Este documento trata sobre la cantidad de calor y la transferencia de calor. Explica que el calor es una forma de energía asociada al movimiento de partículas. Se puede transferir entre objetos por conducción, convección o radiación. También define conceptos como calor latente, calor específico, dilatación y contracción, y explica cómo se mide la temperatura y la cantidad de calor.

1. Física Tema : “Cantidad de Calor”

2. Introducción Calor es una cantidad de energía. Cuándo el calor entra en un cuerpo se produce calentamiento y cuando sale enfriamiento.

3. Para medir este fenómeno se i n trodució el concepto de temperatura . Para relacionar calor y temperatura debemos tener en cuenta lo siguiente: Cuanto mayor la cantidad de calor más calentamos el cuerpo, por consiguiente mayor será la variación de temperatura. Una misma cantidad de calor calentará mucho más un cuerpo pequeño que un cuerpo grande, o sea, la variación de temperatura es proporcional a la cantidad de calor, e inversamente proporcional a la masa

4. Calor En física , el calor se define como energía en tránsito . Generalmente, el calor es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos , moléculas y otras partículas que forman la materia. El calor puede ser creado por reacciones químicas (como en la combustión), nucleares (como en la fusión en el interior del Sol ), disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) o por disipación mecánica (fricción). Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica , según el que dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibra.

5. El calor puede ser transferido entre objetos por diferentes mecanismos, entre ellos radiación , conducción y convección . El calor en si no es una forma de energía . Los cuerpos no tienen calor (el calor no es una función de estado), sino energía interna . El calor es la transferencia de parte de dicha energía interna ( energía térmica ) de un sistema a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura.

6. Hasta el siglo XIX se explicaba que el efecto del calor en la variación de la temperatura por medio de un fluido invisible llamado calórico que se producía cuando algo se quemaba y que podía pasar de un cuerpo a otro. La teoría del calórico afirmaba que una sustancia con mayor temperatura que otra poseía mayor cantidad de calórico.

7. Benjamin Thompson Debido a la imprecisión de los aparatos de medida utilizados en sus experiencias, Thompson (1753-1814) no consiguió demostrar que hubiese conservación de energía en el proceso de transformación de trabajo en calor.

8. Prescott Joule Posteriormente , el físico inglés Prescott Joule (1818-1889) logró demostrarlo experimentalmente, llegando a determinar la cantidad de calor que se obtiene por cada unidad de trabajo que se consume, que es de 0,239 calorías por cada julio de trabajo que se transforma íntegramente en calor.

9. Aparato de Joule Aparato empleado por Joule en la medición del equivalente mecánico del calor. Las masas conocidas m se enrollan por medio de la manivela sobre el cilindro. La cuerda pasa por dos poleas P perfectamente bien engrasadas. La altura de las masas sobre el suelo es conocida, y la temperatura del agua se controla mediante el termómetro.

10. Distinción entre calor y temperatura En la vida cotidiana, generalmente, no se hace distinción entre las nociones de calor y temperatura; sin embargo, en física esta distinción es indispensable. Por cantidad de calor que se encuentra en un cuerpo se entiende el contenido energético que posee este cuerpo en forma de energía cinética debida al movimiento desordenado de sus moléculas.

11. Convección Radiación Conducción Transferencia de Calor

12. Transferencia de energía debida a la diferencia de temperatura entre dos cuerpos. El cuerpo de mayor temperatura cede energía al cuerpo de menor temperatura. Esta cesión puede realizarse por conducción, convección o radiación.

13. El calor se puede propagar de diversas maneras: En el espacio vacío por medio de radiación de ondas electromagnéticas , por ejemplo la radiación recibida del Sol . Entre objetos sólidos en contacto, el calor se propaga por conducción. Cuando masas de aire caliente (menos denso) se mueven hacia arriba desplazando las masas de aire más frías, se dice que el calor se propaga por convección. Cuando un cuerpo sólido o una masa de gas reciben calor, el resultado es que aumenta la temperatura. La diferencia entre un gas caliente y uno frío es que las moléculas del gas caliente tienen en promedio mayor energía cinética (o energía de movimiento).

14. Medición de la cantidad de calor La calorimetría es la parte de la física que estudia la medida del calor. El conocer únicamente la temperatura de un cuerpo no nos precisa totalmente el calor de que dispone. Cuanto mayor sea su masa más calor precisaremos cederle para que aumente un intervalo su temperatura.

15. No todos los cuerpos responden de igual manera al estímulo del calor y es por lo que existe una propiedad característica llamada coeficiente de dilatación lineal, como la cantidad de calor que es necesario suministrarle a un gramo de masa para que aumente la temperatura 1° C. Para medir la cantidad de calor empleamos la unidad denominada caloría que representa la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 1 gramo de agua a 1 atmósfera de presión desde 15 hasta 16 °C. Esta unidad se denomina a veces caloría pequeña o caloría gramo para distinguirla de la caloría grande, o kilocaloría, que equivale a 1.000 calorías y se emplea en nutrición.

16. Recibimos del Sol una cantidad de energía equivalente a 1.350 Vatios por metro cuadrado. Suficiente para satisfacer la demanda energética de nuestra sociedad moderna. Sin embargo, no toda la energía proveniente del Sol es utilizable. Mucha de esta energía no se puede convertir a formas útiles y se pierde. En 1840 James Joule (1818 - 1889) pudo establecer que el calor es una forma de energía, intercambiable con otras formas de energía.

17. Calor latente El cambio de temperatura de una sustancia conlleva una serie de cambios físicos. 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 excepción a esta regla. Se denomina fase de una sustancia a su estado, que puede ser sólido, líquido o gaseoso. Los cambios de fase en sustancias puras tienen lugar a temperaturas y presiones definidas. El paso de sólido a gas se denomina sublimación , de sólido a líquido fusión , y de líquido a vapor vaporización .

18. Si la presión 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 sublimación, fusión y vaporización. Si se hierve agua en un recipiente abierto a la presión de 1 atmósfera, 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 energía en el vapor. Cuando el vapor se condensa para formar agua, esta energía 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 partículas de hielo, y se almacena como energía 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.

19. Calor específico No todos los materiales absorben calor en la misma proporción cuando se les somete a cambios iguales de temperatura. Para ello se utiliza la unidad denominada calor específico que se refiere a la cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia.

20. Si el calentamiento se produce manteniendo constante el volumen de la sustancia o su presión, se habla de calor específico a volumen constante o a presión constante. En todas las sustancias, el primero siempre es menor o igual que el segundo. El calor específico del agua a 15 °C es de 4.185,5 julios por kilogramo y grado Celsius. En el caso del agua y de otras sustancias prácticamente incompresibles, no es necesario distinguir entre los calores específicos a volumen constante y presión constante ya que son aproximadamente iguales. Generalmente, los dos calores específicos de una sustancia dependen de la temperatura.

22. Dilatación y contracción Los cambios de temperatura pueden afectar el tamaño de los objetos. Normalmente, cuando aumenta su temperatura y se calientan se dilatan o expanden; y cuando se enfrían o desciende su temperatura se contraen y desciende su tamaño. En este principio se basa el termómetro.

23. La expansión de un sólido puede expresarse según una, dos o sus tres dimensiones. Así, hablamos de expansión de sólidos lineal, superficial y en volumen. Al conocer la expansión lineal podemos hallar fácilmente las expansiones superficial y en volumen. Esta expansión lineal se mide de acuerdo con el coeficiente de expansión lineal: la variación de longitud de una unidad de longitud de material por cada unidad de cambio de temperatura. Es importante observar que la cantidad de expansión depende tanto de la longitud como del cambio de temperatura. Puesto que metales diferentes tienen coeficientes de expansión distintos, un metal se expandirá más que otro cuando se le someta al mismo grado de calor.

24. Temperatura La sensación de calor o frío 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. Cuando se aporta calor a una sustancia, no sólo se eleva su temperatura, con lo que proporciona una mayor sensación de calor, sino que se producen alteraciones en varias propiedades físicas que pueden medirse con precisión.

25. Al variar la temperatura, las sustancias se dilatan o se contraen, su resistencia eléctrica cambia, y en el caso de un gas, su presión varía. La variación de alguna de estas propiedades suele servir como base para una escala numérica precisa de temperaturas. La temperatura depende de la energía cinética media (o promedio) de las moléculas de una sustancia. A medida que los sólidos, líquidos o gases se calientan, por lo general se expanden. Cuando se enfrían, por lo común se contraen. Estos efectos brindan una manera efectiva para medir la temperatura, esto es, el “Grado de calentamiento” o “Intensidad del calor” de un cuerpo.

26. Los instrumentos diseñados para medir la temperatura se denominan termómetros; el más corriente consiste en un tubo de vidrio que lleva en la parte inferior una cubeta de líquido, normalmente mercurio o alcohol coloreado. Al calentarse, el líquido se dilata y sube por el tubo; si se enfría se contrae y desciende. Su nivel indica la temperatura. El alemán Gabriel Fahrenheit, construyó el primer termómetro confiable en 1714.

27. Fin