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El calor.

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Temperatura, Escalas de temperatura , Unidades de calor, Calor latente, Calor especfico , Transferencia de Calor , Conduccin, Conveccin, Radiacin, Calorimetra.

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Categoría: Apuntes y Monografas > Fsica >
Material educativo de Alipso relacionado con calor
  • El calor.: Temperatura, Escalas de temperatura , Unidades de calor, Calor latente, Calor especfico , Transferencia de Calor , Conduccin, Conveccin, Radiacin, Calorimetra.
  • Temperatura y transferencia de energa trmica.: Introduccin. Temperatura y escalas de temperatura. Dilatacin Trmica. Calor. Calor especfico. Transferencia de energa trmica. Conduccin. Conveccin. Radiacin.
  • Actividades de Combustin-combustibles- Calor y Temperatura- El:

  • Enlaces externos relacionados con calornalga

    CALOR.

    Introduccin.

    En fsica, transferencia de energa de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura. El calor es energa en trnsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energa no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo.

    Hasta principios del siglo XIX, el efecto del calor sobre la temperatura de un cuerpo se explicaba postulando la existencia de una sustancia o forma de materia invisible, denominada calrico. Segn la teora del calrico, un cuerpo de temperatura alta contiene ms calrico que otro de temperatura baja; el primero cede parte del calrico al segundo al ponerse en contacto ambos cuerpos, con lo que aumenta la temperatura de dicho cuerpo y disminuye la suya propia. Aunque la teora del calrico explicaba algunos fenmenos de la transferencia de calor, las pruebas experimentales presentadas por el fsico britnico Benjamin Thompson en 1798 y por el qumico britnico Humphry Davy en 1799 sugeran que el calor, igual que el trabajo, corresponde a energa en trnsito (proceso de intercambio de energa). Entre 1840 y 1849, el fsico britnico James Prescott Joule, en una serie de experimentos muy precisos, demostr de forma concluyente que el calor es una transferencia de energa y que puede causar los mismos cambios en un cuerpo que el trabajo.


    Flujo de calor entre dos gases

    Dos gases idnticos a temperaturas diferentes estn separados por una barrera aislante. El gas ms caliente contiene molculas con mayor energa cintica media que las molculas del gas ms fro. Cuando se juntan los gases, la mezcla alcanza una temperatura de equilibrio situada entre las dos temperaturas iniciales. El calor fluye del gas ms caliente al ms fro hasta que la energa cintica media de sus respectivas molculas se iguala.

    Temperatura

    La sensacin de calor o fro al tocar una sustancia depende de su temperatura, de la capacidad de la sustancia para conducir el calor y de otros factores. Aunque, si se procede con cuidado, es posible comparar las temperaturas relativas de dos sustancias mediante el tacto, es imposible evaluar la magnitud absoluta de las temperaturas a partir de reacciones subjetivas. Cuando se aporta calor a una sustancia, no slo se eleva su temperatura, con lo que proporciona una mayor sensacin de calor, sino que se producen alteraciones en varias propiedades fsicas que pueden medirse con precisin. Al variar la temperatura, las sustancias se dilatan o se contraen, su resistencia elctrica cambia, y en el caso de un gas su presin vara. La variacin de alguna de estas propiedades suele servir como base para una escala numrica precisa de temperaturas (ver ms adelante).

    La temperatura depende de la energa cintica media (o promedio) de las molculas de una sustancia; segn la teora cintica, la energa puede corresponder a movimientos rotacionales, vibracionales y traslacionales de las partculas de una sustancia. La temperatura, sin embargo, slo depende del movimiento de traslacin de las molculas. En teora, las molculas de una sustancia no presentaran actividad traslacional alguna a la temperatura denominada cero absoluto.

    Escalas de temperatura

    En la actualidad se emplean diferentes escalas de temperatura; entre ellas estn la escala Celsius tambin conocida como escala centgrada, la escala Fahrenheit, la escala Kelvin, la escala Rankine o la escala termodinmica internacional. En la escala Celsius, el punto de congelacin del agua equivale a 0 C, y su punto de ebullicin a 100 C. Esta escala se utiliza en todo el mundo, en particular en el trabajo cientfico. La escala Fahrenheit se emplea en los pases anglosajones para medidas no cientficas y en ella el punto de congelacin del agua se define como 32 F y su punto de ebullicin como 212 F. En la escala Kelvin, la escala termodinmica de temperaturas ms empleada, el cero se define como el cero absoluto de temperatura, es decir, -273,15 C. La magnitud de su unidad, llamada kelvin y simbolizada por K, se define como igual a un grado Celsius. Otra escala que emplea el cero absoluto como punto ms bajo es la escala Rankine, en la que cada grado de temperatura equivale a un grado en la escala Fahrenheit. En la escala Rankine, el punto de congelacin del agua equivale a 492 R, y su punto de ebullicin a 672 R.

    En 1933, cientficos de treinta y una naciones adoptaron una nueva escala internacional de temperaturas, con puntos fijos de temperatura adicionales basados en la escala Kelvin y en principios termodinmicos. La escala internacional emplea como patrn un termmetro de resistencia de platino (cable de platino) para temperaturas entre -190 C y 660 C. Desde los 660 C hasta el punto de fusin del oro (1.063 C) se emplea un termopar patrn: los termopares son dispositivos que miden la temperatura a partir de la tensin producida entre dos alambres de metales diferentes. Ms all del punto de fusin del oro las temperaturas se miden mediante el llamado pirmetro ptico, que se basa en la intensidad de la luz de una frecuencia determinada que emite un cuerpo caliente.

    En 1954, un acuerdo internacional adopt el punto triple del agua es decir, el punto en que las tres fases del agua (vapor, lquido y slido) estn en equilibrio como referencia para la temperatura de 273,16 K. El punto triple puede determinarse con mayor precisin que el punto de congelacin, por lo que supone un punto fijo ms satisfactorio para la escala termodinmica. En criogenia, o investigacin de bajas temperaturas, se han obtenido temperaturas de tan slo 0,00001 K mediante la desmagnetizacin de sustancias paramagnticas. En las explosiones nucleares se han alcanzado momentneamente temperaturas evaluadas en ms de 100 millones de kelvin.

    Unidades de calor

    En las ciencias fsicas, la cantidad de calor se expresa en las mismas unidades que la energa y el trabajo, es decir, en julios. Otra unidad es la calora, definida como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua a 1 atmsfera de presin desde 15 hasta 16 C. Esta unidad se denomina a veces calora pequea o calora gramo para distinguirla de la calora grande, o kilocalora, que equivale a 1.000 caloras y se emplea en nutricin. La energa mecnica puede convertirse en calor a travs del rozamiento, y el trabajo mecnico necesario para producir 1 calora se conoce como equivalente mecnico del calor. A una calora le corresponden 4,1855 julios. Segn la ley de conservacin de la energa, todo el trabajo mecnico realizado para producir calor por rozamiento aparece en forma de energa en los objetos sobre los que se realiza el trabajo. Joule fue el primero en demostrarlo de forma fehaciente en un experimento clsico: calent agua en un recipiente cerrado haciendo girar unas ruedas de paletas y hall que el aumento de temperatura del agua era proporcional al trabajo realizado para mover las ruedas.

    Cuando el calor se convierte en energa mecnica, como en un motor de combustin interna, la ley de conservacin de la energa tambin es vlida. Sin embargo, siempre se pierde o disipa energa en forma de calor porque ningn motor tiene una eficiencia perfecta.

    Calor latente

    El cambio de temperatura de una sustancia conlleva una serie de cambios fsicos. Casi todas las sustancias aumentan de volumen al calentarse y se contraen al enfriarse. El comportamiento del agua entre 0 y 4 C constituye una importante excepcin a esta regla. Se denomina fase de una sustancia a su estado, que puede ser slido, lquido o gaseoso. Los cambios de fase en sustancias puras tienen lugar a temperaturas y presiones definidas. El paso de slido a gas se denomina sublimacin, de slido a lquido fusin, y de lquido a vapor vaporizacin. Si la presin es constante, estos procesos tienen lugar a una temperatura constante. La cantidad de calor necesaria para producir un cambio de fase se llama calor latente; existen calores latentes de sublimacin, fusin y vaporizacin. Si se hierve agua en un recipiente abierto a la presin de 1 atmsfera, la temperatura no aumenta por encima de los 100 C por mucho calor que se suministre. El calor que se absorbe sin cambiar la temperatura del agua es el calor latente; no se pierde, sino que se emplea en transformar el agua en vapor y se almacena como energa en el vapor. Cuando el vapor se condensa para formar agua, esta energa vuelve a liberarse. Del mismo modo, si se calienta una mezcla de hielo y agua, su temperatura no cambia hasta que se funde todo el hielo. El calor latente absorbido se emplea para vencer las fuerzas que mantienen unidas las partculas de hielo, y se almacena como energa en el agua. Para fundir 1 kg de hielo se necesitan 19.000 julios, y para convertir 1 kg de agua en vapor a 100 C, hacen falta 129.000 julios.



    Calor y temperatura

    La grfica representa el cambio de temperatura que se produce al suministrar calor al agua (a 1 atmsfera de presin). A 0 C y 100 C se le puede suministrar calor sin cambiar su temperatura. Este calor latente rompe los enlaces que mantienen unidas las molculas, pero no aumenta su energa cintica. Para vaporizar un gramo de agua hace falta aproximadamente siete veces ms calor que para fundirlo. Esa diferencia se refleja en las distintas longitudes de las partes horizontales de la grfica. Las pendientes de las lneas inclinadas representan el nmero de grados de aumento de temperatura por cada julio de calor suministrado a un gramo de agua. El 'calor especfico' del agua es de 4.185,5 julios por kilogramo y grado, es decir, hacen falta 4.185,5 julios de energa para aumentar en un grado la temperatura de un kilogramo de agua.

    Calor especfico

    Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado. En el Sistema Internacional de unidades, el calor especfico se expresa en julios por kilogramo y kelvin; en ocasiones tambin se expresa en caloras por gramo y grado centgrado. El calor especfico del agua es una calora por gramo y grado centgrado, es decir, hay que suministrar una calora a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centgrado.

    De acuerdo con la ley formulada por los qumicos franceses Pierre Louis Dulong y Alexis Thrse Petit, para la mayora de los elementos slidos, el producto de su calor especfico por su masa atmica es una cantidad aproximadamente constante. Si se expande un gas mientras se le suministra calor, hacen falta ms caloras para aumentar su temperatura en un grado, porque parte de la energa suministrada se consume en el trabajo de expansin. Por eso, el calor especfico a presin constante es mayor que el calor especfico a volumen constante.

    CALOR ESPECFICO
    (A 25 C)

    SUSTANCIA

    cal/g C

    J/kg K

    Aire

    0,24

    1.010

    Aluminio

    0,22

    900

    Alcohol etlico

    0,59

    2.450

    Oro

    0,03

    130

    Granito

    0,19

    800

    Hierro

    0,11

    450

    Aceite de oliva

    0,47

    2.000

    Plata

    0,06

    240

    Acero inoxidable

    0,12

    510

    Agua (lquida)

    1,00

    4.180

    Madera

    0,42

    1.760

    Transferencia de Calor

    En fsica, proceso por el que se intercambia energa en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que estn a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante conveccin, radiacin o conduccin. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a travs de la pared de una casa fundamentalmente por conduccin, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por conveccin, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiacin.

    Conduccin

    En los slidos, la nica forma de transferencia de calor es la conduccin. Si se calienta un extremo de una varilla metlica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo ms fro por conduccin. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conduccin de calor en los slidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energa cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teora explica por qu los buenos conductores elctricos tambin tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemtico francs Barn Joseph Fourier dio una expresin matemtica precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conduccin del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conduccin de calor a travs de un cuerpo por unidad de seccin transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).

    El factor de proporcionalidad se denomina conductividad trmica del material. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades trmicas 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 ingeniera resulta necesario conocer la velocidad de conduccin del calor a travs de un slido en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Para averiguarlo se requieren tcnicas matemticas muy complejas, sobre todo si el proceso vara con el tiempo; en este caso, se habla de conduccin trmica transitoria. Con la ayuda de ordenadores (computadoras) analgicos y digitales, estos problemas pueden resolverse en la actualidad incluso para cuerpos de geometra complicada.

    Conveccin

    Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un lquido o un gas, es casi seguro que se producir un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado conveccin. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un lquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el lquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido ms caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido ms fro y ms denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina conveccin natural. La conveccin 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 mecnica de fluidos.

    Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El lquido ms prximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conduccin a travs de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido ms fro baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulacin. El lquido ms fro vuelve a calentarse por conduccin, mientras que el lquido ms caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiacin y lo cede al aire situado por encima. De forma similar, en una cmara vertical llena de gas, como la cmara de aire situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el aire situado junto al panel exterior que est ms fro desciende, mientras que al aire cercano al panel interior ms caliente asciende, lo que produce un movimiento de circulacin.

    El calentamiento de una habitacin mediante un radiador no depende tanto de la radiacin como de las corrientes naturales de conveccin, que hacen que el aire caliente suba hacia el techo y el aire fro del resto de la habitacin se dirija hacia el radiador. Debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire fro a bajar, los radiadores deben colocarse cerca del suelo (y los aparatos de aire acondicionado cerca del techo) para que la eficiencia sea mxima. De la misma forma, la conveccin natural es responsable de la ascensin del agua caliente y el vapor en las calderas de conveccin natural, y del tiro de las chimeneas. La conveccin tambin determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la accin de los vientos, la formacin de nubes, las corrientes ocenicas y la transferencia de calor desde el interior del Sol hasta su superficie.

    Radiacin

    La radiacin presenta una diferencia fundamental respecto a la conduccin y la conveccin: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vaco. La radiacin es un trmino que se aplica genricamente a toda clase de fenmenos relacionados con ondas electromagnticas. Algunos fenmenos de la radiacin pueden describirse mediante la teora de ondas, pero la nica explicacin general satisfactoria de la radiacin electromagntica es la teora cuntica. En 1905, Albert Einstein sugiri que la radiacin presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto fotoelctrico, la radiacin se comporta como minsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. La naturaleza cuntica de la energa radiante se haba postulado antes de la aparicin del artculo de Einstein, y en 1900 el fsico alemn Max Planck emple la teora cuntica y el formalismo matemtico de la mecnica estadstica para derivar una ley fundamental de la radiacin. La expresin matemtica de esta ley, llamada distribucin de Planck, relaciona la intensidad de la energa radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda determinada con la temperatura del cuerpo. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe un mximo de energa radiante. Slo un cuerpo ideal (cuerpo negro) emite radiacin ajustndose exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten con una intensidad algo menor.

    La contribucin de todas las longitudes de onda a la energa radiante emitida se denomina poder emisor del cuerpo, y corresponde a la cantidad de energa emitida por unidad de superficie del cuerpo y por unidad de tiempo. Como puede demostrarse a partir de la ley de Planck, el poder emisor de una superficie es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. El factor de proporcionalidad se denomina constante de Stefan-Boltzmann en honor a dos fsicos austriacos, Joseph Stefan y Ludwig Boltzmann que, en 1879 y 1884 respectivamente, descubrieron esta proporcionalidad entre el poder emisor y la temperatura. Segn la ley de Planck, todas las sustancias emiten energa radiante slo por tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energa emitida. Adems de emitir radiacin, todas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un cubito de hielo emite energa radiante de forma continua, se funde si se ilumina con una lmpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor mayor de la que emite.

    Las superficies opacas pueden absorber o reflejar la radiacin incidente. Generalmente, las superficies mates y rugosas absorben ms calor que las superficies brillantes y pulidas, y las superficies brillantes reflejan ms energa radiante que las superficies mates. Adems, las sustancias que absorben mucha radiacin tambin son buenos emisores; las que reflejan mucha radiacin y absorben poco son malos emisores. Por eso, los utensilios de cocina suelen tener fondos mates para una buena absorcin y paredes pulidas para una emisin mnima, 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 radiacin. Se observa experimentalmente que las propiedades de absorcin, reflexin y transmisin de una sustancia dependen de la longitud de onda de la radiacin incidente. El vidrio, por ejemplo, transmite grandes cantidades de radiacin ultravioleta, de baja longitud de onda, pero es un mal transmisor de los rayos infrarrojos, de alta longitud de onda. Una consecuencia de la distribucin de Planck es que la longitud de onda a la que un cuerpo emite la cantidad mxima de energa radiante disminuye con la temperatura. La ley de desplazamiento de Wien, llamada as en honor al fsico alemn Wilhelm Wien, es una expresin matemtica de esta observacin, y afirma que la longitud de onda que corresponde a la mxima energa, multiplicada por la temperatura absoluta del cuerpo, es igual a una constante, 2.878 micrmetros-Kelvin. Este hecho, junto con las propiedades de transmisin del vidrio antes mencionadas, explica el calentamiento de los invernaderos. La energa radiante del Sol, mxima en las longitudes de onda visibles, se transmite a travs del vidrio y entra en el invernadero. En cambio, la energa emitida por los cuerpos del interior del invernadero, predominantemente de longitudes de onda mayores, correspondientes al infrarrojo, no se transmiten al exterior a travs del vidrio. As, aunque la temperatura del aire en el exterior del invernadero sea baja, la temperatura que hay dentro es mucho ms alta porque se produce una considerable transferencia de calor neta hacia su interior.

    Adems de los procesos de transmisin de calor que aumentan o disminuyen las temperaturas de los cuerpos afectados, la transmisin de calor tambin puede producir cambios de fase, como la fusin del hielo o la ebullicin del agua. En ingeniera, los procesos de transferencia de calor suelen disearse de forma que aprovechen estos fenmenos. Por ejemplo, las cpsulas espaciales que regresan a la atmsfera de la Tierra a velocidades muy altas estn dotadas de un escudo trmico que se funde de forma controlada en un proceso llamado ablacin para impedir un sobrecalentamiento del interior de la cpsula. La mayora del calor producido por el rozamiento con la atmsfera se emplea en fundir el escudo trmico y no en aumentar la temperatura de la cpsula.

    Calorimetra.

    Ciencia que mide la cantidad de energa generada en procesos de intercambio de calor. El calormetro es el instrumento que mide dicha energa. El tipo de calormetro de uso ms extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termmetro. Se coloca una fuente de calor en el calormetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termmetro. Si se conoce la capacidad calorfica del calormetro (que tambin puede medirse utilizando una fuente corriente de calor), la cantidad de energa liberada puede calcularse fcilmente. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de temperatura conocida, el calor especfico y el calor latente pueden ir midindose segn se va enfriando el objeto. El calor latente, que no est relacionado con un cambio de temperatura, es la energa trmica desprendida o absorbida por una sustancia al cambiar de un estado a otro, como en el caso de lquido a slido o viceversa. Cuando la fuente de calor es una reaccin qumica, como sucede al quemar un combustible, las sustancias reactivas se colocan en un envase de acero pesado llamado bomba. Esta bomba se introduce en el calormetro y la reaccin se provoca por ignicin, con ayuda de una chispa elctrica.


     
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