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Calor


Representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro como

consecuencia de una diferencia de temperatura entre ambos. El tipo de energía

que se pone en juego en los fenómenos caloríficos se denomina energía térmica.

El carácter energético del calor lleva consigo la posibilidad de transformarlo

en trabajo mecánico. Sin embargo, la naturaleza impone ciertas limitaciones a

este tipo de conversión, lo cual hace que sólo una fracción del calor disponible

sea aprovechable en forma de trabajo útil.


Las ideas acerca de la naturaleza del calor han variado apreciablemente en los

dos últimos siglos. La teoría del calórico o fluido tenue que situado en los poros

o intersticios de la materia pasaba de los cuerpos calientes en los que

supuestamente se hallaba en mayor cantidad a los cuerpos fríos, había ocupado

un lugar destacado en la física desde la época de los filósofos griegos. Sin

embargo, y habiendo alcanzado a finales del siglo XVIII su pleno apogeo, fue

perdiendo credibilidad al no poder explicar los resultados de los experimentos

que científicos tales como Benjamín Thompson (1753-1814) o Humphrey Dabi

(1778-1829) realizaron.


Una vieja idea tímidamente aceptada por sabios del siglo XVII como Galileo

Galilei o Robert Boye resurgió de nuevo. El propio Thompson (conde de Rumor),

según sus propias palabras, aceptó la vuelta a aquellas «viejas doctrinas que

sostienen que el calor no es otra cosa que un movimiento vibratorio de las

partículas del cuerpo».


Las experiencias de Joule (1818-1889) y Mayer (1814-1878) sobre la

conservación de la energía, apuntaban hacia el calor como una forma más de
energía. El calor no sólo era capaz de aumentar la temperatura o modificar el

estado físico de los cuerpos, sino que además podía moverlos y realizar un

trabajo.


Las máquinas de vapor que tan espectacular desarrollo tuvieron a finales del

siglo XVIII y comienzos del XIX eran buena muestra de ello. Desde entonces

las nociones de calor y energía quedaron unidas y el progreso de la física

permitió, a mediados del siglo pasado, encontrar una explicación detallada para

la naturaleza de esa nueva forma de energía, que se pone de manifiesto en los

fenómenos caloríficos.


Calor específico


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

específico se expresa en julios por kilogramo y kelvin; en ocasiones también se

expresa en calorías por gramo y grado centígrado. El calor específico del agua

es una caloría por gramo y grado centígrado, es decir, hay que suministrar una

caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado.


De acuerdo con la ley formulada por los químicos franceses Pierre Louis

Dugongo y Alexis Terse Petito, para la mayoría de los elementos sólidos, el

producto de su calor específico por su masa atómica es una cantidad

aproximadamente constante. Si se expande un gas mientras se le suministra

calor, hacen falta más calorías para aumentar su temperatura en un grado,

porque parte de la energía suministrada se consume en el trabajo de expansión.

Por eso, el calor
Específico a presión constante es mayor que el calor específico a volumen

constante.


Transferencia de Calor


En física, proceso 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 convección, radiación o

conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente,

puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por

ejemplo, el calor se transmite 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


En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la 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.


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.


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. Algunos fenómenos de la radiación pueden

describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general

satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica.


Calorimetría.


Ciencia que mide la cantidad de energía generada en procesos de intercambio

de calor. El


Calorímetro es el instrumento que mide dicha energía. El tipo de calorímetro de

uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con

agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor

en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de

temperatura se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad

calorífica del calorímetro (que también puede medirse utilizando una fuente
corriente de calor), la cantidad de energía liberada puede calcularse

fácilmente. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de temperatura

conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir midiéndose según se va

enfriando el objeto. El calor latente, que no está relacionado con un cambio de

temperatura, es la energía térmica desprendida o absorbida por una sustancia

al cambiar de un estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa.

Cuando la fuente de calor es una reacción química, 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 calorímetro y la reacción se

provoca por ignición, con ayuda de una chispa eléctrica.


Temperatura


Mide la concentración de energía y es aquella propiedad física que permite

asegurar si dos o más sistemas están o no en equilibrio térmico (cuando dos

cuerpos están a la misma temperatura), esto quiere decir que la temperatura

es la magnitud física que mide cuan caliente o cuan frío se encuentra un objeto.


La temperatura se mide en unidades llamadas grados, por medio de los

termómetros, esto se refiere que para medir la temperatura utilizamos una de

las magnitudes que sufre variaciones linealmente a medida que se altera la

temperatura.


Temperatura es el promedio de la energía cinética de las moléculas de un

cuerpo.


Relación entre temperatura y calor
La relación es que la temperatura mide la concentración de energía o de

velocidad promedio de las partículas y el calor energía térmica en tránsito.


Para una mejor explicación de esta relación lo mostraremos con un ejemplo: si

ponemos un recipiente con agua representa la cantidad de calor que un cuerpo

sede o absorbe en un instante dado, el nivel que esta alcanza representa su

temperatura. Si la cantidad de agua, sube el nivel, esto es, si aumenta la

cantidad de calor que posee el cuerpo, aumenta también su temperatura.


Otro ejemplo se nota cuando encendemos un fósforo, se logra una alta

temperatura pero bajo contenido calórico.


Una olla con 10 litros de agua tibia tiene baja temperatura y un gran contenido

calórico.


La temperatura es independiente de la cantidad de sustancia, el calor en

cambio depende de la masa, de la temperatura y del tipo de sustancia.


¿Qué es un Termómetro?


Un termómetro es un instrumento que mide la temperatura de un sistema en

forma cuantitativa. Una forma fácil de hacerlo es encontrando una sustancia

que tenga una propiedad que cambie de manera regular con la temperatura.


Donde t es la temperatura y cambia con la propiedad x de la sustancia. Las

constantes a y b dependen de la sustancia usada y deben ser evaluadas en dos

puntos de temperatura específicos sobre la escala, por ejemplo, 32° para el

punto congelamiento del agua y 212° para el punto de ebullición.
Después se aclara que este es el rango de una escala ya conocida como el

Fahrenheit.


Por ejemplo, el mercurio es líquido dentro del rango de temperaturas de -38,9°

Ca


356,7° C (la escala Celsius se discute más adelante). Como un líquido, el

mercurio se expande cuando se calienta, esta expansión es lineal y puede ser

calibrada con exactitud.


El dibujo del termómetro de vidrio de mercurio ilustrado arriba contiene un

bulbo fijo con mercurio que le permite expandirse dentro del capilar. Esta

expansión fue calibrada sobre el vidrio del termómetro.


Desarrollo de Termómetros y Escalas de Temperaturas.


Uno de los primeros intentos para hacer un estándar de temperaturas ocurrió

alrededor de AD 170, cuando Galeno, en sus notas médicas, propone un

estándar de temperatura "neutral" completando cantidades iguales para la

ebullición del agua y el hielo. Sobre cualquier lado de esta temperatura tenía

cuatro grados de calor y cuatro grados de frío respectivamente.


Los primeros equipos usados para medir la temperatura fueron llamados

Termoscopios.


Consistían en un bulbo de vidrio que tiene un largo tubo extendido hacia abajo

colocado dentro de un recipiente que contiene agua con colorante (aunque

Galileo en 1610 utilizó vino). Algo del aire contenido dentro del bulbo se

expulsa, por lo cual el líquido se eleva a través del tubo para tomar su lugar.
Como el aire remanente del bulbo se calienta o enfría, el nivel de líquido en el

tubo varia reflejo del cambio de la temperatura del aire. Colocando una escala

grabada sobre el tubo, se puede medir en forma cuantitativa estas

fluctuaciones.


El aire dentro del bulbo es referido como medio termométrico, siendo aquel

medio cuya propiedad cambia con la temperatura.


En 1641 el primer termómetro sellado que usó líquido en vez de aire como

medio termométrico fue desarrollado por Feriando II, Gran Duque de Toscana.

Su termómetro usó un equipo sellado


En vidrio dentro del cual había alcohol, con 50 "grados" marcados sobre el tubo

pero un "punto fijo" para el cero de la escala no fue utilizado, Estos fueron

referidos como termómetros de "espíritu".


Robert Hook, párroco de la Sociedad Real, en 1664 usó un tinte rojo en alcohol.

Su escala, para la cual todos los grado representaban un igual incremento de

volumen equivalente alrededor de 1/500 partes del volumen del líquido del

termómetro, necesitó solo un punto fijo. El seleccionó el punto de

congelamiento del agua. Por una escala presentada de esta manera, Hook

presentó que un mismo estándar puede ser establecido para termómetros de

tamaños diferentes. El termómetro original de Hook quedó conocido como un

estándar del Graham College y fue usado por la Sociedad Real hasta 1709. (El

primer registro meteorológico inteligible usó esta escala).
En 1702, el astrónomo Ole Roerme de Copenhague basó su escala en dos puntos

fijos: nieve (o hielo comprimido) y el punto de ebullición del agua, y registró la

temperatura diaria en Copenhague desde 1708 a 1709 con su termómetro.


Fue en 1724 que Gabriel Fahrenheit usó mercurio como liquido termométrico.

La expansión térmica del mercurio es amplia y suavemente uniforme, esto

permite que no se adhiera al vidrio y permanece líquido ante un amplio rango de

temperaturas. Su apariencia plateada hace que sea fácil de leer. Fahrenheit

describió como calibró la escala de mercurio de su termómetro de la siguiente

manera:


“Colocando el termómetro en una mezcla de sal de amonio o agua salada, hielo,

y agua, un punto sobre la escala pudo ser encontrado el cual llamó cero. Un

segundo punto fue obtenido de la misma manera, si la mezcla es usada sin sal.

Denotando este punto como 30. Un tercer punto designado como 96 fue

obtenido colocando el termómetro en la boca para adquirir el calor del cuerpo

humano." (D.G Fahrenheit, Phil. Tras. (London) 33, 78, 1724).


Sobre esta escala, Fahrenheit midió el punto de ebullición del agua obteniendo

21 2. Después adjudicó el punto de congelamiento del agua a 32 así que el

intervalo entre el punto de congelamiento y ebullición del agua puede ser

representado por el número racional 180. Temperaturas medidas sobre esta

escala son designadas como grados Fahrenheit (°F).


En 1745 Carlos Lineo de Upsala, Suecia, describió una escala en la cual el punto

de congelamiento del agua era 100 y el punto de ebullición cero haciendo esto

una escala centígrada. Andes Celsius (1701-1744) usaron la escala al revés en la

cual cero representaron el punto de congelamiento y 100 el punto de ebullición
del agua, manteniendo los 100 grados entre los dos puntos. En 1948 el término

Grado Centígrado fue reemplazado por el de Grados Celsius. Temperaturas

medidas sobre una escala centígrada, con el punto de congelamiento del agua

como cero, son designadas como grados Celsius (°C).


En 1780, J.A. C. Charles, físico francés, presentó que para un mismo

incremento de temperatura, todos los gases tienen el mismo aumento de

volumen. Porque los coeficientes de expansión de los gases son tal que están

muy cerca uno del otro, con esto es posible establecer una escala de

temperatura basada en un solo punto fijo en vez de dos, tal como en la

Fahrenheit o Celsius. Esto


Nos lleva a termómetro que use gas como medio termométrico.


En este termómetro de gas a volumen constante el bulbo B que contiene

hidrógeno (por ejemplo) bajo una cierta presión, se conecta con un manómetro

de mercurio por medio de un tubo de volumen muy pequeño. (El bulbo B es la

porción sensible a la temperatura y debe procurarse que todo sea de

mercurio). El nivel de mercurio en C puede adjudicarse al elevarse o no el nivel

en el reservorio R. La presión del hidrógeno la cual es "x" varía en relación

lineal con la temperatura, es la diferencia entre los niveles D y C más la presión

encima de D.


P. Chapáis in 1887 dirigió extensos estudios sobre los termómetros de gas con

presión constante o con volumen constante usando hidrógeno, nitrógeno y

bióxido de carbono como medios termométricos. Basado en estos resultados, el

Comité Internacional de Pesos y Medidas adoptó la escala de hidrógeno a
volumen constante tomando como puntos fijos el punto de hielo (0° C) y de

vapor (100° C) como escala práctica para la meteorología internacional.


Experimentos con termómetros de gas han divulgado que es muy pequeña la

diferencia en la lectura de temperaturas utilizando diferentes gases. Así es

posible, fijar una escala de temperatura que sea independiente del medio

termométrico si este es un gas a baja presión. En este caso, todos los gases se

comportan como un gas ideal.


Esta temperatura es llamada temperatura termodinámica y es aceptada en la

actualidad como medida fundamental de temperatura. Note que hay una

definición natural del cero en esta escala; es el punto donde la presión del gas

ideal se hace cero, por lo tanto la temperatura es cero. La discusión sobre el

cero absoluto se hará posteriormente. En 1933, El Comité Internacional de

Pesos y Medidas adoptó como punto fijo el punto triple del agua, (la

temperatura a la cual el agua el hielo, agua líquido y vapor coexisten en

equilibrio), este valor es 273,16, la unidad de temperatura de esta escala fue

llamada Kelvin, por Lord Kelvin (Williams Thompson) 1824-1907, y su símbolo es

K. (no utiliza grados).


Temperatura Termodinámica es la temperatura fundamental, su unidad es el

Kelvin la cual se define como una fracción de 1/273,16 de la temperatura

termodinámica del punto triple del agua.


Sir   William   Siemens   en   1871   propuso   un   termómetro   donde   medio

termométrico es un conductor metálico cuya resistencia cambia con la

temperatura. El platino no se oxida a altas temperaturas y tiene un cambio

relativamente uniforme con la temperatura en un amplio rango. El termómetro
de   resistencia   de   platino   es   ampliamente   usado   como   termómetro

termoeléctrico y cubre un rango de temperaturas que va desde -260° C a

1235° C.


Algunas temperaturas fueron adoptadas como Referencias Primarias tal como

las definió la Escala Internacional de Temperaturas Prácticas en 1968. La

Escala de Internacional de Temperaturas en 1990 adoptó por el Comité

Internacional de Pesos y Medidas los siguientes estándares mantenidos desde

1989. Entre 0,65K y 5,0 K, la temperatura se definió en términos de la presión

de vapor (relación de temperaturas del isótopo de Helio). Entre 3,0 K y el

punto triple del Neón (24,5561 K) la temperatura se definió por medio de un

termómetro de gas (Helio). Entre el punto triple del hidrógeno (13,8033 K) y el

punto de congelamiento de la plata (961,78)


La temperatura se definió por medio de termómetros de resistencia de platino.

Por encima del


(C°) punto de congelamiento de la plata la temperatura se definió en términos

de la Ley de Radiación de Planco.


T.J. Sebe en 1826 descubrió que cuando alambres de diferentes metales son

fusionados en un terminal y calentados, fluye corriente de uno a otro. La

fuerza electromotriz generada puede ser cuantitativamente relacionada con la

temperatura y así el sistema puede ser usado como termómetro, conocido como

termocouple. La termocouple es usada en la industria y diferentes metales son

usados: níquel / aluminio y platino / platino-rodio, por ejemplo. El Instituto

Nacional de Estándares y Tecnologías (NIST) mantiene bases de datos para

estandarizar termómetros.
Para las medidas a muy bajas temperaturas, la susceptibilidad magnética de

una sustancia paramagnética es usada como una cantidad física termométrica.

Para algunas sustancias, la susceptibilidad magnética varía inversamente con la

temperatura. Cristales como (cerros magnesia nítrate y crómica potasen alum)

han sido usados para medir temperaturas por debajo de 0,05 K; estos cristales

son calibrados en un rango de helio líquido. Este diagrama y las últimas

ilustraciones de este texto fueron tomados del archivo de imágenes del

Laboratorio de Bajas Temperaturas de la Universidad Tecnológica de Helsinki.

Para estas temperaturas tanto o más bajas que estas, el termómetro es

también usado como mecanismo de enfriamiento. Algunos laboratorios de bajas

temperaturas conducen interesantes aplicaciones e investigaciones teóricas

sobre cómo alcanzar la temperatura más baja posible, como trabajarlas y

encontrarle aplicaciones.


Termómetros usados en la actualidad:


- Termómetro de líquido


- Termómetro de gas


- Termómetro bimetálico


- Termómetro de resistencia


- Termistor


- Termómetro diferencial


Distintas Escalas de Temperatura
Las escalas de temperatura fueron desarrolladas por los científicos con el

propósito de comunicar y comparar sus resultados. Las dos más utilizadas son

las Celsius y Kelvin pero también hay otras como:


Escala Centígrada:


Se le asigna el valor cero (0) a la temperatura de fusión del agua a presión

normal y a 45º de latitud. El intervalo entre dichas temperaturas se divide en

100 partes, cada una de las cuales recibe el nombre de grado centígrado o

grado Celsius (ºC). Las temperaturas inferiores a la de fusión del agua resultan

negativas en esta escala.


Escala Fahrenheit:


Se le da el valor de 32 a la temperatura de fusión del agua y el valor de 212 a

la de ebullición del agua. El intervalo de dichas temperaturas se divide en 180

partes, cada una de las cuales se denomina grado Fahrenheit (ºF).


Escala Reasumir:


La temperatura de fusión del agua se designa por cero (0) y la ebullición del

agua por 80, dividiéndose el intervalo entre ellas en 80 partes, cada una de las

cuales se denomina grado reasumir (ºR). La ecuación que relaciona las

diferentes escalas de temperatura es:


La escala centígrada se usa preferentemente en trabajos científicos y en los

países latinos. La escala Fahrenheit es más usada popularmente en los E.E.U.U.

y en Inglaterra. La escala reasumir se emplea exclusivamente en los países

escandinavos. La experimentación y los razonamientos teóricos han indicado
que no es posible lograr temperaturas inferiores a cierta temperatura mínima

que recibe el nombre de cero absoluto. A esta temperatura la energía de las

moléculas de los cuerpos tiene su menor valor posible. El cero absoluto

corresponde en la escala centígrada a una temperatura de -273.16 ºC,

usualmente se toma el valor de -273 ºC. Por esta y otras razones, Lord Kelvin

(Sir William Thompson) propuso medir las temperaturas negativas o "bajo

cero".


Escala Kelvin:


Es la escala absoluta cuyo cero coincide con el cero absoluto y cuyos grados

tienen el mismo valor que los grados centígrados. En esta escala el cero

absoluto corresponde a 0 ºK, la temperatura de fusión del agua corresponde a

273 ºK y la de ebullición del agua corresponde a 373ºK. La escala absoluta de

Kelvin se utiliza mucho en la ciencia.


Escala Rankine:


Es la escala absoluta correspondiente al Fahrenheit, donde el punto cero

corresponde a -459.7 ºF.


Dilatación


Aumento de tamaño de los materiales, a menudo por efecto del aumento de

temperatura. Los diferentes materiales aumentan más o menos de tamaño, y

los sólidos, líquidos y gases se comportan de modo distinto.
Dilatación térmica: Dilatación, por lo general, la materia se dilata al calentarla

y se contrae al enfriarla. Esta dilatación se determina por medio de los

llamados coeficientes de dilatación.


En esta definición se supone que a no depende de la temperatura, lo cual no es

estrictamente cierto.


Dilatación Lineal: Un cambio en una dimensión de un sólido. La longitud inicial es

Lo y la temperatura inicial es tú. El valor de temperatura que vario o

temperatura final es t y la nueva longitud dilatada es L. De tal manera, un

cambio en la temperatura? T=t-tú ha dado como resultado un cambio en su

longitud.
EXPERIMENTO

¿Cómo es posible que cuando hacen mucho calor algunas oficinas y tiendas

continúen frescas?




                                                           Materiales necesarios

                                                            1 pedazo de algodón

                                                                   1 termómetro

                                                                         Alcohol

                                                                 1 liga (elástica)




La experiencia



   1. Observa la temperatura que indica el termómetro.

   2. Impregna el algodón de alcohol.

   3. Fija el algodón con la liga (elástica) sobre la reserva de mercurio del

      termómetro.

   4. Espera unos 20 minutos y luego lee la temperatura del termómetro.


      ¿Cuál es la temperatura que indica?
La explicación



La temperatura ha bajado varios grados. El alcohol contenido en el algodón

pasa del estado líquido al estado gaseoso, evaporándose en el aire. Para

cambiar de estado, el alcohol debe absorber el calor. El calor es tomado con el

termómetro, el cual indica una temperatura más baja.


Obtuvimos un vaporado rizador, un objeto que permite intercambiar

temperaturas, en el que el fluido refrigerante se vaporiza sacando el calor del

medio que se desea enfriar.




La aplicación



El aire acondicionado funciona con este principio. Un ventilador extrae el aire

caliente y húmedo de la habitación que pasa a tener contacto con

un vaporizador, un tubo por el cual circula un líquido que se transforma en

vapor cuando está a temperatura alta, pero que se convierte en líquido cuando

la temperatura del aire es fría. A medida que ese líquido se transforma en

vapor con el contacto del aire caliente, absorbe el calor del aire. Como el aire

se enfría, la humedad que contiene se condensa en gotitas de agua, que van a un

sistema de evacuación. El aire seco y fresco regresa entonces a la habitación.

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NIVELACIÓN CUARTO PERIODO.

  • 1. Calor Representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ambos. El tipo de energía que se pone en juego en los fenómenos caloríficos se denomina energía térmica. El carácter energético del calor lleva consigo la posibilidad de transformarlo en trabajo mecánico. Sin embargo, la naturaleza impone ciertas limitaciones a este tipo de conversión, lo cual hace que sólo una fracción del calor disponible sea aprovechable en forma de trabajo útil. Las ideas acerca de la naturaleza del calor han variado apreciablemente en los dos últimos siglos. La teoría del calórico o fluido tenue que situado en los poros o intersticios de la materia pasaba de los cuerpos calientes en los que supuestamente se hallaba en mayor cantidad a los cuerpos fríos, había ocupado un lugar destacado en la física desde la época de los filósofos griegos. Sin embargo, y habiendo alcanzado a finales del siglo XVIII su pleno apogeo, fue perdiendo credibilidad al no poder explicar los resultados de los experimentos que científicos tales como Benjamín Thompson (1753-1814) o Humphrey Dabi (1778-1829) realizaron. Una vieja idea tímidamente aceptada por sabios del siglo XVII como Galileo Galilei o Robert Boye resurgió de nuevo. El propio Thompson (conde de Rumor), según sus propias palabras, aceptó la vuelta a aquellas «viejas doctrinas que sostienen que el calor no es otra cosa que un movimiento vibratorio de las partículas del cuerpo». Las experiencias de Joule (1818-1889) y Mayer (1814-1878) sobre la conservación de la energía, apuntaban hacia el calor como una forma más de
  • 2. energía. El calor no sólo era capaz de aumentar la temperatura o modificar el estado físico de los cuerpos, sino que además podía moverlos y realizar un trabajo. Las máquinas de vapor que tan espectacular desarrollo tuvieron a finales del siglo XVIII y comienzos del XIX eran buena muestra de ello. Desde entonces las nociones de calor y energía quedaron unidas y el progreso de la física permitió, a mediados del siglo pasado, encontrar una explicación detallada para la naturaleza de esa nueva forma de energía, que se pone de manifiesto en los fenómenos caloríficos. Calor específico 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 específico se expresa en julios por kilogramo y kelvin; en ocasiones también se expresa en calorías por gramo y grado centígrado. El calor específico del agua es una caloría por gramo y grado centígrado, es decir, hay que suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado. De acuerdo con la ley formulada por los químicos franceses Pierre Louis Dugongo y Alexis Terse Petito, para la mayoría de los elementos sólidos, el producto de su calor específico por su masa atómica es una cantidad aproximadamente constante. Si se expande un gas mientras se le suministra calor, hacen falta más calorías para aumentar su temperatura en un grado, porque parte de la energía suministrada se consume en el trabajo de expansión. Por eso, el calor
  • 3. Específico a presión constante es mayor que el calor específico a volumen constante. Transferencia de Calor En física, proceso 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 convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite 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 En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la 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. 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
  • 4. 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. 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. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. Calorimetría. Ciencia que mide la cantidad de energía generada en procesos de intercambio de calor. El Calorímetro es el instrumento que mide dicha energía. El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro (que también puede medirse utilizando una fuente
  • 5. corriente de calor), la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de temperatura conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir midiéndose según se va enfriando el objeto. El calor latente, que no está relacionado con un cambio de temperatura, es la energía térmica desprendida o absorbida por una sustancia al cambiar de un estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa. Cuando la fuente de calor es una reacción química, 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 calorímetro y la reacción se provoca por ignición, con ayuda de una chispa eléctrica. Temperatura Mide la concentración de energía y es aquella propiedad física que permite asegurar si dos o más sistemas están o no en equilibrio térmico (cuando dos cuerpos están a la misma temperatura), esto quiere decir que la temperatura es la magnitud física que mide cuan caliente o cuan frío se encuentra un objeto. La temperatura se mide en unidades llamadas grados, por medio de los termómetros, esto se refiere que para medir la temperatura utilizamos una de las magnitudes que sufre variaciones linealmente a medida que se altera la temperatura. Temperatura es el promedio de la energía cinética de las moléculas de un cuerpo. Relación entre temperatura y calor
  • 6. La relación es que la temperatura mide la concentración de energía o de velocidad promedio de las partículas y el calor energía térmica en tránsito. Para una mejor explicación de esta relación lo mostraremos con un ejemplo: si ponemos un recipiente con agua representa la cantidad de calor que un cuerpo sede o absorbe en un instante dado, el nivel que esta alcanza representa su temperatura. Si la cantidad de agua, sube el nivel, esto es, si aumenta la cantidad de calor que posee el cuerpo, aumenta también su temperatura. Otro ejemplo se nota cuando encendemos un fósforo, se logra una alta temperatura pero bajo contenido calórico. Una olla con 10 litros de agua tibia tiene baja temperatura y un gran contenido calórico. La temperatura es independiente de la cantidad de sustancia, el calor en cambio depende de la masa, de la temperatura y del tipo de sustancia. ¿Qué es un Termómetro? Un termómetro es un instrumento que mide la temperatura de un sistema en forma cuantitativa. Una forma fácil de hacerlo es encontrando una sustancia que tenga una propiedad que cambie de manera regular con la temperatura. Donde t es la temperatura y cambia con la propiedad x de la sustancia. Las constantes a y b dependen de la sustancia usada y deben ser evaluadas en dos puntos de temperatura específicos sobre la escala, por ejemplo, 32° para el punto congelamiento del agua y 212° para el punto de ebullición.
  • 7. Después se aclara que este es el rango de una escala ya conocida como el Fahrenheit. Por ejemplo, el mercurio es líquido dentro del rango de temperaturas de -38,9° Ca 356,7° C (la escala Celsius se discute más adelante). Como un líquido, el mercurio se expande cuando se calienta, esta expansión es lineal y puede ser calibrada con exactitud. El dibujo del termómetro de vidrio de mercurio ilustrado arriba contiene un bulbo fijo con mercurio que le permite expandirse dentro del capilar. Esta expansión fue calibrada sobre el vidrio del termómetro. Desarrollo de Termómetros y Escalas de Temperaturas. Uno de los primeros intentos para hacer un estándar de temperaturas ocurrió alrededor de AD 170, cuando Galeno, en sus notas médicas, propone un estándar de temperatura "neutral" completando cantidades iguales para la ebullición del agua y el hielo. Sobre cualquier lado de esta temperatura tenía cuatro grados de calor y cuatro grados de frío respectivamente. Los primeros equipos usados para medir la temperatura fueron llamados Termoscopios. Consistían en un bulbo de vidrio que tiene un largo tubo extendido hacia abajo colocado dentro de un recipiente que contiene agua con colorante (aunque Galileo en 1610 utilizó vino). Algo del aire contenido dentro del bulbo se expulsa, por lo cual el líquido se eleva a través del tubo para tomar su lugar.
  • 8. Como el aire remanente del bulbo se calienta o enfría, el nivel de líquido en el tubo varia reflejo del cambio de la temperatura del aire. Colocando una escala grabada sobre el tubo, se puede medir en forma cuantitativa estas fluctuaciones. El aire dentro del bulbo es referido como medio termométrico, siendo aquel medio cuya propiedad cambia con la temperatura. En 1641 el primer termómetro sellado que usó líquido en vez de aire como medio termométrico fue desarrollado por Feriando II, Gran Duque de Toscana. Su termómetro usó un equipo sellado En vidrio dentro del cual había alcohol, con 50 "grados" marcados sobre el tubo pero un "punto fijo" para el cero de la escala no fue utilizado, Estos fueron referidos como termómetros de "espíritu". Robert Hook, párroco de la Sociedad Real, en 1664 usó un tinte rojo en alcohol. Su escala, para la cual todos los grado representaban un igual incremento de volumen equivalente alrededor de 1/500 partes del volumen del líquido del termómetro, necesitó solo un punto fijo. El seleccionó el punto de congelamiento del agua. Por una escala presentada de esta manera, Hook presentó que un mismo estándar puede ser establecido para termómetros de tamaños diferentes. El termómetro original de Hook quedó conocido como un estándar del Graham College y fue usado por la Sociedad Real hasta 1709. (El primer registro meteorológico inteligible usó esta escala).
  • 9. En 1702, el astrónomo Ole Roerme de Copenhague basó su escala en dos puntos fijos: nieve (o hielo comprimido) y el punto de ebullición del agua, y registró la temperatura diaria en Copenhague desde 1708 a 1709 con su termómetro. Fue en 1724 que Gabriel Fahrenheit usó mercurio como liquido termométrico. La expansión térmica del mercurio es amplia y suavemente uniforme, esto permite que no se adhiera al vidrio y permanece líquido ante un amplio rango de temperaturas. Su apariencia plateada hace que sea fácil de leer. Fahrenheit describió como calibró la escala de mercurio de su termómetro de la siguiente manera: “Colocando el termómetro en una mezcla de sal de amonio o agua salada, hielo, y agua, un punto sobre la escala pudo ser encontrado el cual llamó cero. Un segundo punto fue obtenido de la misma manera, si la mezcla es usada sin sal. Denotando este punto como 30. Un tercer punto designado como 96 fue obtenido colocando el termómetro en la boca para adquirir el calor del cuerpo humano." (D.G Fahrenheit, Phil. Tras. (London) 33, 78, 1724). Sobre esta escala, Fahrenheit midió el punto de ebullición del agua obteniendo 21 2. Después adjudicó el punto de congelamiento del agua a 32 así que el intervalo entre el punto de congelamiento y ebullición del agua puede ser representado por el número racional 180. Temperaturas medidas sobre esta escala son designadas como grados Fahrenheit (°F). En 1745 Carlos Lineo de Upsala, Suecia, describió una escala en la cual el punto de congelamiento del agua era 100 y el punto de ebullición cero haciendo esto una escala centígrada. Andes Celsius (1701-1744) usaron la escala al revés en la cual cero representaron el punto de congelamiento y 100 el punto de ebullición
  • 10. del agua, manteniendo los 100 grados entre los dos puntos. En 1948 el término Grado Centígrado fue reemplazado por el de Grados Celsius. Temperaturas medidas sobre una escala centígrada, con el punto de congelamiento del agua como cero, son designadas como grados Celsius (°C). En 1780, J.A. C. Charles, físico francés, presentó que para un mismo incremento de temperatura, todos los gases tienen el mismo aumento de volumen. Porque los coeficientes de expansión de los gases son tal que están muy cerca uno del otro, con esto es posible establecer una escala de temperatura basada en un solo punto fijo en vez de dos, tal como en la Fahrenheit o Celsius. Esto Nos lleva a termómetro que use gas como medio termométrico. En este termómetro de gas a volumen constante el bulbo B que contiene hidrógeno (por ejemplo) bajo una cierta presión, se conecta con un manómetro de mercurio por medio de un tubo de volumen muy pequeño. (El bulbo B es la porción sensible a la temperatura y debe procurarse que todo sea de mercurio). El nivel de mercurio en C puede adjudicarse al elevarse o no el nivel en el reservorio R. La presión del hidrógeno la cual es "x" varía en relación lineal con la temperatura, es la diferencia entre los niveles D y C más la presión encima de D. P. Chapáis in 1887 dirigió extensos estudios sobre los termómetros de gas con presión constante o con volumen constante usando hidrógeno, nitrógeno y bióxido de carbono como medios termométricos. Basado en estos resultados, el Comité Internacional de Pesos y Medidas adoptó la escala de hidrógeno a
  • 11. volumen constante tomando como puntos fijos el punto de hielo (0° C) y de vapor (100° C) como escala práctica para la meteorología internacional. Experimentos con termómetros de gas han divulgado que es muy pequeña la diferencia en la lectura de temperaturas utilizando diferentes gases. Así es posible, fijar una escala de temperatura que sea independiente del medio termométrico si este es un gas a baja presión. En este caso, todos los gases se comportan como un gas ideal. Esta temperatura es llamada temperatura termodinámica y es aceptada en la actualidad como medida fundamental de temperatura. Note que hay una definición natural del cero en esta escala; es el punto donde la presión del gas ideal se hace cero, por lo tanto la temperatura es cero. La discusión sobre el cero absoluto se hará posteriormente. En 1933, El Comité Internacional de Pesos y Medidas adoptó como punto fijo el punto triple del agua, (la temperatura a la cual el agua el hielo, agua líquido y vapor coexisten en equilibrio), este valor es 273,16, la unidad de temperatura de esta escala fue llamada Kelvin, por Lord Kelvin (Williams Thompson) 1824-1907, y su símbolo es K. (no utiliza grados). Temperatura Termodinámica es la temperatura fundamental, su unidad es el Kelvin la cual se define como una fracción de 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua. Sir William Siemens en 1871 propuso un termómetro donde medio termométrico es un conductor metálico cuya resistencia cambia con la temperatura. El platino no se oxida a altas temperaturas y tiene un cambio relativamente uniforme con la temperatura en un amplio rango. El termómetro
  • 12. de resistencia de platino es ampliamente usado como termómetro termoeléctrico y cubre un rango de temperaturas que va desde -260° C a 1235° C. Algunas temperaturas fueron adoptadas como Referencias Primarias tal como las definió la Escala Internacional de Temperaturas Prácticas en 1968. La Escala de Internacional de Temperaturas en 1990 adoptó por el Comité Internacional de Pesos y Medidas los siguientes estándares mantenidos desde 1989. Entre 0,65K y 5,0 K, la temperatura se definió en términos de la presión de vapor (relación de temperaturas del isótopo de Helio). Entre 3,0 K y el punto triple del Neón (24,5561 K) la temperatura se definió por medio de un termómetro de gas (Helio). Entre el punto triple del hidrógeno (13,8033 K) y el punto de congelamiento de la plata (961,78) La temperatura se definió por medio de termómetros de resistencia de platino. Por encima del (C°) punto de congelamiento de la plata la temperatura se definió en términos de la Ley de Radiación de Planco. T.J. Sebe en 1826 descubrió que cuando alambres de diferentes metales son fusionados en un terminal y calentados, fluye corriente de uno a otro. La fuerza electromotriz generada puede ser cuantitativamente relacionada con la temperatura y así el sistema puede ser usado como termómetro, conocido como termocouple. La termocouple es usada en la industria y diferentes metales son usados: níquel / aluminio y platino / platino-rodio, por ejemplo. El Instituto Nacional de Estándares y Tecnologías (NIST) mantiene bases de datos para estandarizar termómetros.
  • 13. Para las medidas a muy bajas temperaturas, la susceptibilidad magnética de una sustancia paramagnética es usada como una cantidad física termométrica. Para algunas sustancias, la susceptibilidad magnética varía inversamente con la temperatura. Cristales como (cerros magnesia nítrate y crómica potasen alum) han sido usados para medir temperaturas por debajo de 0,05 K; estos cristales son calibrados en un rango de helio líquido. Este diagrama y las últimas ilustraciones de este texto fueron tomados del archivo de imágenes del Laboratorio de Bajas Temperaturas de la Universidad Tecnológica de Helsinki. Para estas temperaturas tanto o más bajas que estas, el termómetro es también usado como mecanismo de enfriamiento. Algunos laboratorios de bajas temperaturas conducen interesantes aplicaciones e investigaciones teóricas sobre cómo alcanzar la temperatura más baja posible, como trabajarlas y encontrarle aplicaciones. Termómetros usados en la actualidad: - Termómetro de líquido - Termómetro de gas - Termómetro bimetálico - Termómetro de resistencia - Termistor - Termómetro diferencial Distintas Escalas de Temperatura
  • 14. Las escalas de temperatura fueron desarrolladas por los científicos con el propósito de comunicar y comparar sus resultados. Las dos más utilizadas son las Celsius y Kelvin pero también hay otras como: Escala Centígrada: Se le asigna el valor cero (0) a la temperatura de fusión del agua a presión normal y a 45º de latitud. El intervalo entre dichas temperaturas se divide en 100 partes, cada una de las cuales recibe el nombre de grado centígrado o grado Celsius (ºC). Las temperaturas inferiores a la de fusión del agua resultan negativas en esta escala. Escala Fahrenheit: Se le da el valor de 32 a la temperatura de fusión del agua y el valor de 212 a la de ebullición del agua. El intervalo de dichas temperaturas se divide en 180 partes, cada una de las cuales se denomina grado Fahrenheit (ºF). Escala Reasumir: La temperatura de fusión del agua se designa por cero (0) y la ebullición del agua por 80, dividiéndose el intervalo entre ellas en 80 partes, cada una de las cuales se denomina grado reasumir (ºR). La ecuación que relaciona las diferentes escalas de temperatura es: La escala centígrada se usa preferentemente en trabajos científicos y en los países latinos. La escala Fahrenheit es más usada popularmente en los E.E.U.U. y en Inglaterra. La escala reasumir se emplea exclusivamente en los países escandinavos. La experimentación y los razonamientos teóricos han indicado
  • 15. que no es posible lograr temperaturas inferiores a cierta temperatura mínima que recibe el nombre de cero absoluto. A esta temperatura la energía de las moléculas de los cuerpos tiene su menor valor posible. El cero absoluto corresponde en la escala centígrada a una temperatura de -273.16 ºC, usualmente se toma el valor de -273 ºC. Por esta y otras razones, Lord Kelvin (Sir William Thompson) propuso medir las temperaturas negativas o "bajo cero". Escala Kelvin: Es la escala absoluta cuyo cero coincide con el cero absoluto y cuyos grados tienen el mismo valor que los grados centígrados. En esta escala el cero absoluto corresponde a 0 ºK, la temperatura de fusión del agua corresponde a 273 ºK y la de ebullición del agua corresponde a 373ºK. La escala absoluta de Kelvin se utiliza mucho en la ciencia. Escala Rankine: Es la escala absoluta correspondiente al Fahrenheit, donde el punto cero corresponde a -459.7 ºF. Dilatación Aumento de tamaño de los materiales, a menudo por efecto del aumento de temperatura. Los diferentes materiales aumentan más o menos de tamaño, y los sólidos, líquidos y gases se comportan de modo distinto.
  • 16. Dilatación térmica: Dilatación, por lo general, la materia se dilata al calentarla y se contrae al enfriarla. Esta dilatación se determina por medio de los llamados coeficientes de dilatación. En esta definición se supone que a no depende de la temperatura, lo cual no es estrictamente cierto. Dilatación Lineal: Un cambio en una dimensión de un sólido. La longitud inicial es Lo y la temperatura inicial es tú. El valor de temperatura que vario o temperatura final es t y la nueva longitud dilatada es L. De tal manera, un cambio en la temperatura? T=t-tú ha dado como resultado un cambio en su longitud.
  • 17. EXPERIMENTO ¿Cómo es posible que cuando hacen mucho calor algunas oficinas y tiendas continúen frescas? Materiales necesarios 1 pedazo de algodón 1 termómetro Alcohol 1 liga (elástica) La experiencia 1. Observa la temperatura que indica el termómetro. 2. Impregna el algodón de alcohol. 3. Fija el algodón con la liga (elástica) sobre la reserva de mercurio del termómetro. 4. Espera unos 20 minutos y luego lee la temperatura del termómetro. ¿Cuál es la temperatura que indica?
  • 18. La explicación La temperatura ha bajado varios grados. El alcohol contenido en el algodón pasa del estado líquido al estado gaseoso, evaporándose en el aire. Para cambiar de estado, el alcohol debe absorber el calor. El calor es tomado con el termómetro, el cual indica una temperatura más baja. Obtuvimos un vaporado rizador, un objeto que permite intercambiar temperaturas, en el que el fluido refrigerante se vaporiza sacando el calor del medio que se desea enfriar. La aplicación El aire acondicionado funciona con este principio. Un ventilador extrae el aire caliente y húmedo de la habitación que pasa a tener contacto con un vaporizador, un tubo por el cual circula un líquido que se transforma en vapor cuando está a temperatura alta, pero que se convierte en líquido cuando la temperatura del aire es fría. A medida que ese líquido se transforma en vapor con el contacto del aire caliente, absorbe el calor del aire. Como el aire se enfría, la humedad que contiene se condensa en gotitas de agua, que van a un sistema de evacuación. El aire seco y fresco regresa entonces a la habitación.