Temperatura y calor - Liceo Rafael Sotomayor

Liceo Rafael Sotomayor
Dpto. Física
P.Sarabia N /2013
Temperatura y calor
I.-
CAPITULO 1. LA TEMPERATURA y su relación con el CALOR
La teoría atómica supone que los átomos de cualquier sustancia están en constante movimiento. Los átomos
que forman una molécula interactúan mutuamente ejerciendo fuerzas de ATRACCION de origen eléctrico
que los mantiene unidos. Pero la distancia entre ellos es mínima y cuando están casi juntos las fuerzas entre
ellos es de REPULSION debido a la interacción de sus electrones exteriores.
En la materia se distinguen tres estados:
A) SÓLIDOS: las fuerzas son grandes, por lo que sus átomos y moléculas se mueven u oscilan en torno a
posiciones casi fijas. Estructuras cristalinas. Forma definida y resistencia a las deformaciones.
B) LIQUIDOS: la fuerzas son más débiles, luego sus átomos y moléculas se mueven unos sobre otros con
mayor rapidez pudiendo desplazarse , sin salirse del recipiente que lo contienen.
C) GASES: las fuerzas son extremadamente débiles lo que permite que los átomos y las moléculas se muevan
con una gran rapidez provocando choques , lo que hace que no permanezcan juntos y se puedan esparcir por
todo el espacio disponible. No presentan formas definidas.
TEMPERATURA: se asocia a “CUAN CALIENTE o FRIO” está un material, se explica a nivel
microscópico, y depende del grado de movimiento de las moléculas que forman la materia. Es una
“MEDIDA DE LA ENERGÍA CINÉTICA PROMEDIO DE LAS MOLÉCULAS QUE FORMAN UN
CUERPO” y dependerá de factores como: a) el tipo de material, b) de las condiciones del medio ambiente y
C) del receptor. Las temperaturas se miden a través de TERMOMETROS y su funcionamiento se basa en las
propiedades físicas de algunas sustancias como cambio de volumen al calentarse o enfriarse, y pueden ser:
a) Clínico o de vidrio: de mercurio de alcohol, etc. b) A gas: muy precisos y sirven para calibrar otros termómetros.
( Gases nobles o ideales como el helio) c) Bimetálicos: cinta que usan propieda dilatacion de metales con diferente
coeficiente de dilatación ( uso TERMOSTATOS) y d) Digitales: usan propiedades de circuitos eléctricos con chips que
reflejan la medicion en una pantalla digital por radiación infraroja. Todos los TERMOMETROS miden solo su propia
temperatura, pues al ponerlo en CONTACTO con un cuerpo, después de un instante se alcanza el EQUILIBRIO
TÉRMICO y así podemos medir la temperatura del termómetro que será igual a la temperatura del cuerpo con el
que se puso en contacto.
Cuando los TERMÓMETROS se colocan en “contacto térmico “con una sustancia cuya
temperatura se desea conocer, la Energía térmica “fluirá” entre ambos hasta que sus temperaturas sean
iguales, estableciéndose el “equilibrio térmico” y es en ese momento que la temperatura del termómetro es
igual a la de la sustancia, por lo tanto se conocerá la temperatura de ésta última que era lo que deseábamos
conocer.
Es común considerar la “Energía térmica” como algo diferente al “calor” . Un cuerpo “contiene” energía
térmica o energía del movimiento global de sus moléculas, en cambio entre dos cuerpos “ fluye” calor..
Pero en Física, se diferencia entre “Energía térmica “y “ calor” , diciendo que “CALOR” a la energía que
se” TRANSFIERE” o “fluye”DE UN CUERPO A OTRO debido a una DIFERENCIA DE
TEMPERATURA ENTRE ELLOS., es decir “EL CALOR FLUYE” , en cambio la “ ENERGÍA
TÉRMICA” está en un cuerpo y PUEDE O NO FLUIR, dependiendo del contenido, del volúmen y de otros
factores que se detallaran más adelante. . UNA VEZ QUE SE HA TRANSFERIDO CALOR DE UN
CUERPO O SUSTANCIA Y SE LOGRA EL EQUILIBRIO TERMICO, DEJA DE SER CALOR Y
SE CONVIERTE EN ENERGÍA TÉRMICA contenida en cada cuerpo.
O sea: CALOR: es la” ENERGIA en TRANSITO” o transferida de un cuerpo a otro que estan en
“contacto”, debido a una gradiente térmica ( diferencia de temperatura entre los cuerpos) .La
transferencia de calor cesa o termina cuando ambos cuerpos alcanzan la misma energía cinética de promedio,
es decir quedan en” equilibrio térmico.
CONTACTO TERMICO: dos objetos están en contacto térmico cuando pueden intercambiar energía
entre sí. LA ENERGÍA TRASPASADA O CALOR SE HACE DESDE EL CUERPO DE MAYOR
TEMPERATURA HACIA EL DE MENOR TEMPERATURA.
EQUILIBRIO TERMICO: se logra cuando dos objetos al ponerse en contacto térmico NO FLUYE
ENERGIA o calor de UNO al OTRO , o sea sus TEMPERATURAS son IGUALES. Se le conoce
también como LEY CERO de la termodinámica.
NOTA:
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La “TRANSPIRACIÓN” es un mecanismo de los seres vivos para mantener constante la temperatura, ya que la
temperatura del organismo tiende a elevarse debido a la actividad interna de las células y al transpirar el cuerpo intercambia
calor con el ambiente logrando nivelar la temperatura corporal.
Los TERMOSTATOS o cintas bimétalicos permiten activar o desactivar mecanismos cuando se alcanza una
temperatura deseada, como el sistema de refrigeración, el sistema de aire acondicionado y otros.
DILATACION: es el aumento o disminución del tamaño de un material debido al cambio de
temperatura. En el caso de los fluidos( líquidos y gases) este movimiento es trasnacional, y en los sólidos es
rotacional y vibracional. Los átomos se mueven con una cierta frecuencia y amplitud y si aumenta o
disminuye la temperatura entonces aumenta o disminuye la agitación de las moléculas, es decir el
desplazamiento máximo de las oscilaciones de los átomos y por lo tanto hay un cambio en las dimensiones
del material, es decir se produce una “DILATACIÓN”.
Depende de : a) las DIMENSIONES
INICIALES del cuerpo, b) de la SUSTANCIA o material QUE LO FORMA y c) DEL CAMBIO DE
TEMPERATURA QUE EXPERIMENTA .Ejemplos: rieles de ferrocarril, pavimento de una calle, golilla
al calentarse se introduce mejor en el perno, tapa de un frasco con agua caliente se dilata y podemos sacarla
mas fácilmente.
a) Dilatación LINEAL: variación de la LONGITUD de un sólido en una sola dimensión.
Al existir un tº, la longitud inicial (Lo) cambia a una longitud final (L) , por lo tanto:
donde:  = coeficiente de dilatación lineal
para el : aluminio = 24 x 10 -6°C-1; Acero = 12x
10 -6 plomo = 29 x 10-6 ; concreto 12 x 10-6 ;
vidrio = 9 x 10-6; cobre 14 x 10-6 etc.
b) Dilatación SUPERFICIAL: si el material tiene dos dimensiones ( largo y ancho) , en cada
dimensión sufrirá una dilatación lineal, por lo tanto :
L = Lo tº
A= Ao*  tº
Lf = Lo ( 1 +  tº )
Af = Ao ( 1 + tº )
donde:  = 2 Af y Ao son las áreas de la
lámina
c) Dilatación VOLUMETRICA: El cambio de volumen que experimenta un material (sólido,
líquido y gas) será en tres dimensiones, y por lo tanto: :
V= *Vo *tº
Vf = Vo (1 + tº)
donde:  = 3 Vf y Vo son los volúmenes del
material
Ejercicios:
1) Calcular la longitud de un hilo de cobre (α = 0,0000117/°C) calentado por el sol hasta 55 °C, si a 0°C su longitud
era de 1400 m.
Respuesta: 1400,9 m
2) Una cinta métrica de acero (α = 0,000012/°C) es exacta a 0 °C. Se efectúa una medición de 50 m un día en que
la temperatura es de 32 °C. ¿Cuál es su verdadero valor?
Respuesta: 49,808 m
3) Una esfera de bronce de 33,5 cm ³ de volumen sufre un aumento de temperatura de 45 °C, ¿cuál será el
aumento de volumen experimentado, si el coeficiente de dilatación lineal del bronce es de 0,0000156/°C?
Respuesta: 0,065 cm ³
4) ¿Cuál será la longitud que alcanza un alambre de hierro (α = 0,000012/°C) de 250 m, si sufre un aumento de
temperatura de 60 °C?
Respuesta: 250,18 m
5) ¿Cuál será el coeficiente de dilatación lineal de un metal sabiendo que la temperatura varía de 95 °C a °C cuando
un alambre de ese metal pasa de 160 m a 159,82 m?
Respuesta: 0,000001/°C
COMPORTAMIENTO ANOMALO del AGUA: El agua es la única sustancia que se “dilata” al
“reducir su temperatura”
Con los AUMENTOS de TEMPERATURA la mayoría de los líquidos se DILATAN en forma uniforme,
es decir aumentan su volumen y cuando DISMINUYE LA TEMPERATURA se CONTRAEN es decir
disminuye su volumen. El AGUA experimenta un COMPORTAMIENTO CONTRARIO en el RANGO
de TEMPERATURA de 0ºC a 4º C, ya que entre esos dos valores el agua se CONTRAE, es decir
DISMINUYE su VOLUMEN y, por lo tanto su DENSIDAD aumenta y por sobre los 4ºC el agua
nuevamente tiene un comportamiento normal. Lo explicado anteriormente permite que los lagos y lagunas
NO SE CONGELEN por completo, lo cual permite la vida acuática. EL CONGELAMIENTO DE UN
LAGO ES DESDE SU SUPERFICIE HACIA ABAJO hasta encontrar aguas que no influya la temperatura
del aire o atmósfera ,aunque esa temperatura sea inferior a 0°C. La “CAPA de HIELO” que se forma en las
superficies de un lago, laguna o charco de agua se produce a los 0°C y la temperatura en esa capa permanece
a 0°C, pero el agua líquida debajo de esa capa de hielo estára sobre los 4°C, permitiendo vida animal y/o
vegetal en ella. .
NOTA:
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A los 4ºC , el agua alcanza su MENOR VOLÚMEN pero su MAYOR DENSIDAD, por lo tanto el agua en
estado sólido ( hielo) es MENOS DENSA que el agua en estado líquido a 4ºC, por lo tanto el hielo “flota”
y esto explica los iceberg, o que un cubito de hielo flote al interior de un vaso que contenga agua o
bebidas líquidas.
La superficie superior del hielo se mantiene a 0ºC y sirve de “abrigo” a los seres que viven debajo,
aunque la temperatura ambiental sea extremadamente baja (-50ºC o menos) .El agua al interior de lagos
y océanos permanece a 4º o5ºC lo que permite la supervivencia de ciertas especies .
Los esquimales construyen sus “iglú” para protegerse de las bajísimas temperaturas del medio ambiente.
El congelamiento del agua, puede romper las cañerías de agua de las casas, por lo que se recomienda
dejar que las llaves “goteen” para que no se produzca hielo al interior debido a las bajas temperaturas
ambientales en el invierno y en zonas sureñas.
ESCALAS TERMOMËTRICAS
Las escalas de temperaturas más conocidas son: CELIUS, KELVIN Y FAHRENHEIT. Todas se calibraron
tomando en cuenta el PUNTO DE CONGELACIÓN o fusión del hielo y el de EBULLICION del
agua(°C), o un compuesto de agua y amonio(°F) a nivel del mar y a la presión de 1 atmósfera. La T° Kelvin
se usa en el campo de los proyectos y/o ensayos científicos para que todos hablen en el mismo lenguaje.
La escala Celsius también se le conoce con el nombre de escala CENTÍGRADA y la escala Kelvin como
ABSOLUTA.
NOTA: No hay que confundir temperatura de “ebullición” con temperatura de “evaporación”. En la evaporación,
algunas moléculas de la superficie del líquido y debido a la agitación térmica “escapan” en forma de vapor y esto se
puede producir a cualquier temperatura sobre 0ºC, en cambio la “ebullicion” se produce cuando todas las moléculas
tienen energía para “escapar” o “evaporarse” y esto se produce en el agua a los 100 ºC.
A cada temperatura de la escala Celsius le corresponde un valor de la escala Kelvin y de la de Fahrenheit, y la
relación entre ellas esta dada por:
TºK = tºC + 273
tºC = 5/9 ( tºF - 32)
El CERO KELVIN ( 0º K o -273ºC ) se le llama CERO ABSOLUTO por ser la temperatura donde los
átomos de una sustancia ya no se mueven . Esta propiedad es utilizada hoy en día para congelar espermios,
óvulos y otras células con el fin de ser utilizadas más adelante. ( Averigua sobre la CRIOGËNESIS)
NOTA:
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La temperatura en la superficie del Sol es e unos 6.000 ºK y en su núcleo de 15.000ºK.
Un grado Farenheit es menor térmicamente que un grado Celsius
La escala Kelvin también se le denomina escala “absoluta” o internacional. Esta escala no tiene
temperaturas negativas.
A la escal Celsius se le suele denominar como escala centígrada.
EJERCICIOS RESUELTOS:
1.- Expresar 15 grados bajo cero de la escala Fahrenheit en grados Celsius.
Respuesta:
t°C = 5/9 ( t°F – 32)
= 5/9 (-15 -32)
= 5/9 * -47
= -26 ºC
2.- ¿A qué temperatura corresponde el cero absoluto en la escala Fahrenheit?
Respuesta:
tºC = 5/9 (tºf - 32) y tºC = Tºk – 273
Reemplazando, se obtiene:
5/9 ( tºF - 32) = 0ºK - 273
tºF - 32 = -273 * 9/5
tºF = -491 + 32
tºF = -459º
3.- Una tubería de hierro (  = 12 x 10-6 1/ºC ) tiene 3.000 metros de longitud a una temperatura ambiente
de 20ºC. Si la tubería se utiliza para conducir vapor de agua, ¿cuánto se dilatará y que nueva longitud
tendrá la tubería?
Respuesta:
Com:
l =  Li tº
= 12 * 10-6 1/ºC* 3.000 m * 80ºC
= 2,88 m
Y entonces: Lf = Li + L
= 3.000 m * 2,88 m
= 3.0003 m