CALOR Y TEMPERATURA

ADAPTACIÓN CURRICULAR
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CALOR Y
TEMPERATURA
1. La energía térmica
2. La temperatura: su medida y sus escalas
3. Calor y equilibrio térmico
4. Transmisión o transferencia del calor
Calor y temperatura. Adaptación curricular
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Física y Química 2º ESO
Adaptación curricular. Calor y temperatura
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1. LA ENERGÍA TÉRMICA
El movimiento de los átomos y moléculas de las sustancias aumenta a medida que
lo hace la temperatura.
Llamamos energía térmica a la energía asociada al movimiento de los átomos
o moléculas de la sustancia.
El aumento de la temperatura y el del movimiento de las partículas están relacionados
Al calentar una sustancia aumentamos su energía térmica, y los átomos o moléculas de dicha sustancia se mueven cada vez más
deprisa.
ACTIVIDADES
1.1. Observa las secuencias de imágenes del margen: las tres imágenes superiores
muestran, en distintos tiempos, lo que sucede cuando se añade un colorante
alimentario en agua fría. Las tres imágenes inferiores muestran lo mismo, en
el mismo tiempo, pero cuando se añade el colorante alimentario en agua
caliente. ¿Qué diferencias observas? ¿Se te ocurre alguna idea para explicar
esa diferencia?
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1.2. Si calientas un bloque de hielo, este se transforma en agua líquida. Si siguieras calentando el agua líquida, esta finalmente se transformará en vapor de
agua. ¿En cuál de los tres estados dirías que se mueven las moléculas de agua
más rápidamente?
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Calor y temperatura. Adaptación curricular
2. LA TEMPERATURA: SU MEDIDA Y SUS ESCALAS
A medida que calentamos una sustancia, sus moléculas o átomos se mueven
más deprisa y su temperatura aumenta.
Por tanto, podemos afirmar que:
La temperatura es la medida de
la energía térmica o del movimiento molecular de una sustancia.
El instrumento usado para medir la
temperatura es el termómetro.
temperatura
ºC
superficie del Sol
6 000
Termómetro digital.
2.1. Las escalas de temperatura
Las escalas de temperatura más utilizadas son la escala Celsius o centígrada y la
escala absoluta o Kelvin.
Escala Celsius o centígrada
mechero bunsen
1500
agua hirviendo
100
cuerpo humano
36,5
fusión de hielo
0
alimentos en
el congelador
−20
oxígeno líquido
−180
cero absoluto
−273
Fue propuesta en 1742 por el sueco Anders Celsius. En esta escala se asigna el
valor cero (0 °C) a la temperatura de congelación del agua, y el valor cien (100 °C)
a la temperatura de ebullición del agua.
El intervalo entre estos dos valores se divide en cien partes iguales, cada una de las
cuales corresponde a un grado.
Se simboliza con un circulito como superíndice seguido de la letra mayúscula C
(correspondiente a Celsius).
Escala absoluta o Kelvin
Es la escala real o física que se relaciona directamente con el movimiento de las
partículas. En ella, el valor 0 es la temperatura en la que no existiría movimiento; es
decir, la energía térmica de una sustancia sería cero.
Así pues, el cero absoluto o cero Kelvin marca un límite natural de temperaturas;
no puede existir ninguna temperatura inferior, pues la temperatura mide el movimiento térmico de las partículas.
En esta escala, la temperatura de congelación del agua es de 273 K (se lee 273
Kelvin) aproximadamente, por lo que:
0 °C = 273 K
Las divisiones son iguales que en la escala Celsius; por tanto,
la temperatura de ebullición del agua es de:
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100 °C = 373 K
❚ P ara convertir grados Celsius en Kelvin hay que
sumar 273.
T (Kelvin) = t (°C) + 273
❚ P ara convertir temperaturas Kelvin en Celsius hay
que restar 273.
t (°C) = T (Kelvin) − 273
escala
Celsius
escala
Kelvin
200 oC
473 K
100 oC
373 K
0 oC
273 K
–100
173 K
–273
0K
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Adaptación curricular. Calor y temperatura
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ACTIVIDADES
2.1. Si tenemos dos cuerpos iguales y en uno de ellos las moléculas se mueven
más lentamente que en el otro. ¿Cuál de ellos tendrá más temperatura?
2.2. En la fotografía del margen puedes ver un termómetro que mide en la escala
centígrada o Celsius. ¿Qué temperatura exacta marca?
2.3. Expresa la temperatura del termómetro de la foto en Kelvin.
2.4. ¿A cuántos grados centígrados equivale el cero absoluto o 0 K?
2.5. ¿Puede existir una temperatura de −300 °C? ¿Por qué?
2.6. ¿Puede existir una temperatura de −10 K?
2.7. Completa las celdas en blanco de la siguiente tabla:
Temperatura (oC)
Temperatura (K)
30
33
120
560
−183
2.9. Expresa las siguientes temperaturas en la escala Kelvin:
a) 200 °C
________K
b) −65 °C
________K
c) 273 °C
________K
d) −1 °C
________K
e) 3850 °C
________K
f) 0 °C
________K
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2.8. La temperatura habitual del cuerpo humano es de 36,5 °C. Expresa dicha
temperatura en Kelvin.
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Calor y temperatura. Adaptación curricular
2.10. Expresa las siguientes temperaturas en la escala Kelvin:
a) 20 K
________°C
b) 1 K
________°C
c) 0 K
________°C
d) 452 K
________°C
e) 298 K
________°C
f) 3500 K
________°C
2.11. Completa la siguiente tabla:
Propiedad
Temperatura (°C)
Temperatura (K)
Ebullición del agua
Cero absoluto
Congelación del agua
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2.12. Expresa la temperatura del vaso de agua de la fotografía en Kelvin.
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3. CALOR Y EQUILIBRIO TÉRMICO
Lleva a cabo el siguiente experimento en casa o en clase:
❚❚ Coge un vaso o recipiente grande y uno más pequeño que quepa dentro del
anterior.
❚❚ Llena el vaso o recipiente mayor con agua fría del grifo hasta media altura.
❚❚ Llena el vaso pequeño con agua, y caliéntalo al microondas o con una placa
calefactora, con precaución de no quemarte.
❚❚ Introduce el vaso pequeño dentro del grande a la vez que introduces un termómetro en el agua fría y otro en el agua caliente. Anota la temperatura inicial de
cada vaso de agua.
❚❚ Deja progresar el experimento tal como está durante un tiempo (una o dos
horas) y lee posteriormente las temperaturas de los dos termómetros.
ACTIVIDADES
3.1. ¿Qué sucede con la temperatura de los dos vasos después de bastante
tiempo?
3.2. ¿Cuál de las siguientes frases te parece más acertada?
a) El vaso que se encuentra a mayor temperatura transfiere calor al vaso con
agua más fría, hasta que las temperaturas se igualan.
b) El vaso que se encuentra a menor temperatura transfiere frío al vaso con
agua más caliente, hasta que las temperaturas se igualan.
3.1. Equilibrio térmico
Abajo puedes ver la secuencia de equilibrio térmico mediante imágenes tomadas
gracias a una cámara termográfica.
Como puedes ver en la primera imagen, un vaso caliente (en rojo y blanco) a
58,7 oC se ha introducido en una cubeta con agua fría (azul).
Secuencia de equilibrio térmico.
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En las imágenes se observa que el calor se transmite desde el vaso caliente hacia
el agua fría, hasta que finalmente se igualan las temperaturas (mismo color) en la
imagen de la derecha.
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Calor y temperatura. Adaptación curricular
Como habrás podido deducir, cuando dos cuerpos o sistemas materiales que se
encuentran a distinta temperatura entran en contacto, el de mayor temperatura
transfiere energía térmica al otro hasta conseguir el equilibrio térmico (en el que
las temperaturas se igualan).
El calor es la transferencia de energía térmica desde un cuerpo o sistema que se
halla a mayor temperatura hasta otro de temperatura menor.
El calor se mide en unidades de energía, es decir, en julios (J).
Sin embargo, es muy habitual usar otra unidad, la caloría (cal), que se define
como la cantidad de calor que debe suministrarse a un gramo de agua para elevar
su temperatura un grado.
La equivalencia entre ambas unidades es la siguiente:
1 cal = 4,184 J
ACTIVIDADES
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3.3. ¿A cuántos julios equivalen 20 calorías? ¿Y a cuántas calorías equivalen 1000 J?
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Adaptación curricular. Calor y temperatura
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4. TRANSMISIÓN O TRANSFERENCIA DEL CALOR
La transferencia de calor de un punto a otro o de un cuerpo o sistema material a otro tiene lugar a través de tres mecanismos: conducción, convección y
­radiación.
4.1. Conducción
Si calentamos el extremo de una varilla de metal,
al cabo de poco tiempo todo el metal se habrá calentado.
Esto se debe a que al calentar el extremo de la varilla, sus átomos empiezan a moverse más rápidamente, empujando a los átomos vecinos y transfiriendo, de esa manera, la energía térmica a toda
la varilla.
El proceso por el que se transmite energía térmica de un punto a otro de un sólido se denomina conducción.
En la conducción se transmite energía térmica,
pero no materia.
agua fría que
desciende
Al calentar el fondo de un recipiente con agua (o con cualquier fluido, ya sea líquido o gaseoso), se empieza a calentar el agua que se encuentra en la parte inferior
del recipiente, haciéndose menos densa. Sin embargo, el agua de la superficie, aún
fría, es más densa y desciende, mientras que el agua calentada asciende.
agua caliente
que asciende
4.2. Convección
De ese modo se crean las denominadas corrientes de convección, por las que el
agua (o fluido) caliente asciende mientras que el agua o fluido frío desciende para
ser calentado, repitiéndose así el ciclo.
La convección es el proceso por el que se transfiere energía térmica de un
punto a otro de cualquier fluido (líquido o gas) debido al movimiento del propio
fluido.
Corrientes de convección durante el
calentamiento del agua.
En la convección se transmite energía térmica mediante el transporte de materia.
4.3. Radiación
Al no haber medio material alguno (ni sólido ni fluido), el aumento de temperatura
no se debe a fenómenos de conducción ni de convección. En este caso, la transferencia de energía térmica se debe al fenómeno de radiación.
La radiación es el proceso de transferencia de energía térmica por el que los
cuerpos emiten energía que puede propagarse por el vacío.
La radiación térmica es conocida también como radiación infrarroja.
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Si acercas un termómetro a una bombilla, apreciarás que la temperatura del termómetro subirá. Pero, además, si introduces el termómetro en una cámara de
vacío, de la que has extraído el aire, y repites el experimento, comprobarás que la
temperatura del termómetro sigue ascendiendo.
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Calor y temperatura. Adaptación curricular
ACTIVIDADES
4.1. ¿Cómo piensas que llega hasta nosotros el calor del Sol si entre la Tierra y el
Sol solo hay espacio esencialmente vacío?
4.2. Observa las imágenes del margen; la de la izquierda es una fotografía normal
de una vela ardiendo, mientras que la de la derecha es una imagen termográfica de la misma vela. La escala de colores de la parte inferior nos informa de
la temperatura.
a) ¿Por qué se observa que el aire por encima de la llama está a mayor temperatura? ¿Qué fenómeno de transmisión del calor tiene lugar cuando
arde una vela?
b) ¿Te quemarías la mano si la acercas a la llama por un lateral? ¿Por qué?
4.3. Observa ahora la siguiente secuencia: la imagen superior izquierda muestra
un vaso de agua al que se han añadido unos cubitos. La cruz central de cada
imagen muestra el punto cuya temperatura se mide y aparece reflejada en la
parte superior.
a) ¿Cuál es la temperatura de los cubitos de hielo?
b) ¿Cuál es la temperatura inicial del agua?
c) ¿Qué temperatura tiene el agua que bordea a los cubitos?
d) ¿Quedan cubitos sin derretir en la imagen final? ¿Cuál es la temperatura
final del agua?
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4.4. ¿Cuál es el proceso de transmisión del calor que ha tenido lugar en la secuencia anterior, por el que finalmente se derriten los cubitos de hielo?
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Adaptación curricular. Calor y temperatura
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4.5. Copia y completa las siguientes frases en tu cuaderno:
a) El calor puede transferirse por _____________, por _____________ y por
_____________.
b) El caldo en el interior de una cacerola se va calentando en su totalidad
por _____________.
c) El calor del interior de una vivienda se transfiere al exterior a través de
puertas, paredes y ventanas por _____________.
d) La energía térmica procedente del Sol llega hasta nosotros por
_____________.
4.6. Asigna el nombre del correspondiente proceso de transmisión del calor a
cada uno de los siguientes apartados:
a) Se transfieren materia y energía térmica: _____________.
b) Se transfiere energía térmica, pero no materia: _____________.
c) Se transfiere sin necesidad de medio material: _____________.
4.7. ¿Mediante qué mecanismo de transmisión del calor se calienta el aire de una
habitación cuando usamos los radiadores?
4.8. Cuando se pone a enfriar una bebida entre cubitos de hielo ¿se transfiere el
frío de los cubitos a la bebida o, por el contrario, se transfiere el calor de la
bebida a los cubitos de hielo?
4.9. Observa la imagen termográfica del margen correspondiente a una persona. ¿Cuál es el mecanismo de transmisión del calor que permite obtener
estas imágenes gracias a la temperatura del cuerpo humano?
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4.10. Infórmate del fenómeno de la circulación de las brisas marinas de día y de
noche y explica con qué fenómeno de transmisión del calor está relacionado.
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Calor y temperatura. Adaptación curricular
EVALUACIÓN. SOLUCIÓN
1. Indica en cuáles de estos casos se moverán más rápido las moléculas (o los átomos):
a) Cubito de hielo – agua hirviendo en una cacerola.
b) Oro fundido – anillo de oro:
c) Aire contenido en un congelador – aire que se encuentra alrededor de la llama de una vela.
2. Rellena la siguiente tabla. ¿Son posibles todas las temperaturas que aparecen en la tabla?
Temperatura (°C)
Temperatura (K)
250
273
100
−285
1570
6000
3. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y corrígelas en caso de que sean falsas:
a) El calor es la transferencia de energía térmica desde un cuerpo o sistema que se halla a menor temperatura hasta otro
de temperatura mayor.
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b) Si colocamos 1 g de metal fundido sobre un bloque de hielo de 1 kg, el metal se enfriará porque el bloque de hielo le
cederá frío.
c) La caloría se define como la cantidad de calor que debe suministrarse a un gramo de agua para elevar su temperatura
un grado.
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Adaptación curricular. Calor y temperatura
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4. Completa las siguientes frases con el mecanismo de transmisión del calor que consideres adecuado.
a) El calor que nos llega del Sol lo hace por _____________.
b) El calor se transmite a lo largo de una barra de metal mediante _____________.
c) Los radiadores calientan el aire de una habitación mediante un mecanismo de _____________.
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5. Explica qué es el equilibrio térmico y por un ejemplo de ello.
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