L7-fis-2º

Liceo Nº7 de Niñas Departamento de Física
Profesoras: Elba Fernández Román-Sandra Marín
Guía de Aprendizaje “TEMPERATURA Y CALOR”
Nombre:.........................................................Curso: 2° MEDIOS Fecha:………………………………….
Unidad: Temperatura y Calor
Aprendizajes Esperados: A través de esta guía de materia conceptual se espera que conozcas la noción de
temperatura, las escalas termométricas existentes, el concepto de dilatación, algunos tipos de termómetros
que se utilizan y el comportamiento anómalo del agua.
Tema: Temperatura, escalas termométricas, tipos e termómetros y dilatación
Instrucciones generales:
- Lee la guía de aprendizaje de forma individual o júntate con otras compañeras del curso para compartir
opiniones.
-Es conveniente que el lugar de estudio sea en un lugar de tu casa bien iluminado y tranquilo, también en
una biblioteca pública es un buen lugar.
-Después de leído los contenidos conceptuales, aplícalos a las situaciones que te serán planteadas.
- Tiempo: 2 horas pedagógicas.
Introducción: En las guías de aprendizajes anteriores has aprendido distintos contenidos
conceptuales de dinámica. Hemos visto las características de las fuerzas, los principios de Newton
y distintos tipos de fuerzas que se manifiestan en la Naturaleza.
En esta guía de aprendizaje te invito a comenzar una nueva unidad de aprendizaje llamada
“TEMPERATURA Y CALOR”, en la que daremos explicaciones a diferentes interrogantes.
La temperatura
En un modelo corpuscular de la materia, la temperatura de un cuerpo puede asociarse al nivel
de agitación de sus partículas. Es decir, un cuerpo tiene mayor temperatura cuando es mayor la
velocidad con que se mueven sus partículas. Esta situación, es decir, la mayor agitación, provoca una
mayor cantidad de choques entre las partículas y con mayor liberación de energía (calor). Del mismo
modo, es mayor la cantidad de choques con las paredes del recipiente, de tal forma que al tocarlo
percibimos “caliente”.
En el caso de cuerpos sólidos, la temperatura sigue estando ligada al movimiento de sus
partículas, sólo que en este caso el movimiento es más restringido. Al aumentar la temperatura de
un sólido, aumenta la amplitud con que vibran u oscilan sus partículas, aumentando así su velocidad y
su energía cinética.
La temperatura de un cuerpo, indica el nivel de energía cinética promedio de las partículas de
un cuerpo o porción de sustancia.
Es importante no confundir temperatura con calor, pues aunque están relacionados,
son conceptos muy distintos.
Escalas termométricas.
1.-La escala Celsius, es una escala empírica basada en dos puntos. El punto que corresponde a la
fusión del hielo o congelamiento del agua, se le asigna el valor 0°C, mientras que la temperatura
correspondiente a la del agua en ebullición se le asigna el valor 100°C. Desde luego que ambas
medidas se consideran en condiciones normales de presión atmosférica (a nivel del mar)
2.-La escala Kelvin, es una escala más bien teórica, que parte de un supuesto básico. Dicho supuesto
consiste en que debe existir una temperatura mínima, dado que la temperatura está asociada al
movimiento de las partículas. Este punto de temperatura más baja, corresponde al cero absoluto
(hoy llamado 0° K), en el cual cesa todo movimiento de partículas. Kelvin, a través de
suposiciones y aproximaciones teóricas llegó a establecer para ese valor una equivalencia en grados
Celsius, que equivale a -273 °C (aproximadamente).
La siguiente relación, establece una equivalencia entre las temperaturas medidas con estas escalas:
T (°K): temperatura medida en Kelvin (K)
T (ºC): temperatura medida en grados Celsius (ºC)
Ejemplos:
1.-Exprese 20° C a °K
Se debe sumar 273° ,por lo cual queda: 20 +273= 293°K
2.-Exprese 350°k a °C
Se debe restar 273 ,por lo tanto queda: 350- 273=77°C
3.-La escala Fahrenheit, esta escala es sólo usada en algunos países. Asigna el valor 32°F a la
temperatura de fusión del hielo y 212°F a la temperatura de ebullición del agua. Este intervalo se
divide en 180 partes iguales, donde cada división representa una variación de temperatura de 1°F.
Tc
Tf - 32
=
5
9
Ejemplos
1.- Exprese 50° C a °K
Reemplazando en la fórmula:
450= 5T f - 160 , despejando
, entonces multiplicando cruzado queda
Tf= 122°F .
2.- Exprese 180°F a °C
Reemplazando en la fórmula
= , se resta primero 180-32 y después se multiplica cruzado
queda: 9TC=740 ,por lo tanto :Tc=82,2°C
Medición de la temperatura y Termómetros
Es fácil darse cuenta de que los cambios de temperatura producen en la materia diversos efectos.
Entre los más notables están los cambios de volumen (en este caso hablamos de dilatación térmica),
los de color y los cambios de estado (sólido, líquido y gaseoso); pero también se producen otros
efectos menos evidentes, como el cambio en la conductividad eléctrica.
Cualquier porción de materia es en este sentido un termómetro, y cualquier cambio que se produzca
debido a una modificación de su temperatura nos informa de ella. Por ejemplo, los cambios de tamaño
de una varilla metálica, de un vidrio o del propio aire, permiten medir la temperatura. Al material
que se emplea para medir esta magnitud lo denominaremos material termométrico. Uno de los
más conocidos y usados en los termómetros es el mercurio (Hg). El Hg es estimado universalmente
como el líquido termométrico por excelencia ,debido a las siguientes características que lo indican
como tal:
a)Su dilatación es bastante regular
b)Tiene baja capacidad calórica
c)Es fácil de obtener químicamente puro
d)No moja el vidrio ,por lo cual no influye la capilaridad del tubo
Los efectos producidos por los cambios de temperatura en la materia dan origen a distintos tipos
de termómetros. Así, hablaremos de termómetros de dilatación, pirómetros (los que se basan en
los cambios de color), termómetros eléctricos, etc.
Termómetros de dilatación. Se les clasifica, según el estado de la sustancia termométrica, en
termómetros de sólido, de líquido o de gas. Todos ellos se basan en el hecho de que algunos
materiales, para una misma variación de temperatura, se dilatan más que otros. El termómetro medico
o clínico sólo puede medir temperaturas máximas .Esto se debe a que este termómetro presenta en la
salida del bulbo una pequeña estrangulación, por lo que hace que el mercurio pueda subir por el
capilar pero no regresar, por lo que se requiere agitarlo en forma extrema. En el termómetro de Hg la
variable termométrica utilizada es el cambio de volumen del metal( Rango del mercurio en el que
puede permanecer en estado líquido -39°C y 357°C)
Dilatación
Al aumentar la temperatura de una sustancia, aumenta también el movimiento de las moléculas
que la forman, las que se separan mas entre sí provocando un incremento de volumen o
dilatación. En el caso contrario, al disminuir la temperatura, las moléculas se juntan y se reduce
el volumen del cuerpo o de la sustancia (contracción).
La dilatación es la característica de los materiales que se expresa cuantitativamente a través del
coeficiente de dilatación, el que depende de la naturaleza de la sustancia que compone el cuerpo.
Para objetos como una varilla, en que predomina el largo sobre las otras dos dimensiones, hablamos
de coeficiente de dilatación lineal (lo anotamos con la letra). Para las láminas, en que predomina el
largo y ancho sobre el espesor, hablamos de coeficiente de dilatación superficial y, para los objetos
en que las tres dimensiones (largo, ancho y espesor) son importantes, hablamos de coeficiente de
dilatación cúbica o dilatación volumétrica.
Coeficiente de dilatación lineal λ es:
1.-Se llama dilatación lineal a la variación de longitud que experimenta un cuerpo por el aumento de
temperatura. Por otra parte, debe tenerse en consideración la dilatación lineal en los cables del
tendido eléctrico, e La siguiente figura, muestra algunos coeficientes de dilatación típicos de algunos
materiales comunes. Vemos que el coeficiente de dilatación se mide en 1/°C y depende de la
naturaleza del material.
Para comprender todo esto analicemos el siguiente problema.
Ejemplo: Supón que una regla de aluminio posee 50 cm de longitud cuando está a 10º C. ¿Qué
longitud poseerá si se la calienta uniformemente hasta 80º C?
ΔL = 2,4 × 10-5 (1/°C) × 50 cm × 70 º C= 0,084cm
LF = 50 + 0,084 = 50.084 cm
Su longitud final será 50,084 cm. n la construcción de vías férreas y en estructuras de edificios y
puentes. Si los ingenieros no la consideraran, con los cambios de temperatura entre el día y la noche o
entre el verano y el invierno, los cables del tendido eléctrico se cortarían, las vías férreas se curvarían
y las estructuras de concreto y acero se romperían. Lf= Lo ( 1 + λ ΔT)
2.-La dilatación superficial también puede ser importante para muchos fines prácticos. No es casual
que los vidrios de las ventanas no se ajusten exactamente a sus marcos y se emplee masilla o goma
entre el vidrio y el marco. Tampoco es adorno el alquitrán que separa los pastelones de las calles ni el
espacio que se deja entre las baldosas o los azulejos.
Sf = So ( 1 +2 λ Δ T )
Por último, el entender la dilatación térmica puede ser muy útil en la práctica. Por ejemplo, si la tapa
metálica de un frasco de vidrio está muy apretada, podemos calentarla con agua caliente y saldrá con
facilidad.
3.-La dilatación cúbica se produce cuando aumenta el volumen por el aumento de la temperatura.
Vf = Vo ( 1 +3 λ Δ T )
Termómetros
1.-Termómetros sólidos. Están construidos sobre la base de dos materiales que presentan un
coeficiente de dilatación muy distinto. Este tipo de dispositivo puede adaptarse para controlar
automáticamente la temperatura de algunos artefactos. Se trata de los termostatos. Al alcanzar cierta
temperatura actúan como un interruptor eléctrico conectando o desconectando un circuito eléctrico.
Los hornos eléctricos, refrigeradores y secadores de pelo poseen termostatos.
2.-Termómetros de líquido. En la figura se ilustra un prototipo de termómetro de líquido. El
elemento termométrico suele ser mercurio o alcohol coloreado en el interior de un delgado tubo de
vidrio. Estos líquidos poseen un coeficiente de dilatación mucho mayor que el del vidrio. Es
importante darse cuenta de que en la construcción de este tipo de termómetro hay que cuidar que
dentro del tubo no quede aire. De lo contrario, al expandirse el elemento termométrico y también el
aire, el tubo se rompería. En la parte inferior suelen poseer un recipiente metálico, pues los metales
son muy buenos conductores del calor. Este tipo de termómetro se usa habitualmente para medir la
temperatura ambiente.
3.-Termómetro de gas. Este termómetro (también denominado termoscopio), al parecer inventado
por Galileo Galilei, emplea aire (o cualquier gas) como sustancia termométrica. Como se ilustra en la
figura, es el más fácil de construir. Basta una botella, un tubo capilar (7), un buen tapón de plasticina y
una gotita de agua. Al variar el volumen del aire encerrado en la botella, la gotita de agua se
desplaza por el tubo, dando cuenta de sus diferentes temperaturas.
Temperatura y equilibrio térmico
Como ya debes haber advertido, los termómetros miden, en principio, su propia temperatura. Por esta
razón el instrumento debe conectarse lo mejor posible con el objeto al que se le desea medir la
temperatura para luego esperar a que, entre objeto y termómetro, se produzca el equilibrio térmico.
La temperatura que medimos es la de equilibrio entre la del agua y la del termómetro que usemos.
La dilatación del agua
Un caso extraño. Todos sabemos que el hielo flota en el agua líquida, lo que nos parece bastante
normal. Esto ocurre porque el hielo (agua en estado sólido) tiene menor densidad que el agua en
estado líquido; pero ello, si lo pensamos un poco, es un comportamiento anómalo. En efecto, a
partir de él debiéramos esperar que el hielo fuera más denso que el agua líquida y que, al reducir la
temperatura del agua al congelarla, redujera su volumen.
Debiéramos esperar también que los icebergs se hundieran en el mar, que los lagos en el invierno
empezaran a congelarse por el fondo, que los cubos de hielo se fueran al fondo de un vaso con agua, y
que una botella llena de agua colocada en el congelador no se rompiera. Sin embargo, todo esto ocurre
al revés. La razón es fácil de decir, pero muy difícil de explicar. En efecto, el agua, este líquido tan
familiar, presenta un comportamiento anómalo entre los 4 y los 0° C.
El gráfico siguiente muestra la relación entre el volumen del agua en función de la temperatura.
Como puede verse, en este rango de temperatura las cosas ocurren de un modo distinto. Al
reducirse su temperatura de 4 a 0° C, el volumen del agua se incrementa en vez de reducirse,
con lo cual se reduce su densidad.
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I.- Preguntas de Alternativas. Es importante que no sólo marques la alternativa que consideres correcta
sino que además realices su desarrollo al lado de cada interrogante.
1) Exprese 95ºC a ºK es:
a)
b)
c)
d)
368ºK.
162 ºK.
203 ºK.
150 ºK.
2) Exprese 80º C a ºF es:
a)
b)
c)
d)
353 ºF.
176 ºF.
93 ºF.
200 ºF.
3) El punto de ebullición del agua en la escala Celsius corresponde a 100 ºC y en la escala de Fahrenheit
y Kelvin respectivamente corresponden a:
a)
b)
c)
d)
212 ºF y – 273 ºK.
32 ºF y 273 ºK.
180 ºF y 373 ºK.
212 ºF y 373 ºK.
4) El cero absoluto corresponde a:
a)
b)
c)
d)
Punto de mayor movimiento.
Punto de menor temperatura en la escala Celsius.
Punto en que no existe actividad molecular.
De menor temperatura en la escala Fahrenheit.
5) La temperatura de un cuerpo está asociada a:
a)
b)
c)
d)
La cantidad de calor que absorbe
La cantidad de masa del cuerpo
La energía cinética media de las moléculas de la sustancia
Lo frío o caliente que esté un cuerpo
6) Exprese 455ºK a ºC es:
a)
b)
c)
d)
728ºC
182ºC
423ºC
487ºC
7) Una olla se calienta de 40ºC a 75ºC .¿Cual es el cambio de temperatura en Fahrenheit?
a) 35º
b) 95º
c) 1,5º
d) 308º
8) Una sustancia se calienta de -12ºF a 150ºF ¿Cuál es el cambio de temperatura en la escala Kelvin?
a)
b)
c)
d)
70º
90º
345º
148º
9) Cierto día fue registrada una temperatura cuya indicación en la escala Celsius correspondía a la tercera
parte de la respectiva indicación en la escala Fahrenheit. Esta temperatura fue de:
a)
b)
c)
d)
80ºC
80ºF
41,8ºC
41,8ºF.
10) Se tienen dos tazas de agua caliente. La taza M contiene 200 gramos de agua a 30 ºC y la tasa N
contiene 50 gramos de agua a la 60 ºC. Si se vierte el contenido de N en M de modo que no exista perdida
de calor, la temperatura a la que llegará la mezcla es:
a) Mayor a 60 ºC
b) Igual a 60 ºC
c) Un valor entre 30 y 60 ºC
d) Menor a 30 ºC
11) El termostato de un calefactor esta ajustado para una temperatura de 293ºK en el invierno .¿A cuánto
abría que ajustarlo si utilizamos la escala Celsius?
a)
b)
c)
d)
-20º C
-10 ºC
20 ºC
10 ºC
12) Se tienen dos tazas de agua caliente. La taza M contiene 200 gramos de agua a 30 ºC y la tasa N
contiene 50 gramos de agua a la 60 ºC. Si se vierte el contenido de N en M de modo que no exista perdida
de calor, la temperatura a la que llegará la mezcla es:
a) Mayor a 60 ºC
b) Igual a 60 ºC
c) Un valor entre 30 y 60 ºC
d) Menor a 30 ºC
13) Considerando la relación entre ºF y ºC ,¿Cuál es el mínimo valor de temperatura en la escala
Fahrenheit?
a)
b)
c)
d)
0º
451º
-459,4º
-495.4º
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
I.-Ejercicios de dilatación lineal
1.- Un alambre de oro de 50 cm de largo, tiene una temperatura inicial de 20Cº determine:
a) Variación de la temperatura, sí la TF es de 100ºC
b) Dilatación lineal.
c) Longitud final.
2.- Un tubo de cobre de 5 m de largo, se encuentra a temperatura ambiente de 25ºC determine:
a) Su dilatación lineal, si la temperatura sube a 85ºC.
b) Su longitud final, después que se dilata.
3.- Calcule la dilatación y la longitud final de una varilla de aluminio de 60 CM cuando su temperatura se
eleva de 20ºC a 50ºC.