LA MEDIDA DEL CALOR

LA MEDIDA DEL CALOR

En su experimento, Joule utilizó un dispositivo, llamado calorímetro, como el que se muestra en la figura 2. Al dejar caer unas pesas desde determinada altura, verificó que, a partir de la energía potencial de las pesas, colocadas en el exterior del calorímetro, se produce movimiento en las paletas y, en consecuencia, aumenta la temperatura del agua contenida en el recipiente, comprobando de esta manera que a partir de determinada energía potencial se producía cierto aumento de la temperatura.

Joule estableció que la temperatura de 1 gramo de agua aumenta en 1 °C cuando la energía potencial inicial de las pesas es 4,186 julios, con lo cual demostró que el calor es una forma de energía.

Para medir la cantidad de calor se utilizan dos unidades de medida, La caloría (cal) que se define como la cantidad de calor que debe absorber un gramo de agua para que su temperatura aumente en un grado centígrado. En el Sistema Internacional de Unidades, el julio (J). La equivalencia entre estas dos unidades es: 1 cal = 4,186 J

Esta relación entre julios y calorías se conoce como equivalente mecánico del calor.

Con estas experiencias finalizó definitivamente la polémica sobre la naturaleza del calor, pues se estableció que el calor se puede transformar en otras formas de energía. Por ejemplo, en los motores de los automóviles el calor se transforma en energía cinética, en las centrales térmicas se transforma en energía eléctrica, en los filamentos de las bombillas se transforma en energía lumínica.

También diferentes formas de energía se transforman en calor, como ocurre con la energía cinética que se disipa por efecto de la fricción, por esta razón, como lo hemos estudiado, la fuerza de rozamiento se considera disipativa.

El calor y la variación de la temperatura. Cuando un cuerpo absorbe calor, es posible que se produzca un aumento en su temperatura, mientras que, si el cuerpo cede calor es posible que su temperatura disminuya. Más adelante estudiaremos que en algunos casos se suministra calor a una sustancia y, sin embargo, la temperatura no aumenta, de la misma manera que en otros casos un cuerpo cede calor y, sin embargo, su temperatura no disminuye.

Relación entre el calor suministrado y el aumento de la temperatura para una masa constante de una sustancia. Cuando se suministra calor a una sustancia y, como consecuencia, se produce un aumento de la temperatura, la cantidad de calor suministrado es directamente proporcional con el aumento de temperatura.

En la figura 3 se muestra una representación gráfica del calor en función del aumento de la temperatura para 100 gramos de agua. También se cumple que cuando la sustancia cede calor, el calor cedido es directa­mente proporcional a la disminución de la temperatura.

El calor específico, de un material es la cantidad de calor que se debe suministrar a un gramo de una sustancia para que su temperatura aumente en un grado centígrado. El calor específico es una característica propia de cada material. Por ejemplo, si se consideran dos masas iguales de sustancias con diferente calor específico, para que su temperatura aumente en la misma cantidad, se le debe suministrar más calor a la sustancia cuyo calor específico es mayor.   De acuerdo con la gráfica de la figura 5 tenemos que el calor específico del agua es mayor que el calor específico del alcohol etílico. Así mismo, cuando la temperatura disminuye en igual cantidad, la sustancia cuyo calor específico es mayor debe ceder más calor.  La unidad del calor específico en el Sistema Internacional de Unidades es el julio sobre kilogramo por Kelvin (J/kg • K), sin embargo, se puede ex­presar también en calorías sobre gramo por grado centígrado .

Actividad 2

Comparar la cantidad de calor que se debe suministrar a 1.000 g de agua para que su temperatura varía de 40 °C a 70 °C, con la cantidad de calor que se debe suministrar a 1.000 g de hierro para que su temperatura varíe entre los mismos valores.

Comparar la cantidad de calor que se debe suministrar a 1.000 g de agua para que su temperatura varíe de 40 °C a 70 °C, con la cantidad de calor que se debe suministrar a 1.000 g de hierro para que su temperatura varíe entre los mismos valores.

Se suministran 120 calorías a una masa de 200 g que incrementa su temperatura de 12 °C a 15 °C. ¿Cuál es la capacidad calorífica del cuerpo?

¿Qué cantidad de calor deben absorber tres kilogramos de agua para que su temperatura se incremente de 0 °C a 100 °C?

Para elevar la temperatura de 12 °C a 42 °C de 215 g de aluminio, ¿qué cantidad de calor se le debe suministrar?

La temperatura de una masa de 150 g baja de 45 °C a 13 °C. ¿Cuál es la capacidad de! cuerpo si cede 1.050 calorías?

Una pieza de 3 kg se encuentra a una temperatura de 60 °C, luego se vierte la pieza en 3 litros de agua a 32 °C. Si la temperatura de equilibrio o final de la mezcla es de 46 °C, ¿cuál es el calor específico de la pieza?

Se mezcla en un recipiente hermético 10 g de vapor de agua con 20 g de aire. Si la temperatura del vapor del agua es de 110 °C y la temperatura del aire es de 20 °C, ¿cuál es la temperatura final de la mezcla?

Cuando se retiran 30 cal de calor de 20 g de una sustancia, se observa que su temperatura decrece de 60 °C a 45 °C. ¿Cuál es el calor específico de la sustancia?

¿Cuál es el calor específico de 30 g de una sustancia que cede 35 calorías, si su temperatura disminuye de 70°C a 35°C?

¿Cuál es el calor específico de una sustancia que necesita 115 calorías para cambiar su temperatura desde 12 °C a 50 °C, siendo su masa de 2 kg?

Encuentra la cantidad de calor que se debe comunicar a 95 g de agua para que su temperatura cambie de 0 °C a 30 °C

Se utilizan 9.000 calorías para incrementar la temperatura de 450 g de una sustancia de 12 °C a 100 °C. Calcula el calor específico de esta sustancia.

Si se supone que el calor específico del chocolate es el mismo del agua, calcula el calor que se necesita para calentar una taza de 220 g de chocolate de 15 °C a 70 °C.

¿Cuál es la temperatura final de 350 g de una sustancia que se halla a 20 °C cuando se le suministran 5.000 calorías, si su calor específico es de 0,33 cal/g °C?

LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA

LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA

Podemos descubrir una propiedad importante del equilibrio térmico considerando tres sistemas, A, B y C, que inicialmente no están en equilibrio térmico. Rodeamos los sistemas con una caja aislante ideal para que sólo puedan interactuar entre sí. Separamos A y B con una pared aislante ideal (la barra verde en la figura 17.2a); pero dejamos que C interactúe tanto con A como con B. Esta interacción se indica en la figura con una barra amarilla que representa un conductor térmico, es decir, un material que permite la interacción térmica. Esperamos hasta que se establece el equilibrio térmico; entonces, A y B están en equilibrio térmico con C pero, ¿están en equilibrio térmico entre sí?

                       

                           Figura 17.2a                                                                Figura 17.2a

Para averiguarlo, separamos el sistema C de los sistemas A y B con una pared aislante ideal (figura 17.2b) y sustituimos la pared aislante entre A y B por una conductora

ESCALAS TERMOMÉTRICAS.

La escala en la cual se mide la temperatura en °C se denomina escala centígrada o escala Celsius. En esta escala, el punto de fusión del agua (temperatura a la cual el agua se congela) es 0 °C y el punto de ebullición del agua (temperatura a la cual el agua ebulle a una presión de 1 atmósfera), es 100 °C. En la escala centígrada, el intervalo entre estas temperaturas (de 0 °C a 100 °C) se divide en cien partes iguales, cada una de las cuales se denomina grado centígrado.

La escala en la cual la temperatura se mide en K se llama escala absoluta o escala Kelvin. En esta escala el punto de fusión del agua es 273 K y el punto de ebullición 373 K. El intervalo entre ambas temperaturas (de 273 K a 373 K) se divide en cien partes iguales, cada una de las cuales se denomina grado Kelvin.

La temperatura de un objeto puede descender, sin embargo, es imposible que su valor alcance los 0 K pues este valor correspondería al estado en el cual todas las moléculas que forman el cuerpo estarían en reposo. Esta escala se emplea con mayor frecuencia en ámbitos científicos. Una temperatura en gr­ados centígrados (T_C), se puede expresar en grados Kelvin (T_K) mediante la fórmula:

La escala en la cual la temperatura se mide en °F se llama escala Fahrenheit. En esta escala el punto de fusión del agua es 32 °F y el de ebullición de 212

°F. En la escala Fahrenheit, el intervalo entre ambas temperaturas se divide en ciento ochenta partes iguales, cada una de las cuales se denomina grado Fahrenheit. Una temperatura en grados centígrados (T_c), se puede expre­sar en grados Fahrenheit (f) mediante la fórmula:

ACTIVIDAD 2
Resolver Los Siguientes Problemas

1.         Expresar la temperatura normal del cuerpo, 37°C, en las escalas: Fahrenheit, Kelvin.

2.         ¿A qué temperatura centígrada corresponde el 0 °F?.

3.         Transformar 30 °C a grados Fahrenheit.

5.         Convertir 70 °F a centígrados.

6.         ¿A cuántos grados centígrados corresponden 400 °K?.

7.         Convertir 55 °F a grados Kelvin.

8.         Pasar 240 °K a Fahrenheit.

9.         Convertir -40 °C a Fahrenheit.

10.      ¿A qué temperatura Celsius equivalen 33,8 °F?.

11.      Determine la variación térmica de un día de invierno en que se registra una temperatura mínima de 0ºC y una máxima de 12ºC, en: a) grados Celsius, b) grados Kelvin, c) grados Fahrenheit.

12.          Un día de verano se registra una temperatura mínima de 10º C y una máxima de 32ºC. Determine el intervalo de temperatura (variación térmica) de ese día en: a) grados Celsius, b) grados Kelvin, c) grados Fahrenheit.

            

SENTIDO COMÚN. RAZONA Y EXPLICA

1. ¿Por qué cuando se calienta el plástico este tiende a derretirse?

2. En algunas ocasiones el pan se rellena de arequipe o bocadillo, pero cuando sale del horno, ¿qué se encuentra más caliente el bocadillo o el resto del pan? ¿Por qué?

3. Si se llena un vaso de vidrio con agua caliente e inmediatamente después se aplica agua fría, ¿se romperá el vaso? Explica tu respuesta.

4. ¿Crees que es más fácil que hierva un jarro con agua y hielo que uno con agua a temperatura ambiente? ¿Por qué?

5. ¿Por qué es más fácil enfriar un líquido en un recipiente de color oscuro que en uno transparente como el vidrio?

6. ¿Está bien empleada la expresión "cúbrete con una cobija para que te dé calor"? En realidad, ¿cuál es la función de la cobija?

7. ¿Por qué razón es más fácil enfriar un líquido en un recipiente grande, como un plato, que en un pocillo?

8. ¿Por qué las CPU de los computadores utilizan un ventilador en su interior?

9. ¿Por qué cuando queremos enfriar una olla y le agregamos agua fría, el agua se calienta?

10. ¿Por qué una hoguera proporciona más calor que un fósforo, si la temperatura en ambos casos puede ser igual?

11. Se desea hervir el agua que contiene un vaso y el agua que contiene una caneca. Si inicialmente los líquidos se encuentran a la misma temperatura. ¿A cuál de los dos líquidos se le debe proporcionar más calor?

12. ¿Por qué si tocas el riel de una carrilera después que pasa el tren, sientes que queda caliente? Justifica tu respuesta.

13. ¿A qué se debe que el material de los fósforos sea de madera o de plástico?

TERMODINÁMICA

TERMODINÁMICA

La termodinámica estudia la energía en relación con los conceptos de calor y temperatura. Como lo hemos estudiado, la energía interviene en todos los procesos de la naturaleza y se manifiesta de diferentes formas, el calor es una de ellas. Podemos establecer relaciones entre la presión, el volumen y la temperatura de una sustancia. Por ejemplo, en el caso de los gases, cuando aumenta su temperatura, puede suceder que el volumen, la presión o ambos varíen de alguna manera. Las sustancias se caracterizan por algunas propiedades térmicas, por ejemplo, los metales son mejores conductores del calor que otras sustancias. 

El estudio de la termodinámica nos permite explicar el funcionamiento de algunos sistemas como los motores de los carros, el aumento de energía de un sistema cuando se realiza trabajo sobre él o cuando se le suministra calor y las condiciones en las que un proceso puede suceder, pues por ejemplo, no es posible que espontáneamente un cuerpo a menor temperatura le ceda calor a un cuerpo a mayor temperatura.  

La termodinámica estudia la energía en relación con los conceptos de calor y temperatura. Como lo hemos estudiado, la energía interviene en todos los procesos de la naturaleza y se manifiesta de diferentes formas, el calor es una de ellas. Podemos establecer relaciones entre la presión, el volumen y la temperatura de una sustancia. Por ejemplo, en el caso de los gases, cuando aumenta su temperatura, puede suceder que el volumen, la presión o ambos varíen de alguna manera. Las sustancias se caracterizan por algunas propiedades térmicas, por ejemplo, los metales son mejores conductores del calor que otras sustancias.

El estudio de la termodinámica nos permite explicar el funcionamiento de algunos sistemas como los motores de los carros, el aumento de energía de un sistema cuando se realiza trabajo sobre él o cuando se le suministra calor y las condiciones en las que un proceso puede suceder, pues por ejemplo, no es posible que espontáneamente un cuerpo a menor temperatura le ceda calor a un cuerpo a mayor temperatura.

 Calor y temperatura

Con frecuencia utilizamos los términos calor y temperatura para describir eventos que observamos en la naturaleza, tales como el estado del tiempo. Es importante que establezcamos la diferencia entre estos conceptos ya que tienden a ser utilizados de manera inexacta. Supongamos que durante el mismo tiempo calentamos con la misma estufa dos cantidades de agua diferentes que inicialmente se encontraban en el mismo recipiente. Podemos comprobar que el aumento de temperatura de la menor cantidad de agua es mayor que el aumento de la temperatura de la mayor cantidad de agua. En este caso decimos que las dos cantidades de agua reciben la misma cantidad de calor proveniente de la fuente y, sin embargo, el cambio de temperatura es diferente. En el lenguaje usual decimos que la cantidad de agua cuya masa es menor llega a estar más caliente que la cantidad de agua cuya masa es mayor. A la cantidad de agua más caliente que la otra, le hacemos corresponder mayor temperatura. Cuando medimos la temperatura de nuestro cuerpo con un termómetro, nos colocamos el termómetro debajo del brazo y esperamos unos instantes para tomar el registro de la medición. Este hecho sugiere que, después de un tiempo, las temperaturas a las cuales se encuentran los dos cuerpos en contacto, tienen el mismo valor. Por otra parte, como nuestro cuerpo le transfiere calor al termómetro, podemos afirmar que cuando dos cuerpos están en contacto, el calor se transfiere del cuerpo con mayor temperatura al cuerpo con menor temperatura.

El calor es energía en tránsito, es decir que los cuerpos ceden o ganan calor. Sin embargo, no es correcto afirmar que un cuerpo posea calor, de la misma manera que es incorrecto afirmar que un cuerpo le transfiere temperatura a otro.  Debido a que las moléculas que conforman un sólido o un fluido están en constante movimiento, a los cuerpos se les asocia una energía llamada energía interna, que se relaciona con la energía cinética de las partículas que los constituyen, siendo la temperatura una medida de la energía cinética promedio de las moléculas que constituyen el cuerpo.

Cuando se cede calor a un cuerpo, la velocidad de las partículas que lo constituyen aumenta y este aumento de la energía cinética promedio de las partículas es mayor cuanto más calor se transfiera al cuerpo. Cuando se registra un aumento en la temperatura de una sustancia, podemos inferir que se produce un aumento en su energía interna.

ACTIVIDAD 1

Anotar literalmente  el texto realizar el mapa conceptual  y responder las  siguientes preguntas ¿Que estudia la termodinámica?,
 ¿Qué situaciones conoces en las que se utilicen los términos calor y temperatura?
 ¿Con qué hipótesis puedes explicar la sensación que nos producen los ventiladores?
 ¿Cómo crees que se afecta el volumen de un gas cuando lo encierras es un recipiente y lo sometes a una presión externa?
 ¿ Que es calor?  
¿Qué  es temperatura? 
¿ cual es la diferencia de calor y temperatura? 
¿ Que es energía cinética?