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Universidad Nacional de Mar del Plata Teórico Facultad de Ciencias Agrarias Física General y Biológica TEMPERATURA Y CALOR Los términos de temperatura y calor se usan indistintamente en el habla cotidiana. En física, no obstante, los dos términos tienen significado muy distinto. En esta unidad del programa, estudiaremos los conceptos de temperatura y calor en relación con objetos macroscópicos, definiremos la temperatura en términos de su medición y al calor como transferencia de energía. En esta unidad se establecen las bases de la termodinámica, que es el estudio de las transformaciones de energía. Temperatura: es una medida cuantitativa del estado térmico (calidez o frialdad) de un cuerpo. Por medio de nuestro sentido del tacto podemos decir que un cuerpo está frío, otro tibio y un tercero, caliente; sin embargo, nuestro sentido del tacto es demasiado limitado en su alcance y no lo suficientemente preciso. Para la medida de la temperatura tenemos que hacer uso de alguna propiedad física medible que varíe con aquella. Cualquier instrumento que se utilice para la medición de la temperatura se denomina termómetro. Cuanto más caliente esté la sustancia mayor será su temperatura. Algunas de las propiedades físicas que varían con la temperatura son la longitud de una barra, el volumen de un líquido o gas, la resistencia eléctrica de un alambre o el calor del filamento de una lámpara. El termómetro es un recipiente de paredes delgadas de vidrio con un líquido encerrado. que se prolonga en su parte superior por un capilar. Este instrumento utiliza las diferencias entre las dilataciones del líquido y del vidrio. Escalas termométricas: las escalas de temperatura se han establecido asignando los números mayores a los estados térmicos superiores, que son los que producen en los cuerpos la sensación más caliente, y estableciendo los números menores para los estados térmicos inferiores, que corresponden a los cuerpos más fríos. Toda escala debe referirse a puntos fijos, los cuales deben corresponder a estados térmicos perfectamente definidos como el del hielo en fusión a la presión atmosférica normal o también el de los valores del agua en ebullición sometidos a dicha presión. Las escalas termométricas más comúnmente usadas son la Celsius ºC, Kelvin K y Fahrenheit ºF. Para determinar la relación entre las distintas escalas se estableció la relación de equivalencia de temperaturas para un mismo estado térmico (Figura 1). La temperatura más baja que puede obtenerse se denomina “cero absoluto” y corresponde a –273ºC (Figura 2) y es la temperatura en la que los gases alcanzan una presión igual a cero. Figura 1 Universidad Nacional de Mar del Plata Teórico Facultad de Ciencias Agrarias Física General y Biológica El mercurio se solidifica a –40ºC y su presión de vapor se hace excesivamente alta a temperaturas por encima de 360ºC, por consiguiente, el empleo del termómetro de mercurio queda limitado a dicho intervalo de temperatura. El límite inferior puede extenderse empleando termómetros de líquido en recipientes de vidrio usando líquidos como el alcohol, que solidifica a –130ºC. Calor: equilibrio térmico Supongamos que ponemos en contacto dos cuerpos, uno A que se halla a una temperatura tA y otro B que se halla a una temperatura tB (Figura 2). Luego de un cierto tiempo el sistema de A y B presentarán la misma temperatura (tA = tB), decimos entonces que A y B están en “equilibrio térmico” y a la temperatura (valor intermedio) la llamamos “temperatura de equilibrio (te)”. La prueba lógica y práctica para determinar el equilibrio térmico es usar un tercer cuerpo, como un termómetro. Esto se resume en un postulado que se suele llamar “Ley Cero de la Termodinámica”: Dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero están en equilibrio térmico entre sí. La temperatura de un sistema es aquella propiedad que determina si dicho sistema está o no en equilibrio térmico con otros sistemas. ¿Por qué la temperatura de los cuerpos varía hasta llegar al equilibrio? Lo que ocurre es que el cuerpo que está a mayor temperatura le transfiere energía al cuerpo que está a menor temperatura. Esta energía es el calor. Debido a que cede calor, el cuerpo más caliente se enfría y el cuerpo que absorbe calor se calienta, naturalmente, el calor fluye de zonas de mayor temperatura a las de menor temperatura. El calor es una forma de energía y no debe confundirse su concepto con el de temperatura, lo cual constituye uno de sus posibles efectos. El calor es una forma de energía distinta a la mecánica, al igual que la energía mecánica, el calor es algo intangible y una unidad de calor no es algo que se puede conservar en un laboratorio de medidas. Las unidades de calor son: Caloría [cal]; kilocaloría [kcal] o Btu: Unidad técnica británica. La caloría es la cantidad de calor que ha de suministrarse a 1 g de agua para elevar su temperatura de 14,5ºC a 15,5ºC. La kilocaloría es la cantidad de calor que ha de suministrarse a 1 kg de agua para elevar su temperatura de 14,5 ºC a 15,5 ºC (kcal). Se usa para medir la energía de los alimentos. Figura 2 Universidad Nacional de Mar del Plata Teórico Facultad de Ciencias Agrarias Física General y Biológica La Btu es la cantidad de calor que ha de suministrarse a 1 libra de agua para elevar su temperatura de 63 ºF a 64 ºF. Equivalencias: 1 kcal = 1000 cal; 1 cal = 4,186 J; 1 Btu = 252 cal Capacidad calorífica – Calor específico Las sustancias difieren entre sí en la cantidad de calor necesaria para producir una elevación determinada de temperatura sobre una masa dada. Supongamos que se suministra a un cuerpo una cantidad de calor (Q), que produce una elevación de temperatura (t), se establece que la relación entre la cantidad de calor suministrada y el incremento de temperatura es constante, y se conoce como “capacidad calorífica del cuerpo”. 𝐾 = 𝑄 ∆𝑡 [ 𝑐𝑎𝑙 𝐶 ] La capacidad calorífica de un cuerpo se expresa ordinariamente en calorías por grado centígrado ó Btu por ºF. Si consideramos t = 1 vemos que “la capacidad calorífica de un cuerpo es numéricamente igual a la cantidad de calor que le debemos suministrar a un cuerpo para aumentar su temperatura en 1ºC”. Es una propiedad característica del cuerpo: Donde: Q = calor sensible K = capacidad calorífica tf = temperatura final ti = temperatura inicial La capacidad calorífica es directamente proporcional a la masa (m) [g] y al calor específico del cuerpo (c) [cal g-1 oC-1]. El calor específico de una sustancia se define como la cantidad de calor que debe entregarse a la unidad de masa de esa sustancia para incrementar su temperatura en 1ºC. Por lo tanto, la cantidad de calor (Q) en función de la variación de temperatura (∆t), el calor específico (c) y la masa (m). 𝑄 = 𝑚. 𝑐. (𝑡𝑓 − 𝑡𝑖) Donde: Q = cantidad de calor absorbido o cedido m = masa del cuerpo c = calor específico, medio entre tf y ti tf = temperatura final ti = temperatura inicial 𝑄 = 𝐾(𝑡𝑓 − 𝑡𝑖) 𝐾 = 𝑐.𝑚 Ecuación Fundamental de la Calorimetría o calor sensible Universidad Nacional de Mar del Plata Teórico Facultad de Ciencias Agrarias Física Generaly Biológica CAMBIO DE FASE En general todas las sustancias pueden existir en tres fases (sólido, líquido y gaseoso) (Figura 3). Para una presión dada, los cambios de fase se dan a una temperatura definida, generalmente acompañados por absorción o emisión de calor, y un cambio de volumen y densidad. Si tomamos un trozo de hielo a –40ºC y se coloca en un recipiente con un termómetro (Figura 4) y le entregamos calor a ritmo constante (Figura 4). La temperatura del hielo aumenta hasta 0ºC, a esta temperatura el hielo comienza a fundirse, y coexisten al mismo tiempo agua y hielo. La fusión es el cambio de fase de sólido a líquido, permaneciendo la temperatura constante a 0ºC hasta que todo el hielo se haya fundido. La temperatura a la cual se funden los sólidos cristalinos, cuando se suministra calor a la presión atmosférica normal se denomina punto normal de fusión. Al continuar entregando calor al agua a 0oC, la temperatura aumenta hasta alcanzar 100ºC, y el agua comienza a hervir. La vaporización o ebullición es el cambio de fase, de líquido a gaseoso, durante el cual la temperatura permanece constante a 100ºC, hasta que el agua se transforma en vapor. La temperatura a la que hierven los líquidos a presión atmosférica normal se denomina punto normal de ebullición. Si se almacena todo el vapor de agua en un recipiente y se continúa entregando calor, la temperatura sigue elevándose y el gas es vapor sobrecalentado. El calor específico del agua (1 cal g-1ºC-1) es mayor que los valores del calor específico del hielo y del vapor y (0,55 cal g-1ºC-1 y 0,48 cal g-1oC-1; respectivamente). El calor de fusión (Lf) de una sustancia es la cantidad de calor por unidad de masa que ha de suministrarse a una sustancia en su punto de fusión para convertirla completamente en líquido a la misma temperatura. El calor de fusión (Lf) es igual a 80 cal g-1. El calor de vaporización (Lv) de una sustancia es la cantidad de calor por unidad de masa que ha de suministrarse a una sustancia en su punto de ebullición para convertirla completamente en vapor a la misma temperatura. El calor de vaporización (Lv) es igual a 538 cal g-1. Cuando se le sustrae calor a un vapor sobrecalentado, su temperatura desciende hasta los 100oC y cambia de fase de vapor a líquido (condensación). Al hacerlo devuelve al medio que lo rodea una cantidad de calor igual a la requerida para producir la vaporización. El calor de condensación es igual a menos el calor de vaporización (Lc = -538 cal g-1). El punto de ebullición o condensación es la temperatura a la cual coexisten las fases vapor y líquida. Figura 3 Universidad Nacional de Mar del Plata Teórico Facultad de Ciencias Agrarias Física General y Biológica Cuando al agua se le sustrae calor, su temperatura desciende hasta alcanzar 0oC, y el agua cambia de fase de líquido a sólido (solidificación). El calor de solidificación es igual a menos el calor de fusión (Ls = -80 cal g-1). El punto de fusión o solidificación es la temperatura a la cual coexisten las fases sólida y líquida. La expresión general del calor latente para un cuerpo cualquiera es: Donde: Q = calor absorbido o liberado en un cambio de fase. m = masa del cuerpo. L = calor absorbido o liberado por unidad de masa durante un cambio de fase (L debe tomarse con signo + o – según es el cambio de fase correspondiente, se absorba o ceda calor). Bibliografía SEARS, F.; ZEMANSKY, M.; YOUNG, H. FREEDMAN, R. 2004. Física Universitaria. Décimo primera edición. Editorial Pearson. Volumen I, 864 pág. Volumen II, 1008 pág. TIPLER, P. y MOSCA, G. 2010. Física para la ciencia y la tecnología. Sexta edición. Editorial Reverté, 1172 pág. TIPPENS, P. 2011. Física conceptos y Aplicaciones. Séptima edición. Mc Graw Hill. 782 pág. LmQ .= Ecuación de calor latente, se aplica en el cambio de estado Figura 4
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