CALOR Y CALOR Y TEMPERATURATEMPERATURA

Profesor: Ignacio Espinoza Braz

Colegio AdventistaSubsector FísicaArica

Concepto de TemperaturaDilatación TérmicaEscalas TermométricasAnomalía del AguaConcepto del CalorCalor Específico

Hoy conoceremos:

Concepto de TemperaturaConcepto de Temperatura

Es la forma objetiva de expresar lo que se llama como estado térmico de un cuerpo, asignándole un valor numérico. Este estado, depende de la vibración o agitación de las partículas que forman a un cuerpo.

El grado de movimiento de las moléculas depende exclusivamente del estado de la sustancia.

Recordemos un poco sobre:Recordemos un poco sobre:“Dilatación Térmica”“Dilatación Térmica”

Se define como el aumento de volumen que ocurre en un cuerpo debido al aumento de su temperatura.

Por lo general los sólidos, líquidos y gases se dilatan cuando aumenta la temperatura y se contraen en el caso contrario.

Por razones de un mejor estudio de este fenómeno, se clasifica en:

Dilatación Lineal Dilatación superficial Dilatación Volumétrica

Dilatación LinealDilatación Lineal

En el caso de los cuerpos cuya principal dimensión es la longitud, al aumentar su temperatura, aumenta principalmente su longitud. De ahí entonces que hablemos de dilatación lineal.

l∆0l

0l l Tα∆ = ⋅ ⋅∆

Dilatación SuperficialDilatación Superficial

Como en el caso anterior, la dilatación que experimenta cuya principal dimensión es su superficie, como en el caso de una lámina metálica.

0A A Tβ∆ = ⋅ ⋅ ∆

Dilatación VolumétricaDilatación Volumétrica

La variación del volumen de un cuerpo que absorbe calor y aumenta su temperatura desde un valor hasta una temperatura final . Como en el caso de un cubo de metal, su dilatación volumétrica es:

0TT

0V V Tγ∆ = ⋅ ⋅ ∆

Aplicación de la DilataciónAplicación de la Dilatación

Uno de los usos que se les da a este fenómeno es la elaboración de termómetros, instrumento que en su interior contienen un fluido, generalmente se utiliza el mercurio.

Escalas TermométricasEscalas Termométricas

Las escalas más conocidas son: Celsius, Fahrenheit y Kelvin (o llamada “escala absoluta”). Cada una de ellas considera 2 puntos de referencia, uno superior y otro inferior, y un número de divisiones entre estas 2 referencias.

Escala CelsiusEscala Celsius

Creada en 1742 por el Físico Anders Celsius, es la más utilizada en el mundo, su referencia inferior está basada en el punto de fusión del hielo (0°C) y la superior e el punto de ebullición del agua (100°C).

Entre estas 2 referencias existen 100 Divisiones.

Escala FahrenheitEscala Fahrenheit

En 1714 Daniel Fahrenheit creó el primer termómetro de mercurio, actualmente es utilizado en países de habla inglesa.

Esta escala tiene como referencia una mezcla de agua y sal de cloruro de amonio a partes iguales, cuya temperatura de congelación es más baja que la del agua y la de ebullición más alta. Con 180 divisiones

Escala KelvinEscala Kelvin

A diferencia de las escalas anteriores, ésta tiene un origen teórico. Fue creada en 1848 por Kelvin.

Esta escala se usa en ciencias y está basada en los principios de la termodinámica, en los que se predice la existencia de una temperatura mínima, en la cual las partículas de un sistema carecen de energía térmica. Esta temperatura en la cual las partículas carecen de movimiento se conoce como “Cero Absoluto” (0 Kelvin).

Equivalencias TermométricasEquivalencias Termométricas

La transformación de la escala Fahrenheit a Celsius es de la siguiente manera:

La transformación de la escala Kelvin en Celsius es de la siguiente manera:

5 329

T Tc f

= −

273k cT T= +

Transformación de EscalasTransformación de Escalas

Anomalía del AguaAnomalía del Agua

Sabemos que cuando una sustancia aumenta o disminuye su temperatura, ésta sufre variaciones en su volumen (dilatación o contracción)

Pero esta regla general, no es aplicable al agua., ya que constituye una excepción a la regla, la cual se denomina “Anomalía del Agua”.

Como vemos, en el gráfico. Se muestran las densidades del agua mientras varía su temperatura.

Ocurre algo extraño o anómalo entre los 0°C y los 4°C, la densidad es menor.

Esta es la razón, la cual hace que el hielo flote en el agua, ya que como este último tiene menor densidad que el agua, por ende va a flotar.

Esta anomalía es muy importante para la vida.

Estructura molecular Agua

Estructura Molecular Hielo

Concepto de CalorConcepto de Calor

El calor se define como un tipo de energía, denominada “Energía Calórica”

Ahora, supongamos que tenemos 2 cuerpos A y B a diferente temperatura con

De acuerdo con esto, la energía cinética promedio de sus respectivas partículas es diferente.

A BT T>

Si ponemos estos 2 cuerpos en contacto, en un ambiente aislado, al cabo de cierto tiempo ambos cuerpos habrán igualado sus temperaturas.

Cuando esto ocurre, decimos que los cuerpos se encuentran en equilibrio térmico

¿Qué ocurre entre ambos cuerpos para que ¿Qué ocurre entre ambos cuerpos para que igualen sus temperaturas?igualen sus temperaturas?

Cuando ambos cuerpos igualan sus temperaturas, igualan la energía cinética promedio de sus partículas, es decir intercambian energía.

El cuerpo que se encuentra a mayor temperatura, transfiere energía al cuerpo más “frío”. Hasta que ambos lleguen al equilibrio térmico.

Cuando un cuerpo “absorbe calor”, aumenta su energía térmica y por consiguiente, su temperatura. Cuando entrega o “cede calor”, la disminuye.

Es una magnitud que nos permite estimar la cantidad de calor que absorbe una porción de una sustancia, cuando experimenta un aumento de su temperatura.

Supongamos que tenemos una sustancia de masa “m”. Si este cuerpo es puesto sobre una fuente de calor, absorberá cierta cantidad de calor Q, aumentando su temperatura desde un valor inicial hasta una valor final 0T

T

De forma experimental, se verifica que esta variación de temperatura es proporcional a la cantidad de calor absorbida, e inversamente proporcional a su masa. O sea:

Qc T

m= ⋅∆

: Variación de Temperatura

: Cantidad de Calor cedido

: Masa del cuerpo

c : Constante de Proporcionalidad

f iT T T

Q

m

∆ = −

De acuerdo con lo anterior, nuestra constante de proporcionalidad, la podemos expresar como:

Esta constante, se le denomina “calor específico” y es una constante que depende de la naturaleza de cada sustancia.

Corresponde a la cantidad de calor que se debe entregar a una unidad de masa de cierta sustancia, para que aumente su temperatura en 1°C.

Qcm T

=⋅ ∆

A partir de la relación anterior, podemos decir que el calor absorbido, está definido por:

Con esta relación, podemos hacer las siguientes observaciones:

Q m c T= ⋅ ⋅∆

( )Si 0 el cuerpo aumenta su temperatura, entonces absorbe calor 0T Q∆ > >

( )Si 0 el cuerpo disminuye su temperatura, entonces cede calor 0T Q∆ < <

Algunos Valores de Calor Específico

SustanciaSustancia

Agua 1 4180

Aluminio 0,212 886

Cobre 0,094 393

Hierro 0,115 481

Mercurio 0,033 138

Plata 0,056 234

Estaño 0,055 230

Cinc 0,094 393

Vidrio 0,199 832

Latón 0,094 393

Plomo 0,031 130

Hielo 0,550 2299

c cal g C ° c J kg C °

Ahora, trabajaremos con los problemas propuestos incluidos en la guía de apoyo, entregada.