CONCEPTO DE CALOR Y TEMPERATURA Según el modelo

Física y Química 4º ESO
Energía Térmica
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CONCEPTO DE CALOR Y TEMPERATURA
Según el modelo cinético molecular de la materia, sabemos que las partículas que la forman
están sometidas a un movimiento constante.
Los sólidos están formados por partículas que se atraen con gran fuerza
por lo que ocupan un volumen constante. No obstante estas partículas
están sometidas a una pequeñísima vibración alrededor de una posición
de equilibrio.
Las partículas que forman los líquidos se atraen fuertemente entre si por
lo que ocupan un volumen constante. No obstante pueden cambiar de
posición unas respecto de otras por lo que adoptan la forma del
recipiente que los contiene.
Las partículas que forman los gases se atraen muy poco entre si por lo
que tienen una gran movilidad ocupando la totalidad del recipiente que
los contiene y adoptando su forma.
Supongamos un gas cualquiera a distintas temperaturas:
Cada partícula tendrá una energía cinética que será función de la temperatura,
a mayor temperatura mayor será la agitación de las partículas. La temperatura
de un sistema nos da una idea de la agitación térmica de las partículas que
contiene.
La temperatura nos indica si un cuerpo está caliente o frío. No obstante no se puede confundir
calor con temperatura, ni siquiera temperatura y el concepto anterior de caliente o frío.
Un ejemplo: si tenemos una mano sumergida durante un tiempo en agua fría y la otra el
mismo tiempo en agua caliente y al sacarlas las metemos en un recipiente con agua templada
la sensación que tenemos en ambas manos es distinta pues la que estaba en agua fría sentirá
el agua templada como caliente y la que estaba en agua caliente la percibirá como fría.
Otro ejemplo más: tocamos con una mano una mesa de madera y al mismo tiempo un objeto
metálico que esté sobre ella. Ambos están a la temperatura ambiente y sin embargo
percibimos como más frío el metal. ¿Por qué?
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ESCALAS TERMOMÉTRICAS
Parece que los primeros intentos de medir la temperatura fueron realizados en el año 170 AC
por Galeno que propuso una escala con cuatro grados de calor y cuatro de frío en torno a una
temperatura media (se dice que agua a 50ºC).
El termómetro
Los primeros ingenios para medir la temperatura se llamaron termoscopios y consistían en un
recipiente esférico que se prolongaba por un largo tubo. Éste contenía un líquido coloreado y
en el interior del recipiente esférico se quitaba parte del aire lo que permitía que al sumergir el
tubo en otro recipiente con un líquido este suba por su interior. Al calentar el aire contenido
en el bulbo la presión aumenta lo que hace descender el líquido. Esta puede ser una forma de
medir las temperaturas. Galileo construyó uno de estos termoscopios utilizando vino como
líquido de color.
La construcción de nuevos ingenios que usaban la propiedad de los líquidos de dilatarse en
cambios de temperatura en el interior de un tubo muy fino llevó a la construcción de los
termómetros. Fue Fahrenheit quien empezó a utilizar el mercurio en los termómetros.
También hemos de recordar que la fabricación de los termómetros se basaba en la elección de
puntos fijos dando lugar a distintas escalas termométricas:
Para transformar de grados centígrados a Kelvin se suma 273:
T (K) = t (ºC) + 273
Para transformar grados centígrados en fharenheit o a la inversa:
º
100
º
32
180
El termómetro se utiliza para medir la temperatura de un sistema. Generalmente consistían en
un depósito que contiene un líquido que al dilatarse o contraerse se extiende o se retrae en un
capilar lo que, tomando unos puntos fijos, nos permite dividir la escala termométrica. Ese
líquido suele ser alcohol coloreado y hasta hace poco mercurio.
Existen diferentes tipos de termómetros, los que miden la temperatura ambiente, los
termómetros clínicos que solamente permiten medir la máxima de la temperatura corporal
evitando que al dejar de estar en contacto con el cuerpo la temperatura baje... En estos
momentos están ganando terreno los termómetros digitales que en poco tiempo, con
bastante exactitud, nos dan la temperatura de un sistema. Además los termómetros clínicos
de mercurio están siendo retirados en la Unión Europea para evitar la contaminación a causa
de este metal.
Debemos diferenciar entre calor y temperatura.
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El calor, o energía térmica, se define como la energía que se transmite desde un cuerpo a otro
cuando entre ellos hay una diferencia de temperatura. El calor siempre fluye, en forma
espontánea, desde el cuerpo a mayor temperatura hacia el cuerpo a menor temperatura.
Puesto que el calor es una forma de energía su unidad en el S.I. es el Joule (J) aunque se usa
también habitualmente otra unidad, la caloría (1 cal = 4,18 J). Se define ésta última como el
calor necesario para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14,5ºC a 15,5ºC
CALOR ESPECÍFICO
Se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de la unidad de masa
de un elemento o compuesto en un grado. En el sistema internacional sus unidades serán por
tanto J·kg-1·K-1.
El calor específico del agua es de 4180 J·kg-1·K-1.
Teniendo en cuenta esta definición de calor específico propio de un cuerpo o un sistema
Ce podemos deducir que el calor absorbido o cedido por un cuerpo de masa m cuando su
temperatura varía desde una temperatura T1 hasta otra T2 (ΔT = T2 - T1) vendrá dado por la
expresión:
Q = m·Ce·ΔT
Cuando dos cuerpos que están a distinta temperatura se ponen en contacto se produce un
flujo de calor desde el que está a mayor temperatura hacia el que está a menor temperatura
hasta que ambas temperaturas se igualan. Se dice que se ha alcanzado el equilibrio térmico:
Si dos cuerpos a diferente temperatura se
ponen en contacto pasa calor del que está
a mayor temperatura al que está a menor
temperatura hasta que ambas se igualan.
Se dice que se alcanza entonces el
equilibrio térmico.
El calor cedido por el que estaba a mayor
temperatura es igual y de signo contrario al
ganado por el que estaba a menor
temperatura.
Calor ganado: mA · cA · (Te – TA)
Calor cedido: mB · cB · (TB – Te)
Esto puede aplicarse al cálculo del calor específico de un material conociendo el calor
específico de otro, la masa de ambos, la temperatura inicial de ambos y la temperatura de
equilibrio en la práctica que se propone.
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CABIOS DE ESTADO
Recordemos que el estado de un sistema podía explicarse desde el punto de vista de la teoría
cinética. Si se va comunicando calor a un sistema sólido la amplitud de los movimientos
vibratorios de sus partículas va aumentando hasta que dicho sistema se convierte en líquido y
si se sigue haciendo lo mismo acabará pasando a gas.
Por el contrario si a un gas le quitamos energía puede que llegue a transformarse en líquido y
luego en sólido. A lo largo de estos procesos se cumple que la energía suministrada, al o por el
sistema, va elevando o disminuyendo la temperatura del mismo teniendo en cuenta la
expresión:
Q = m·Ce·ΔT
Debemos considerar que el calor específico de cada sustancia depende del estado en que se
encuentre, de la temperatura, aunque a veces puede considerarse constante sin cometer
mucho error.
No obstante cuando se está produciendo un cambio de estado toda la energía suministrada, al
o por el sistema, se emplea en ese cambio de estado por lo que la temperatura del sistema,
mientras se está produciendo el cambio de estado permanece constante.
Se llama calor latente de fusión (LF) al calor que se absorbe por unidad de masa de una
sustancia cuando esta pasa de sólido a líquido. El calor latente de vaporización (LV) es el calor
absorbido por unidad de masa del sistema cuando este pasa de líquido a gas. Para cada
substancia tiene un valor determinado, así, en el caso del agua el calor latente de fusión es
3,335·105 J/kg y el de vaporización de 2,257·106 J/kg.
El calor que se ha de suministrar para fundir una masa m será: QF = m · LF
El calor que se ha de suministrar para que una masa m hierva será: QV = m · LV
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DILATACIÓN
Se trata de un fenómeno con el que estamos familiarizados. Todos sabemos que un anillo nos
hace más marca en verano qu en invierno. Los railes de tren guardan entre si una cierta
separación para evitar que, cuando la temperatura es más alta se deformen. En los puentes y
en las casas se dejan espacios, juntas de dilatación, para evitar la aparición de grietas.
Un experimento se hace muy a menudo para observar este fenómeno. Consiste en pasar una
bola de acero por un aro. A temperatura ambiente pasa bastante justa, a mayor temperatura
no pasa.
En un principio la bola pasa, Calentamos durante un cierto … y en el nuevo intento la
aunque muy justa, por el aro tiempo…
bola no pasa por el aro…
Los líquidos y los gases también se dilatan, basta con recordar como se fabrican algunos
termómetros.
Podemos definir por tanto la dilatación como el aumento de volumen que se produce al variar
la temperatura.
Se puede considerar el coeficiente de dilatación de tres formas.
Coeficiente de dilatación lineal (λ) se aplica fundamentalmente a cuerpos en los que la
longitud es más importante que el ancho y alto. Ejemplo hilos metálicos.
La longitud de un hilo varía de la forma siguiente al variar la temperatura: L = L0·(1 + λ∆T)
Coeficiente de dilatación superficial (σ) se aplica a cuerpos planos como chapas de metal.
Coeficiente de dilatación volumétrico para cuerpos que las tres magnitudes, largo ancho y
alto tienen una importancia similar. Ejemplo un bloque de hormigón.
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TRANSFORMACIONES DE TRABAJO EN CALOR
En primer lugar vamos a pensar lo que ocurre si frotamos una mano contra otra, ambas se
calientan. Algunas culturas primitivas frotan un palo contra otro para lograr fuego. Es decir, el
trabajo realizado sobre un sistema puede transformarse en calor.
Un experimento realizado por Joule permite calcular el equivalente mecánico del calor.
La energía potencial perdida por las pesas se transforma en calor que eleva la temperatura del
agua. Esto se puede comprobar midiendo h y ∆T y teniendo en cuenta la ecuación:
2 m g h = M Ce ∆T
Siendo M la masa del agua del calorímetro. Equivalente mecánico del calor: 1 cal = 4,18 J
PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
Primero vamos a definir un nuevo concepto, el de energía interna de un sistema: Se
representa por la letra U y corresponde a la suma de todas las energías que poseen todas las
partículas del sistema (energía cinética, potencial...) Es una magnitud de la que no podemos
conocer su valor aunque si podemos conocer su variación en un sistema.
La energía interna de un sistema es una función de estado cuyo valor depende exclusivamente
del estado en que se encuentra el sistema y por tanto su variación depende solamente de los
estados inicial y final y no del camino seguido para ir de uno a otro.
Esta variación es igual a la suma de calor y trabajo intercambiados con el exterior.
Para ello tenemos en cuenta el siguiente criterio de signos:
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•
Cuando el sistema gana calor procedente del exterior Q > 0
•
Si es el sistema el que cede calor al exterior Q < 0
•
Cuando el sistema realiza un trabajo de expansión sobre el exterior W < 0
•
Si sobre el sistema se realiza un trabajo desde el exterior W > 0
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Por tanto la variación de energía interna de un sistema ΔU vendrá dada por:
ΔU = Q + W
Esta expresión es el Primer Principio de la Termodinámica que no es más que otra forma de
expresar el principio de conservación de la energía.
MAQUINAS TÉRMICAS
Serán aquellas que transforman en un proceso cíclico, el calor en trabajo. Para que esto ocurra
es preciso que exista un foco emisor de calor y otro receptor. Este últímo debe estar a una
temperatura inferior al foco emisor.
Evidentemente no se transforma todo el calor cedido por el foco caliente en trabajo puesto
que una parte de él pasa al foco frío. El rendimiento ( r ) de una máquina térmica vendrá dado
por el cociente entre el trabajo obtenido y el calor cedido pudiendo expresarse el resultado en
tanto por ciento o en tanto por uno. En cualquier caso este rendimiento es inferior al 100% o
bien 0 < r < 1.
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