El documento aborda conceptos fundamentales de temperatura, dilatación y calor, explicando diversas escalas termométricas como Celsius, Kelvin y Fahrenheit. Se analizan los efectos de la temperatura en la dilatación de sólidos y líquidos, así como los métodos de transmisión de calor: conducción, convección y radiación. Además, se destacan características especiales del agua en relación con su dilatación irregular y la importancia del calor como forma de energía.

1. SEMANA 6 5 al 9 de octubre Temperatura Escalas termométricas Dilatación en sólidos y líquidos Calor Definición Métodos de Transmisión del calor

2. OBJETIVOS Conocer las diferentes escalas de temperatura y saber utilizar y convertir las escalas Celsius y Kelvin Determinar la dilatación en sólidos y líquidos cuando existe una diferencia de temperatura Entender la diferencia entre calor y temperatura Comprender los métodos de transmisión del calor

3. TEMPERATURA La temperatura de un cuerpo es una propiedad que se relaciona con el hecho de que un cuerpo esté “más caliente” o “más frío” Medir la temperatura ha sido una antigua preocupación de los científicos

4. Equilibrio térmico Dos o más cuerpos, en contacto y aislados de influencias externas, tienden a un estado final, denominado Estado de equilibrio térmico Se caracteriza por la uniformidad en la temperatura de los cuerpos Cuando se abra la válvula que separa las dos partes A y B, empezará un proceso de intercambio hasta que la temperatura del sistema completo A+B sea la misma en todos los compartimentos

5. Termómetros Para que la temperatura pueda considerarse una cantidad física es necesario que podamos medirla , a fin que se tenga un concepto cuantitativo de la misma Esta medición de la temperatura se hace con los termómetros Existen varias clases de termómetros

6. Tipos de termómetros

7. Termómetro por dilatación o “termómetro de columna” En este termómetro las variaciones de temperatura producen dilataciones o contracciones del líquido, haciendo subir o bajar la columna A cada altura de la columna podemos asignarle un número, el cual corresponde a la temperatura que determinó dicha altura El líquido que más se emplea en este tipo de termómetros es el mercurio Algunos termómetros más baratos utilizan un alcohol coloreado, generalmente rojo

8. Escala termométrica Para poder medir temperaturas es necesario graduar el termómetro, es decir señalar en él divisiones y asignarles números De esta forma se construye una escala termométrica En la historia se han utilizado diferentes escalas termométricas basadas en diferentes fenómenos Para acabar con estas dificultades, los científicos sugirieron la adopción de una escala única, basada en convenciones internacionales: La escala Celsius (anteriormente llamada centígrada ) Anders Celsius(1701-1744)

9. Escala Celsius El cero grados Celsius ( ° C) Se introduce el termómetro en una mezcla de hielo y agua fría en equilibrio térmico (hielo fundamentalmente) a la presión de 1 atm 100 ° C Se introduce el termómetro en agua hirviente, o en ebullición, a la presión de 1atm Divisiones Se divide el intervalo entre 0 ° C y 100 ° C en 100 partes iguales Se extiende la graduación tanto hacia arriba de 100 ° C, como hacia abajo de 0 ° C Cada intervalo entre dos divisiones sucesivas (del “tamaño” de 1 ° C) corresponde a una variación de temperatura que se representa por  (1 ° C)

10. Escala Kelvin La escala Kelvin se utiliza sobre todo en medios científicos y fue propuesta por Lord Kelvin (1824-1907) Esta escala surge de las discusiones relacionadas con las temperaturas máximas y mínimas que puede alcanzar un cuerpo No hay un límite teórico máximo que puede alcanzar un objeto Pero se observa un límite natural cuando se intenta bajar la temperatura El cero absoluto se denomina a la temperatura de -273 °C

11. Escala Kelvin Kelvin propuso como origen de su escala (representado por 0 °K) la temperatura del cero absoluto y un intervalo unitario igual al intervalo de 1 ° C, i.e.,  (1 ° C) =  (1 K ) 0 K = -273 ° C 1 K = -272 ° C 273 K = 0 ° C 373 K = 100 ° C Relación entre escala Celsius (t c ) y Kelvin(T): T = t c +273

12. Ejemplo de conversión entre ° C y K En el informe científico de 1911 se descubrió que la resistencia eléctrica del mercurio desaparecía a 4K (Fenómeno conocido como superconductividad). ¿Cuál es esta temperatura en ° C? Como T = t c +273 Sustituyendo valores: 4 = t c + 273. Entonces T c =4-273. Por lo tanto T c = -269 ° C

13. Escala Fahrenheit Utilizada principalmente en los países de habla inglesa El punto de fusión del hielo se señala por 32 ° F y el de ebullición por 212 ° F 32 ° F = 0 ° C 212 °F = 100 ° C  (1 °F ) = (5/9)  (1 ° C) Relación entre escala Celsius (t c ) y escala Fahrenheit (t F )

14. Ejemplo de conversión entre ° C y ° F El reporte del clima de Nueva York reporta un día caluroso indicando una temperatura de 104 °F. Indique a cuantos °C equivale esta temperatura. Como t c =(5/9)(t F -32) Sustituyendo valores encontramos: t c =(5/9)(104-32) = (5/9)(72) = 40 Por lo tanto: t c = 40 °C

15. DILATACIÓN Un hecho muy conocido es que las dimensiones de los cuerpos aumentan cuando se eleva su temperatura De esta forma, salvo algunas excepciones, todos los cuerpos, independientemente de que sean sólidos, líquidos o gaseosos, se dilatan cuando aumenta su temperatura

16. Dilatación Cuando un cuerpo sólido se dilata, su volumen aumenta, pero su masa se mantiene constante Por lo tanto la densidad del sólido disminuye Densidad másica mayor Mayor temperatura Densidad másica menor

17. Dilatación de los sólidos Los átomos que constituyen la sustancia sólida se encuentran distribuidos ordenadamente, lo cual origina una estructura denominada red cristalina del sólido La unión de tales átomos se logra por medio de fuerzas eléctricas que unen un átomo con otro Esos átomos están en constante vibración respecto de una posición media de equilibrio

18. Dilatación lineal La dilatación lineal de un sólido es proporcional a la temperatura y longitud inicial  L es la dilatación lineal del sólido  t es el aumento de temperatura  es el coeficiente de dilatación lineal

19. Coeficientes de dilatación lineal en sólidos Ejemplo: Si se incrementa la temperatura de una barra de acero de 5m en 50 °C, ¿Cuál será su dilatación? Como  L=  L 0  t, entonces al sustituir valores tenemos:  L=(1.2x10 -5 °C -1 )(5m)(50 °C)  L = 0.003m = 3mm Para el vidrio Pyrex:  = 3.3x10 -6 ºC -1 entre 20 y 400 ºC.

20. Coeficiente de dilatación superficial y volumétrica Se puede demostrar que El coeficiente de dilatación superficial  = 2  El coeficiente de dilatación volumétrica  = 3  Las ecuaciones respectivas de dilatación superficial y volumétrica son:  A =  A 0  t con A 0 superficie original  V =  V 0  t con V 0 volumen original

21. Ejemplos Una placa de zinc de forma rectangular, tiene 60cm de longitud y 40 cm de anchura, a la temperatura de 20 °C. Suponiendo que la placa fuese calentada hasta 120 °C y  zinc =2.6x10 -5 °C -1 , calcule: El aumento en longitud de la placa.  L=  L 0  t, entonces  L= (2.6x10 -5 °C -1 )(0.6m)(120-20°C)=(1.56x10 -5 )(100)  L= 1.56x10 -3 m= 1.56mm El aumento en la anchura de la placa De igual forma  L= (2.6x10 -5 °C -1 )(0.4m)(120-20°C)=(1.04x10 -5 )(100)  L= 1.04x10 -3 m= 1.04mm

22. Dilatación de los líquidos Los líquidos se dilatan siguiendo las mismas leyes que para los sólidos Lo que interesa en los líquidos es su dilatación volumétrica  ( °C -1 )

23. Ejemplo Un frasco de vidrio, cuyo volumen es de exactamente 1000 cm 3 a 0 °C, está completamente lleno de mercurio a tal temperatura. Cuando el conjunto se calienta hasta 100 °C, se derraman 15.0cm 3 de mercurio. ¿Cuál fue la dilatación real del mercurio? Como  V =  V 0  t y  Hg = 1.82x10 -4 ° C -1 , entonces:  V Hg = (1.82x10 -4 ° C -1 )(1000cm 3 )(100 °C) = (1.82x10 -4 )(1x10 5 )= 1.82x10  V Hg = 18.2 cm 3 ¿Cuál fue la dilatación real del frasco? La dilatación aparente del mercurio está dada por la cantidad que se derramó, i.e., 15cm 3 . Como la dilatación real fue de 18.2cm 3 , es obvio que la dilatación del frasco fue  V frasco = 18.2-15.0 , por lo tanto:  V frasco = 3.2 cm 3 ¿Cuál es el valor del coeficiente de dilatación lineal del vidrio del cual está hecho el frasco? Como  V =  V 0  t, si despejamos  , entonces obtenemos: Y sustituyendo valores tenemos:  frasco = (3.2cm 3 )/(1000cm 3 )(100 ° C)  frasco = (3.2cm 3 )/(1x10 5 °C.cm 3 ), por lo tanto  frasco = 3.2x10 -5 °C -1

24. Dilatación irregular del agua Como se ha visto, al incrementar la temperatura de un cuerpo su volumen aumenta En algunos sustancias se presenta un comportamiento inverso, i.e., disminuyen de volumen cuando su temperatura se eleva Cuando esto sucede en ciertos intervalos de temperatura, se define un coeficiente de dilatación negativo El agua es una de las sustancias que presentan esta irregularidad en su dilatación

25. Dilatación irregular del agua fundamental para la vida Cuando la temperatura del agua aumenta entre 0 °C y 4 °C, su volumen disminuye Cuando se hace elevar su temperatura a más de 4 °C, el agua se dilata normalmente Así, una cierta masa de agua tendrá un volumen mínimo a 4 °C, i.e., que a esta temperatura la densidad del agua es máxima Por este motivo, en los inviernos rigurosos los lagos y los ríos se congelan únicamente en la superficie, mientras que en el fondo queda agua con máxima densidad, es decir, agua a 4 °C

26. C A L O R

27. DEFINICIÓN El calor es energía El calor es la energía que se transmite de un cuerpo a otro, en virtud únicamente de una diferencia de temperatura entre ellos El término calor sólo debe emplearse para designar la energía en transición , i.e., la que se transfiere de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura

28. Unidades del calor Como el calor es una forma de energía, entonces debe medirse en unidades energéticas Por lo tanto el calor, en el S.I., se mide en Joules (J) Pero en la práctica se usa otra unidad de calor: La caloría (cal): es igual a la cantidad de calor que debe transmitirse a 1g de agua para que si temperatura se eleve en 1 °C 1 cal = 4.1868 J ó bien 1kcal = 4186J Consulte el siguiente link: http://www.cenam.mx/CNM-MMM-PT-003.asp#Tabla_13h._Calor,_energ%C3%ADa_disponible

29. Transmisión del calor Existen varias formas de transmitir el calor de un cuerpo a otro Se distinguen las siguientes maneras de transmisión: Conducción Convección Radiación

30. CONDUCCIÓN La conducción térmica sucede cuando un objeto entra en contacto otro cuerpo: Se debe a la agitación de los átomos de un cuerpo, transferida sucesivamente de uno a otro átomo, sin que estas partículas sufran ninguna translación en el interior del cuerpo La temperatura del cuerpo humano es 36 °C, mientras que la del ambiente, es en general, menor que este valor Por este motivo, hay una continua transmisión de calor de nuestro cuerpo hacia el medio circundante Si la temperatura del ambiente se mantiene baja, la transmisión se efectúa con mayor rapidez, y esto nos provoca la sensación de frío

31. CONVECCIÓN Se produce por intermedio de un fluido (aire, agua) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas La formación de los vientos se debe a variaciones en la densidad del aire. No es más que el resultado de las corrientes de convección que s eproducen en la atmósfera

32. Ejemplo de Convección En los refrigeradores: En la parte superior, las capas de aire que se encuentran en contacto con el congelador, le ceden calor por conducción Debido a esto, el aire de esta región se vuelve más denso y se dirige hacia la parte inferior del refrigerador, mientras las capas de aire que ahí se encuentran se desplazan hacia arriba Esta circulación de aire causada por la convección, hace que la temperatura se aproximadamente igual en todos los puntos del refrigerador

33. RADIACIÓN TÉRMICA Se denomina radiación térmica o radiación calorífica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura Este proceso se produce aún cuando no hay un medio material a través del cual se pueda transferir el calor El calor que nos llega del Sol se debe a este mismo proceso, ya que entre el sol y la tierra existe un vacío

34. Radiación térmica Cuando la radiación incide en un cuerpo, parte de ella se absorbe y parte se refleja Los cuerpos oscuros absorben la mayor parte de la radiación que incide en ellos Los objetos de color negro puestos al Sol, su temperatura es considerablemente más elevada Los cuerpos claros reflejan casi en su totalidad la radiación térmica incidente Por eso en los climas calurosos las personas suelen usar ropa blanca