calor y temperatura, ¿son lo mismo?

CALOR Y TEMPERATURA, ¿SON LO MISMO?
Los términos de calor y temperatura se emplean con mucha frecuencia en nuestra vida
cotidiana, pero ¿qué significan? Suponiendo que hiciéramos el experimento, que está en
la figura.
Como te habrás percatado
estamos hablando de dos
magnitudes
físicas:
la
temperatura y el calor, con las
cuales has interactuado en la
actividad experimental; por
ello es muy importante que
distingas la diferencia entre
dichas magnitudes. En la vida
cotidiana se dice que se tiene
calor
cuando
uno
está
expuesto a la radiación solar o
una temperatura alta del
medioambiente. Sin embargo,
en la física calor tiene un
significado diferente. Cuando se mezcla un litro de agua hirviendo con otro litro de agua a
la temperatura ambiente se observa que el agua adquiere una temperatura intermedia,
entre la ebullición del agua y la del ambiente.
De esta experiencia concluimos que,
entre dos cuerpos con diferentes
temperaturas que entran en contacto
térmico, la temperatura del cuerpo más
caliente disminuye y la temperatura del
cuerpo más frío aumenta. Si se dejan en
contacto durante cierto tiempo, alcanzan
una temperatura común de equilibrio
cuyo valor está comprendido entre las
temperaturas iniciales. Cuando ocurre
dicho proceso, se dice que se transfirió
energía
en forma de calor del cuerpo más
caliente al cuerpo más frío. Esto se debe
a que las partículas del cuerpo más
caliente tienen más energía cinética, más
agitación que las del segundo; al
ponerlos en contacto, las partículas del
primero golpean sobre las del segundo y
aumentan el movimiento de éstas.
Aumentándose así la temperatura del
segundo
y
disminuyéndose
la
temperatura del primero
El término calor sólo debe usarse cuando
se describe la energía que se transmite
de un cuerpo a otro como consecuencia
de las diferencias de temperatura entre
dichos cuerpos. Es decir, el calor es la
energía que fluye del cuerpo a cierta
temperatura a otro de temperatura
menor.
No debemos confundir los
conceptos de calor y temperatura. Por
experiencia
sabemos
que
están
relacionados; sin embargo, no se refieren
al mismo fenómeno. La temperatura de
la flama de un cerillo es mucho mayor
que la de un radiador de calor, pero no
es capaz de proporcionar el calor que
requiere una habitación en
tiempos fríos y que sí puede proporcionar el radiador.
Para diferenciar con mayor precisión los conceptos
de calor y temperatura tenemos que revisar lo que
sucede en los cuerpos a
nivel molecular. Las
partículas o moléculas que componen un material no
están quietas, sino que se mueven constantemente;
debido a esto, tienen energía cinética, además de la
energía potencial que poseen por las posiciones que
ocupan. A la suma de estas energías (cinética y
potencial, relacionadas con el movimiento y las
disposiciones aleatorias de sus moléculas) se le
llama energía interna. La parte de esta energía que
se debe a la agitación de sus moléculas es la energía
térmica del cuerpo. En otras palabras, la energía
térmica es la parte de la energía interna que cambia
cuando cambia la temperatura del sistema. Por eso
afirmamos que cuando un material está caliente tiene
más energía térmica que cuando está frío. Si el
sistema produce un trabajo, el aumento en su
energía interna no es tan grande. Pero cuando no lo
realiza, todo el calor se convierte en energía interna.
Es decir: La energía no se crea ni se destruye, sólo
se transforma.
Cuando se produce una transferencia de Calor, se intercambia energía en forma
de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que
están a distinta temperatura.
El calor se puede transferir mediante convección, radiación o conducción.
Aunque estos tres procesos pueden ocurrir al mismo tiempo, puede suceder que
uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se
trasmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el
agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran
medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por
radiación.
CONDUCCIÓN TÉRMICA
La conducción es una transferencia de calor entre los cuerpos sólidos. Si una
persona sostiene uno de los extremos de una barra metálica, y pone en contacto
el otro extremo con la llama de una vela, de forma que aumente su temperatura,
el calor se trasmitirá hasta el extremo más frío por conducción.
Los átomos o moléculas del extremo calentado por la llama, adquieren una mayor
energía de agitación, la cual se trasmite de un átomo a otro, sin que estas
partículas sufran ningún cambio de posición, aumentando entonces, la
temperatura de esta región. Este proceso continúa a lo largo de la barra y
después de cierto tiempo, la persona que
sostiene el otro extremo percibirá una
elevación de temperatura en ese lugar.
Existen conductores térmicos, como los
metales, que son buenos conductores del
calor, mientras que existen sustancias,
como
plumavit,
corcho,
aire,
madera, hielo, lana, papel, etc., que son
malos conductores térmicos (aislantes).
CONVECCIÓN TÉRMICA
Si existe una diferencia de temperatura en el interior
de un líquido o un gas, es casi seguro que se
producirá un movimiento del fluido. Este movimiento
transfiere calor de una parte del fluido a otra por un
proceso llamado convección.
Cuando un recipiente con agua se calienta, la capa
de agua que está en el fondo recibe mayor calor
(por el calor que se ha trasmitido por conducción a
través de la cacerola); esto provoca que el volumen
aumente y, por lo tanto, disminuya su densidad,
provocando que esta capa de agua caliente se
desplace hacia la parte superior del recipiente y parte del agua más fría baje hacia
el fondo.
El proceso prosigue, con una
circulación continua de masas de
agua más caliente hacia arriba, y de
masas de agua más fría hacia abajo,
movimientos que se denominan
corrientes de convección. Así, el
calor que se trasmite por conducción
a las capas inferiores, se va
distribuyendo por convección a toda
la masa del líquido. La transferencia
de calor en los gases y líquidos
puede efectuarse por conducción. El
proceso de convección es el respon-
sable de la mayor parte del calor que
se trasmite a través de los fluidos.
El calentamiento de una habitación
mediante una estufa no depende
tanto de la radiación como de las
corrientes naturales de convección,
que hacen que el aire caliente suba
hacia el techo y el aire frío del resto
de la habitación se dirija hacia la
estufa.
Debido a que el aire caliente tiende a
subir y el aire frío a bajar, las estufas
deben colocarse cerca del suelo (y
los aparatos de aire acondicionado
cerca del techo) para que la eficiencia
sea máxima.
De la misma forma, la convección
natural es responsable de la
ascensión del agua caliente y el
vapor en las calderas de convección
natural, y del tiro de las chimeneas.
La convección también determina el
movimiento de las grandes masas de
aire sobre la superficie terrestre, la
acción de los vientos, la formación de
nubes, las corrientes oceánicas y la
transferencia de calor desde el
interior del Sol hasta su superficie.
RADIACIÓN TÉRMICA
La radiación presenta una diferencia
fundamental respecto a la conducción
y la convección: las sustancias que
intercambian calor no tienen que
estar en contacto, sino que pueden
estar separadas por un vacío.
Los procesos de convección y de
conducción sólo pueden ocurrir
cuando hay un medio material a
través del cual se pueda transferir el
calor, mientras que la radiación
puede ocurrir en el vacío.
Si se tiene un cuerpo caliente en el
interior de una campana de vidrio sin
aire, y se coloca un termómetro en el
exterior de la campana, se observará
una elevación de la temperatura, lo
cual indica que existe una trasmisión
de calor a través del vacío que hay
entre el cuerpo caliente y el exterior.
Escala Celsius: La temperatura se expresa en ºC (grados Celsius). Las temperaturas de referencia
son: la temperatura de fusión del hielo, a la que se asigna el cero (0 ºC) y la temperatura de
ebullición del agua, a la que se asigna el valor cien (100 ºC).
Escala Fahrenheit. La temperatura se expresa en ºF (grados Fahrenheit). Las temperaturas de
referencia son: la temperatura de fusión del hielo, a la que se asigna el treinta y dos (32 ºF) y la
temperatura de ebullición del agua, a la que se asigna el valor doscientos doce (212 ºF).
La temperatura Celsius (TC) y la Fahrenheit (TF) (muy utilizada en los países anglosajones) se
relacionan por la expresión siguiente:
1.- Para convertir los grados Celsius a Kelvin
K = ºC + 273
2.- Escala Kelvin. La temperatura se mide en K (kelvin). El kelvin es la unidad de temperatura en el
Sistema Internacional. En esta escala la temperatura de fusión del hielo es de 273 K y la de
ebullición del agua 373 K. La temperatura Kelvin (TK) se relaciona con la Celsius (TC) por las
expresiones siguientes:
Temperatura K = ºC + 273 ;
3.-
ºC =
ºK – 273
Para convertir de grados Fahrenheit a grados Celcius
ºC =
ºF - 32
1.8
Cambios de fase
Por tanto, podemos decir que las
transferencias de calor producen cambios
en el estado físico de la materia. De
donde: La fusión se presenta cuando una
sustancia pasa de sólido a líquido. La
solidificación es el cambio del estado de
una sustancia al pasar de líquido a sólido.
La evaporización es el cambio de estado
de agregación de una sustancia al pasar
de líquido a gaseoso. Puede producirse
por evaporación, que se presenta cuando
un líquido se transforma en vapor sin
necesidad de que el líquido alcance la
temperatura de ebullición y se efectúa sólo
en la superficie del líquido. También
se produce por ebullición, cuando se le
suministra energía calorífica a un líquido,
por lo que a una determinada temperatura
toda la masa de dicho líquido comienza a
hervir; de esta manera se produce su
cambio de estado de sólido a gaseoso,
proceso que
continúa mientras se le
suministra calor y exista líquido.
La sublimación es el cambio de estado en
que un sólido pasa a gaseoso sin pasar
por el estado líquido, o viceversa. Llamado
Deposición Ejemplos de sustancias que
presentan sublimación :son, entre otras, el
yodo, el dióxido de carbono (CO2),
comúnmente llamado hielo seco o nieve
carbónica, que se usa como refrigerante ya
que reduce la temperatura. También
habrás observado que en salones de
eventos artísticos se producen efectos de
niebla; esto se logra con la sublimación del
dióxido de carbono o hielo seco.
Ya hemos señalado que el punto de
ebullición de una sustancia depende de la
presión a la que esté sometida; a mayor
presión, como en la olla express, el agua
hierve a mayor temperatura; pero a menor
presión, como en la cima de una montaña,
al ser menor la presión atmosférica, el
agua hervirá a una menor temperatura. En
la gráfica siguiente se muestra la llamada
curva de vaporización del agua, que señala
la temperatura a la cual hierve, de acuerdo
con la presión que recibe. Observa que a
menor presión, menor temperatura para
su ebullición y viceversa. Observa también
que al nivel del mar donde la presión es de
1 atmósfera = 760 mm de Hg, el agua
hierve a 100 ˚C. En la ciudad de México la
presión atmosférica es menor por estar a
mayor altura sobre el nivel del mar; mide
aproximadamente
0.77 atmósferas = 586 mm de Hg y la
temperatura a la que hierve el agua es de
unos 92 ˚C. A una presión de 218
atmósferas el agua ya no se puede
evaporar y llega a lo que se denomina su
punto crítico.
Trabajo extra y opcional (valor sorpresa )
Relaciona la física con tu comunidad
Reúnete con otros dos compañeros o
compañeras y pónganse de acuerdo para
intercambiar
ideas, compartir sus
experiencias, investigar y visitar los lugares
indicados. Todo ello les permitirá encontrar
explicaciones correctas respecto de los
efectos del calor sobre los objetos.
1.
Visiten
cuando
menos
cuatro
establecimientos en los cuales se utilice
una fuente de
calor para realizar su actividad de
producción comercial. Pueden ser, entre
otros: una
tortillería, una vulcanizadora, una fábrica
de ladrillos, una tintorería, un taller
mecánico donde reparen mofles o
radiadores, una rosticería, una lonchería,
una panadería, etc. Pidan permiso para
revisar cómo realizan su trabajo, qué
fuente de calor usan, y pregunten al
encargado cuál es su costo promedio
ambiental.
mensual. Elaboren un escrito entre todos
dónde detallen una explicación (con fotos)
que describa lo que se realiza en cada
establecimiento visitado, qué efectos
produce el calor sobre los objetos, de
dónde procede el que utilizan, su costo y,
si es el caso, qué tipo de contaminación
produce y por qué.
2. Visiten una biblioteca o por vía Internet
investiguen las características de las
fuentes de calor que utilizan los
establecimientos visitados y, de ser
posible, propongan cómo podría un
establecimiento reducir su consumo de
energía calorífica, en caso de que
hubieran detectado un mal uso o
desperdicio de ella. Si así fuera, una vez
puestos de acuerdo y luego de recibir la
opinión de su profesor(a), regresen al
establecimiento visitado y propónganle al
dueño o encargado la manera en que
pueden reducir su
consumo de energía calorífica. Esto
redundará
en
disminuir
costos
y
contaminación.