SEMANA 65 al 9 de octubre

•Temperatura–Escalas termométricas–Dilatación en sólidos y líquidos

•Calor–Definición–Métodos de Transmisión del calor

OBJETIVOS

Conocer las diferentes escalas de temperatura y saber utilizar y convertir las escalas Celsius y Kelvin

Determinar la dilatación en sólidos y líquidos cuando existe una diferencia de temperatura

Entender la diferencia entre calor y temperatura

Comprender los métodos de transmisión del calor

TEMPERATURA

La temperatura de un cuerpo es una propiedad que se relaciona con el hecho de que un cuerpo esté “más caliente” o “más frío”

Medir la temperatura ha sido una antigua preocupación de los científicos

Equilibrio térmico

Dos o más cuerpos, en contacto y aislados de influencias externas, tienden a un estado final, denominado Estado de equilibrio térmico

– Se caracteriza por la uniformidad en la temperatura de los cuerpos

Cuando se abra la válvula que separa las dos partes A y B, empezará un proceso de intercambio hasta que la temperatura del sistema completo A+B sea la misma en todos los compartimentos

Termómetros

Para que la temperatura pueda considerarse una cantidad física es necesario que podamos medirla, a fin que se tenga un concepto cuantitativo de la misma

Esta medición de la temperatura se hace con los termómetros

Existen varias clases de termómetros

Tipos de termómetros

Termómetro por dilatación o “termómetro de columna”

En este termómetro las variaciones de temperatura producen dilataciones o contracciones del líquido, haciendo subir o bajar la columna

A cada altura de la columna podemos asignarle un número, el cual corresponde a la temperatura que determinó dicha altura

El líquido que más se emplea en este tipo de termómetros es el mercurio– Algunos termómetros más baratos utilizan un alcohol

coloreado, generalmente rojo

Escala termométrica

Para poder medir temperaturas es necesario graduar el termómetro, es decir señalar en él divisiones y asignarles números

De esta forma se construye una escala termométrica

En la historia se han utilizado diferentes escalas termométricas basadas en diferentes fenómenos

Para acabar con estas dificultades, los científicos sugirieron la adopción de una escala única, basada en convenciones internacionales:– La escala Celsius (anteriormente llamada centígrada)– Anders Celsius(1701-1744)

Escala Celsius

El cero grados Celsius (°C)– Se introduce el termómetro en una mezcla de

hielo y agua fría en equilibrio térmico (hielo fundamentalmente) a la presión de 1 atm

100 °C– Se introduce el termómetro en agua hirviente, o

en ebullición, a la presión de 1atm

Divisiones– Se divide el intervalo entre 0 °C y 100 °C en 100

partes iguales– Se extiende la graduación tanto hacia arriba de

100 °C, como hacia abajo de 0 °C– Cada intervalo entre dos divisiones sucesivas (del

“tamaño” de 1 °C) corresponde a una variación de temperatura que se representa por (1 °C)

Escala Kelvin

La escala Kelvin se utiliza sobre todo en medios científicos y fue propuesta por Lord Kelvin (1824-1907)

Esta escala surge de las discusiones relacionadas con las temperaturas máximas y mínimas que puede alcanzar un cuerpo– No hay un límite teórico máximo que puede alcanzar un objeto– Pero se observa un límite natural cuando se intenta bajar la

temperatura

El cero absoluto se denomina a la temperatura de -273 °C

Escala Kelvin

Kelvin propuso como origen de su escala (representado por 0 °K) la temperatura del cero absoluto y un intervalo unitario igual al intervalo de 1 °C, i.e., (1 °C) = (1 K)– 0 K = -273 °C

– 1 K = -272 °C

– 273 K = 0 °C

– 373 K = 100 °C

Relación entre escala Celsius (tc) y Kelvin(T):

– T = tc +273

Ejemplo de conversión entre °C y K

En el informe científico de 1911 se descubrió que la resistencia eléctrica del mercurio desaparecía a 4K (Fenómeno conocido como superconductividad). ¿Cuál es esta temperatura en °C?

– Como T = tc +273– Sustituyendo valores:– 4 = tc + 273. Entonces – Tc =4-273. Por lo tanto– Tc = -269 °C

Escala Fahrenheit

Utilizada principalmente en los países de habla inglesa

El punto de fusión del hielo se señala por 32 °F y el de ebullición por 212 °F – 32 °F = 0 °C– 212 °F = 100 °C (1 °F) = (5/9)(1 °C)

Relación entre escala Celsius (tc) y escala Fahrenheit (tF) 32

9

5 FC tt

Ejemplo de conversión entre °C y ° F

El reporte del clima de Nueva York reporta un día caluroso indicando una temperatura de 104 °F. Indique a cuantos °C equivale esta temperatura.

– Como tc=(5/9)(tF-32)

– Sustituyendo valores encontramos:

– tc=(5/9)(104-32) = (5/9)(72) = 40

– Por lo tanto:

– tc= 40 °C

DILATACIÓN

Un hecho muy conocido es que las dimensiones de los cuerpos aumentan cuando se eleva su temperatura

De esta forma, salvo algunas excepciones, todos los cuerpos, independientemente de que sean sólidos, líquidos o gaseosos, se dilatan cuando aumenta su temperatura

Dilatación

Cuando un cuerpo sólido se dilata, su volumen aumenta, pero su masa se mantiene constante– Por lo tanto la densidad del sólido disminuye

V

m

Densidad másica mayor

Mayor temperatura

V

m

Densidad másica menor

Dilatación de los sólidos

Los átomos que constituyen la sustancia sólida se encuentran distribuidos ordenadamente, lo cual origina una estructura denominada red cristalina del sólido

La unión de tales átomos se logra por medio de fuerzas eléctricas que unen un átomo con otro

Esos átomos están en constante vibración respecto de una posición media de equilibrio

Dilatación lineal

La dilatación lineal de un sólido es proporcional a la temperatura y longitud inicial

L es la dilatación lineal del sólido t es el aumento de temperatura es el coeficiente de dilatación lineal

tLL 0

Coeficientes de dilatación lineal en sólidos

Ejemplo:– Si se incrementa la temperatura de

una barra de acero de 5m en 50°C, ¿Cuál será su dilatación?

– Como L=L0t, entonces al sustituir valores tenemos:

L=(1.2x10-5 °C-1)(5m)(50 °C) L = 0.003m = 3mm

Para el vidrio Pyrex: =3.3x10-6 ºC-1 entre 20 y 400 ºC.

Coeficiente de dilatación superficial y volumétrica

Se puede demostrar que– El coeficiente de dilatación superficial = 2– El coeficiente de dilatación volumétrica = 3

Las ecuaciones respectivas de dilatación superficial y volumétrica son: A = A0t con A0 superficie original

V = V0t con V0 volumen original

Ejemplos

Una placa de zinc de forma rectangular, tiene 60cm de longitud y 40 cm de anchura, a la temperatura de 20°C. Suponiendo que la placa fuese calentada hasta 120 °C y zinc=2.6x10-5 °C-1, calcule:– El aumento en longitud de la placa.

L=L0t, entonces L=(2.6x10-5 °C-1)(0.6m)(120-20°C)=(1.56x10-5)(100)

L=1.56x10-3m= 1.56mm

– El aumento en la anchura de la placa• De igual forma L=(2.6x10-5 °C-1)(0.4m)(120-20°C)=(1.04x10-5)(100) L=1.04x10-3m= 1.04mm

Dilatación de los líquidos

Los líquidos se dilatan siguiendo las mismas leyes que para los sólidos

Lo que interesa en los líquidos es su dilatación volumétrica (°C-1)

EjemploUn frasco de vidrio, cuyo volumen es de exactamente 1000 cm3 a 0 °C, está completamente lleno de mercurio a tal temperatura. Cuando el conjunto se calienta hasta 100 °C, se derraman 15.0cm3 de mercurio.– ¿Cuál fue la dilatación real del mercurio?

• Como V = V0t y Hg= 1.82x10-4°C-1, entonces: VHg = (1.82x10-4°C-1)(1000cm3)(100 °C) = (1.82x10-4)(1x105)= 1.82x10 VHg = 18.2 cm3

– ¿Cuál fue la dilatación real del frasco?• La dilatación aparente del mercurio está dada por la cantidad que se derramó, i.e., 15cm3.

Como la dilatación real fue de 18.2cm3, es obvio que la dilatación del frasco fue

• Vfrasco = 18.2-15.0 , por lo tanto: Vfrasco = 3.2 cm3

– ¿Cuál es el valor del coeficiente de dilatación lineal del vidrio del cual está hecho el frasco?

• Como V = V0t, si despejamos , entonces obtenemos:

• Y sustituyendo valores tenemos: frasco = (3.2cm3)/(1000cm3)(100°C) frasco = (3.2cm3)/(1x105°C.cm3), por lo tanto frasco = 3.2x10-5°C-1

tV

V

frasco

frascofrasco

,0

Dilatación irregular del agua

Como se ha visto, al incrementar la temperatura de un cuerpo su volumen aumenta

En algunos sustancias se presenta un comportamiento inverso, i.e., disminuyen de volumen cuando su temperatura se eleva

Cuando esto sucede en ciertos intervalos de temperatura, se define un coeficiente de dilatación negativo

El agua es una de las sustancias que presentan esta irregularidad en su dilatación

Dilatación irregular del agua fundamental para la vida

Cuando la temperatura del agua aumenta entre 0°C y 4 °C, su volumen disminuye

Cuando se hace elevar su temperatura a más de 4 °C, el agua se dilata normalmente

Así, una cierta masa de agua tendrá un volumen mínimo a 4 °C, i.e., que a esta temperatura la densidad del agua es máxima

Por este motivo, en los inviernos rigurosos los lagos y los ríos se congelan únicamente en la superficie, mientras que en el fondo queda agua con máxima densidad, es decir, agua a 4 °C

C A L O R

DEFINICIÓN• El calor es energía

• El calor es la energía que se transmite de un cuerpo a otro, en virtud únicamente de una diferencia de temperatura entre ellos

• El término calor sólo debe emplearse para designar la energía en transición, i.e., la que se transfiere de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura

Unidades del calor• Como el calor es una forma de energía,

entonces debe medirse en unidades energéticas

• Por lo tanto el calor, en el S.I., se mide en Joules (J)

• Pero en la práctica se usa otra unidad de calor:– La caloría (cal): es igual a la cantidad de calor que

debe transmitirse a 1g de agua para que si temperatura se eleve en 1°C

– 1 cal = 4.1868 J ó bien 1kcal = 4186J

Consulte el siguiente link: http://www.cenam.mx/CNM-MMM-PT-003.asp#Tabla_13h._Calor,_energ%C3%ADa_disponible

Transmisión del calorTransmisión del calor

Existen varias formas de transmitir el calor de Existen varias formas de transmitir el calor de un cuerpo a otroun cuerpo a otro

Se distinguen las siguientes maneras de Se distinguen las siguientes maneras de transmisión:transmisión: ConducciónConducción ConvecciónConvección RadiaciónRadiación

CONDUCCIÓNCONDUCCIÓN La conducción térmica sucede cuando un objeto entra La conducción térmica sucede cuando un objeto entra

en contacto otro cuerpo:en contacto otro cuerpo: Se debe a la agitación de los átomos de un cuerpo, Se debe a la agitación de los átomos de un cuerpo,

transferida sucesivamente de uno a otro átomo, sin que transferida sucesivamente de uno a otro átomo, sin que estas partículas sufran ninguna translación en el interior del estas partículas sufran ninguna translación en el interior del cuerpocuerpo

La temperatura del cuerpo humano es 36La temperatura del cuerpo humano es 36°C, mientras que °C, mientras que la del ambiente, es en general, menor que este valorla del ambiente, es en general, menor que este valor

Por este motivo, hay una continua transmisión de calor de nuestro Por este motivo, hay una continua transmisión de calor de nuestro cuerpo hacia el medio circundantecuerpo hacia el medio circundante

Si la temperatura del ambiente se mantiene baja, la transmisión se Si la temperatura del ambiente se mantiene baja, la transmisión se efectúa con mayor rapidez, y esto nos provoca la sensación de fríoefectúa con mayor rapidez, y esto nos provoca la sensación de frío

CONVECCIÓNCONVECCIÓN

Se produce por intermedio de un fluido (aire, Se produce por intermedio de un fluido (aire, agua) que transporta el calor entre zonas con agua) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturasdiferentes temperaturas

La formación de los vientos se debe a La formación de los vientos se debe a variaciones en la densidad del aire. variaciones en la densidad del aire. No es más que el resultado de las corrientes de No es más que el resultado de las corrientes de

convección que s eproducen en la atmósferaconvección que s eproducen en la atmósfera

Ejemplo de ConvecciónEjemplo de Convección

En los refrigeradores:En los refrigeradores: En la parte superior, las capas de aire que se encuentran en En la parte superior, las capas de aire que se encuentran en

contacto con el congelador, le ceden calor por conduccióncontacto con el congelador, le ceden calor por conducción

Debido a esto, el aire de esta región se vuelve más denso y Debido a esto, el aire de esta región se vuelve más denso y se dirige hacia la parte inferior del refrigerador, mientras se dirige hacia la parte inferior del refrigerador, mientras las capas de aire que ahí se encuentran se desplazan hacia las capas de aire que ahí se encuentran se desplazan hacia arribaarriba

Esta circulación de aire causada por la convección, hace Esta circulación de aire causada por la convección, hace que la temperatura se aproximadamente igual en todos los que la temperatura se aproximadamente igual en todos los puntos del refrigeradorpuntos del refrigerador

RADIACIÓN TÉRMICARADIACIÓN TÉRMICA

Se denomina Se denomina radiación térmicaradiación térmica o o radiación radiación caloríficacalorífica a la emitida por un cuerpo debido a a la emitida por un cuerpo debido a su temperaturasu temperatura

Este proceso se produce aún cuando no hay un Este proceso se produce aún cuando no hay un medio material a través del cual se pueda medio material a través del cual se pueda transferir el calortransferir el calor

El calor que nos llega del Sol se debe a este El calor que nos llega del Sol se debe a este mismo proceso, ya que entre el sol y la tierra mismo proceso, ya que entre el sol y la tierra existe un vacíoexiste un vacío

Radiación térmicaRadiación térmica

Cuando la radiación incide en un cuerpo, parte de ella Cuando la radiación incide en un cuerpo, parte de ella se absorbe y parte se reflejase absorbe y parte se refleja

Los cuerpos oscuros absorben la mayor parte de la Los cuerpos oscuros absorben la mayor parte de la radiación que incide en ellosradiación que incide en ellos Los objetos de color negro puestos al Sol, su temperatura Los objetos de color negro puestos al Sol, su temperatura

es considerablemente más elevadaes considerablemente más elevada

Los cuerpos claros reflejan casi en su totalidad la Los cuerpos claros reflejan casi en su totalidad la radiación térmica incidenteradiación térmica incidente Por eso en los climas calurosos las personas suelen usar Por eso en los climas calurosos las personas suelen usar

ropa blancaropa blanca