CALOR

 

La experiencia hace que parezca simple la definición del calor, y curiosamente también la dificulta al generar confusión con la definición de temperatura. Buscando dar una apreciación acerca del calor se recurre a la percepción humana de la temperatura (que es una medida de la energía térmica de un cuerpo) para determinar la cantidad de calor que tiene un cuerpo o el ambiente, pero la apreciación de las personas es relativa y se puede experimentar esto con facilidad utilizando vasijas con agua a diferentes temperaturas y tocando con el dedo una consecutiva de la otra; ese experimento muestra como la percepción de algo “caliente” y algo “frio” varía de acuerdo a las condiciones de ambientación de la piel.

El calor es una forma de transferencia de energía consecuente de la vibración de las partículas o moléculas que componen un medio u objeto específico. En este orden de ideas el intercambio de calor es una forma de transmisión de energía.

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Alguien puede sentir que un objeto está caliente si al tocarlo se calienta su mano también, esto significa que se cede energía térmica a la mano. Si por el contrario esa persona siente que un objeto está frio es porque su mano cedió calor al objeto, lo que en otras palabras significa que el objeto absorbió energía térmica de su mano.

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La explicación acerca de la naturaleza del calor fluctuó mucho a través de la historia, no fue sino hasta que Joule mediante varios experimentos sistemáticos logró demostrar sin lugar a dudas que el calor es una forma de transferencia de energía y que existe una razón numérica entre la energía mecánica y el calor que de ella procede.

La temperatura es una cantidad escalar que mide la energía interna de un sistema termodinámico, o la cantidad de energía térmica que posee un cuerpo, y se relaciona directamente con la cantidad de calor que posee.

La temperatura no es una cantidad asociada a la mecánica determinista sino a la mecánica estadística. Cuando las partículas que componen un  líquido, un sólido o un gas están en movimiento tienen una velocidad característica  y en promedio hay una energía cinética asociada a esas partículas; la denominada ley de distribución de Maxwell-Boltzman determina la distribución de las velocidades de las partículas de acuerdo a la temperatura de cada medio.

 

TEMPERATURA

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Como las partículas que se mueven son demasiadas para estudiar la contribución energética de cada una, la temperatura es el indicador macroscópico que indica la energía del sistema como un todo.

Las medidas comunes de la temperatura son los grados Celsius, grados Fahrenheit y grados Kelvin, cada una uno con una asignación de escala particular.

Escala Celsius o centígrados: El punto de temperatura cero se asigna a la temperatura en la que se congela el agua y el valor 100 del termómetro se asigna al punto de ebullición del agua a 1 atm de presión,  luego el intervalo entre ambos puntos se divide en 100 unidades denominadas grados Celsius (°C).

Escala Fahrenheit: Se asigna el valor de 32 a la temperatura en la que se congela el agua y el valor 212 del termómetro se asigna al punto de ebullición del agua a 1 atm de presión, luego el intervalo entre ambos puntos se divide en 180 unidades denominadas grados Fahrenheit (°F).

Escala Kelvin o absoluta: Esta escala de temperatura asigna el cero al punto de temperatura conocido como el cero absoluto, que corresponde a la temperatura mínima posible alcanzada por un cuerpo, o  la temperatura ideal a la que las moléculas que componen el cuerpo están completamente quietas; y asocia el valor 273,15 de la escala a la temperatura del punto triple del agua, donde el agua coexiste en estado sólido, líquido y gaseoso. El Kelvin (K) es la unidad de temperatura utilizada en sistema internacional.

Entre las tres escalas se puede hacer conversiones, pasar de grados Celsius a grados Fahrenheit o a grados Kelvin, o pasar de grados Fahrenheit a grados Kelvin, o bien, de grados Fahrenheit a Celsius o Kelvin o de grados Kelvin a Fahrenheit. 

Ilustración:

Un laboratorista toma una medida de temperatura de 20 °F en un termómetro y  quiere conocer el valor que representa en grados Celsius y Kelvin.

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Como 212 °F equivalen a 100 °C y  32 °F equivalen a 0 °C, la diferencia entre dos magnitudes Fahrenheit dividida en 180 debe ser igual a la diferencia de Celsius dividida en 100 que es la división de cada escala.

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Similarmente para pasar la medida de grados Fahrenheit a Kelvin es necesario comparar ambas escalas, y la relación directa es como se muestra a continuación.

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En resumen, para pasar a cada una de las escalas hace falta solo utilizar las expresiones que se muestran a continuación:

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SISTEMA

Se define un sistema como un conjunto de materia, o un cuerpo o conjunto de cuerpos que están aislados físicamente o idealmente del resto del universo y sobre el cual se fija la atención con el fin de estudiarlo. Todas las cosas que no pertenecen al sistema y son el resto del universo se denominan vecindad.

Los sistemas pueden ser cerrados, aislados o abiertos y se definen por los elementos que  intercambian con la vecindad.

 

Los sistemas aislados no intercambian energía ni masa con la vecindad.

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Los sistemas cerrados solo intercambian energía con la vecindad pero no intercambian masa.

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Los sistemas abiertos intercambian tanto energía como masa con la vecindad.

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DILATACIÓN TÉRMICA

 

Cuando los cuerpos incrementan su temperatura las moléculas que los componen incrementan la velocidad con que se mueven y ocupan más espacio, en consecuencia, a nivel macroscópico los cuerpos se dilatan. Si por el contrario los cuerpos se enfrían, las moléculas que componen el cuerpo reducen su velocidad y ocupan menos espacio, lo que a nivel macroscópico se ve como contracción del cuerpo.

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DILATACIÓN DE LOS SÓLIDOS

Los cuerpos sólidos tienen  sus estructuras moléculares geométricamente ordenadas, por tanto, cuando se incrementa la temperatura y la velocidad de movimiento de las moléculas (principalmente de vibración), incrementa también la dilatación experimentada por el cuerpo, o contracción en el caso de reducción de temperatura, y se presentará en la dimensión dominante del mismo o de su forma particular; es por esto que se definen tres tipos de dilatación, dilatación lineal, dilatación superficial y dilatación volumétrica.

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DILATACIÓN LINEAL

Si un sólido tiene una dimensión mucho mayor que las demás, como es el caso de un alambre, entonces el efecto de dilatación por incremento de temperatura se verá reflejado en esa dimensión de mayor proporción; como es solo una de las 3 posibles dimensiones del espacio, se denomina dilatación lineal.

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La proporción en que un cuerpo se dilata o se contrae linealmente por cambios de la temperatura depende de tres factores:

  1. El material del que está hecho.

  2. La longitud del cuerpo. Cuanto mayor es la longitud del cuerpo mayor será la longitud dilatada.

  3. La temperatura. Cuanto mayor sea el cambio de temperatura mayor será el cambio en la longitud del cuerpo.

 

Matemáticamente el cambio de longitud de un cuerpo por dilatación se escribe:

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Siendo     el coeficiente de dilatación térmica lineal, que depende del tipo de material del cuerpo, ∆l, lo y ∆T corresponden al cambio de longitud, la longitud inicial y el cambio de la temperatura respectivamente.

 

El coeficiente de dilatación térmica lineal puede encontrase experimentalmente conociendo las medidas de longitud final, la longitud inicial y el cambio de la temperatura, partiendo de la expresión de dilatación lineal:

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Ilustración:

Las separaciones que se dejan en los rieles de los tranvías o trenes, o en el pavimento de las calles  o  en los puentes, funcionan como espacios que permitan la dilatación del material sin producir tensiones en la estructura.

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DILATACIÓN SUPERFICIAL

A diferencia de la dilatación lineal, la dilatación superficial sucede cuando son dos las dimensiones sobresalientes de un objeto; si dos de las tres dimensiones de un objeto son mucho mayores que la tercera, el efecto de dilatación térmica se aprecia superficialmente con el cambio de temperatura.

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La lámina de la figura tiene un área superficial Ao cuando la temperatura es  To, al elevar la temperatura los lados ao y bo se dilatan y producen un incremento en el área superficial de la lámina.

Análogamente a como se dilatan los cuerpos linealmente, la dilatación superficial es proporcional al área inicial y el cambio de la temperatura, y están mediados por el coeficiente de dilatación superficial β .

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El coeficiente de dilatación térmica superficial  al igual que el de dilatación lineal puede encontrase experimentalmente conociendo las medidas del área final, el área inicial y el cambio de la temperatura, partiendo de la expresión de dilatación superficial:

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Es de notar que el coeficiente de dilatación superficial de un material es aproximadamente el doble de su coeficiente de dilatación lineal.

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 DILATACIÓN VOLUMÉTRICA

La dilatación volumétrica sucede cuando las tres dimensiones de un objeto tienen magnitudes considerables y comparables entre sí, en este caso en cada dimensión hay un efecto de dilatación térmica que se ve reflejado en un incremento del volumen inicial del objeto cuando se incrementa la temperatura.

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Un cuerpo de volumen Vo a temperatura To sufre un cambio de volumen por un incremento en su temperatura y ese cambio de volumen está mediado por el factor gamma de dilatación volumétrica.

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El coeficiente de dilatación térmica volumétrica  al igual que el de dilatación lineal y de dilatación superficial puede encontrase experimentalmente conociendo las medidas del volumen final, el volumen inicial y el cambio de la temperatura, partiendo de la expresión de dilatación volumétrica:

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DILATACIÓN DE LOS LÍQUIDOS

Los líquidos se dilatan volumétricamente, de manera similar a como lo hacen los sólidos, además, al ser necesario contener los líquidos en recipientes,  un estudio de la dilatación de los líquidos suele incluir un estudio del sólido que lo contiene.

Aunque la mayoría de líquidos se dilatan regularmente con el aumento de la temperatura, algunos como el agua no se comportan de esa manera. Cuando el agua pasa de una temperatura de 0 °C a 4 °C, en lugar de experimentar un incremento en su volumen  se contrae de forma que alcanza su mayor densidad a 4 °C; una vez que pasa de los 4 °C se comporta regularmente, como los líquidos en general.

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Esta característica del agua es muy importante en la naturaleza porque hace que cuando el agua de los lagos baje su temperatura de 4 °C por enfriamiento, la superficie que continúa decayendo en temperatura no descienda, aún cuando se congele, pues la densidad del agua que está por debajo, a 4 °C, es más densa que la que se ha congelado. Esta es también la explicación por la que los cubos de hielo flotan en un vaso de agua y no se sumergen como se podría pensar.

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El hecho de que el agua se congele solo en la superficie permite que exista vida animal y vegetal en los lagos y el mar cuando se forman capas de hielo.

 

DILATACIÓN DE LOS GASES

Los gases se dilatan volumétricamente también, y similarmente a los líquidos, cuando se estudia la dilatación de los compuestos en ese estado suele ser necesario estudiar el objeto que lo contiene.

Los globos que efectúan ascensiones estratosféricas están casi desinflados cuando parten desde la superficie de la tierra, y es que a miles de metros de altura la presión atmosférica es menor que en la superficie de la tierra, por lo que el gas se expande y el globo se dilatará también. Si el globo partiera muy inflado estallaría al llegar a la estratosfera.

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PROPAGACIÓN DEL CALOR

El calor se propaga de un cuerpo a otro a través diferentes medios materiales y en diferentes estados de la materia, la eficiencia de esa propagación del calor depende de las propiedades del medio de transmisión y del estado del mismo. Los metales suelen ser buenos conductores del calor mientras que los objetos como la madera o el plástico son conductores débiles o deficientes, conducen el calor al menos unas 1 000 veces menos que los metales.

Es importante resaltar que el “frio” realmente es la ausencia de calor, entonces el calor puede transferirse de un cuerpo al otro pero la temperatura del cuerpo de partida será disminuida, entonces podría pensarse como que el “frio” se transfirió del segundo cuerpo al primero.

 

AISLANTES DE CALOR

Los objetos que se consideran aislantes de calor son los que impiden la libertad del flujo de calor a través de ellos, y aunque siempre hay cantidades de calor que pasan a través de ellos, en términos prácticos son muy pequeñas y por tanto despreciables. Es por la propiedad de aislar el calor que estos materiales se utilizan en la elaboración de los mangos de herramientas de cocina o en las paredes de los hornos y frigoríficos.

 

CONDUCTORES DE CALOR

Los materiales metálicos son los mejores conductores de calor,  el cobre y la plata por ejemplo, son los mejores conductores y conducen el calor dos veces lo que conduce el hierro. Sin embargo, también compuestos o materiales en otros estados conducen bien el calor, los líquidos conducen también el calor, aunque comparados con la conductividad de los metales son ineficientes, los metales superan a los cuerpos no metálicos, sólidos y líquidos en centenares de veces.

 

CONDUCTIBILIDAD TÉRMICA DE LOS GASES 

Los gases conducen el calor decenas de veces menos que los cuerpos no metálicos, por  lo que no es una facultad de los gases la conducción térmica; y es que solo comparando la conductividad del aire y el cobre se puede ver la brecha en la propiedad de conducción, pues el aire tienen una conductibilidad térmica 20 000 veces menor que la del cobre.

Ilustración

Un laboratorista se vale de la baja conductibilidad térmica del aire para mostrar que puede soportar un trozo de hielo seco (nitrógeno congelado) en su mano durante varios segundos sin sufrir quemaduras. (No es seguro realizar el experimento sin asesoría profesional).

 

El hielo seco tiene una temperatura de -78 °C, por lo que soportar la temperatura sobre la piel constituye un reto difícil y arriesgado debido a las quemaduras que podría causar el contacto prolongado; sin embargo, si el laboratorista no aprieta el hielo con su mano, entre el bloque de hielo seco y su mano aparece un colchón muy pequeño de aire que funciona como aislante térmico y no permite que el hielo seco absorba el calor de la mano del laboratorista, es por esto que el laboratorista puede sostener el hielo sin quemarse.

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Cabe mencionar que el vacío es el mejor aislante térmico que existe, en el vacío no hay un medio material por el que se transfiera calor y en consecuencia la propagación del calor se presenta mínimamente  por radiación.

EQUILIBRIO TÉRMICO

 

La transferencia de calor puede presentarse en diferentes formas, pero siempre con el fin de alcanzar lo que se denomina equilibrio térmico donde la temperatura de todos los objetos involucrados en el sistema se encuentre igual.

CONVECCIÓN

La convección es uno de los tres métodos de transferencia de calor y se produce por el movimiento de las sustancias validas de su temperatura. De dos cantidades de sustancia del mismo tipo, la que está a mayor temperatura tiende a moverse hacia donde está el fluido más frio o bien hacia arriba, por lo que en el proceso de transferencia de calor se ve involucrado un flujo de material también. 

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Ilustración:

Para experimentar el efecto de transferencia de calor se propone pensar en el siguiente experimento.

Si se toma un calentador portátil y se ubica en dos posiciones de una habitación, en la región más alta de una pared y en la región más baja de la pared, y se mide la temperatura de la habitación, se puede identificar el efecto de transferencia de calor por convección.

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Los resultados mostrarían que la temperatura no incrementa cuando el calentador se encuentra ubicado en la parte superior de la habitación, diferente a cuando se pone en la parte inferior. Cuando el calentador está en la región inferior de la habitación las capas bajas de aire van a incrementar su temperatura y se va a expandir haciéndose más ligeras y elevándose hacia el techo de la habitación, estando allá desplazarán las capas más frías enviándolas hacia abajo para volver a comenzar la que se convertiría en un ciclo.

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 Si el calentador estuviera en la parte superior, siempre estarían calientes las capas superiores de aire, pero las capas bajas de aire en la habitación mantendrían la misma temperatura y  no habría un ciclo de transferencia de calor por convección.

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La eliminación de la transferencia de calor por convección se consigue utilizando cuerpos porosos o fibrosos. Dentro de los cuerpos porosos o fibrosos el aire se mueve con dificultad, es por eso que  a veces se utilizan marcos dobles en las ventanas, pues el aire contenido entre los cristales no participa en la circulación de las capas de aire de la habitación.

 

CONDUCCIÓN

La conducción es el proceso de transferencia del calor por el cual las partículas que se encuentran agitadas en la superficie de un cuerpo más caliente que otro chocan con las moléculas lentas del cuerpo frio (más precisamente a menor temperatura) transfiriendo la energía cinética que poseen.

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Las moléculas del cuerpo a menor temperatura que reciben la energía cinética de agitación de las moléculas del cuerpo caliente chocan con las moléculas vecinas internas y disipan en el calor a la totalidad del cuerpo. La posición relativa de las moléculas del cuerpo o sustancia no cambia, lo que se mueve es la energía a través del cuerpo conductor.

La transferencia de calor por conducción es la forma más característica de transferencia de calor de los cuerpos sólidos, es por eso que si alguien toma una barra de hierro de un extremo y calienta el otro, en muy poco tiempo comenzará a sentir  el calor pasando a su mano.

RADIACIÓN

El calor también se transfiere a través de la radiación de los cuerpos, todos los objetos emiten radiación electromagnética debido al movimiento de las moléculas por la temperatura. Los objetos emiten un “calor” naturalmente por tener una temperatura diferente del cero absoluto y no necesita haber ningún contacto para que tenga lugar la transferencia de energía térmica.

La transferencia de calor se puede percibir fácilmente cuando se piensa en una fogata, al acercar las manos al fuego sin tocar se siente como se transfiere esa energía térmica a las manos; y es que las llamas y los carbones incandescentes radian luz que transmite radiación electromagnética infrarroja en una cantidad mayor que se propaga por el aire hasta llegar a la piel.

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TERMODINÁMICA

 

La termodinámica estudia la interacción entre el calor y diferentes formas de energía a nivel macroscópico o grandes escalas comparadas con el tamaño de las partículas involucradas en la transferencia de calor, la termodinámica describe los sistemas en equilibrio.

EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR

El calor siendo una forma de transferencia de energía se puede transformar en trabajo, y el equivalente mecánico del calor determina el trabajo que se necesita para producir una cantidad particular de calor. La expresión que relaciona  el trabajo y el calor con el equivalente mecánico es:

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El calor se mide en calorías, que es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 cm  de agua a 1 °C.

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CAPACIDAD CALORÍFICA

La cantidad de calor que recibe un cuerpo es proporcional a la diferencia de temperatura que se produce en el cuerpo y a la naturaleza misma del cuerpo, esa característica que determina cuanto calor recibe el cuerpo es lo que se denomina capacidad calorífica.

Si un cuerpo de masa m aumenta la temperatura en un intervalo particular de temperatura cuando se suministra una cantidad Q de calor, la capacidad calorífica será:

 
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El calor Q es positivo por convención cuando el calor fluye hacia el sistema.

CALOR ESPECÍFICO

Si la capacidad calorífica se divide en la masa del cuerpo que intercambia calor se obtiene el calor específico, que es entonces la capacidad calorífica de un material o sustancia por unidad de masa.

 
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Ilustración:

Un científico mezcla 1,00 Kg de agua a 10,0 °C con 1,00 kg de agua a 30 °C con una presión constante.

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Cuando la mezcla ha alcanzado el equilibrio la temperatura final se puede encontrar relacionando la cantidad de calor compartida.

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