Escuela secundaria n° 7 “Héroes de Malvinas” Física 4° ab Tema 2: calor Profesor Boffelli Mariel Alumno: ……………………….. CALOR Y ENERGÍA La escalofriante temperatura del Universo En el momento de su nacimiento, nuestro Universo era un lugar terroríficamente caliente, tan caliente que la materia ni siquiera podía formarse. Pero con el correr del tiempo – muchísimo tiempo-, se fue enfriando cada vez más. Y hoy en día es tan frío que cuesta creerlo. Nuestro Universo nació entre 12.000 y 20.000 millones de años atrás con el Big Bang, una gran explosión que dio origen a todo lo que hoy existe y, a partir de la cual, el Universo empezó a expandirse. La temperatura del estallido era tan alta, que la materia no podía existir. Cuando el Universo tenía un millonésimo de segundo, su temperatura era de unos inimaginables 10.000 millones de millones de grados. A los dos segundos, había bajado a 10.000 millones y, al minuto, ya estaba en sólo un millón de grados: ahora podían formarse algunos núcleos atómicos. A medida que el Universo crecía, también se enfriaba pero el descenso de la temperatura se fue haciendo cada vez más lento. Cuando había pasado un millón de años, el Universo ya tenía un tamaño respetable, y su materia recién comenzaba a organizarse formando átomos. Ni hablar todavía de estrellas o de planetas. Y claro, se había enfriado mucho: se encontraba a unos 3.000 grados. Actualmente, la expansión continúa y el Universo ya no es el mismo: existen galaxias, estrellas, planetas… y nosotros. Mientras el Universo crecía sin cesar, su temperatura no dejó de descender. ¿Y cuál será hoy, 15.000 millones de años después de la Gran Expansión, la temperatura del Universo? La verdad es que hoy reina en el espacio un fría pavoroso e inimaginable. La verdadera temperatura del Universo se descubrió hace no mucho tiempo: en 1965, en Nueva Jersey, Estados Unidos, los científicos norteamericanos Arno Penzias y Robert Wilson estaban instalando una enorme antena de 15 metros de diámetro de la compañía telefónica Bell. Pero, al cabo de unos instantes, notaron que la antena captaba una molesta interferencia. Lo primero que se les ocurrió fue ajustarla y revisar todos los cables y las conexiones. Pero la interferencia continuaba. Y lo más extraño es que provenía de todas partes del cielo: apuntaran donde apuntaran la antena, era exactamente lo mismo. Poco tiempo más tarde, el enigma de la extraña interferencia fue resuelto. Penzias y Wilson acababan de realizar un descubrimiento espectacular: la radiación de fondo, que no es, ni más ni menos, que el “eco” de la Gran Explosión. Y resulta que esa radiación de fondo, “eco” de la Gran Explosión y de sus enormes temperaturas iniciales, tiene ahora una temperatura de sólo tres grados sobre el cero absoluto, que es de 273 grados bajo cero. Es decir que si expusiéramos un termómetro a esa radiación, marcaría exactamente 270 grados bajo cero. Y como el Universo es un inmenso vacío, apenas ocupado por la radiación de fondo, resulta que esa es la escalofriante temperatura del Universo. Leonardo Molevo CALOR El calor es una forma de energía: energía calórica que puede obtenerse a partir de transformaciones de otras energías como la química (leña, combustibles), la eléctrica (resistencias), la cinética (fricción), la energía nuclear, A nivel molecular el calor se manifiesta como energía cinética en las moléculas, a mayor energía cinética se produce mayor fricción entre moléculas y así aumenta la cantidad de calor. Las reacciones químicas y los cambios físicos ocurren tanto con una liberación de calor (procesos exotérmicos) o con una absorción de calor (procesos endotérmicos). La cantidad de calor (Q) es proporcional a la masa (m) del cuerpo, al tipo de sustancia (Ce: calor específico) y a la variación de temperatura (t). La relación de masa, calor específico, cambio de temperatura y cantidad de calor que gana o pierde un sistema se expresa de la siguiente manera: Q = m . Ce. t Q = cantidad de calor; m = masa; Ce = calor específico y t = variación de la temperatura La unidad de calor es la caloría se definió originalmente como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua a una presión de 1 atmósfera de 14,5°C a 15,5°C. En la actualidad se define como: 1 caloría = 4,184 joule. Otros conceptos relacionados con el calor son: El calor específico (Ce) es un valor constante para cada sustancia e indica cuánto calor se necesita para incrementar en 1 °C la temperatura de 1 g de sustancia. Su unidad es cal / g.°C El calor específico es una propiedad física, por lo tanto difiere para las fases sólida, líquida y gaseosa de la sustancia. AGUA 1,00 TABLA DE CALOR ESPECÍFICO ( cal / g. ° C = Kcal / kg . ° C ) PLOMO 0,0309 HIERRO 0,1138 COBRE 0,0904 VIDRIO 1,976 ORO 0,0324 La capacidad calorífica de un cuerpo es la cantidad de calor necesaria para elevar su temperatura 1°C. Esta es igual al producto de su masa, en gramos, por su calor específico. EQUILIBRIO TÉRMICO El calor es energía que se transfiere de un cuerpo con mayor cantidad de calor a otro que posee menor cantidad de calor. Este proceso se mantiene hasta que ambos cuerpos alcanzan la misma temperatura. T1 > T2 T1 T2 T1 Q T2 T T Efectos del calor 1: Variación de la temperatura El calor es una forma de manifestación de la energía que se relaciona con el estado de agitación molecular de una sustancia. El grado de concentración de dicha energía es la temperatura y es lo que produce las sensaciones de “caliente” o “frío” percibidas mediante el sentido del tacto. Se puede decir, que cuando un cuerpo incorpora calor, aumenta su temperatura, y baja cuando se le extrae calor. El calor modifica algunas propiedades de los cuerpos. Por ello mediante la observación y medición de las variaciones producidas por la acción del calor sobre alguna característica física de una sustancia, es posible establecer una escala de temperatura mediante la comparación de ciertos valores para dos estados distintos. El termómetro es un instrumento para medir la temperatura de un cuerpo que se basa en esta propiedad. Colocando un líquido (mercurio o alcohol) dentro de un tubo de vidrio, se puede medir el aumento de longitud de la columna para dos estados determinados previamente, estableciendo luego una escala entre los dos puntos adoptados como extremos. En la Escala Celsius, los extremos están dados por el paso del agua del estado sólido al líquido (fusión) y por la ebullición o paso al estado gaseoso y se divide en 100 espacios, por lo que se denomina Escala Centígrada: a cada división corresponde 1 ° C. En la Escala Reaumur, los límites adoptados son los mismos que en la Celsius, sólo que la misma se divide en 80 grados. En la Escala Fahrenheit el origen es la temperatura de la mezcla de sales y hielo, la menor que se podía lograr en el laboratorio en el año 1714. El punto de fusión del hielo y el de ebullición del agua, corresponden a 32 ° F y 212 ° F respectivamente. Finalmente, la Escala Kelvin tiene su origen en el cero absoluto ( 0 ° K ), equivalente a – 273 ° C, temperatura que corresponde a un estado teórico de inmovilidad molecular. Conversión de temperaturas: °𝐶 100 = °𝑅 80 = °𝐹−32 180 °C = °K – 273 Efectos del calor 2 DILATACIÓN En sólidos Dilatación es la variación en las dimensiones de un cuerpo a causa del calor, que además depende de cada sustancia (coeficiente de dilatación, ) y de la variación de la temperatura. Se clasifica en: DILATACIÓN LINEAL DILATACIÓN SUPERFICIAL Varía la longitud del cuerpo Lf = Li .( 1 + . t ) Varía la superficie del cuerpo Sf = Si .( 1 + 2. . t ) Lf: longitud final Li: longitud inicial : coeficiente de dilatación t : variación de la temperatura DILATACIÓN CÚBICA o VOLUMÉTRICA Varía el volumen, se produce en las tres dimensiones. Vf = Vi .( 1 + 3. . t ) Vf: volumen final Vi: volumen inicial : coeficiente de dilatación t : variación de la temperatura Sf: superficie final Si: superficie inicial : coeficiente de dilatación t : variación de la temperatura Ej. chapas de techos, calles, Ej. cables, rieles de ferrocarril Ej. globos, neumáticos, tanques veredas,… Los líquidos dilatan más que los sólidos. Los gases son muy dilatables. Dilatación en fluidos Ley de BOyle-Mariotte: “Si se mantiene constante la temperatura de un gas, el volumen del mismo está relacionado inversamente a su presión.” V . P = V’ . P’ Ley de Gay-Lussac: “SI se mantiene constante la presión de un gas, su volumen varía en forma proporcional a las variaciones de su temperatura absoluta.” V . T’ = V’. T Además, en un recipiente cerrado que contiene un gas, la presión aumenta al aumentar la temperatura, según la siguiente fórmula: Pf = Pi .( 1 + . t ) Pf: presión final – Pi: presión inicial – : coeficiente de dilatación - t : variación de la temperatura El calor específico de los gases adquiere distintos valores: SUSTANCIA Aire Amoníaco CO2 Metano A presión constante Cal/kg 0,24 0,28 0,53 0,37 0,19 0,38 0,59 0,30 SUSTANCIA Nitrógeno Oxígeno Vapor agua A presión constante Cal/kg Cal/m3 0,25 0,20 0,21 0,29 0,50 0,37 Efectos del calor 3 CAMBIOS DE ESTADO La mayor parte de los cuerpos puede Solidificación presentarse sucesivamente en los tres estados: sólido, líquido y gaseoso, dependiendo de la temperatura y presión a la que se encuentra. SOLIDO También se considera un cuarto estado: plasma. Los cambios de estado se producen al variar estos factores, que influyen directamente sobre la energía cinética de las moléculas que componen el cuerpo. T (0C) LÍQUIDO Fusión Vaporización Condensación Sublimación GAS Sublimación regresiva Ebullición Leyes de los cambios de estado 1- Cada sustancia tiene su propio punto de fusión/ebullición, o sea una temperatura específica para que suceda el cambio de estado. Fusión 0 2- Durante el cambio de estado la temperatura permanece constante. 3- El calor absorbido por el cuerpo se llama calor latente de fusión o ebullición. Fusión: Paso de un cuerpo sólido al estado líquido, por aumento de la temperatura o disminución de la presión. No todas las sustancias funden, algunos como los orgánicos se descomponen. Si se aprietan fuertemente dos pedazos de hielo, se sueldan. Este fenómeno se llama rehielo y se debe a que la presión baja el punto de fusión. Solidificación: Es el paso del estado líquido al sólido por disminución de la temperatura o aumento de la presión. Los cuerpos disminuyen el volumen al solidificarse; por consiguiente su densidad aumenta, excepto en el agua, que aumenta de volumen al solidificarse. A los 4 °C ocupa su mínimo volumen. Esta característica explica la ruptura de botellas tapadas y cañerías, resquebrajamiento de piedras, etc. en noches invernales con temperaturas bajo cero. Vaporización: Es el paso del estado líquido al estado gaseoso por aumento de temperatura o disminución de la presión. El fenómeno puede producirse de diferentes maneras: Un líquido en el vacío, se vaporiza instantáneamente; un líquido a temperatura ambiente, evapora, capa por capa se desprenden sus moléculas o un líquido entre en ebullición cuando alcanza el punto de ebullición correspondiente. Es un proceso rápido. Evaporación Producción lenta de vapor en la superficie libre de un líquido, a cualquier temperatura. La cantidad de líquido evaporado es proporcional a la superficie libre e inversamente proporcional a la presión atmosférica. La evaporación produce frío, pues toma calor de los cuerpos que lo rodean. Ej. evapora el agua de la ropa al secarse. Ebullición Transformación rápida de un líquido en vapor, bajo la forma de burbujas que agitan toda la masa líquida. Cada líquido tiene una temperatura fija a la que ebulle, denominada punto de ebullición, por ejemplo: Agua 100 °C Alcohol 78°C Mercurio 380°C Lectura ENERGÍA Y TRABAJO La energía del mar A medida que la población del planeta aumenta, también aumentan las necesidades de energía eléctrica: hay que iluminar más hogares y hacer funcionar más aparatos. Y ni hablar del enorme consumo de las industrias modernas, que “devoran” electricidad sin parar. La mayor parte de la electricidad proviene de centrales térmicas, que la producen a partir del petróleo y del carbón, o de centrales atómicas, que usan uranio. Pero esos recursos naturales no son eternos: el petróleo, el carbón y el uranio empezarán a escasear en algún momento. Hay que pensar en nuevas alternativas. Y una de las mejores es el aprovechamiento de las fuerzas del agua. Las centrales hidroeléctricas son una variante muy conocida: lugares donde el agua de los ríos se acumula en enormes presas, y se la hace caer hacia turbinas, que giran produciendo electricidad. Pero también están las mucho menos conocidas centrales mareomotrices, que trabajan con la fuerza del mar. O, mejor dicho, de las mareas y de las olas. Los pioneros en la explotación moderna de la energía del mar fueron los habitantes de Husum, una pequeña isla alemana en el Mar del Norte. Durante la Primera Guerra Mundial un grupo de voluntariosos pobladores de Husum construyó un pequeño generador de electricidad, cuya turbina era accionada por las mareas (las continuas subidas y bajadas en el nivel del mar). La electricidad producida no era mucha, pero alcanzaba para abastecer a todas las casas de la isla. Sin embargo, la primera central mareomotriz realmente importante apareció recién en 1967, en Francia: este complejo sistema utilizaba 24 turbinas y producía generosas dosis de electricidad. Al año siguiente, en Rusia, se construyó otra, en las costas del Mar de Barens, pero era mucho más chica. La central de Kaimei, en la costa de Japón, se inauguró en 1979. Y cinco años más tarde, en la bahía de Fundy, Canadá, se instaló otra con un sistema de turbinas más moderno que producía más energía. Eran las primeras, pero durante los últimos años, se les han sumado muchas más en distintas partes del mundo. Es más, hoy en día, numerosos países están planificando nuevas y más grandes centrales mareomotrices. Y uno de los proyectos más espectaculares se encuentra en pleno desarrollo en Inglaterra: la idea es construir, frente al mar, un enorme dique de 16 kilómetros de largo con 192 turbinas de última generación, capaces de aprovechar la fuerza de las olas y de las mareas. Los expertos estiman que estas centrales podrían generar el 25 % de la energía eléctrica que hoy se consume en el planeta. Basta un ejemplo para entender el potencial de esta fuente natural de energía: una ola de 5 metros de altura sería capaz de empujar un bloque de piedra de 10 toneladas. Es un tremendo impulso que puede convertirse en electricidad. Pero claro, las centrales mareomotrices no pueden instalarse en cualquier parte del mundo, porque para que realmente funcionen a toda máquina son necesarias olas enormes, de por lo menos 3 metros, y grandes diferencias de altura en el nivel del agua durante la subida y la bajada de las mareas. ¿Cómo funcionan estas centrales? Hay muchas variantes, pero casi todas recurren al mismo principio: el agua entra en un gran tanque hueco y comprime el aire o el líquido que hay en su interior. Entonces, ese aire o líquido comprimido se dirige a una turbina y la hace girar a toda velocidad, generando electricidad. Igual que la energía solar y al energía eólica, la energía del mar es una excelente alternativa a las variantes tradicionales, sus ventajas son que no contamina el medio ambiente y es prácticamente inagotable: mientras existan los mareas y los océanos, el enérgico ritmo de las olas y de las mareas nunca se detendrá. Leonardo Molevo TRANSFERENCIA DEL CALOR La transferencia de calor es un proceso físico por el que 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 transfiere mediante tres procesos distintos: convección, radiación o conducción. Aunque estos procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor del Sol llega a una casa por radiación, se transmite a través de la pared fundamentalmente por conducción y dentro del ambiente circula por convección. Otro ejemplo es el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas. Del quemador a la cacerola pasa el calor por radiación, entre la cacerola y el agua se produce conducción y dentro del agua ocurre exclusivamente la conexión. CONVECCIÓN 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. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos. Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una olla llena de agua. El líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de la olla. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima. De forma similar, en una cámara vertical llena de gas, como la cámara de aire situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el aire situado junto al panel exterior —que está más frío— desciende, mientras que al aire cercano al panel interior —más caliente— asciende, lo que produce un movimiento de circulación. El calentamiento de una habitación mediante un radiador 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 el radiador. Debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, los radiadores 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. CONDUCCIÓN Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario conocer la velocidad de conducción del calor a través de un sólido en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Para averiguarlo se requieren técnicas matemáticas muy complejas, sobre todo si el proceso varía con el tiempo; en este caso, se habla de conducción térmica transitoria. RADIACIÓN 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. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida. Además de emitir radiación, todas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un cubito de hielo emite energía radiante de forma continua, se funde si se ilumina con una lámpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor mayor de la que emite. Las superficies opacas pueden absorber o reflejar la radiación incidente. Generalmente, las superficies mates y rugosas absorben más calor que las superficies brillantes y pulidas, y las superficies brillantes reflejan más energía radiante que las superficies mates. Además, las sustancias que absorben mucha radiación también son buenos emisores; las que reflejan mucha radiación y absorben poco son malos emisores. Por eso, los utensilios de cocina suelen tener fondos mates para una buena absorción y paredes pulidas para una emisión mínima, con lo que maximizan la transferencia total de calor al contenido de la cazuela. Algunas sustancias, entre ellas muchos gases y el vidrio, son capaces de transmitir grandes cantidades de radiación. Se observa experimentalmente que las propiedades de absorción, reflexión y transmisión de una sustancia dependen de la longitud de onda de la radiación incidente. El vidrio, por ejemplo, transmite grandes cantidades de radiación ultravioleta, de baja longitud de onda, pero es un mal transmisor de los rayos infrarrojos, de alta longitud de onda. Una consecuencia de la distribución de Planck es que la longitud de onda a la que un cuerpo emite la cantidad máxima de energía radiante disminuye con la temperatura. La ley de desplazamiento de Wien, llamada así en honor al físico alemán Wilhelm Wien, es una expresión matemática de esta observación, y afirma que la longitud de onda que corresponde a la máxima energía, multiplicada por la temperatura absoluta del cuerpo, es igual a una constante, 2.878 micrómetros-Kelvin. Este hecho, junto con las propiedades de transmisión del vidrio antes mencionadas, explica el calentamiento de los invernaderos. La energía radiante del Sol, máxima en las longitudes de onda visibles, se transmite a través del vidrio y entra en el invernadero. En cambio, la energía emitida por los cuerpos del interior del invernadero, predominantemente de longitudes de onda mayores, correspondientes al infrarrojo, no se transmiten al exterior a través del vidrio. Así, aunque la temperatura del aire en el exterior del invernadero sea baja, la temperatura que hay dentro es mucho más alta porque se produce una considerable transferencia de calor neta hacia su interior. (Efecto invernadero). Además de los procesos de transmisión de calor que aumentan o disminuyen las temperaturas de los cuerpos afectados, la transmisión de calor también puede producir cambios de fase, como la fusión del hielo o la ebullición del agua. En ingeniería, los procesos de transferencia de calor suelen diseñarse de forma que aprovechen estos fenómenos. Por ejemplo, las cápsulas espaciales que regresan a la atmósfera de la Tierra a velocidades muy altas están dotadas de un escudo térmico que se funde de forma controlada en un proceso llamado ablación para impedir un sobrecalentamiento del interior de la cápsula. La mayoría del calor producido por el rozamiento con la atmósfera se emplea en fundir el escudo térmico y no en aumentar la temperatura de la cápsula. Esta imagen de colores falsos muestra el calor que se escapa de una vivienda en forma de rayos infrarrojos. Las zonas negras son las que menos calor irradian, mientras que las blancas (que coinciden con las ventanas) son las que más calor pierden LEYES TERMODINÁMICA. 1° Ley o Principio Q=U+T El calor de un sistema es igual a su variación de energía interna más el trabajo realizado. Cuando entregamos trabajo a un sistema (agitándolo), se incrementa su energía interna, o sea el trabajo se transforma en energía cinética. Al haber mayor movimiento de las moléculas, hay mayor rozamiento entre éstas y aumenta la cantidad de calor del sistema. 2° Ley o Principio El calor fluye de una fuente caliente a otra fría hasta alcanzar el equilibrio térmico, y puede transformarse en trabajo mecánico (ejemplo una máquina de vapor). Pero no puede aprovecharse por completo. Todo trabajo puede ser transformado en calor, pero no todo el calor puede Foco caliente a la transformarse en trabajo. temperatura TC MÁQUINAS TÉRMICAS El calor se relaciona con la energía de las moléculas en movimiento, o energía cinética. Por ello también está relacionado con el trabajo, ya que a partir de calor se pude producir trabajo, como en los motores, por ejemplo., en los frenos de un auto, el frotamiento de un fósforo al encenderlo, una cuerda que resbala en la mano. Se denominan máquinas térmicas a aquellas que a partir de calor producen trabajo: son el motor a vapor, de explosión, etc. Q1 W Q2 Foco frío a la temperatura TF Trabajo En el estado inicial el cuerpo tiene energía cinética, pero debido a la acción de la fuerza de rozamiento irá perdiendo esa energía que será transferida al ambiente como calor. Cuando se detenga, el cuerpo tendrá una energía cinética nula, ya que la que tenía inicialmente se habrá convertido íntegramente en calor. Como puede observarse no existe ninguna restricción para convertir la energía cinética en calor. Pero… ¿podemos convertir el calor en energía cinética del cuerpo? La respuesta es sí (una máquina de vapor convierte calor en energía cinética), pero existen limitaciones: para convertirla necesitaremos una máquina térmica y, para que ésta funcione, es necesario que el calor pase de un depósito que esté a mayor temperatura a otro que esté a menor. Es decir: No se puede convertir calor en trabajo (energía transferible o utilizable) mediante un proceso a temperatura constante (isotermo) No es posible transformar íntegramente calor en trabajo, ya que parte del calor se cede al depósito a temperatura más baja y no se aprovecha como trabajo útil. Esquema de una máquina térmica (simbolizada por el círculo) que cumple el Segundo Principio de la Termodinámica. El calor absorbido Q1 en el foco caliente es transformado parte en trabajo (W) y parte (Q2) cedido al foco frío. El rendimiento de una máquina térmica viene dado por el cociente entre el trabajo realizado (W) y la energía absorbida (Q1). Este no puede llegar al 100 %. Esquema de una máquina térmica que viola el Segundo Principio de la Termodinámica. Esta máquina (imposible) convertiría todo el calor en trabajo. El rendimiento sería del 100 %. Debido a esta imposibilidad de transformar la totalidad del calor en trabajo (energía utilizable) se dice que el calor es una energía de “calidad inferior”. De ahí que Q cuando la energía cinética se transforma en calor se dice que la energía se degrada. Íntimamente ligado a todo lo dicho está el concepto de reversibilidad o irreversibilidad Trabajo W de un proceso. Un proceso es irreversible si una vez realizado es imposible restituir al sistema a las condiciones iniciales. De esta manera, cualquier proceso en el que cualquier tipo de energía sea transformada en calor es irreversible, ya que no hay posibilidad de restituir al sistema a las condiciones iniciales. Foco caliente a la temperatura TC ¿Podríamos convertir el calor cedido y transformarlo en energía cinética del cuerpo?...Sí. Mediante una máquina térmica, pero no en su totalidad (Segundo Principio). La máquina deberá de funcionar tomando calor de un depósito a temperatura superior y cederlo a otro a temperatura inferior e, irremediablemente, en este proceso parte del calor tomado se cede a temperatura más baja no pudiendo convertirse en energía cinética. Al final del ciclo el cuerpo tendría menos energía que al principio. No se restituirían las condiciones de partida. Actividades Calor y temperatura CANTIDAD DE CALOR ¿Qué cantidad de calor se requiere para elevar la temperatura de 205g de agua de 21,2°C a 91,4°C? ¿Qué cantidad de calor se necesita para elevar la temperatura de 205g de hierro de 21,2 a 91,4°C? Calcular la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 25g de agua de 10°C a 40°C CALOR ESPECÍFICO Investigar la composición función del Calorímetro de mezclas. Graficarlo. ¿Qué diferencia hay entre calentar 1 kg de agua y ½ kg de agua? ¿Es lo mismo cocinar las papas hervidas en agua que las papas fritas? ¿Al aumentar la llama de la cocina, los alimentos se cocinan más rápido? ESCALAS TÉRMICAS a. Expresar en distintas escalas la temperatura de ebullición y solidificación del agua. b. La amplitud térmica es la diferencia entre la temperatura máxima y mínima, registradas en un región durante un determinado tiempo. En EEUU la menor temperatura se registró en Alaska en 1971 con – 80° F, y la máxima en California en 1913, con 134 ° F. Expresar estas temperaturas en escala Celsius e indicar la amplitud térmica. c. Indicar en cada caso si las temperaturas indicadas son =, > o <. 280 ° F ……… 15 ° C 1 ° C ………… 10 ° F 100 K ……….. 100 ° C 0 ° F ………… - 5 ° C DILATACIÓN 1- Un hilo de cobre a 0°C tiene una longitud de 500 km, ¿cuál es su longitud a los 20°C si = 0,00001885? 2- Una lámina de plomo mide 5 m2 a 0°C, determina su superficie a 20°C si = 0,0000285. 3- Un recipiente de 2 m3 contiene 10 litrosa 15 °C. ¿Cuál es su volumen a 0°C si para el cinc = 0,0000295? LA ENERGÍA INTERNA DEL MAR: ACTIVIDADES 1. Realizar una línea de tiempo relacionada con la aparición de centrales mareomotrices. 2. Marcar las centrales mareomotrices en un planisferio indicando todos los lugares nombrados en el texto. 3. Busca un gráfico / esquema de una central mareomotriz. 4. Investiga un poco más sobre las características geográficas de los lugares dónde se instalan las centrales e indica posibles zonas de instalación de centrales mareomotrices en nuestro país. Investiga algunos de los temas complementarios y programa una breve exposición - Metabolismo en los seres vivos Respiración y calor. - Calor y vida en la tierra Calor en procesos industriales - alimentos y generación de la energía Evolución del concepto del calor - Temperatura ambiente y termorregulación Mecanismo de ganancia y pérdida de calor - Sobrevivencia y reacción de los seres vivos ante el calor. - Temperatura corporal. Alimentos y generación de energía.