martes, 3 de septiembre de 2013

Tema 11.- CALOR Y TEMPERATURA

TEMA 11.- CALOR Y TEMPERATURA
SIGUIENDO EL LIBRO DE LA EDITORIAL ANAYA. Edición 2012
1.-LA ENERGÍA TÉRMICA Y LA TEMPERATURA
2.- EL CALOR: UNA ENERGÍA EN TRÁNSITO
3.- EFECTOS DEL CALOR
4.- PROPAGACIÓN DE CALOR
5.- CONDUCTORES Y AISLANTES TÉRMICOS
6.- LAS MÁQUINAS TÉRMICA

1.-LA ENERGÍA TÉRMICA Y LA TEMPERATURA
La energía térmica es la energía que posee un cuerpo (o un sistema material) debido al movimiento de las partículas que lo componen.
La temperatura es una magnitud física que indica el estado de agitación de las partículas o nivel térmico de un cuerpo. Si ponemos en contacto dos cuerpos, siempre existe un paso de energía térmica del cuerpo a mayor temperatura al que está a menor temperatura, aunque este tenga mayor masa.
En el sistema internacional de unidades (SI), la temperatura se mide en Kelvin. Debemos observan que no decimos “grados” Kelvin, y que el símbolo K no va precedido de  0 como superíndice ya que es incorrecto.
La energía térmica que contiene un cuerpo depende de su temperatura, pero también de su masa.
LAS ESCALAS TERMOMÉTRICAS
En la vida cotidiana no utilizamos el kelvin,  sino la escala Celsius. En Estados Unidos, Gran Bretaña y otros países de su influencia  se utiliza la escala Fahrenheit.
Las tres escalas se caracterizan porque toman dos temperaturas fijas; una corresponde a la temperatura normal (esto es, tomada a una atmósfera de presión) de congelación del agua, y otra, a la temperatura normal de ebullición del agua. La diferencia de una escala a otra deriva de los valores que se le asignan a esas temperaturas.
          Escala Celsius o centígrada
Se toman por acuerdo como puntos fijos el punto de fusión del hielo y el punto de ebullición del agua. Una escala termométrica vendrá definida por los valores de temperatura asignados a los dos puntos, aceptando una variación lineal de la magnitud termométrica con la temperatura.
La escala Celsius o centígrada asigna el valor cero al punto de congelación o solidificación del agua y el valor 100 al punto de ebullición de la misma a la presión de una atmósfera. Cada unidad, debido a la variación lineal con la temperatura, será 1/100 del intervalo y se llama grado Celsius o centígrado (°C).
          Escala Kelvin o absoluta
La escala absoluta o termodinámica utiliza como unidad de medida de temperatura el kelvin (K), cuyo valor coincide exactamente con el de 1 °C, ya que el intervalo entre los puntos fijos también se divide en 100 unidades. Sin embargo, se asigna el valor 273 al punto de fusión del hielo y, por tanto, el valor 373 al punto de ebullición del agua. En consecuencia, la relación entre la temperatura medida en Kelvin y la medida en grados centígrados es la siguiente:
T (K) = t (°C) + 273
Es decir, se trata de la misma escala que la centígrada pero desplazada hacia abajo en 273 unidades.
La importancia de la escala absoluta radica en que es posible demostrar que el cero absoluto de temperatura se corresponde con la ausencia total de energía cinética interna del cuerpo considerado, es decir, con la inmovilidad total de sus partículas.
          Escala Fahrenheit
Otra escala de temperaturas, muy utilizada en Norteamérica fuera de los ambientes científicos es la escala Fahrenheit. En esta escala se efectúan 180 divisiones en el intervalo definido por los puntos fijos, asignando a estos puntos los valores 32 y 212, respectivamente.
La relación entre la temperatura expresada en grados centígrados y la correspondiente en grados Fahrenheit.
t (°F) = 1,8 t (°C) + 32
          Equivalencia entre las escalas Kelvin y Celsius
T (K) = t + 273
La temperatura absoluta se indica con T y la temperatura centígrada, con t (no confundir esta temperatura con el tiempo, que también se simboliza con la letra t).






ACTIVIDADES:
1.- Un  cuerpo A, se encuentra a25ºC, y otro B, a 75ºF, ¿Cuál de los dos tiene mayor nivel térmico?.
2.- En los cálculos de un problema, un estudiante  ha convertido cierto valor de temperatura a la escala Fahrenheit, obteniendo -465ºF. ¿Es posible?.
MÁS ACTIVIDADES. .- Completa las siguientes tablas:
Centígrada
Fahrenheit
kelvin
200



40



400

Centígrada
Fahrenheit
Kelvin
-5ºC



20



450


100

80


2.- EL CALOR: UNA ENERGÍA EN TRÁNSITO
Llamamos calor a la energía térmica que transita de forma natural entre dos sistemas materiales que están a diferente temperatura.
El calor, es una energía en tránsito, no un tipo de energía de la que disponga un sistema material. Es decir, los cuerpos no tienen calor, tienen energía térmica.
El calor se expresa en unidades de energía, que en el sistema internacional, es  el julio, J.
Sin embargo, por razones históricas se sigue utilizando la caloría, cal, siendo:
1 caloría = 4,18 J; 1 julio= 0,24 calorías

EL EQUILIBRIO TÉRMICO
La medida de la temperatura como magnitud física adquiere sentido a partir de la idea de equilibrio térmico.
Un sistema físico se encuentra en equilibrio térmico con el ambiente que lo rodea si no intercambia energía con él, lo cual implica que ambos se encuentran a la misma temperatura.
Si no lo están, es porque llevan en contacto menos tiempo del necesario para que se alcance el equilibrio, pero si los dejamos juntos el tiempo suficiente, acabarán por alcanzar la misma temperatura, llamada temperatura de equilibrio.
Principio cero de la termodinámica
Si dos sistemas situados en contacto térmico con un tercero están en equilibrio con él, entonces ambos sistemas están en equilibrio térmico entre sí.

 



Ejemplo de equilibrio térmico
El recipiente 1 contiene 250 ml de agua a 50 °C y el recipiente 2 contiene la misma cantidad de agua a 10 °C.
Al mezclar el contenido de ambos recipientes en otro recipiente y medir la temperatura de la mezcla, observamos que al cabo de unos instantes la temperatura es t3 = 30 °C, intermedia entre t1 y t2.
¿ES LO MISMO CALOR QUÉ TEMPERATURA?
Calor y temperatura son dos magnitudes físicas distintas.
La temperatura es la magnitud física que indica el estado de agitación de las partículas que constituye un cuerpo. Su unidad en el SI es el Kelvin, aunque utilizamos habitualmente el grado Celsius.
El calor es una energía en tránsito entre dos cuerpos que se encuentran a diferente temperatura. Su unidad en el SI es el Julio, J.
ACTIVIDADES:
1.- Explica qué es el calor. ¿Recibe otro nombre?.
2.- ¿Puede pasar el calor de los cuerpos fríos a los cuerpos calientes?. ¿Por qué?.
3.- Ordena las siguientes letras para construir palabras que estén relacionadas  con este tema:
EGRENIA
TREMCIA
FETUNE
RIENESTCISA
FGEUO
4.- ¿A cuántos KJ equivale una Kcal?

3.- EFECTOS DEL CALOR
Cuando se calienta un cuerpo aumenta la energía de sus partículas y se produce un aumento de temperatura.
Este aumento de temperatura depende  de tres factores:
-          La masa  del cuerpo.
-          El tiempo que dura el calentamiento.
-          El tipo de sustancia considerada.
Cuanto mayor es la masa del cuerpo, más pequeño es su aumento  de temperatura. Ejemplo, el agua de una piscina pequeña, al final del día estará más caliente que el agua de una piscina grande, aunque las dos hayan recibido la misma energía del Sol.
Cuanto mayor sea el tiempo de calentamiento, más energía almacena el cuerpo y más  aumentan  su temperatura.
Por eso, en verano el agua del mar está más caliente que en invierno, ya que recibe más horas de Sol.
Cada sustancia tiene un calor específico característico, es decir, cada sustancia necesita una cantidad de calor determinada para que aumente un grado centígrado su temperatura.
Cuando un cuerpo intercambia calor con su entorno, experimenta diversos cambios, que pueden ser físicos y químicos.
CAMBIOS FÍSICOS:
Variación de la temperatura.- Si un cuerpo recibe calor del entorno, aumenta la temperatura; por el contrario, si cede calor a su entorno, disminuye la temperatura.

Cambio de estado de agregación
En algunas circunstancias, cuando se aporta energía calorífica a un cuerpo, este no aumenta su temperatura, sino que esa energía se invierte en modificar las fuerzas que unen unas moléculas con otras, provocando que la materia cambie su estado de agregación. Los cambios de estado más corrientes son sólido ↔ líquido y líquido ↔ gas. Los cambios sólido ↔ gas son más raros y, en general, se producen en circunstancias no ordinarias.

La materia se presenta en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Según las condiciones externas de presión y temperatura, un mismo cuerpo puede existir en cualquiera de ellos.
Los cambios de estado se caracterizan por lo siguiente:
No cambian la naturaleza de la sustancia.
Se producen a temperatura constante para cada presión.
La sustancia absorbe o cede calor. El calor invertido en el proceso para la unidad de masa recibe el nombre de calor latente de cambio de estado.
El valor de la temperatura a la que se producen y el valor del calor latente correspondiente, son característicos de cada cambio de estado y de la naturaleza de la sustancia.
La energía necesaria para que una sustancia cambie de estado es:
Q = m · L
Donde m es la masa de la sustancia considerada y L es una propiedad característica de cada sustancia, llamada calor latente. El calor latente se mide en J/kg en unidades del SI.
La representación gráfica de la temperatura de un sistema físico en función del tiempo, cuando el sistema absorbe o libera un calor constante por unidad de tiempo, se llama gráfica de calentamiento o enfriamiento.

Fusión y solidificación son procesos contrarios en el cambio de estado sólido ↔ líquido. Se producen a una temperatura determinada para cada sustancia y su valor varia muy poco con la presión.
La fusión de una sustancia supone un cambio de su estructura e interacciones entre las moléculas o unidades estructurales de la misma, y se efectúa con un aporte de calor.
Las partículas del sólido pueden vibrar. Si reciben energía, su energía cinética aumenta, y con ello también lo hace la temperatura.
Llega un momento en que el sólido se transforma en líquido. Mientras se está produciendo el cambio de estado, la temperatura no varía, porque toda la energía que absorbe el sólido se emplea en romper las fuerzas de cohesión entre las partículas, y no en aumentar su velocidad.
Calor latente de fusión, Lf, es la cantidad de calor necesaria para que, a la temperatura de fusión y a la presión de 1 atmósfera, 1 kg de una sustancia en estado sólido se transforme en líquido.
          Vaporización y licuación
Una vez completado el cambio de estado, si seguimos aportando calor, vuelve a producirse un aumento de la agitación molecular, hasta que la velocidad de las partículas es tan grande que pueden escapar de la superficie del líquido, pasando a estado gaseoso.
Vaporización es el cambio de estado de líquido a gas o vapor, también llamado ebullición. El proceso contrario se llama licuación o condensación. El proceso se efectúa a la temperatura constante de ebullición característica de cada sustancia a una determinada presión.
Calor latente de vaporización, Lv, es la cantidad de calor necesaria para que, a la temperatura de ebullición y a la presión de 1 atmósfera, 1 kg de una sustancia en estado líquido pase a vapor.
La temperatura de ebullición depende de la presión. A mayor presión exterior, mayor será la temperatura de vaporización y, si disminuye la presión, también lo hace la temperatura del cambio de estado líquido → vapor de forma significativa.
          La evaporación
El proceso por el cual un líquido pasa lentamente al estado de vapor sin que se haya alcanzado la temperatura de ebullición o vaporización a presión ordinaria, recibe el nombre de evaporación.
La explicación del proceso se hace a través de la teoría cinética de la materia, que supone que las unidades componentes de la misma están en continuo, caótico y rápido movimiento. Algunas de estas unidades (moléculas, por ejemplo) tienen la suficiente energía para vencer la atracción del resto de las moléculas y pasar a la atmósfera, o a la fase de vapor si la sustancia está en un recipiente cerrado. La tendencia a pasar a la fase de vapor aumenta con la temperatura.
La rapidez con que se efectúa el proceso depende de la superficie de evaporación, de la temperatura, de la naturaleza del líquido y, en el caso del agua, de la humedad relativa. Al ser un fenómeno de superficie, resulta independiente de la masa total del líquido.

 
Variación en las dimensiones: dilatación
Cuando un cuerpo recibe calor, sus partículas se mueven más deprisa, por lo que necesitan más espacio para desplazarse y, por tanto, el volumen del cuerpo aumenta. A este aumento de volumen se le llama dilatación.
Dilatación en sólidos.- Cuando se calienta un sólido, se dilatan sus tres dimensiones.
Si tiene forma de varilla, su longitud aumenta y se dice que ha experimentado una dilatación lineal.

 
El coeficiente de dilatación lineal, α, es el alargamiento que experimenta la unidad de longitud de un sólido, medido a 0 °C, cuando su temperatura se eleva a 1 °C.
Si el sólido tiene forma de lámina, la dilatación afecta a sus dos dimensiones, y se llama dilatación superficial.

El coeficiente de dilatación cúbica, γ, representa el aumento de volumen de un sólido de volumen la unidad, medido a 0 °C, cuando su temperatura se eleva a 1 °C.
γ = 3α.
Todos los coeficientes de dilatación, α, β y γ dependen de cada material y se expresan en (°C)-1 en el Sistema Internacional de unidades (SI).

CAMBIOS QUÍMICOS
El calor también puede provocar cambios más profundos en los sistemas materiales cuando se calientan. Estos cambios se llaman cambios químicos.
Los cambios químicos son aquellos en los que sí varía la composición interna del sistema material. En ellos, unas sustancias puras, que denominamos reactivos, se transforman en otras diferentes, llamadas productos.
En la vida cotidiana, estos efectos suelen ser muy corrientes, ejemplo: si dejamos una fruta pelada encima de la mesa, con el tiempo su aspecto cambia de forma notable. Esto es debido a que las sustancias que componen la fruta reaccionan con el oxígeno del aire y se descomponen en otras al recibir calor del entorno. Estos procesos se denominan reacciones químicas.
Las reacciones  químicas son muy importantes para la sociedad, ya que nos proporcionan  diversos materiales y  energía. Ejemplo, las reacciones de combustión, la fotosíntesis, la oxidación, etc.

4.- PROPAGACIÓN DE CALOR
-Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos cuerpos o entre dos partes de un mismo cuerpo, se establece espontáneamente un transporte de calor que puede tener lugar por conducción, por convección o por radiación.

Conducción
Si calentamos una barra metálica por un extremo, el calor se transmite hasta el otro extremo. El transporte de energía se realiza partícula a partícula; las partículas con mayor energía cinética ceden parte de su energía a las partículas adyacentes. Pero no todos los cuerpos conducen el calor por igual. Los metales conducen mejor el calor que los plásticos o la madera.
En la conducción se transporta energía sin que haya transporte de materia. De esta forma se transmite el calor en los sólidos.
Convección
Al calentar un recipiente que contiene agua, el calor se reparte rápidamente por toda la masa del líquido; esto es debido a que, cuando el agua del fondo se calienta, disminuye su densidad (se dilata) y sube a la superficie, desplazando a las partículas de las zonas más frías, que bajan. Se establecen corrientes de convección.
En la convección hay transporte de energía y de materia. Así se transmite el calor en líquidos y gases.

Radiación
La energía se puede transportar de un cuerpo a otro sin que haya contacto físico entre ellos. La energía del Sol llega a la Tierra a través del vacío. Esta transmisión de energía se produce por radiación. Todos los cuerpos emiten energía por radiación; la cantidad que irradian depende de la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el ambiente.
En la radiación, la energía pasa de un cuerpo a otro sin que haya contacto entre ellos.

5.- CONDUCTORES Y AISLANTES TÉRMICOS
Los metales conducen bastante bien el calor. Esto lo podemos comprobar en verano, cuando tocamos una verja u otro objeto metálico expuesto al sol y sentimos que nos quemamos. En este caso, como el metal es buen conductor del calor, este pasa rápidamente hasta nuestra mano.
La sensación de frío que sucede en invierno al tocar la misma verja tiene el mismo motivo. Pero en este caso el calor sigue un camino inverso: desde nuestra mano hasta la verja.
Para cuantificar este carácter conductor del calor se emplea la magnitud llamada conductividad térmica. Los metales y otros materiales que conducen bien el calor tienen una conductividad térmica elevada. Los gases y la fibra de vidrio, por ejemplo, son buenos aislantes del calor.
6.- LAS MÁQUINAS TÉRMICA
Las máquinas térmicas son dispositivos que pueden producir trabajo mecánico a partir de calor. El rendimiento de una máquina térmica es:
Rendimiento = Energía producida Energía consumida · 100 = W Q 1

 
Tipos de máquinas térmicas
Son los motores de combustión interna y las máquinas de vapor.

Los motores de combustión interna
Los motores de combustión interna alternativos, vulgarmente conocidos como motores de explosión (gasolina) y motores diésel, son motores térmicos en los que los gases resultantes de un proceso de combustión empujan un émbolo o pistón, desplazándolo en el interior de un cilindro y haciendo girar un cigüeñal, obteniendo finalmente un movimiento de rotación.
El funcionamiento cíclico de estos motores implica la necesidad de sustituir los gases de la combustión por nueva mezcla de aire y combustible en el interior del cilindro; este proceso se denomina renovación de la carga.

La máquina de vapor

La primera máquina térmica eficiente fue la máquina de vapor, desarrollada en el siglo XVIII para bombear agua de las minas en Inglaterra.
Es una máquina de combustión externa; esto quiere decir que la combustión se produce fuera del lugar donde se realiza el trabajo.
El resultado obtenido es el movimiento de algún elemento (una rueda, generalmente). Es decir, a partir del calor generado en la caldera se obtiene energía cinética que luego se transforma en otras formas de energía, trabajo, etc.
Las centrales térmicas utilizan como combustible fuel-oil o gas (centrales térmicas convencionales) o uranio (centrales nucleares). En ellas, el vapor producido en la caldera mueve una turbina que hace girar el generador.

LA REVOLUCIÓN INDUSTRIAL


 ACTIVIDADES
 


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