FísicaFísica

Tema : Tema : “Cantidad “Cantidad de Calor”de Calor”

IntroducciónIntroducción

Calor es una cantidad Calor es una cantidad de energía. de energía.

Cuándo el calor entra Cuándo el calor entra en un cuerpo se en un cuerpo se produce produce calentamiento y calentamiento y cuando sale cuando sale enfriamiento.enfriamiento.

Para medir este fenómeno se iPara medir este fenómeno se inntrodució el trodució el concepto de concepto de temperaturatemperatura. Para relacionar . Para relacionar calor y temperatura debemos tener en calor y temperatura debemos tener en cuenta lo siguiente:cuenta lo siguiente:

Cuanto mayor la cantidad de calor más Cuanto mayor la cantidad de calor más calentamos el cuerpo, por consiguiente calentamos el cuerpo, por consiguiente mayor será la variación de temperatura. mayor será la variación de temperatura. Una misma cantidad de calor calentará Una misma cantidad de calor calentará mucho más un cuerpo pequeño que un mucho más un cuerpo pequeño que un cuerpo grande, o sea, la variación de cuerpo grande, o sea, la variación de temperatura es proporcional a la cantidad temperatura es proporcional a la cantidad de calor, e inversamente proporcional a la de calor, e inversamente proporcional a la masa masa

CalorCalor

En En físicafísica, el , el calorcalor se define como se define como energía en tránsitoenergía en tránsito..

Generalmente, el calor es una Generalmente, el calor es una forma de forma de energíaenergía asociada al asociada al movimiento de los movimiento de los átomosátomos, , moléculasmoléculas y otras partículas que y otras partículas que forman la materia. El calor puede forman la materia. El calor puede ser creado por ser creado por reacciones químicasreacciones químicas (como en la (como en la combustión), combustión), nuclearesnucleares (como en (como en la fusión en el interior del la fusión en el interior del SolSol), ), disipación electromagnética (como disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) o en los hornos de microondas) o por disipación mecánica (fricción). por disipación mecánica (fricción). Su concepto está ligado al Su concepto está ligado al Principio Cero de la TermodinámicaPrincipio Cero de la Termodinámica, según el que dos cuerpos en , según el que dos cuerpos en contacto intercambian energía contacto intercambian energía hasta que su hasta que su temperaturatemperatura se se equilibra.equilibra.

El calor puede ser transferido entre El calor puede ser transferido entre objetos por diferentes mecanismos, entre objetos por diferentes mecanismos, entre ellos ellos radiaciónradiación, , conducciónconducción y y convecciónconvección..

El calor en si no es una forma de El calor en si no es una forma de energíaenergía. . Los cuerpos no tienen calor (el calor no es Los cuerpos no tienen calor (el calor no es una función de estado), sino una función de estado), sino energía internaenergía interna. El calor es la . El calor es la transferencia de parte de dicha energía transferencia de parte de dicha energía interna (interna (energía térmicaenergía térmica) de un sistema a ) de un sistema a otro, con la condición de que estén a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura.diferente temperatura.

Hasta el siglo XIX se Hasta el siglo XIX se explicaba que el efecto explicaba que el efecto del calor en la variación del calor en la variación de la temperatura por de la temperatura por medio de un fluido medio de un fluido invisible llamado invisible llamado calóricocalórico que se producía cuando que se producía cuando algo se quemaba y que algo se quemaba y que podía pasar de un cuerpo podía pasar de un cuerpo a otro. La teoría del a otro. La teoría del calórico afirmaba que una calórico afirmaba que una sustancia con mayor sustancia con mayor temperatura que otra temperatura que otra poseía mayor cantidad de poseía mayor cantidad de calórico.calórico.

Benjamin ThompsonBenjamin Thompson

Debido a la imprecisión Debido a la imprecisión de los aparatos de de los aparatos de medida utilizados en sus medida utilizados en sus experiencias, Thompson experiencias, Thompson (1753-1814) no (1753-1814) no consiguió demostrar que consiguió demostrar que hubiese conservación de hubiese conservación de energía en el proceso de energía en el proceso de transformación de transformación de trabajo en calor. trabajo en calor.

Prescott JoulePrescott Joule

Posteriormente , el físico Posteriormente , el físico inglés Prescott Joule inglés Prescott Joule (1818-1889) logró (1818-1889) logró demostrarlo demostrarlo experimentalmente, experimentalmente, llegando a determinar la llegando a determinar la cantidad de calor que se cantidad de calor que se obtiene por cada unidad obtiene por cada unidad de trabajo que se de trabajo que se consume, que es de consume, que es de 0,239 calorías por cada 0,239 calorías por cada julio de trabajo que se julio de trabajo que se transforma íntegramente transforma íntegramente en calor.en calor.

Aparato de JouleAparato de Joule

Aparato empleado por Joule Aparato empleado por Joule en la medición del en la medición del equivalente mecánico del equivalente mecánico del calor. Las masas conocidas calor. Las masas conocidas m se enrollan por medio de m se enrollan por medio de la manivela sobre el cilindro. la manivela sobre el cilindro. La cuerda pasa por dos La cuerda pasa por dos poleas P perfectamente bien poleas P perfectamente bien engrasadas. La altura de las engrasadas. La altura de las masas sobre el suelo es masas sobre el suelo es conocida, y la temperatura conocida, y la temperatura del agua se controla del agua se controla mediante el termómetro.mediante el termómetro.

Distinción entre calor y temperaturaDistinción entre calor y temperatura

En la vida cotidiana, En la vida cotidiana, generalmente, no se hace generalmente, no se hace distinción entre las nociones distinción entre las nociones de calor y temperatura; sin de calor y temperatura; sin embargo, en física esta embargo, en física esta distinción es indispensable. distinción es indispensable. Por cantidad de calor que se Por cantidad de calor que se encuentra en un cuerpo se encuentra en un cuerpo se entiende el contenido entiende el contenido energético que posee este energético que posee este cuerpo en forma de energía cuerpo en forma de energía cinética debida al movimiento cinética debida al movimiento desordenado de sus desordenado de sus moléculas.moléculas.

Convección Radiación

Conducción

Transferencia de CalorTransferencia de Calor

Transferencia de Transferencia de energía debida a la energía debida a la diferencia de diferencia de temperatura entre dos temperatura entre dos cuerpos. El cuerpo de cuerpos. El cuerpo de mayor temperatura cede mayor temperatura cede energía al cuerpo de energía al cuerpo de menor temperatura. Esta menor temperatura. Esta cesión puede realizarse cesión puede realizarse por conducción, por conducción, convección o radiación. convección o radiación.

El calor se puede propagar de diversas maneras:El calor se puede propagar de diversas maneras: En el espacio vacío por medio de radiación de En el espacio vacío por medio de radiación de

ondas electromagnéticasondas electromagnéticas, por ejemplo la radiación recibida del , por ejemplo la radiación recibida del SolSol.. Entre objetos sólidos en contacto, el calor se propaga por Entre objetos sólidos en contacto, el calor se propaga por

conducción. conducción.

Cuando masas de aire caliente (menos denso) se mueven hacia Cuando masas de aire caliente (menos denso) se mueven hacia arriba desplazando las masas de aire más frías, se dice que el calor arriba desplazando las masas de aire más frías, se dice que el calor se propaga por convección. se propaga por convección.

Cuando un cuerpo sólido o una masa de gas reciben calor, el Cuando un cuerpo sólido o una masa de gas reciben calor, el resultado es que aumenta la temperatura. resultado es que aumenta la temperatura.

La diferencia entre un gas caliente y uno frío es que las moléculas del La diferencia entre un gas caliente y uno frío es que las moléculas del gas caliente tienen en promedio mayor energía cinética (o energía gas caliente tienen en promedio mayor energía cinética (o energía de movimiento). de movimiento).

Medición de la cantidad de calorMedición de la cantidad de calor

La calorimetría es la La calorimetría es la parte de la física que parte de la física que estudia la medida del estudia la medida del calor. El conocer calor. El conocer únicamente la únicamente la temperatura de un cuerpo temperatura de un cuerpo no nos precisa totalmente no nos precisa totalmente el calor de que dispone. el calor de que dispone. Cuanto mayor sea su Cuanto mayor sea su masa más calor masa más calor precisaremos cederle precisaremos cederle para que aumente un para que aumente un intervalo su temperatura.intervalo su temperatura.

No todos los cuerpos responden de igual manera al No todos los cuerpos responden de igual manera al estímulo del calor y es por lo que existe una propiedad estímulo del calor y es por lo que existe una propiedad característica llamada coeficiente de dilatación lineal, característica llamada coeficiente de dilatación lineal, como la cantidad de calor que es necesario suministrarle como la cantidad de calor que es necesario suministrarle a un gramo de masa para que aumente la temperatura a un gramo de masa para que aumente la temperatura 1° C.1° C.

Para medir la cantidad de calor empleamos la unidad Para medir la cantidad de calor empleamos la unidad denominada caloría que representa la cantidad de calor denominada caloría que representa la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 1 gramo de necesario para elevar la temperatura de 1 gramo de agua a 1 atmósfera de presión desde 15 hasta 16 °C. agua a 1 atmósfera de presión desde 15 hasta 16 °C. Esta unidad se denomina a veces caloría pequeña o Esta unidad se denomina a veces caloría pequeña o caloría gramo para distinguirla de la caloría grande, o caloría gramo para distinguirla de la caloría grande, o kilocaloría, que equivale a 1.000 calorías y se emplea en kilocaloría, que equivale a 1.000 calorías y se emplea en nutrición.nutrición.

Recibimos del Recibimos del SolSol una una cantidad de energía cantidad de energía equivalente a 1.350 Vatios por equivalente a 1.350 Vatios por metro cuadrado. Suficiente metro cuadrado. Suficiente para satisfacer la demanda para satisfacer la demanda energética de nuestra energética de nuestra sociedad moderna. sociedad moderna.

Sin embargo, no toda la Sin embargo, no toda la energía proveniente del Sol es energía proveniente del Sol es utilizable. Mucha de esta utilizable. Mucha de esta energía no se puede convertir energía no se puede convertir a formas útiles y se pierde. a formas útiles y se pierde.

En 1840 James Joule (1818 - En 1840 James Joule (1818 - 1889) pudo establecer que el 1889) pudo establecer que el calor es una forma de energía, calor es una forma de energía, intercambiable con otras intercambiable con otras formas de energía. formas de energía.

Calor latenteCalor latente

El cambio de temperatura de una El cambio de temperatura de una sustancia conlleva una serie de sustancia conlleva una serie de cambios físicos. Casi todas las cambios físicos. Casi todas las sustancias aumentan de volumen sustancias aumentan de volumen al calentarse y se contraen al al calentarse y se contraen al enfriarse. El comportamiento del enfriarse. El comportamiento del agua entre 0 y 4 °C constituye una agua entre 0 y 4 °C constituye una importante excepción a esta regla. importante excepción a esta regla. Se denomina fase de una Se denomina fase de una sustancia a su estado, que puede sustancia a su estado, que puede ser sólido, líquido o gaseoso. Los ser sólido, líquido o gaseoso. Los cambios de fase en sustancias cambios de fase en sustancias puras tienen lugar a temperaturas puras tienen lugar a temperaturas y presiones definidas. El paso de y presiones definidas. El paso de sólido a gas se denomina sólido a gas se denomina sublimaciónsublimación, de sólido a líquido , de sólido a líquido fusiónfusión, y de líquido a vapor , y de líquido a vapor vaporizaciónvaporización. .

Si la presión es constante, estos procesos tienen lugar a una Si la presión es constante, estos procesos tienen lugar a una temperatura constante. La cantidad de calor necesaria para temperatura constante. La cantidad de calor necesaria para producir un cambio de fase se llama producir un cambio de fase se llama calor latentecalor latente; existen calores ; existen calores latentes de sublimación, fusión y vaporización. Si se hierve agua en latentes de sublimación, fusión y vaporización. Si se hierve agua en un recipiente abierto a la presión de 1 atmósfera, la temperatura no un recipiente abierto a la presión de 1 atmósfera, la temperatura no aumenta por encima de los 100 °C por mucho calor que se aumenta por encima de los 100 °C por mucho calor que se suministre. El calor que se absorbe sin cambiar la temperatura del suministre. El calor que se absorbe sin cambiar la temperatura del agua es el calor latente; no se pierde, sino que se emplea en agua es el calor latente; no se pierde, sino que se emplea en transformar el agua en vapor y se almacena como energía en el transformar el agua en vapor y se almacena como energía en el vapor. Cuando el vapor se condensa para formar agua, esta vapor. Cuando el vapor se condensa para formar agua, esta energía vuelve a liberarse. Del mismo modo, si se calienta una energía vuelve a liberarse. Del mismo modo, si se calienta una mezcla de hielo y agua, su temperatura no cambia hasta que se mezcla de hielo y agua, su temperatura no cambia hasta que se funde todo el hielo. El calor latente absorbido se emplea para funde todo el hielo. El calor latente absorbido se emplea para vencer las fuerzas que mantienen unidas las partículas de hielo, y vencer las fuerzas que mantienen unidas las partículas de hielo, y se almacena como energía en el agua. Para fundir 1 kg de hielo se se almacena como energía en el agua. Para fundir 1 kg de hielo se necesitan 19.000 julios, y para convertir 1 kg de agua en vapor a necesitan 19.000 julios, y para convertir 1 kg de agua en vapor a 100 °C, hacen falta 129.000 julios. 100 °C, hacen falta 129.000 julios.

Calor específicoCalor específico

No todos los materiales No todos los materiales absorben calor en la absorben calor en la misma proporción cuando misma proporción cuando se les somete a cambios se les somete a cambios iguales de temperatura. iguales de temperatura. Para ello se utiliza la Para ello se utiliza la unidad denominada unidad denominada calor calor específicoespecífico que se refiere que se refiere a la cantidad de calor a la cantidad de calor necesaria para aumentar necesaria para aumentar en un grado la en un grado la temperatura de una temperatura de una unidad de masa de una unidad de masa de una sustancia. sustancia.

Si el calentamiento se produce manteniendo Si el calentamiento se produce manteniendo constante el volumen de la sustancia o su constante el volumen de la sustancia o su presión, se habla de calor específico a volumen presión, se habla de calor específico a volumen constante o a presión constante. En todas las constante o a presión constante. En todas las sustancias, el primero siempre es menor o igual sustancias, el primero siempre es menor o igual que el segundo. El calor específico del agua a que el segundo. El calor específico del agua a 15 °C es de 4.185,5 julios por kilogramo y grado 15 °C es de 4.185,5 julios por kilogramo y grado Celsius. En el caso del agua y de otras Celsius. En el caso del agua y de otras sustancias prácticamente incompresibles, no es sustancias prácticamente incompresibles, no es necesario distinguir entre los calores específicos necesario distinguir entre los calores específicos a volumen constante y presión constante ya que a volumen constante y presión constante ya que son aproximadamente iguales. Generalmente, son aproximadamente iguales. Generalmente, los dos calores específicos de una sustancia los dos calores específicos de una sustancia dependen de la temperatura. dependen de la temperatura.

Dilatación y contracciónDilatación y contracción

Los cambios de Los cambios de temperatura pueden temperatura pueden afectar el tamaño de los afectar el tamaño de los objetos. Normalmente, objetos. Normalmente, cuando aumenta su cuando aumenta su temperatura y se temperatura y se calientan se dilatan o calientan se dilatan o expanden; y cuando se expanden; y cuando se enfrían o desciende su enfrían o desciende su temperatura se contraen temperatura se contraen y desciende su tamaño. y desciende su tamaño. En este principio se basa En este principio se basa el termómetro. el termómetro.

La expansión de un sólido puede expresarse La expansión de un sólido puede expresarse según una, dos o sus tres dimensiones. Así, según una, dos o sus tres dimensiones. Así, hablamos de expansión de sólidos lineal, hablamos de expansión de sólidos lineal, superficial y en volumen. Al conocer la superficial y en volumen. Al conocer la expansión lineal podemos hallar fácilmente las expansión lineal podemos hallar fácilmente las expansiones superficial y en volumen. Esta expansiones superficial y en volumen. Esta expansión lineal se mide de acuerdo con el expansión lineal se mide de acuerdo con el coeficiente de expansión lineal: la variación de coeficiente de expansión lineal: la variación de longitud de una unidad de longitud de material longitud de una unidad de longitud de material por cada unidad de cambio de temperatura. Es por cada unidad de cambio de temperatura. Es importante observar que la cantidad de importante observar que la cantidad de expansión depende tanto de la longitud como expansión depende tanto de la longitud como del cambio de temperatura. Puesto que metales del cambio de temperatura. Puesto que metales diferentes tienen coeficientes de expansión diferentes tienen coeficientes de expansión distintos, un metal se expandirá más que otro distintos, un metal se expandirá más que otro cuando se le someta al mismo grado de calor.cuando se le someta al mismo grado de calor.

TemperaturaTemperatura

La sensación de calor o frío al La sensación de calor o frío al tocar una sustancia depende tocar una sustancia depende de su temperatura, de la de su temperatura, de la capacidad de la sustancia para capacidad de la sustancia para conducir el calor y de otros conducir el calor y de otros factores. Aunque, si se factores. Aunque, si se procede con cuidado, es procede con cuidado, es posible comparar las posible comparar las temperaturas relativas de dos temperaturas relativas de dos sustancias mediante el tacto. sustancias mediante el tacto. Cuando se aporta calor a una Cuando se aporta calor a una sustancia, no sólo se eleva su sustancia, no sólo se eleva su temperatura, con lo que temperatura, con lo que proporciona una mayor proporciona una mayor sensación de calor, sino que sensación de calor, sino que se producen alteraciones en se producen alteraciones en varias propiedades físicas que varias propiedades físicas que pueden medirse con precisión. pueden medirse con precisión.

Al variar la temperatura, las sustancias se dilatan o se Al variar la temperatura, las sustancias se dilatan o se contraen, su resistencia eléctrica cambia, y en el caso contraen, su resistencia eléctrica cambia, y en el caso de un gas, su presión varía. La variación de alguna de de un gas, su presión varía. La variación de alguna de estas propiedades suele servir como base para una estas propiedades suele servir como base para una escala numérica precisa de temperaturas. La escala numérica precisa de temperaturas. La temperatura depende de la energía cinética media (o temperatura depende de la energía cinética media (o promedio) de las moléculas de una sustancia. promedio) de las moléculas de una sustancia.

A medida que los sólidos, líquidos o gases se calientan, A medida que los sólidos, líquidos o gases se calientan, por lo general se expanden. Cuando se enfrían, por lo por lo general se expanden. Cuando se enfrían, por lo común se contraen. Estos efectos brindan una manera común se contraen. Estos efectos brindan una manera efectiva para medir la temperatura, esto es, el “Grado de efectiva para medir la temperatura, esto es, el “Grado de calentamiento” o “Intensidad del calor” de un cuerpo.calentamiento” o “Intensidad del calor” de un cuerpo.

Los instrumentos Los instrumentos diseñados para medir la diseñados para medir la temperatura se temperatura se denominan termómetros; denominan termómetros; el más corriente consiste el más corriente consiste en un tubo de vidrio que en un tubo de vidrio que lleva en la parte inferior lleva en la parte inferior una cubeta de líquido, una cubeta de líquido, normalmente mercurio o normalmente mercurio o alcohol coloreado. Al alcohol coloreado. Al calentarse, el líquido se calentarse, el líquido se dilata y sube por el tubo; dilata y sube por el tubo; si se enfría se contrae y si se enfría se contrae y desciende. Su nivel desciende. Su nivel indica la temperatura. El indica la temperatura. El alemán Gabriel alemán Gabriel Fahrenheit, construyó el Fahrenheit, construyó el primer termómetro primer termómetro confiable confiable en 1714. en 1714.