestra el punto P de la figura slo se podr llegar por enfriamiento isobrico al punto de niebla Td .La niebla que se forma por el enfriamiento de la superficie por radiacin se conoce con el nombre de niebla de radiacin. Se produce referentemente en zonas bajas y valles y tambin en regiones industriales, donde la concentracin de aerosoles higroscpicos emitidos es ms alta. No suele ser frecuente en verano, ya que se disipa con facilidad al salir el sol. En cambio,en invierno se puede mantener durante algunos das e, incluso, transformarse en una nube de tipo estratiforme (un estrato) por la accin del viento.

2.- La mezclaLa mezcla vertical de dos capas diferentes dentro de una sola masa de aire, o la mezcla horizontal de dos masas de aire diferentes, tambin puede producir condensacin. La figura muestra un caso de condensacin por mezcla horizontal de dos masas de aire. El grafico, mezcla horizontal de dos masas de aire.

Si una de las masas es caliente y muy hmeda, la podemos representar en el diagrama e-T como el punto A de la figura. La masa fra y seca estara representada por el punto B. Dada la curvatura de la curva de presin de vapor saturante e(T), el estado final de la mezcla entre ambas, que viene dado por un punto intermedio sobre la recta que las une, resulta a la izquierda de la curva, es decir sobresaturado.

En consecuencia, se produce condensacin. La niebla resultante se conoce con el nombre de niebla de mezcla. Las estelas que los aviones dejan en el cielo son un caso de niebla de mezcla, en que los gases hmedos y calientes que salen del motor se mezclan con el aire fro y seco de fuera.3.- El enfriamiento dinmicoEs el proceso que causa una condensacin ms efectiva. Los movimientos verticales de las masas de aire en la atmsfera van siempre acompaados de cambios en la presin. El movimiento de una masa de aire hacia una zona cercana pero que se encuentra a presin diferente, cuando se realiza sinintercambio de calor con el ambiente, produce un cambio de volumen y de temperatura que se denomina adiabtico. En la atmsfera, los movimientos verticales ascendentes y descendentes del aire suelen producir cambios adiabticos de temperatura, ya que el aire es en general mal conductor del calor y las masas de aire tienen tendencia a mantener sus caractersticas trmicas.Consideremos la masa de aire a presin P y temperatura T de la figura. Al ascender, ya sea por el ascenso libre que se da en los movimientos o por el ascenso forzado, la masa se desplaza a una regin de presin menor P, de manera que se expande y experimenta un aumento de volumen hasta que su presin se iguala a la del ambiente. Si no hay intercambio de calor con el entorno, el trabajo necesario para esta expansin lo extrae de su propia energa interna y, por tanto, su temperatura disminuye a T. Este enfriamiento puede dar lugar a la condensacin del vapor que contenga la masa de aire.

Termmetro

Es una magnitud escalar que mide el grado de agitacin molecular deun cuerpo.Es un instrumento que sirve para indicar la temperatura de un cuerpo.Este aparato est basado en el fenmeno de la dilatacin que produceel calor en la sustancia encerrada en un tubo de vidrio (mercurio, alcohol,gas, etc).

Temperatura mxima, mnima y media

La temperatura es la unidad de medida de la intensidad de calor. La temperatura desciende segn aumenta la latitud, es decir, hace ms calor segn nos acercamos al ecuador.

Tambin desciende con la altura a razn de un grado por cada 180 metros de elevacin, aproximadamente.

Las temperaturas son ms suaves en la costa que en el interior de los continentes, por la cercana del mar.Su unidad de base es el Kelvin cuya abreviatura es K. En los estados europeos y sudamericanos se ha adoptado junto a la escala Kelvin la escala Celsius. Su unidad es el grado Celsius cuya abreviatura es C (grados centgrados). En meteorologa se trabaja con la escala Celsius. En la escala Celsius se atribuye el valor 0 C a la temperatura del hielo fundente (punto de hielo), y el valor 100 C al punto de ebullicin del agua a la presin normal. Su magnitud es igual a Kelvin.

Para medir la temperatura mxima y mnima en un periodo de tiempo (se suelen tomar 24 horas) se utilizan lostermmetros de mxima-mnima .

En la foto vemos que tiene dos escalas (dos columnas de mercurio), una de mxima y otra de mnima. Las escalas estn invertidas, la de mximas aumenta de abajo arriba y la de mnimas al revs, pero en las dos escalas lastemperaturas bajocero estn sealadas por nmeros decolor rojo.

Cada escala tiene una barrita azul (es uncursordeslizante). El cursor se mueve empujado por la columna de mercurio.

Elcursor azul(aguja azul) "recuerda" hasta donde lleg el mercurio y su parte inferior muestra hasta donde llego el mercurio.

Fjate que en el termmetro de la izquierda, la parte baja del cursor est frente a los 6C. Hasta ah lo llev el mercurio cuando marc la temperatura mnima del da.

cuando baja la temperatura el mercurio sube por la columna de la izquierda hacia los valores rojos y baja, en la de la columna de la derecha, tambin hacia valores rojos-bajo cero.

En la parte de mximas la columna de mercurio llevo el cursor azul hasta los 25 (la mxima alcanzada en el da).

La temperatura del aire que rodea al termmetro es de 21 y puede verse que la sealan los extremos de las dos columna de mercurio (mxima y mnima

Las lecturas son:

T mx = 25

T mn = 6

T act = 21

Para calcular latemperatura mediaque ha hecho en un lugar en un cierto periodo solo hace falta sumar las dos temperaturas de ese lugar: mnima y mxima y su coeficiente dividirlas entre dos.ESCALAS TERMOMTRICAS

1. Escala Fahrenheit (F).

Se llama as en honor al fsico alemn Gabriel Fahrenheit (1686-1736). Esta escala se usa comnmente en Estados Unidos y tiende a desaparecer ya que el resto del planeta esta adoptando el sistema mtrico.

El agua se congela a 32F y hierve a 212F. esta escala tiene 180 divisiones.El cero absoluto de esta escala es - 460 F.

Siendo : 1C = 9/5 F 5C = 9F y 1F = 5/9 C

2.- Escala Celsius(C)Se llama as en honor a Andrs Celsius, astrnomo sueco(1701-1744), teniendo las siguientes caractersticas.

El agua se congela a 0C y su ebullicin sucede a los 100C sobre el nivel del mar.La escala Celsius por estar dividida en 100 partes tambin se le llama: Escala centgradaEn esta escala el cero absoluto es 273 C.3.- Escala Kelvin (K)Se llama as en honor a britnico Lord Kelvin(1824-1907). Esta escala se emplea en las investigaciones cientficas, adems es la unidad en el sistema internacional. Esta escala de 0 K (cero kelvin) es la menor temperatura que la materia podra tener y se le llama cero absoluto. A esta temperatura tericamente las molculas dejan de vibrar.El agua se congela a 273 k y empieza a ebullir a 373 K. Esta escala tiene 100 divisiones.CONVERSION DE ESCALAS TERMOMTRICAS.Relacin entre C y F:

Relacin entre C y K:

El agua hierve

Todos sabemos que el agua hierve cuando alcanza una temperatura de 100 C, siempre y cuando la presin sea de 1 atmsfera; veamos que sucede cuando aumentamos la presin del agua (haciendo uso de una olla a presin), si en una de estas ollas se consigue aumentar la presin a dos atmsferas (1 520 mmHg), el agua, cuando alcance los 100 C de temperatura seguir siendo lquido y cambiar al estado gaseoso cuando su temperatura llegue a 121 C y es que, a mayor presin se necesita mayor temperatura para que el lquido hierva,

mientras que el mismo efecto. Es por ello que en la sierra (por ejemplo a menor presin se necesitar menor temperatura donde la altitud es 3 160 m) cuando la presin es 526 mmHg el agua hierve a 90 C y es por esta razn que los alimentos no consiguen cocinarse completamente ya que el agua no es tan caliente cuando hierve.Estructura trmica de la atmsfera

La atmsfera terrestre es una capa relativamente muy delgada; su espesor no se aprecia ni desde los satlites ms cercanos, ni en la sombra de los eclipses de Luna. Se sabe que el 99,9% de su masa est comprendida en los primeros 48 km de altitud. Troposfera.Esta es la capa ms prxima a la superficie, donde tienen lugar la mayora de los fenmenos meteorolgicos (contiene un 75% de todo el aire, y ms del 99% dl agua atmosfrica). Aunque se ha dicho 0 - 10 km, se quiere decir desde el nivel del suelo ,agua o terreno, hasta unos 10 km ms o menos (unos 8 km en las zonas polares, unos 11 km en latitudes medias, y unos 18 km en la zona ecuatorial). La temperatura disminuye con la altura en esta capa, y ms arriba aumenta.

El lmite superior de la troposfera es la tropopausa, esto da lugar a que por encima de los 8 km de la tropopausa polar, haga ms fro en el Ecuador que en los Polos, pues en estos ltimos ya se ha superado la troposfera y la temperatura no sigue disminuyendo. Adems, la tropopausa est algo ms alta en verano que en invierno.

Estratosfera (10-50 km).A diferencia de la troposfera, esta capa, que prcticamente contiene el 25% restante de la masa total de aire, la temperatura aumenta con la altitud (al principio muy lentamente), lo que la hace dinmicamente muy estable. Este calentamiento es debido a la absorcin solar ultravioleta (entre 0,2 m y 0,3 m) que transforma el oxgeno (O2) en ozono (O3), manteniendo una concentracin casi-estacionaria, alcanzndose temperaturas mximas de unos 0 C a los 50 km, aunque la concentracin mxima de ozono, est en torno a los 25 km de altitud, ms en las regiones tropicales y menos en las polares (el 90% del ozono total esta entre los 15 km y los 35 km).

Mesosfera (50 - 90 km).En esta capa la temperatura vuelve a disminuir con la altitud hasta unos - 90 C a unos 90 km, debido a la escasa absorcin solar y la emisin infrarroja del CO2 hacia el exterior. La composicin del aire apenas vara desde el nivel del mar hasta los 90 km, en base seca, por tanto separando el H2O, queda 78% N2, 21% O2, 0,9% de Ar y 0,1% de otros gases, aunque las concentraciones de estos ltimos no son uniformes.

En la mesosfera empiezan a aparecer los primeros iones por descomposicin solar de los xidos de nitrgeno (se llama capa D de la ionosfera, y no es la que refleja las ondas de radio largas, de menos de 10 MHz, que es la capa E o de Heaviside en la termosfera; de hecho, la capa D absorbe esas ondas largas, por lo que cuando ms intensa es, durante el da, ms dificulta las comunicaciones). La mesosfera slo es accesible al estudio con cohetes de sondeo.

Termosfera (90-500 km).Desde los 80 km o 90 km la temperatura que es ah de unos -80 C o - 90 C empieza a subir asta unos 1000 K o 2000 K a unos 200 km (el mximo de temperatura depende mucho de la actividad solar) Esto se debe a la absorcin de la radiacin solar ms energtica (rayos UV de alta frecuencia, rayos X y rayos gamma) que descomponen las molculas del aire residual en radicales libres (oxgeno atmico) iones y electrones. capas ionosfricas E esta entre 90-120 km, y F esta entre los 120-400 km.

A partir de unos 500 km, esta lo que se llama la exosfera, la influencia de la Tierra en el enrarecido ambiente espacial apenas cuenta mas que en la desviacin del viento solar por el campo magntico terrestre, es aqu que aparecen las auroras boreales.

la magnetosfera, que se sita a unos diez radios terrestres, dentro de la cual estn los cinturones de van Allen de partculas atrapadas de muy alta energa.

La atmsfera es un escudo radiactivo que nos protege de radiaciones dainas, electromagnticas (como las radiaciones UV, rayos X y rayos gamma) y de partculas (como el viento solar y las radiaciones csmicas). Y sin embargo deja pasar las radiaciones visibles, lo que nos ha permitido aprender tanto de las estrellas (qu hubiera sido de vivir en una atmsfera pticamente densa). Tambin deja pasar otras radiaciones electromagnticas que nos permiten comunicarnos con las naves espaciales de una forma eficiente. Por el contrario en el interior del ocano apenas se propagan las ondas electromagnticas y hay que usar ondas acsticas.La atmsfera como bao trmico, a una temperatura que hace posible la vida, 15 C de media a nivel del mar (quince grados Celsius, igual 288 K).

La atmsfera como sumidero trmico, que nos permite una cmoda transmisin de calor al ambiente, a todos los seres vivos y a todos los artefactos activos, pues todo sistema activo ha de disipar energa en forma de calor al ambiente, por eso necesitan una fuente de alimentacin. El confort trmico de los seres vivos no slo depende de la temperatura, sino del viento (que aumenta mucho la conveccin trmica), y de la humedad (que incide en la transpiracin).

La atmsfera como motor trmico. Los desequilibrios trmicos en la atmsfera sirven de fuente de energa elica (e hidrulica y solar). Los vientos llevan el calor del Sol hasta las regiones polares (las corrientes ocenicas tambin), y nos traen el agua del ocano a los continentes, ya potabilizada por el Sol, en forma de nubes, para el consumo humano, animal y vegetal.

La atmsfera como gobernadora del tiempo meteorolgico. La energa trmica y la humedad en la atmsfera son los principales condicionantes de la meteorologa y la climatologa, tan importantes en todo tipo de actividad humana: urbanismo, edificacin, agricultura, industria, transporte, ocio y turismo. Las nubes no son ms que conjuntos de micropartculas lquidas o slidas, invisibles una a una, pero que juntas son capaces de taparnos el Sol y hasta los objetos prximos, adems del mencionado efecto fertilizante del agua que transportan (nos traen unos 301012 m3/ao de agua destilada sobre los continentes). Por cierto, que es en la atmsfera donde se encuentra en sus tres fases el agua, slida, lquida y gaseosa (aunque esta ltima muy diluida en aire), siendo la nica sustancia presente en sus tres fases en la naturaleza.

La atmsfera, como escudo radiactivo. Dejando aparte el escudo contra las radiaciones dainas ultravioletas y ionizantes, las nubes son el principal mecanismo de control del clima global en la Tierra, pues, adems de controlar la energa que se absorbe del Sol (son los mejores escudos solares, pues las nubes reflejan mucho, por tanto, tienen un gran albedo o blancura, al menos por la parte superior)Controlan la energa que emite la superficie de la Tierra hacia el exterior (el efecto invernadero). El balance neto es que las nubes enfran la Tierra (aunque en las nubes altas el efecto neto es de calentamiento).

La atmsfera como materia prima usada en la industria para obtener oxgeno, nitrgeno y argn, y productos sintticos como el amoniaco, adems del uso industrial como refrigerante y como fluido limpiador .

La atmsfera como sumidero de desechos, no slo de energa trmica, sino de gases y partculas contaminantes, que el viento ayuda a dispersar, y la lluvia arrastra hacia el suelo, las gotitas y cristalitos favorecen la adsorcin de partculas contaminantes.

El transporte areo de partculas es tambin importante biolgicamente, tanto para la polinizacin como en la propagacin de enfermedades.

La atmsfera es tambin un buen sumidero de residuos astronuticos, nos protege contra la mayora de los meteoritos.

Y por ltimo, la atmsfera como medio de transporte de personas y mercancas, ya que el aire permite el vuelo sustentado dinmicamente, que es muy eficiente (requiere un empuje muy inferior al peso). Adems, la atmsfera proporciona un valioso freno aerodinmico, sobre todo en la re-entrada de naves espaciales, o para modificar rbitas.

Desarrollar los siguientes ejercicios:20C a K77F a C19 K a C56 K a F76 C a F98 F a K25 C a k87 k a C35 C a F15 F a k45 K a C76 K aC65 F a CLa atmsfera como sumidero de desechos, no slo de energa trmica, sino de gases y partculas contaminantes, que el viento ayuda a dispersar, y la lluvia arrastra hacia el suelo (las gotitas y cristalitos favorecen la adsorcin), hasta alcanzarse concentraciones tolerables en la mayora de los casos.

El transporte areo de partculas es tambin importante biolgicamente, tanto para la polinizacin como en la propagacin de enfermedades. La atmsfera es tambin un buen sumidero de residuos astronuticos (los volatiliza) y nos protege contra la mayora de los meteoritos