Unidad Calor y Temperatura

UUnniiddaadd 33 CCaalloorr yy

TTeemmppeerraattuurraa..

Objetivos: El alumno:

Explicará la diferencia entre calor y temperatura, mediante la identificación de los efectos del calor sobre los cuerpos, a través del estudio de sus respectivos conceptos, principios y leyes; mostrando interés científico y responsabilidad en la aplicación de dichos conocimientos; en un ambiente de respeto y armonía con sus compañeros y el entorno.

Temario: Diferencia entre calor y temperatura. Temperatura y su medición. Calor y sus unidades de medida. Mecanismos de transferencia de calor. Dilatación lineal, superficial y

volumétrica de los cuerpos. Dilatación irregular del agua. Calor específico de las sustancias. Calor cedido y absorbido por los

cuerpos.

La sensación de calor o frío está estrechamente relacionada con nuestra vida cotidiana. Hacia el siglo XVIII se pensaba que el calor era una sustancia que formaba parte de los cuerpos y que podía fluir de un cuerpo a otro, y a eso se le daba el nombre de calórico. El calórico era una sustancia que al salir enfriaba a un cuerpo, mientras que al entrar lo calentaba; así se creó una teoría que perduró durante muchos años. Todavía en el siglo XVIII, no se contaba con una forma de medir con exactitud lo caliente o lo frío de un cuerpo. Un médico estimaba cuánta fiebre tenía un paciente, tocando su frente; un panadero calculaba lo caliente de su horno por el color de las brasas. Lo riguroso del frío invernal se determinaba por el espesor del hielo en los estanques congelados. Era necesaria una forma exacta de describir lo caliente y lo frío de las cosas.

Física II

144

IINNTTRROODDUUCCCCIIÓÓNN..

El hombre primitivo le atribuía propiedades maravillosas al fuego, por lo cual lo consideraba un dios. Más tarde, en el siglo XVIII, se creyó que el calor era una sustancia que fluía a través del espacio; a dicho fluido lo llamaban calórico. En la metalurgia se creía que, al enfriar un trozo de hierro con agua, el calórico fluía del metal al agua o que si un pedazo de madera ardía hasta consumirse, el calórico escapaba y fluía hacia otros cuerpos. La idea generalizada era que todos los cuerpos contenían calórico en mayor o menor medida. La aplicación de calor a los alimentos se remonta a los tiempos en que el ser humano descubrió cómo hacer fuego y observó empíricamente los beneficios que esta práctica aportaba. Actualmente, el calor es uno de los tratamientos que hacen posible la existencia de productos sanos de larga vida comercial. El tratamiento térmico permite que las conservas puedan almacenar el producto a temperatura ambiente, garantizando su seguridad. Asimismo, el uso de los diversos tratamientos térmicos, junto con otras tecnologías como la refrigeración, facilita el comercio de productos alimenticios entre distintos países, incluso cuando están geográficamente muy alejados. El uso de los diversos tratamientos térmicos facilita la existencia de productos sanos de larga vida comercial. El calor inactiva o destruye a los patógenos y por ello conviene saber usarlo adecuadamente. Una mala aplicación en el ámbito doméstico o en el industrial puede provocar efectos contrarios a los deseados.

La aplicación del calor en los alimentos tiene varios objetivos. El primero de ellos es convertir a los alimentos en digestibles, hacerlos apetitosos y mantenerlos a una temperatura agradable para comerlos.

33..11..

La gente acostumbra tomar café durante todo el año.

Con este calor, yo prefiero un vaso con limonada fría.

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Calor y temperatura

Del mismo modo, los tratamientos térmicos persiguen destruir agentes biológicos, como bacterias, virus y parásitos con la finalidad de obtener productos más sanos; conseguir productos que tengan una vida comercial más larga, debido fundamentalmente a la eliminación o reducción de los microorganismos causantes de la alteración de los alimentos; y disminuir la actividad de otros factores que afectan a la calidad de los alimentos, como determinadas enzimas (por ejemplo, las que producen el oscurecimiento de los vegetales cuando éstos son cortados).

La temperatura es una unidad fundamental que nos permite describir numerosos fenómenos que ocurren en la materia. Por ejemplo, si tuviera dos recipientes con agua a temperaturas diferentes, podría saber cual está más caliente (o tiene una temperatura más alta), comparándola con sus manos. Esta comparación es relativa, porque se está comparando el calor o el frío del agua en los recipientes con la temperatura corporal de sus manos.

Figura 1. Nuestros sentidos pueden engañarnos 3.1.1. Diferencia entre calor y temperatura. Se le llama energía interna de un cuerpo o sistema, a la suma de todos los tipos de energía que poseen sus moléculas. En particular, la energía térmica se define como la suma de las energías cinéticas de las moléculas de un cuerpo o sistema. La temperatura de un cuerpo, es una medida de la energía cinética promedio de sus moléculas y está relacionada con la sensación de caliente o frío que experimentamos cuando tocamos dicho cuerpo. Cuando dos cuerpos que están a diferente temperatura se ponen en contacto entre sí, hay una transferencia de energía térmica del cuerpo de mayor hacia el de menor temperatura. A esta energía que se está transfiriendo se le llama calor. El calor y la temperatura son factores que modifican la estructura de los objetos. El significado del calor y temperatura es distinto, aunque sabemos que están muy relacionados entre sí.

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Cuando un cuerpo está caliente su energía térmica es mayor, ya que las moléculas tienen mayor velocidad de movimiento a diferencia de un cuerpo frío, donde su energía térmica es menor y por lo tanto su energía cinética también es menor. Al ponerse en contacto dos cuerpos con diferente temperatura, el más caliente cederá energía térmica hasta que ambos cuerpos tengan la misma temperatura, llamándose a esto equilibrio térmico.

Figura 2. Del lado izquierdo tenemos un gas a temperatura baja, con una energía cinética media reducida. A la derecha tenemos el mismo gas pero ahora a temperatura alta es decir, con una

energía cinética media elevada. 3.1.2. Unidades de calor. Dado que el calor es energía, sus unidades serán Joules (J), Ergios (Ergs) o Libras-pie (lb.ft). Sin embargo las unidades que suelen utilizarse se definieron antes de saber que el calor es otra manifestación de la energía. Estas unidades son: Caloría, Kilocaloría y la unidad térmica británica. Una Caloría (Cal) es la cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado Celsius la temperatura de un gramo de agua. Una Kilocaloría (Kcal) Es la cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado Celsius la temperatura de un kilogramo de agua. Una Unidad Térmica Británica (BTU) Es la cantidad de calor que se requiere para aumentar en un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua

Figura 5. Unidades de energía calorífica Mediante un experimento William Thomson transfiere energía mecánica a un recipiente con agua logrando un aumento en la temperatura de ésta, verificando que el calor es una forma de energía. Thomson obtuvo que la equivalencia entre la energía mecánica y la energía calorífica es la siguiente: 1 caloría = 4.18 Joules.

147

Calor y temperatura

Tabla 1: Equivalentes mecánicos del calor

1Cal 4.18J

1Kcal 4186J

1Kcal 1000Cal

1BTU 778 lb-ft

1BTU 1054 J

1BTU 252 Cal

1 BTU 0.252 Kcal

3.1.3. Medición de la temperatura. Aunque el sentido del tacto nos proporciona una indicación cualitativa de lo frío o caliente de un

cuerpo, no constituye un medio adecuado para medir la temperatura porque estará en relación a la

temperatura de nuestro cuerpo. Por tal razón se inventó el termómetro, que es la manera de obtener la temperatura relativa de un cuerpo. Todo termómetro basa su funcionamiento en que al variar la temperatura de un objeto varían también otras propiedades físicas. Escalas termométricas En todo cuerpo material, la variación

de la temperatura va acompañada de la correspondiente variación de otras propiedades medibles, de modo que a cada valor de aquella le corresponde un solo valor de ésta. Tal es el caso de la longitud de una varilla metálica, de la resistencia eléctrica de un metal, de la presión de un gas, del volumen de un líquido, etcétera. Estas magnitudes cuya variación está ligada a la de la temperatura se denominan propiedades termométricas, porque pueden ser empleadas en la construcción de termómetros. Para definir una escala de temperaturas es necesario elegir una propiedad termométrica que reúna las siguientes condiciones: a) La expresión matemática de la relación entre la propiedad y la temperatura

debe ser conocida. b) La propiedad termométrica debe ser lo bastante sensible a las variaciones

de temperatura como para poder detectar, con una precisión aceptable, pequeños cambios térmicos.

c) El rango de temperatura accesible debe ser suficientemente grande. Una vez que la propiedad termométrica ha sido elegida, la elaboración de una escala termométrica o de temperaturas lleva consigo, al menos, dos operaciones; por una parte, la determinación de los puntos fijos o temperaturas de referencia que permanecen constantes en la naturaleza y, por otra, la división del intervalo de temperaturas correspondientes a tales puntos fijos en unidades o grados.

¿Qué temperatura tendrán algunos animales como el oso, un tigre, etcétera?

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Para la escala de temperatura Celsius, las temperaturas de referencia son los puntos de fusión del hielo para el punto inferior y para el punto superior, la ebullición del agua. La escala Fahrenheit utiliza otras temperaturas de referencia. Al comparar dos termómetros graduados en dichas escalas notamos lo siguiente: (Ver fig. 3).

El rango de 100 grados en la escala Celsius corresponde a un rango de 180 grados en la escala Fahrenheit temperaturas, por lo tanto, las relacionaremos como sigue: 180 divisiones de ºF=100 divisiones de ºC Despejando 1 ºC, tendríamos 1 ºC=180 ºF

100 1 ºC=9 ºF o 1 ºC = 1.8 ºF

5 Para convertir temperaturas entre las escalas antes mencionadas se utilizan las siguientes ecuaciones: Relacionando las escalas Celsius y Fahrenheit: TF = 1.8 Tc +32 O bien: TF = 9 Tc + 32

5 Es importante saber que si medimos la temperatura en el exterior de un edifico con dos termómetros situados a pocos centímetros, uno de ellos a la sombra y otro al sol, las lecturas de ambos instrumentos pueden ser muy distintas, aunque la temperatura del aire sea la misma. El termómetro situado a la sombra puede ceder calor por radiación a las paredes frías del edificio. Por eso, su lectura estará algo por debajo de la temperatura real del aire. Por otra parte, el termómetro situado al sol absorbe el calor radiante de él, por lo que la temperatura indicada puede estar bastante por encima de la temperatura real del aire. Para evitar esos errores, una medida precisa de la temperatura exige proteger el termómetro de fuentes frías o calientes a las que el instrumento pueda transferir calor (o que puedan transferir calor al termómetro) mediante radiación, conducción o convección.

¿Sabes que te puedes deshidratar si duras

mucho ahí?

Los rayos solares son más fuertes

aquí

Figura 3. Termómetros en escalas Fahrenheit y Celsius

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Calor y temperatura

En equipo encuentra la fórmula para convertir ºC (grados Celsius) a ºF (grados Fahrenheit) Escalas de temperaturas absolutas A las escalas Celsius y Fahrenheit se les llama escalas relativas, porque el cero de dichas escalas no es la menor temperatura, puede haber valores negativos en sus escalas, llamadas temperaturas bajo cero. Para evitar esto y encontrar un límite inferior con el cero absoluto, se tienen las escalas de temperatura absoluta, como son la escala Kelvin que ha sido adoptada por el Sistema Internacional de Unidades como patrón para medir temperatura. El cero absoluto se considera el punto en que las moléculas de un cuerpo o sistema no tienen energía térmica. Otra escala absoluta para medir temperatura es la Rankine. Las temperaturas absolutas Kelvin y Rankine se asocian a las temperaturas Celsius y Fahrenheit por las siguientes ecuaciones:

En equipo desarrolla las fórmulas para llegar directamente a la conversión de ºC a ºR y de ºF a º K Otras propiedades termométricas Algunas magnitudes físicas relacionadas con la electricidad varían con la temperatura siguiendo una ley conocida, lo que hace posible su utilización como propiedades termométricas. Tal es el caso de la resistencia eléctrica de los, termómetros de resistencia que emplean normalmente un hilo de platino como sensor de temperaturas y poseen un amplio rango de medidas que va desde los -200 ºC hasta los 1200 ºC. Los termómetros de termistores constituyen una variante de los de resistencia. Emplean resistencias fabricadas con semiconductores que tienen la propiedad de que su resistencia disminuye en vez de aumentar con la temperatura (termistores). Este tipo de termómetros permiten obtener medidas casi instantáneas de la temperatura del cuerpo con el que están en contacto.

0K = 0C + 2730

0R = 0F + 4600

EJERCICIO 1

Figura 4. Termómetro comparando ambas escalas absolutas: la escala Kelvin y la escala Ranking.

EJERCICIO 2

TAREA 1

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La escala internacional emplea, desde 1933, como patrón un termómetro de resistencia de platino para temperaturas entre -190 ºC y 660 ºC hasta el punto de fusión del oro (1063 ºC) se emplea un termopar patrón: Los termopares son dispositivos que miden la temperatura a partir de la tensión (dilatación) producida entre dos alambres de metales diferentes. Más allá del punto de fusión del oro las temperaturas se miden mediante el llamado pirómetro óptico, que se basa en la intensidad de la luz de una frecuencia determinada que emite un cuerpo caliente. La resistencia eléctrica de un conductor o un semiconductor aumenta cuando se incrementa su temperatura. En este fenómeno se basa el termómetro de resistencia, en el que se aplica una tensión eléctrica constante al termistor, o efecto sensor. Para un termistor dado, a cada temperatura corresponde una resistencia eléctrica diferente. La resistencia puede medirse mediante un galvanómetro, lo que permite hallar la temperatura. Para medir temperaturas entre -50 y 150 ºC se utilizan diferentes termistores fabricados con óxidos de níquel, manganeso o cobalto. Para temperaturas más altas se emplean termistores fabricados con otros metales o aleaciones; por ejemplo, el platino puede emplearse hasta los 900 ºC aproximadamente. Usando circuitos electrónicos adecuados, la lectura del galvanómetro puede convertirse directamente en una indicación digital de la temperatura. Es posible efectuar mediciones de temperatura muy precisas empleando termopares, en los que se genera una pequeña tensión (del orden de milivoltios) al colocar a temperaturas distintas las uniones de un bucle formado por dos alambres de distintos metales. Para incrementar la tensión pueden conectarse en serie varios termopares para formar una termo pila. Como la tensión depende de la diferencia de temperatura en ambas uniones, una de ellas debe mantenerse a una temperatura conocida; en caso contrario hay que introducir en el dispositivo un circuito electrónico de compensación para hallar la temperatura del sensor. Los termistores y termopares tienen a menudo elementos sensores de sólo uno o dos centímetros de longitud, lo que les permite responder con rapidez a los cambios de la temperatura y los hace ideales para muchas aplicaciones en biología e ingeniería. El pirómetro óptico se emplea para medir temperaturas de objetos sólidos que superan los 700 ºC, cuando la mayoría de los restantes termómetros se fundiría. A esas temperaturas los objetos sólidos irradian suficiente energía en la zona visible para permitir la medición óptica a partir del llamado fenómeno del color de incandescencia. El color con el que brilla un objeto caliente varía con la temperatura desde el rojo oscuro al amarillo y llega casi al blanco a unos 1300 ºC. El pirómetro contiene un filamento similar a un foco o bombilla. El filamento está controlado por un reóstato calibrado de forma que los colores con los que brilla corresponden a temperaturas determinadas. La temperatura de un objeto incandescente puede medirse observando el objeto a través del pirómetro y ajustando el reóstato hasta que el filamento presente el mismo color que la imagen del objeto y se confunda con ésta. En ese momento, la temperatura del filamento (que puede leerse en el reóstato calibrado) es igual a la del objeto. Otro sistema para medir temperatura, empleado sobre todo en termostatos, se basa en la expansión térmica diferencial de dos tiras o discos fabricados con metales distintos y unidos por los extremos o soldados entre sí.

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Calor y temperatura

Una aplicación termométrica del fenómeno de dilatación en sólidos lo constituye el termómetro metálico. Está formado por una lámina bimetálica de materiales de diferentes coeficientes de dilatación lineal que se consigue soldando dos láminas de metales tales como latón y acero, de igual longitud a 0 ºC. Cuando la temperatura aumenta o disminuye respecto del valor inicial, su diferencia da lugar a que una de las láminas se dilate más que la otra, con lo que el conjunto se curva en un sentido o en otro según que la temperatura medida sea mayor o menor que la inicial de referencia. Además, la desviación es tanto mayor cuanto mayor es la diferencia de temperaturas respecto de 0 ºC, si se añade una aguja indicadora el sistema, de modo que pueda moverse sobre una escala graduada y calibrada con el auxilio de otro termómetro de referencia, si tiene un termómetro metálico. Un termómetro clínico está formado por un capilar de vidrio que se comunica con un bulbo lleno de mercurio. Al aumentar la temperatura el mercurio se dilata y asciende por el capilar; una escala graduada permite leer directamente el valor de la temperatura.

Cambio de estado En física y química se denomina cambio de estado a la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición. Los tres estados básicos son el sólido, el líquido y el gaseoso.

¿Qué experimentos sencillos haremos para ver los cambios de estado de una sustancia?

Pero, ¿Qué sustancias usaremos?

Alguna sustancia que cambie rápido o lento sus estados.

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Los tres estados de la materia son transformables entre sí mismos. Cuando calentamos un sólido, se funde para formar un líquido (a la temperatura que eso ocurre se le llama punto de fusión). Si seguimos calentando, el líquido se evaporará y se convertirá en gas (esta conversión ocurre a la temperatura del punto de ebullición). Por otra parte, la condensación ocurre cuando se enfría un gas produciendo un líquido que, al enfriarse aún más, se congelará o solidificará para producir un sólido. Naturaleza de los cuerpos. La naturaleza de los cuerpos depende de la combinación y modo de ser de sus principios; mas al paso, que estos estén sujetos a ciertas causas generales, hay también leyes especiales, resultantes de la organización, que modifican o varían el influjo de aquellas causas.

SÓLIDO LÍQUIDO

FUSIÓN VAPORIZACIÓN

SOLIDIFICACIÓN CONDENSACIÓN

SUBLIMACIÓN

GASEOSO

SUBLIMACIÓN INVERSA

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Calor y temperatura

El estudio de todas las sustancias que se nos ofrece en la química, está dividido en dos partes. La primera trata de las inorgánicas, o todo el reino mineral; la segunda abraza las orgánicas, es decir, todas las sustancias del reino vegetal y animal. Las orgánicas generalmente presentan una buena conducción de calor y las inorgánicas no, no todo depende de sus condiciones físicas para transferirlo y de sus efectos químicos.

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 temperatura 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 elevadas, los materiales sólidos se licuan o se convierten en gases; los compuestos químicos se separan en sus componentes.

El calor nos hace sudar al practicar algún deporte

¿Cuántas calorías gastas o quemas cuando corres?

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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. La temperatura se debe 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 ºC en el nivel del mar (en latitudes templadas) hasta unos -55 ºC a 11000m aproximadamente. Por encima de esta altura, la temperatura permanece casi constante hasta unos 34000 m. 3.1.3. Mecanismos de transferencia de calor. Realiza en equipo lo siguiente: Da tres ejemplos de situaciones donde la transferencia de calor A) Sea deseable B) No sea deseable Comenta con tus compañeros de clase tus respuestas. Realiza individualmente lo siguiente: La ropa interior térmica tiene una estructura fina, con muchos poros pequeños. ¿Por qué no se utiliza una tela sin poros? Explique su respuesta.

Y aquí hace demasiado calor, porque los rayos solares llegan directos debido al movimiento de traslación y otros factores.

Estas zonas del planeta son muy frías.

EJERCICIO 3

EJERCICIO 4

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Calor y temperatura

El calor es una forma de energía en movimiento. Siempre que hay una diferencia de temperatura entre dos cuerpos se dice que el calor fluye en dirección del cuerpo de temperatura más alta al de temperatura más baja. Existen tres formas principales por las cuales ocurre la transferencia de calor: Conducción, convección y radiación.

Figura 6. Mecanismos de transferencia de calor La conducción es la transferencia de calor por medio de las colisiones moleculares entre moléculas vecinas. Por ejemplo, Si sostiene un extremo de una barra de hierro en una fogata, el calor alcanzará finalmente su mano debido al proceso de conducción. El incremento de la actividad molecular en el extremo calentado pasa de molécula en molécula hasta que llega a la mano. Los materiales conductores de calor por este proceso son los metales.

Figura 7. Conducción La convección es el proceso mediante el cual el calor se transfiere utilizando el movimiento de un medio material, el cual generalmente es un fluido. Cuando tiene lugar el movimiento de un medio material se produce lo que se denomina corrientes de convección. Dichas corrientes pueden ser naturales o forzadas.

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Las naturales son aquellas que se producen cuando el movimiento de un medio es ocasionado por una diferencia de densidad debido a la variación de temperatura. Como ejemplo tenemos las corrientes de aire caliente y frío que existen en nuestro planeta. Las corrientes de convección forzada son aquellas en las que el medio de transferencia es obligado a moverse mediante dispositivos mecánicos, como bombas y ventiladores. Como ejemplos tenemos la calefacción. La radiación es el proceso a través del cual el calor se transfiere por medio de ondas electromagnéticas. Todos los objetos emiten energía radiante e incluso se puede desplazar en el espacio a través de un vacío. Tenemos como ejemplo la energía del sol.

Figura 8. Convección natural y forzada

Figura 9. El sol transfiere calor a la tierra a través del mecanismo de radiación

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Calor y temperatura

Realizar individualmente: ¿Por qué generalmente usamos ropa de color negro en el invierno y ropa de colores claros en el verano?

¿Qué se puede obtener de la energía solar?

Básicamente, recogiendo de forma adecuada la radiación solar, podemos obtener calor y electricidad. El calor se logra mediante los captadores o colectores térmicos, y la electricidad, a través de los llamados módulos fotovoltaicos.

Ambos procesos nada tienen que ver entre sí, ni en cuanto a su tecnología ni en su ampliación. Hablemos primero de los sistemas de aprovechamiento térmico. El calor recogido en los colectores puede destinarse a satisfacer numerosas necesidades. Por ejemplo, se puede obtener agua caliente para consumo doméstico o industrial, o bien para dar calefacción a nuestros hogares, hoteles, colegios, fábricas, etcétera. Incluso podemos climatizar las piscinas y permitir el baño durante gran parte del año. También, y aunque puede parecer extraño, otra de las más prometedoras aplicaciones del calor solar será la refrigeración durante las épocas cálidas precisamente cuando más soleamiento hay. En efecto, para obtener frío hace falta disponer de una fuente cálida, la cual puede perfectamente tener su origen en unos colectores solares instalados en el tejado o azotea. En los países árabes ya funcionan acondicionadores de aire que utilizan eficazmente la energía solar.

Sí, porque si no lo haces te puedes lesionar.

Para practicar un deporte primero se debe “calentar” el cuerpo.

EJERCICIO 5

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Las aplicaciones agrícolas son muy amplias. Con invernaderos solares pueden obtenerse mayores y más tempranas cosechas; los secadores agrícolas consumen mucha menos energía si se combinan con un sistema solar, y, por citar otro ejemplo, pueden funcionar plantas de purificación o desalinización de aguas sin consumir ningún tipo de combustible.

Las celdas solares, dispuestas en panales solares, ya producían electricidad en los primeros satélites espaciales. Actualmente se perfilan como la solución definitiva al problema de la electrificación rural, con clara ventaja sobre otras alternativas, pues, al carecer los panales de partes móviles, resultan totalmente inalterables al paso del tiempo, no contaminan ni producen ningún ruido en absoluto, no consumen combustible y no necesitan mantenimiento. Además, y aunque con menos rendimiento, funcionan también en días nublados, puesto que captan la luz que se filtra a través de las nubes. La energía solar puede ser perfectamente complementada con otras energías convencionales, para evitar la necesidad de grandes y costosos sistemas de acumulación. Así, una casa bien aislada puede disponer de agua caliente y calefacción solares, con el apoyo de un sistema convencional a gas o eléctrico que únicamente funcionaria en los periodos sin sol. El costo de la factura de la luz sería sólo una fracción del que alcanzaría sin la existencia de la instalación solar.

3.1.4. Dilatación de los cuerpos. Un cambio de los cuerpos es la dilatación, que consiste en el aumento de sus dimensiones cuando cambia su temperatura: Todos los sólidos, líquidos y gases se dilatan al cambiar su temperatura (con algunas excepciones, como el agua en el intervalo de temperatura de 0 0C a 4 0C). Dilatación de los sólidos Seguramente has notado que los rieles de una vía del ferrocarril están separados por una pequeña distancia o que, al pavimentar una calle, se deja un espacio entre un bloque de concreto y otro. Esto se debe a la necesidad de dar un margen a la dilatación del metal o concreto.

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Calor y temperatura

Figura 10. Dilatación lineal de una barra

Experimentalmente se ha comprobado que al aumentar la temperatura de una barra, aumenta su longitud y que dicho aumento ( ∆L ) es proporcional a su longitud inicial ( Li ) y al aumento de su temperatura ( ∆t ). Esto es

∆L = tLi∆α Donde: ∆L = Dilatación lineal Li = Longitud inicial ∆t = Variación en la temperatura

Lf

Tf

Jóvenes, es muy sencillo, necesitan la longitud inicial, el valor de alfa y la variación en la temperatura.

¿Cómo se calcula la dilatación de un cuerpo?

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α = Constante de proporcionalidad, llamado coeficiente de dilatación lineal. Para cada material tiene un valor determinado.

Se define al coeficiente de dilatación lineal (α ) como la variación de longitud por unidad de ésta de un material, cuando hay un cambio en la temperatura y su

unidad es C°1

en el sistema internacional. Los valores del coeficiente de

dilatación lineal de algunos materiales sólidos se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 2. Coeficientes de dilatación para algunos materiales

Dilatación superficial Los lados de una placa sufren dilataciones lineales, provocando una dilatación superficial cuando aumenta su temperatura. Esto se observa en aquellos cuerpos en los que una de sus dimensiones es mucho menor que las otras dos, por ejemplo en chapas, láminas y espejos, etcétera.

Material α (Coeficiente de

dilatación) Acero 1.2 x 10 -5 / 0C Aluminio 2.4 x 10 -5 / 0C Cobre 1.7 x 10 -5 / 0C Concreto 1 x 10 -5 / 0C Hierro 1.2 x 10 -5 / 0C Latón 1.8 x 10 -5 / 0C Plata 2 x 10 -5 / 0C Plomo 3 x 10 -5 / 0C Vidrio pyrex 0.3 x 10 -5 / 0C Zinc 2.6 x 10 -5 / 0C

Ai

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Calor y temperatura

La fórmula de dilatación superficial es:

∆S = tAi∆β Donde ∆S = Dilatación superficial β = Coeficiente de dilatación superficial Ai = Área inicial ∆t = Variación en la temperatura El coeficiente de dilatación superficial de una lámina, que se dilata en la misma proporción a lo largo y lo ancho, se puede obtener multiplicando el coeficiente de dilatación lineal por dos:

∆ = 2α Y se define al coeficiente de dilatación superficial como: La variación de la superficie de una placa, por unidad de área, cuando hay un aumento en la temperatura. Dilatación volumétrica Es importante conocer cómo varía el volumen de un cuerpo cuando aumenta su temperatura. La fórmula es:

tViV ∆=∆ γ

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Donde: ∆V = Dilatación volumétrica

γ = Coeficiente de dilatación volumétrica Vi = Volumen inicial ∆t = Variación de temperatura El coeficiente de dilatación volumétrica de un sólido; que se dilata igualmente en todas direcciones, se puede obtener multiplicando su coeficiente de dilatación lineal por tres.

γ = 3 α Y se define al coeficiente de dilatación volumétrico como: La variación del volumen por unidad de éste de un material, cuando hay un cambio en la temperatura. 3.1.5. Dilatación irregular del agua.

Todos los líquidos aumentan su volumen cuando

aumenta su temperatura, pues su coeficiente de dilatación volumétrica es positivo, excepto el agua. Ésta no se comporta de esta manera en el intervalo de temperatura de 0 0C a 4 0C, en el cual, al aumentar su temperatura disminuye su volumen. Esto es, por encima de los 4 0C el agua se dilata al aumentar su temperatura; si la temperatura decrece de 4 0C a 0 0C también se dilata en lugar de contraerse. Debido a esa característica, el agua es más densa a 4 0C que a 0 0C por eso en las zonas donde las temperaturas son muy bajas, los ríos y lagos se congelan en la parte superior, permitiendo la subsistencia de su flora y fauna debajo.

Figura 11. Debido a la dilatación irregular del agua, los ríos se congelan en la parte superior y debajo de la capa de hielo el agua permanece en estado líquido.

Es asombroso que haya vida debajo de una capa de hielo en un lago o río.

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Calor y temperatura

Problemas: 1. En una lámina de acero se hace una perforación de 2.5 cm. de diámetro a

una temperatura de 15 0C. ¿Cuánto aumentará el diámetro del orificio al calentar la lámina hasta una temperatura de 150 0C.

Datos

α = 12 x 10 -6 = 1.2 x 10 -5 oC 0C Li = 2.5 cm = 0.025 m ∆t = tf – ti = 150 0C – 15 0C = 135 0C

Sustitución

∆L = tLi∆α

∆L = ( )( )Cm.C

X. 00

5

13502501021

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −

= 0.00405 m

2. Una lámina cuadrada de aluminio de 15 cm. de lado se calienta aumentando

su temperatura en 100 0C. ¿Cuál es la variación de su superficie? Datos

β = 2α = 2 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −

Cx.0

51042 =

Cx.0

51084 −

Ai = 15 cm x 15 cm = 0.15 m x 0.15 m = 0.0225 m2 ∆t = 100 0C Sustitución

∆S = tAi∆β

∆S = ( )( )Cm.C

x. 020

5

100022501084

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −

= 1.08 X 10 -4 m2

3. Un tanque de gasolina de 40 litros fue llenado por la noche, cuando la temperatura era de 68 0F al día siguiente, el sol había llevado la temperatura a 131 0F. ¿Cuánta gasolina se derramó del tanque? γ gasolina = 950 x 10-6 0C

Datos γ gasolina = 950 x 10-6 0C

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Vi = 40 litros = 40 dm3 = 0.040 m3 tf = 131 0F = 55 0C ti = 68 0F = 20 0C ∆ t = tf – ti = 55 0C – 20 0C = 35 0C Sustitución

tViV ∆∆ γ=

∆ V = ( )( )Cm.C

x 030

6

35040010950

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −

= 1.33 x 10 -3 m3

Ahora bien, para ser más claros convertimos el resultado a litros:

∆ V = 1.33 x 10 -3 m3 = 1.33 dm3 = 1.33 litros

3.1.6. Calor específico de las sustancias.

Hemos definido una cantidad de calor como la energía térmica requerida para elevar la temperatura de una masa dada. Pero la cantidad de energía térmica para elevar la temperatura de una sustancia varía con materiales diferentes.

Una flama de fuego afecta diferente a cada sustancia.

Unos cuerpos se derriten más rápido que otros.

165

Calor y temperatura

Figura 12. a) La cantidad de calor requerida para aumentar la temperatura de cada bloque de 20 a 100 0C varía con el material. b) Cada material con la misma masa, temperatura y sección transversal se sumergirá a diferente profundidad en un bloque de hielo debido a sus distintos calores específicos. Cada bloque se construye de modo que tienen la misma área en la base y la misma masa (1 Kg.). Debido a las diferentes densidades, las alturas de los bloques varían, pero las masas y en consecuencia los pesos son idénticos. La cantidad de calor que se requiere para aumentar la temperatura ambiente (20 0C) a 100 0C varía en cada uno de los bloques. El aluminio absorbe el calor en forma más eficiente que el hierro, cobre y plomo. Puesto que los bloques de hierro y aluminio absorben más calor que los bloques de cobre y plomo, podríamos esperar que liberaran más calor al enfriarse. Para ver que esto es cierto, cada uno de los bloques (a 100 0C) se coloca sobre un bloque de hielo como se muestra en la figura 12. El hierro y el aluminio funden más hielo y por ello se hunden más profundamente que los otros bloques. Es claro que debe haber alguna propiedad de los materiales que explique las diferencias observadas en la figura. Esta propiedad debe ser una medida de la cantidad de calor Q requerida para cambiar la temperatura de un objeto en un intervalo ∆ t, pero también debe relacionarse con la masa m del objeto. Llamamos a esta propiedad calor específico, denotado por la letra C.

1 Kg 1 Kg 1 Kg 1 Kg

Figura 12. Partes de un calorímetro

Física II

166

El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de una masa unitaria en un grado. La fórmula basada en esta definición, puede escribirse en las siguientes formas útiles:

Ce = ⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛• tmQ∆

tmCQ e∆= El calor específico se mide en calorías

sobre gramo y grado centígrado ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

Cgrcal

0.

En la tabla siguiente se presentan los valores de C para algunas sustancias comunes.

Tabla 3.- Calores específicos de algunas sustancias.

Problemas: 1. ¿Cuál es el calor requerido para aumentar la temperatura de un lingote de

plata de 150 kg de 25 0C a 400 0C?

Datos: m = 150 kg = 150 000 gr C = 0.056 cal / gr 0C Ti = 25 0C Tf = 400 0C

Sustitución:

∆ t = tf – ti

∆ t = 400 0C – 25 0C = 375 0

Ce=

tmQ∆

⇒ tmCQ e∆=

Q = (150 000 gr) (0. 056 Cgr

cal0

) (375 0C) = 3.15 X 10 6 cal.

Sustancia C ( cal / gr 0C ) Aluminio 0.22

Latón 0.094 Cobre 0.093

Alcohol etílico 0.60 Vidrio 0.20 Hielo 0.50 Hierro 0.113 Plomo 0.031 Plata 0.056 Acero 0.42 Zinc 0.092

TAREA 4

Página 181.

167

Calor y temperatura

3.1.7. Calor cedido y absorbido por los cuerpos. Calorimetría Como su nombre lo indica, la calorimetría significa medir el calor. Utilizando los valores conocidos de calor específico de las mediciones de materiales y temperatura, es fácil calcular el calor absorbido y despedido por algunas sustancias. El principio básico de la calorimetría es la conservación de la energía. Si un cuerpo caliente y un cuerpo frío se ponen en contacto térmico, con el tiempo alcanzarán el equilibrio térmico a la misma temperatura debido a la transferencia o flujo de calor. Si no se emite calor a los alrededores, entonces conforme a la ley de conservación de la energía tendremos:

Calor perdido = Calor ganado

( Por el cuerpo caliente ) = ( Por el cuerpo más frío )

∆ Q perdido = ∆ Q ganado

Un dispositivo de laboratorio que se utiliza para medir la pérdida o ganancia de calor es el calorímetro.

La experimentación es una actividad que nos permite llevar a cabo un suceso

Los laboratorios son muy importantes.

Física II

168

Problema: 1. Se tienen 200 gr de aluminio a 75 0C y se ponen en 400 gr de agua a 20 0C,

después de un tiempo la temperatura final de la mezcla en equilibrio térmico es de 22.7 0C. Determinar el calor específico del aluminio si suponemos que no se pierde calor externo.

Datos

m aluminio = 200 gr C aluminio = ? ti = 75 0C tf = 22.7 0C m agua = 400 gr C agua = 1.0 cal / gr 0C ti = 20 0C tf = 22.7 0C

Sustitución ∆ Q perdido = ∆ Q ganado

tmCQ e∆= = tmCQ e∆=

Aluminio Agua (200 gr) ( )AlCe (75 0C – 22.7 0C ) = (400 gr) (1.0 cal / gr 0C) (22.7 0C – 20 0C) ( 200 gr ) ( )AlCe ( 52.3 0C ) = ( 400 cal / 0C) ( 2.7 0C)

( )AlCe ( 10 460 gr 0C) = 1080 cal

( )AlCe = Cgr

cal046010

1080 = 0.103

Cgr

cal0

El calor puede ocasionar lesiones de gravedad en la piel. Como ejemplo tenemos a las quemaduras. La profundidad de éstas es directamente proporcional a la temperatura del agente vulnerante, al tiempo de actuación del mismo y a la resistencia de la piel al calor. Según su profundidad se clasifican en: A) Quemaduras de primer grado: Afectan a la epidermis, capa más superficial

de la piel. Se caracteriza porque hay daño epidérmico superficial, son muy dolorosas porque las terminaciones nerviosas están intactas, son de color rojo, hay ausencia de ampollas. Son lesiones que se curan entre 5 y 10 días con restitución total, sin cicatriz.

169

Calor y temperatura

B) Quemaduras de segundo grado: Afectan a la epidermis y dermis, son de color rosa/rojo oscuro, pueden aparecer ampollas o no, son muy dolorosas por afección vascular, salida de líquido y sensibilización. Son lesiones que se curan ente 1 y 2 semanas, suele quedar cicatriz a veces exagerada. En ocasiones se requiere injerto cutáneo.

C) Quemaduras de tercer grado: No son dolorosas, por la destrucción de las

terminaciones nerviosas sensitivas. Son de color blanco (o negro si hay carbonización).

3.1.8. Termodinámica. Sabemos por el curso de Física I, que se efectúa trabajo cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro por medios mecánicos. El calor es una energía en transferencia de un cuerpo a otro que está a menor temperatura. O sea, el calor también puede producir un trabajo. Termodinámica: Se define como la parte de la Física que estudia los procesos en los que el calor se transforma en trabajo mecánico, y viceversa. Precisamente a las máquinas o dispositivos que transforman el calor en trabajo mecánico, se les llama máquinas térmicas. Ejercicio: Individual Dar tres ejemplos de máquinas térmicas que se utilicen actualmente. Al hablar de termodinámica, con frecuencia se usa el término "sistema". Un sistema puede ser cualquier objeto, cualquier cantidad de materia, cualquier región del espacio, etcétera, seleccionado para estudiarlo y aislarlo (mentalmente) de todo lo demás, lo cual se convierte entonces en el entorno del sistema. La envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa de sus inmediaciones (entorno) se llama frontera del sistema y puede pensarse que tiene propiedades especiales que sirven para: a) Aislar el sistema de su entorno o para b) permitir la interacción de un modo

específico entre el sistema y su ambiente. El resto, lo demás en el Universo, que no pertenece al sistema, se conoce como su "ambiente".

EJERCICIO 6

Física II

170

Si la frontera permite la interacción entre el sistema y su entorno, tal interacción se realiza a través de los canales existentes en la frontera. Los canales pueden ser inespecíficos para interacciones fundamentales tales como el calor o la interacción mecánica o eléctrica, o muy específicos para interacciones de transporte. Se consideran varios tipos de sistemas. Sistemas aislados, cerrados y abiertos. Sistema aislado es el sistema que no puede intercambiar materia ni energía con su entorno. Sistema cerrado es el sistema que sólo puede intercambiar energía con su entorno, pero no materia. Sistema abierto es el sistema que puede intercambiar materia y energía con su entorno. En un sistema cerrado no entra ni sale masa, contrariamente a los sistemas abiertos donde sí puede entrar o salir masa. Un sistema cerrado es aislado si no pasa energía en cualquiera de sus formas por sus fronteras.

TAREA 5

Página 183.

171

Calor y temperatura

Las propiedades termodinámicas de un sistema vienen dadas por los atributos físicos macroscópicos observables del sistema, (como su temperatura, volumen, etcétera) mediante la observación directa o mediante algún instrumento de medida. Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando no se observa ningún cambio en dichas propiedades termodinámicas a lo largo del tiempo. Un estado de no equilibrio es un estado con intercambios netos de masa o energía y sus parámetros característicos dependen en general de la posición y del tiempo. El estudio de la termodinámica está fundamentado en las siguientes leyes: Primera Ley de la Termodinámica. Esta ley es una manifestación específica de la ley de conservación de la energía, aplicada a sistemas termodinámicos. Esta ley afirma que “cuando a un sistema se le suministra o se le extrae una cierta cantidad de calor (∆Q), dicho calor se transforma en un cambio en la energía interna del sistema (∆U) más una cantidad de trabajo (W) realizado por o sobre el sistema”

∆Q = ∆U + W En esta ley debemos tener cuidado con los signos de las cantidades que intervienen en ella. Si el sistema absorbe o recibe calor, ∆Q es positivo; en cambio si cede o pierde calor será negativo. Si la energía interna del sistema aumenta, ∆U es positiva; si disminuye será negativa. Cuando el trabajo es realizado por el sistema, W se considera positivo; pero si el trabajo se realiza sobre el sistema será negativo.

Física II

172

Utiliza la ecuación de la Primera ley de la Termodinámica para resolver los siguientes problemas: 1. Un gas en un cilindro absorbe 400 calorías de calor, causando que un

pistón efectúe un trabajo de 450 Joules. De acuerdo con la Primera Ley de la Termodinámica, ¿cuánto vale el cambio de la energía interna del gas?

2. Un proceso isotérmico es aquél en el que no hay cambio en la temperatura del sistema, por tanto no cambia su energía interna. Si en un proceso isotérmico el sistema realiza un trabajo de 300 Joules, ¿cuántas calorías de calor absorbió?

3. Un pistón realiza 100 Joules de trabajo sobre un gas encerrado en un cilindro, causando que la energía interna de éste sistema aumente 48 Joules. ¿Cuánto calor se pierde durante este proceso?

4. Un sistema sufre una transformación pasando de un estado a otro, intercambiando energía con su alrededor. Calcula la variación de la energía interna de éste sistema en los siguientes casos: a) El sistema absorbe 120 calorías y realiza un trabajo de 310 Joules. b) El sistema absorbe 120 calorías y sobre él se realiza un trabajo de 310

Joules. c) El sistema libera 120 calorías y sobre él se realiza un trabajo de 310 Joules.

Segunda Ley de la Termodinámica. No es posible convertir completamente calor en trabajo, pero sí trabajo en calor. Así pues, mientras, según la primera ley, calor y trabajo son formas equivalentes de intercambio de energía, la segunda ley varía radicalmente su equivalencia, ya que el trabajo puede pasar íntegramente a calor pero el calor no puede transformarse íntegramente en trabajo. Desde el punto de vista de la primera ley de la termodinámica, los dos procesos (trabajo y calor) son equivalentes. El calor puede transformarse en trabajo, o el trabajo en calor. Esta equivalencia se pierde si consideramos la segunda ley. El trabajo es una forma más 'coherente' de energía. Siempre podemos transformarlo en calor, pero la inversa no siempre es posible. En la naturaleza hay procesos que suceden, pero cuyos procesos inversos no. Para explicar esta falta de reversibilidad se formuló la segunda ley de la termodinámica, que tiene tres enunciados equivalentes: Enunciado de Kelvin-Planck: Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo. Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea la transferencia continua de energía de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo.

EJERCICIO 7

173

Calor y temperatura

De acuerdo con estos enunciados no es posible construir una máquina de movimiento perpetuo, ya que siempre habrá una pérdida de energía por fricción que pasa al medio ambiente en forma de calor no útil, que pasa a contribuir a la contaminación térmica que ocasiona el calentamiento global del planeta y al desorden de las moléculas del universo por calentamiento.

Esto dio pie a que un físico alemán enunciara la segunda ley así: Enunciado de Boltzman: La entropía del universo va en aumento. Definiendo la entropía como una medida del desorden de las moléculas de un sistema. Tercera Ley de la Termodinámica y Ley Cero de la Termodinámica. Además de la primera y segunda leyes de la termodinámica, existen la ley cero y la tercera ley de la termodinámica. Ley Cero de la Termodinámica (de Equilibrio): "Si dos objetos A y B están por separado en equilibrio térmico con un tercer objeto C, entonces los objetos A y B están en equilibrio térmico entre sí". Como consecuencia de esta ley se puede afirmar que dos objetos en equilibrio térmico entre sí están a la misma temperatura y que si tienen temperaturas diferentes, no se encuentran en equilibrio térmico entre sí. Tercera Ley de la Termodinámica. La tercera ley tiene varios enunciados equivalentes: "No se puede llegar al cero absoluto mediante una serie finita de procesos" Es el calor que entra desde el "mundo exterior" lo que impide que en los experimentos se alcancen temperaturas más bajas. El cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible y se caracteriza por la total ausencia de energía térmica. Es la temperatura a la cual cesa el movimiento de las partículas. El cero absoluto (0 K) corresponde a la temperatura de - 273,16 ºC. Nunca se ha alcanzado tal temperatura y la termodinámica asegura que es inalcanzable.

Física II

174

¡Ojo! Recuerda que

debes resolver la

autoevaluación y los

ejercicios de

reforzamiento; esto te

ayudará a enriquecer

los temas vistos en

clase.

175

Calor y temperatura

INSTRUCCIONES: Completa la siguiente tabla, efectuando las conversiones pertinentes de temperatura incluyendo el desarrollo. Compara los resultados con los de tus compañeros.

Kelvin

Celsius

Rankine

Fahrenheit

86

31

580

- 200

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TAREA 1

Física II

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Revisión: _____________________________________________________ Observaciones:________________________________________________

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177

Calor y temperatura

INSTRUCCIONES: Por medio de ejemplos, describe situaciones cotidianas y tecnológicas donde se manifiesten las tres formas de transferencia de calor y preséntalas a tu profesor. ______________________________________________________________________________________________

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Nombre ____________________________________________________________



TAREA 2

Física II

178

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Calor y temperatura

INSTRUCCIONES: Al calentar alimentos congelados que se conservan en bolsas selladas, ¿por qué primero se hacen hoyos a la bolsa antes de meter los alimentos al microondas?

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TAREA 3

Física II

180

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181

Calor y temperatura

INSTRUCCIONES: Se tienen dos cuerpos a la misma temperatura: Una taza de café y una olla grande de agua a 100 0C, ¿quién tendrá más calor? Explica.

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TAREA 4

Física II

182

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183

Calor y temperatura

INSTRUCCIONES: Diseñar un ejemplo de Sistema abierto, cerrado y aislado.

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TAREA 5

Física II

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Calor y temperatura

INSTRUCCIONES: Lee cuidadosamente y responde los siguientes cuestionamientos, rellenando el círculo de la opción que consideres correcta. 1. Dos cuerpos A y B tienen diferente temperatura, la temperatura del cuerpo A es mayor que la

temperatura del cuerpo B. Si a ambos cuerpos los ponemos en contacto podemos afirmar que: B le transfirió frío al cuerpo A. A le roba calor al cuerpo B. El cuerpo A le transmite calor al cuerpo B. No hay ningún intercambio de calor entre los dos cuerpos.

2. Se tienen dos cuerpos, el primero con una temperatura de 3 0C, el segundo con una temperatura de 6

0F. Con base en lo anterior: Las moléculas del segundo cuerpo se mueven con mayor velocidad que las del primero. El movimiento de las moléculas no tiene nada que ver con la temperatura. Los dos cuerpos se encuentran a la misma temperatura absoluta. Las moléculas del primer cuerpo tienen mayor energía cinética que las del segundo.

3. Dos cuerpos A y B tienen diferente temperatura. Si se ponen en contacto, podemos afirmar que

adquieren el equilibrio térmico cuando: A y B tienen la misma cantidad de calor. La velocidad de las moléculas en los dos cuerpos son iguales. A alcanza la temperatura que inicialmente tenía B. B alcanza la temperatura que inicialmente tenía A.

4. Sabemos que todos los materiales aumentan o disminuyen sus dimensiones al aumentar o disminuir su

temperatura, en mayor o menor proporción debido a su naturaleza molecular. De acuerdo con esto, de la siguiente lista de materiales: Madera, mercurio, aluminio y concreto, ¿cuáles serán los dos materiales que en el siguiente orden, menos y más se dilatan? Madera y mercurio. Mercurio y concreto. Concreto y aluminio. Aluminio y madera.

5. Un trozo de aluminio y un trozo de cobre, ambos con la misma masa, se ponen dentro de un horno de

laboratorio y se calientan hasta alcanzar cierta temperatura en el mismo tiempo cuando se sacan del horno. Suponiendo que el enfriamiento sea igual y constante para ambos, ¿Qué sucede? El aluminio tarda más en enfriarse. Ambos trozos de metal se enfriarán hasta alcanzar la temperatura ambiente en el mismo lapso de tiempo cuando sean sacados del horno. El aluminio se enfriará más rápido. El cobre se enfría más rápido.

Nombre _________________________________________________________

Núm. de lista ____________ Grupo ________________ Turno __________

Núm. de Expediente ___________________ Fecha ____________________

AUTOEVALUACIÓN

Física II

186

6. Si a dos recipientes iguales que contienen agua se les agregan cantidades iguales de calor y si el cambio de temperatura del agua en uno de los recipientes es el doble que la del otro, ¿qué podría decirte de las cantidades de agua contenidas en ambos recipientes? La cantidad de agua es la misma en ambos recipientes. En uno de los recipientes hay la mitad de agua de la que contiene el otro. No tiene nada que ver la cantidad de agua. El calor específico de un recipiente es el doble que el del otro recipiente.

7. Bloques de metal de aluminio y hierro con iguales masas se calientan hasta alcanzar la misma

temperatura y se ponen sobre un bloque de parafina, ¿por qué descienden a distintas profundidades? La cantidad de calor es mayor en el aluminio. La cantidad de calor es menor en el aluminio. El hierro alcanza la misma temperatura de forma más lenta. La parafina solo es útil para ciertos metales.

8. Un perol de agua puesto sobre una estufa hierve más rápidamente cuando el quemador es alto y hierve

con mayor lentitud cuando el quemador está bajo. Con base a lo anterior, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es correcta? La temperatura del agua hirviendo es mayor cuando el quemador está alto. La temperatura del agua hirviendo es mayor cuando el quemador está bajo. El punto de ebullición del agua depende de si esta alto o bajo el quemador. La temperatura del agua es la misma cuando está hirviendo.

9. 10. El calor que irradia una estufa se propaga a igual distancia por tres medios: Metal, madera y aire. La

relación de tiempos de llegada al otro extremo de la energía calórica para cada material será

t aire < t madera < t metal t aire < t metal < t madera t metal < t aire < t madera t metal < t madera < t metal

187

Calor y temperatura

11. Si varios cuerpos de igual masa varían su temperatura en un mismo numero de grados absorbiendo o cediendo distintas cantidades de calor, entonces estos cuerpos tienen diferente: Calor especifico. Coeficiente de dilatación. Conductividad térmica. Dilatación lineal.

12. Un termómetro mide la temperatura de un líquido en grados Fahrenheit y otro en grados Kelvin, ambos

registran la misma lectura aproximadamente a los: 226 ºC 575 ºC 302 ºC 756 ºC

13. Dos cuerpos A y B de temperaturas T A > T B , se ponen en contacto es decir la temperatura del cuerpo A

es mayor que la del cuerpo B y aislados de influencias externas. Se puede afirmar que después de que ambos interactúan Ambos mantienen sus temperaturas individuales originales. La temperatura final de A es mayor que su temperatura inicial. La temperatura final de B es mayor que su temperatura inicial. La temperatura de B siempre es mayor que la de A.

14. Los principales efectos del calor en un cuerpo cualquiera son:

Aumentar la temperatura. Dilatación de ellos. Cambios de estado. Todos los anteriores.

15. La función específica de un termostato es:

Medir la temperatura en forma directa. Registrar la temperatura en un determinado lapso. Medir la dilatación de un cuerpo por efecto de calor. Regular la temperatura de un recinto de un artefacto eléctrico, en un rango predeterminado.

16. De las siguientes afirmaciones: ¿Cuál es la correcta?

37.5 ºF corresponde a la temperatura del cuerpo humano. El punto de ebullición del agua corresponde a 373 K. Los termómetros de mercurio se gradúan en escala Celsius o Kelvin. El punto de congelación del agua es 0 ºK.

17. Si un sistema A está en equilibrio térmico con un sistema B, pero este último no está equilibrio térmico

con un sistema C, ¿qué puede usted concluir acerca de las temperaturas de los sistemas A, B, C?

La temperatura de los sistemas A y C es la misma. La temperatura de los sistemas A, B y C es la misma. La energía Cinética del sistema C es mayor que la del sistema A. La temperatura del sistema A es diferente a la del sistema C.

Física II

188

18. ¿Qué significa que dos sistemas estén en equilibrio térmico? Que la temperatura de un sistema sea mayor que la del otro. Que la energía cinética de un sistema sea menor que el otro. Que la energía cinética de los dos cuerpos sea la misma. Que las moléculas de un sistema se muevan más rápido que las del otro sistema.

19. Una bola puede pasar por un anillo de metal. Sin embargo cuando se calienta, la bola queda detenida

en el anillo, ¿cuál afirmación es correcta?

La bola se dilató y no puede pasar por el anillo. El anillo de metal se encogió y detiene a la bola. El anillo de metal se dilató y no deja pasar la bola. Los metales en general son buenos conductores de calor y por lo tanto se detiene la bola.

20 Los rayos del sol viajan hacia la tierra por medio del proceso de:

Conducción. Conveccion. Radiación. Interacción.

Si todas tus respuestas fueron correctas: excelente, por lo que te invitamos a continuar con esa dedicación.

Si tienes de 15 a 19 aciertos, tu aprendizaje es bueno, pero es

necesario que nuevamente repases los temas.

Si contestaste correctamente 14 o menos reactivos, tu aprendizaje es insuficiente, por lo que te recomendamos solicitar asesoría a tu profesor.

Consulta las claves de

respuestas en la página 193.

ESCALA DE MEDICIÓN DEL APRENDIZAJE

189

Calor y temperatura

INSTRUCCIONES: 1. Relacionando las fórmulas para convertir temperaturas en las escalas de Celsius y Fahrenheit, determine que el valor en el cual ambas escalas coinciden en la misma temperatura es -40 2. ¿Te has quemado la lengua al comer un alimento? ¿Qué alimentos tienen más calor específico o conservan más el calor? 3. En un día frío, Usted recoge una pala que ha estado en el exterior por un largo tiempo. Explique por qué la hoja de la pala se siente más fría al tocarla que el mango. ¿La temperatura de la hoja es la misma que la del mango? 4. ¿Por qué el espejo de un baño se empaña cuando tomamos una ducha? 5. ¿Por qué podemos ver nuestro aliento en un día frío? 6. ¿Por qué si una jarra de agua se cubre con una tapadera, el agua hierve más pronto? 7. A menudo decimos que un ventilador nos refresca y sin embargo sopla el aire a la misma temperatura ambiente. Explique a que se debe esto. 8. Unos rieles de acero de 15 m de longitud son colocados un día en que la temperatura es de 3 0C. ¿Cuál será el espacio mínimo que habrá que dejar entre ellos, para que lleguen justo a tocarse un día en que la temperatura sea de 48 0C? 9. Una lámina rectangular de aluminio de 20 cm de largo y 10 cm de ancho se calienta de 10 0C a 95 0C. ¿Cuál será la variación de su superficie? 10. Un cubo de latón de 20 cm de lado se calienta de 20 0C a 45 0C. ¿Cuál será la variación de su volumen? 11. Hallar la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 100 gr de cobre desde 10 0C a 100 0C 12. Se construyen bloques de cinco diferentes metales: Aluminio, cobre, zinc, hierro y plomo con la misma masa e igual área de la sección transversal de la base. Cada bloque se calienta hasta una temperatura de 100 0C y se colocan sobre un bloque de hielo. ¿Cuál llegará a mayor profundidad al fundirse el hielo? Liste los cuatro bloques restantes en orden decreciente de las profundidades. 13. Una pieza de metal de 50 gr a 95 0C, se deja caer dentro de 250 gr de agua a 17 0C y su temperatura se incrementa hasta 19.4 0C. ¿Cuál es el calor específico del metal?

EJERCICIO DE REFORZAMIENTO 1

Nombre _________________________________________________________

Núm. de lista ____________ Grupo ________________ Turno __________

Núm. de Expediente ___________________ Fecha ____________________

Física II

190


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Documents

Unidad Calor y Temperatura