Subtema 3.1 Calor y Temperatura ¿son lo mismo?
Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. Amenudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo este no es el caso. El calor y la temperatura están relacionadas entre si, pero son conceptos diferentes.
El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de la energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo. Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua puede ser la misma que la temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene más calor porque tiene más agua y por lo tanto más energía térmica total.
El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si añadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye. Las temperaturas más altas tienen lugar cuando las moléculas se están moviendo, vibrando y rotando con mayor energía.
¿Cómo viaja el calor?
El calor puede transferirse de un lugar a otro por tres métodos diferentes: conducción en sólidos, convección en fluidos (líquidos o gases) y radiación a través de cualquier medio transparente a ella. El método elegido en cada caso es el que resulta más eficiente. Si hay una diferencia de temperatura el calor siempre viajará del lugar más caliente al más frío.
Ejemplo ilustrativo, 3 maneras de transferencia de calor:
ESCALAS DE TEMPERATURA
Gabriel Fahrenheit (1686-1736) creó la escala Fahrenheit. Fahrenheit asignó al punto de congelación del agua una temperatura de 32 grados y al punto de ebullición una de 212 grados.
Fórmula: oF = (9/5)*oC+32
En 1743, Anders Celsius (1701-1744) inventó la escala Celsius. Usando los mismos puntos de anclaje Celsius asignó al punto de congelación del agua una temperatura de 0 grados y al de ebullición una de 100 grados.
Fórmula: oC = (5/9)*(oF-32)
La escala Kelvin está diseñada de forma que este límite es la temperatura 0.
Fórmula: oK = 273.15 + oC
Calor especifico
“El calor especifico (c) de un material se refiere a la cantidad de calor que debe fluir de o hacia una unidad de masa, para cambiar en un grado su temperatura.”
Por ejemplo, el aluminio tiene un peso especifico de 0.21 [cal /g ºC]. Que significa que para que la masa de 1 gramo de aluminio aumente su temperatura en 1ºC, se necesita un flujo de calor de 0.21 [cal].
La formula para calcular el calor, utilizando el calor específico de una sustancia es:
“El calor especifico (c) de un material se refiere a la cantidad de calor que debe fluir de o hacia una unidad de masa, para cambiar en un grado su temperatura.”
Por ejemplo, el aluminio tiene un peso especifico de 0.21 [cal /g ºC]. Que significa que para que la masa de 1 gramo de aluminio aumente su temperatura en 1ºC, se necesita un flujo de calor de 0.21 [cal].
La formula para calcular el calor, utilizando el calor específico de una sustancia es:
Q = c m ΔT
Donde:
Q = calor
c = calor especifico
m = masa
ΔT = variación de temperatura
Q = calor
c = calor especifico
m = masa
ΔT = variación de temperatura
PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA |
| El Principio de conservación de la energía indica que la energía no se crea ni se destruye; sólo se transforma de unas formas en otras. En estas transformaciones, la energía total permanece constante; es decir, la energía total es la misma antes y después de cada transformación. |
Este principio, uno de los más importantes de física, es conocido como principio de conservación de la energía.
Si, por ejemplo, una niña desciende por un tobogán, la energía potencial que tenía cuando estaba arriba se convertirá en energía cinética al descender. En el caso del patinador de la ilustración siguiente, la energía cinética y la potencial se van transformando una en otra según se mueve de un lado para otro.
Imagen:
¿Cómo varía la energía durante el recorrido?
En ocasiones podemos creer que la energía desaparece cuando no descubrimos en qué se ha convertido. Por ejemplo, cuando un automóvil frena, la energía cinética que tenía el coche se convierte fundamentalmente en calor y aumenta la temperatura del sistema de frenado, de los neumáticos y del asfalto; también, con el rozamiento con el aire se genera calor.
3.2 El modelo de partículas y la presión.
Presión. es una magnitud escalar que se calcula de manera diferente en los sólidos y fluidos (líquidos y gases), en los sólidos la presión está dada como la fuerza que se aplica sobre un área:
la fuerza se mide en newtons y el área en m², por lo que la presión estará dada en unidades de N/m², pascales (Pa).
LEY DE PASCAL
Aunque los dos sean fluidos hay una diferencia importante entre los gases y los líquidos, mientras que los líquidos no se pueden comprimir en los gases sí es posible. Esto lo puedes comprobar fácilmente con una jeringuilla, llénala de aire, empuja el émbolo y veras cómo se comprime el aire que está en su interior, a continuación llénala de agua (sin que quede ninguna burbuja de aire) observarás que por mucho esfuerzo que hagas no hay manera de mover en émbolo, los líquidos son incompresibles.
Esta incompresibilidad de los líquidos tiene como consecuencia el principio de Pascal (s. XVII), que dice que si se hace presión en un punto de una masa de líquido esta presión se transmite a toda la masa del líquido.
Como puedes ver en esta experiencia si se hace presión con la jeringuilla en un punto del líquido que contiene la esfera, esta presión se transmite y hace salir el líquido a presión por todos los orificios.
PRENSA HIDRÁULICA
La aplicación mas importante de este principio es la prensa hidráulica, ésta consta de dos émbolos de diferente superficie unidos mediante un líquido, de tal manera que toda presión aplicada en uno de ellos será transmitida al otro. Se utiliza para obtener grandes fuerzas en el émbolo mayor al hacer fuerzas pequeñas en el menor.
La presión ejercida en el émbolo 1 se transmitirá al émbolo 2, así pues p1 = p2 y por tanto
que constituye la fórmula de la prensa hidráulica, siendo F y S fuerza y superficie respectivamente. Como S2 es grande, la fuerza obtenida en ese émbolo F2 también lo será..
3.3 ¿Qué sucede en los sólidos, líquidos y los gases cuando varía su temperatura y la presión ejercida sobre ellos?
Para el caso de los sólidos hablaremos de dilatación y para el caso de los fluidos abordarmos las Leyes de Boyle , Charles y Gay Lussac.
Para comprender qué sucede con los fluidos cuando variamos la presión, la temperatura o el volumen hablaremos de Jacques Charles y Joseph-Louis Gay-Lussac.
La ley de Boyle establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante.
Jack Charles estudió por primera vez la relación entre el volumen y la temperatura de una muestra de gas a presión constante y observó que cuando se aumentaba la temperatura el volumen del gas también aumentaba y que al enfriar el volumen disminuía.
Relación entre la presión y la temperatura de un gas cuando el volumen es constante
Fue enunciada por Joseph Louis Gay-Lussac a principios de 1800.
Establece la relación entre la temperatura y la presión de un gas cuando el volumen es constante.
Establece la relación entre la temperatura y la presión de un gas cuando el volumen es constante.
Ley general de los gases
Cambios de estado de agregación de la materia
En condiciones cotidianas la materia se presenta en un estado digamos bien definido: sólido, líquido y gas.
Al varias las conidiciones de temperatura o de presión pueden darse cambios de tal forma que los sólidos pueden convertirse en líquidos y los líquidos en sólidos o en gases.
Vemos a continuación uno de los cambios posibles:
| SÓLIDO | LÍQUIDO | GAS |
 |  |  |
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Un cambio de estado es el paso de un estado de agregación a otro en una sustancia como consecuencia de una modificación de la temperatura (o de presión)
- Fusión: Es el paso de una sustancia de sólido a líquido. La temperatura a la que esto ocurre se llama Temperatura de fusión o punto de fusión de esa sustancia. Mientras hay sólido convirtiéndose en líquido, la temperatura no cambia, se mantiene constante. Por ejemplo, en el agua el punto de fusión es 0 ºC; mientras haya hielo transformándose en agua la temperatura no variará de 0 ºC. Esto ocurre porque toda la energía se invierte en romper las uniones entre partículas y no en darles mayor velocidad en ese tramo.
- Solidificación: Es el cambio de estado de líquido a sólido. La temperatura a la que ocurre es la misma: el punto de fusión.
- Vaporización: Es el cambio de estado de líquido a gas. Se puede producir de 2 formas: evaporación y ebullición. La evaporación se produce sólo en la superficie del líquido y a cualquier temperatura, se escapan las partículas más energéticas del líquido. por el contrario, la ebullición se produce en todo el líquido y a una temperatura característica llama temperatura o punto de ebullición. por ejemplo, en el agua es de 100 ºC y se mantiene mientras hay agua pasando a vapor.
- Condensación: Es el cambio de estado de gas a líquido. La temperatura a la que ocurre es el punto de ebullición.
- Sublimación: Es el cambio de estado de sólido a gas (sin pasar por el estado líquido). Esto ocurre, por ejemplo, en sustancias como: alcanfor, naftalina, yodo, etc. Un buen ejemplo práctico serían los ambientadores sólidos o los antipolillas.
- Sublimación inversa: Es el cambio de estado de gas a sólido (sin pasar por el estado líquido).
