Temperatura y calor

CALOR Y TEMPERATURA

La energía térmica

La energía térmica es la energía cinética (relacionada con el movimiento) media de un conjunto muy grande de átomos o moléculas. Esta energía cinética media depende de la temperatura, que se relaciona con el movimiento de las partículas (átomos y moléculas) que constituyen las sustancias.

La temperatura

La temperatura es la medida de la energía térmica de una sustancia. Se mide con un termómetro. Las escalas más empleadas para medir esta magnitud son la Escala Celsius (o centígrada) y la Escala Kelvin. 1ºC es lo mismo que 1 K, la única diferencia es que el 0 en la escala Kelvin está a - 273 ºC.

En la escala Celsius se asigna el valor 0 (0 ºC) a la temperatura de congelación del agua y el valor 100 (100 ºC) a la temperatura de ebullición del agua. El intervalo entre estas dos temperaturas se divide en 100 partes iguales, cada una de las cuales corresponde a 1 grado.

En la escala Kelvin se asignó el 0 a aquella temperatura a la cual las partículas no se mueven (temperatura más baja posible). Esta temperatura equivale a -273 ºC de la escala Celsius.

Para convertir ambas temperaturas, tenemos que tener en cuenta que:

T (K) = t(ºC) + 273 

 

Calor y equilibrio térmico

Cuando dos cuerpos a distintas temperaturas se ponen en contacto, terminan igualando sus temperaturas. Entonces se dice que se ha alcanzado el equilibrio térmico.

Cuando dos sistemas entran en contacto, las partículas con mayor energía cinética transfieren, mediante choques, parte de su energía a las restantes partículas, de manera que al final la energía cinética media de todo el conjunto es la misma.

Cuando dos sistemas en desequilibrio térmico entran en contacto, el de mayor temperatura transfiere energía térmica al de menor temperatura hasta conseguir el equilibrio térmico.

El calor es la transferencia de energía desde un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura hasta otro de menor temperatura. Cuando ambos cuerpos igualan sus temperaturas se detiene la transmisión de energía.

El calor siempre se transfiere desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura, independientemente de sus tamaños relativos 

Unidades de medida del calor

El calor se mide en unidades de energía. Por tanto, en el Sistema Internacional su unidad es el julio (J). Sin embargo, la unidad tradicional para medir el calor es la caloria (cal). La equivalencia es:

1 cal = 4,184 J ó 1 J = 0,24 cal

DILATACIÓN

Se denomina dilatación térmica al aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura que se provoca en él por cualquier medio. La contracción térmica es la disminución de propiedades métricas por disminución de la misma.

 

Donde:

α=coeficiente de dilatación lineal [°C^-1]

L₀ = Longitud inicial

L_f = Longitud final

T₀ = Temperatura inicial.

T_f = Temperatura final

PRÁCTICA DE CALOR Y TEMPERATURA

 

Introducción

  

Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo, esto no es así. El calor y la temperatura están relacionadas entre sí, pero son conceptos diferentes. El calor es la energía total del movimiento molecular en un cuerpo, mientras que la temperatura es la medida de dicha energía. El calor depende de la velocidad de las partículas, de su número, de su tamaño y de su tipo. La temperatura no depende del tamaño, ni del número ni del tipo. El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si añadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye.

La temperatura no es energía sino una medida de ella; sin embargo, el calor sí es energía.

  

Objetivo

Esta práctica se elaboró con el fin de diferenciar la temperatura del calor (fría y caliente), también para conocer algunos cambios que provoca el calor.

  

Material

• Termómetro de mercurio
•  Interfaz Neulog
• Sensor de temperatura
•   Soporte universal
• Pinzas de sujeción doble y sencilla
•  Parrilla
•  Alcohol sólido
•  Encendedor
•  Matraz Harlem Mayer
•   Cristalizador

Sustancias utilizadas

•  Hielo

•  Agua

  

  

Ley de la termodinámica

La ley cero, conocida con el nombre de la ley del equilibrio térmico fue enunciada en un principio por Maxwell y llevada a ley por Fowler y dice:

“Dos  sistemas en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí”.

El equilibrio térmico debe entenderse como el estado en el cual los sistemas equilibrados tienen la misma temperatura.  Esta ley es de gran importancia porque permitió definir a la temperatura como una propiedad termodinámica y no en función de las propiedades de una sustancia. La aplicación de la ley cero constituye un método para medir la temperatura de cualquier sistema escogiendo una propiedad del mismo que varíe con la temperatura con suficiente rapidez y que sea de fácil medición, llamada propiedad termométrica.  En el termómetro de vidrio esta propiedad es la altura alcanzada por el mercurio en el capilar de vidrio debido a la expansión térmica que sufre el mercurio por efecto de la temperatura.  Cuando  se alcanza el equilibrio térmico, ambos sistemas tienen la misma temperatura.

Procedimiento

1.    Conectas el interfaz NeuLog a tu computadora y el sensor de temperatura.

2.    Tener el soporte universal con las pinzas de sujeción doble y sencilla

3.    Enlazas las pinzas de sujeción sencilla con el matraz Harlem Mayer

4.    Introduces el hielo en el matraz Harlem Mayer

5.    Tomas la temperatura con el sensor y termómetro

6.    Retiras el termómetro

7.    Pones la parrilla a bajo del matraz y colocas el alcohol sólido y lo enciendes

8.    El sensor seguirá en el matraz Harlem Mayer

9.    En el interfaz Neulog darás clic en la opción experimento en línea ahí eliges si quieres una tabla o grafica de datos y el tiempo.

10.    Ya que hayas elegido como quieres obtener tus datos y haya terminado el tiempo de tu experimento lo finalizas. Quitas el sensor de temperatura.

 

Tabla y gráfica de datos

Tiempo [Minutos]	Temperatura  1 [°C]
00:00.0	12.3
00:02.0	12.4
00:04.0	12.5
00:06.0	12.7
00:08.0	12.8
00:10.0	13
00:12.0	13.2
00:14.0	13.4
00:16.0	13.7
00:18.0	14.1
00:20.0	14.5
00:22.0	14.9
00:24.0	15.4
00:26.0	15.8
00:28.0	16.4
00:30.0	17
00:32.0	17.5
00:34.0	18
00:36.0	18.6
00:38.0	19.1
00:40.0	19.6
00:42.0	20.1
00:44.0	20.6
00:46.0	21.2
00:48.0	21.7
00:50.0	22.2
00:52.0	22.8
00:54.0	23.3
00:56.0	23.8
00:58.0	24.3
01:00.0	24.8
01:02.0	25.3
01:04.0	25.8
01:06.0	26.3
01:08.0	26.8
01:10.0	27.3
01:12.0	27.8
01:14.0	28.3
01:16.0	28.8
01:18.0	29.3
01:20.0	29.7
01:22.0	30.2
01:24.0	30.6
01:26.0	31.1
01:28.0	31.5
01:30.0	32
01:32.0	32.4
01:34.0	32.9
01:36.0	33.3
01:38.0	33.8
01:40.0	34.2
01:42.0	34.6
01:44.0	35
01:46.0	35.5
01:48.0	35.9
01:50.0	36.3
01:52.0	36.7
01:54.0	37.1
01:56.0	37.5
01:58.0	37.9
02:00.0	38.3
02:02.0	38.7
02:04.0	39
02:06.0	39.4
02:08.0	39.9
02:10.0	40.2
02:12.0	40.6
02:14.0	41
02:16.0	41.4
02:18.0	41.8
02:20.0	42.2
02:22.0	42.6
02:24.0	43.1
02:26.0	43.5
02:28.0	43.8
02:30.0	44.2
02:32.0	44.6
02:34.0	45
02:36.0	45.4
02:38.0	45.8
02:40.0	46.3
02:42.0	46.7
02:44.0	47.1
02:46.0	47.5
02:48.0	47.9
02:50.0	48.3
02:52.0	48.7
02:54.0	49.1
02:56.0	49.5
02:58.0	49.9
03:00.0	50.2
03:02.0	50.6
03:04.0	51
03:06.0	51.5
03:08.0	51.8
03:10.0	52.2
03:12.0	52.7
03:14.0	53.1
03:16.0	53.4
03:18.0	53.8
03:20.0	54.2
03:22.0	54.5
03:24.0	54.9
03:26.0	55.3
03:28.0	55.6
03:30.0	56
03:32.0	56.4
03:34.0	56.8
03:36.0	57.2
03:38.0	57.5
03:40.0	57.9
03:42.0	58.2
03:44.0	58.6
03:46.0	59
03:48.0	59.3
03:50.0	59.7
03:52.0	60
03:54.0	60.4
03:56.0	60.7
03:58.0	61
04:00.0	61.3
04:02.0	61.7
04:04.0	62
04:06.0	62.3
04:08.0	62.7
04:10.0	63.1
04:12.0	63.4
04:14.0	63.8
04:16.0	64.2
04:18.0	64.6
04:20.0	65
04:22.0	65.3
04:24.0	65.8
04:26.0	66.2
04:28.0	66.7
04:30.0	67.1
04:32.0	67.5
04:34.0	67.9
04:36.0	68.3
04:38.0	68.8
04:40.0	69.1
04:42.0	69.5
04:44.0	69.9
04:46.0	70.4
04:48.0	70.9
04:50.0	71.3
04:52.0	71.8
04:54.0	72.3
04:56.0	72.7
04:58.0	73.1
05:00.0	73.6

Procedimiento 2

1.    En 3 cristalizadores pones agua, en el primer cristalizador pones agua fría, en el segundo agua caliente y en el tercero pones un poco de agua fría y caliente.

2.    Tomas la temperatura de cada cristalizador

3.    Metes las manos al mismo tiempo en el cristalizador donde está el agua fría y caliente, los tardas unos segundos; después metes las manos en el cristalizador de agua normal (agua fría y caliente).

¿Qué sentiste? ¿Notaste la diferencia al meter las manos en el agua normal?

Conclusiones

Aprendimos a diferenciar cuando el agua está muy caliente, normal y fría.

A 10° c el agua esta fría, a 46.8° c el agua está caliente y a 22.6° c el agua está normal.

También hay un momento en que el agua se mantiene por un momento, cuando llega a los 100°c en lugar de aumentar, disminuye y el agua se evapora.

Bibliografías

http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_ccnn_2/tema3/

http://fluidos.eia.edu.co/fluidos/principios/termodinamica0.html

Cambios que provoca el calor

Todos los días ocurren cambios en la materia que nos rodea. Algunos hacen cambiar el aspecto, la forma, el estado. A estos cambios los llamaremos cambios físicos de la materia.

Entre los cambios físicos más importantes tenemos los cambios de estado, que son aquellos que se producen por acción del calor.

Podemos distinguir dos tipos de cambios de estado según sea la influencia del calor: cambios progresivos y cambios regresivos.

•    Cambios progresivos son los que se producen al aplicar calor.

Estos son: sublimación progresiva, fusión y evaporación.

·       Sublimación progresiva:

Es la transformación directa, sin pasar por otro estado intermedio, de una materia en estado sólido a estado gaseoso al aplicarle calor.

Ejemplo:

Hielo (agua en estado sólido) + temperatura = vapor (agua en estado gaseoso)

·       Fusión:

Es la transformación de un sólido en líquido al aplicarle calor.

Es importante hacer la diferencia con el punto de fusión, que es la temperatura a la cual ocurre la fusión. Esta temperatura es específica para cada sustancia que se funde.

Ejemplos:

Cobre sólido + temperatura = cobre líquido.

Cubo de hielo (sólido) + temperatura = agua (líquida).

El calor acelera el movimiento de las partículas del hielo, se derrite y se convierte en agua líquida.

·        Evaporación:

Es la transformación de las partículas de superficie de un líquido, en gas, por la acción del calor.
Este cambio ocurre en forma normal, a temperatura ambiente, en algunas sustancias líquidas como agua, alcohol y otras.
Ejemplo:
Cuando te lavas las manos y las pones bajo la máquina que tira aire caliente, éstas se secan.
Sin embargo si le aplicamos mayor temperatura la evaporación se transforma en ebullición.

       

Ebullición:

Es la transformación de todas las partículas del líquido en gas por la acción del calor aplicado.

En este caso también hay una temperatura especial para cada sustancia a la cual se produce la ebullición y la conocemos como punto de ebullición.

Ejemplos:

El agua tiene su punto de ebullición a los 100º C, alcohol a los 78º C. (el término hervir es una forma común de referirse a la ebullición).

• Cambios regresivos estos cambios se producen por el enfriamiento de los cuerpos y también distinguimos tres tipos que son: sublimación regresiva, solidificación, condensación.

·       Sublimación regresiva:

Es el cambio de una sustancia de estado gaseoso a estado sólido, sin pasar por el estado líquido.

 

·       Solidificación:

Es el paso de una sustancia en estado líquido a sólido.
Este cambio lo podemos verificar al poner en el congelador un vaso con agua, o los típicos cubitos de hielo.

 

·        Condensación.

Es el cambio de estado de una sustancia en estado gaseoso a estado líquido.

Ejemplo: El vapor de agua al chocar con una superficie fría, se transforma en líquido. En invierno los vidrios de los micros se empañan y luego le corren "gotitas"; es el vapor de agua que se ha condensado. En el baño de la casa cuando nos duchamos con agua muy caliente y se empaña el espejo, luego le corren las "gotitas " de agua.

Ejemplos:

"El roce de los esquíes produce fusión de la nieve, formando una capa de agua que favorece el deslizamiento"
"Si el agua no se evaporara, no tendríamos lluvias".
"Los distintos subproductos que se obtienen del petróleo, se logran gracias a la separación de ellos mediante el punto de ebullición."

TRANSMISIÓN DE CALOR

Es el proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están en distinto nivel energético. 

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.

·       La conducción requiere contacto físico entre los cuerpos que intercambian calor.
Ejemplo
El calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción.

·       La radiación no hace falta que los cuerpos estén en contacto ni que haya materia entre ellos.
Tipos de radiación
Radiación electromagnética
Radiación ionizante
Radiación de Cerenkov
Radiación corpuscular
Radiación solar
Radiación de súper voltaje
Radiación nuclear
Radiación de cuerpo negro
Radiación no ionizante
Radiación de antimateria
Radiación cósmica

Ejemplo
El agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección.

·       La convección se produce a través del movimiento de un líquido o un gas en contacto con un cuerpo de temperatura diferente.
Tipos de convección:
convección forzada
convección libre.
La convección libre consiste en la transferencia de calor cuando el fluido suficientemente lejos del sólido está parado y la convección forzada se produce cuando el fluido se mueve lejos del sólido

Ejemplo
La Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.

LEY DE BOYLE

Relación entre la presión y el volumen de un gas cuando la temperatura es constante




 

Fue descubierta por Robert Boyle en 1662. Edme Mariotte también llegó a la misma conclusión que Boyle, pero no publicó sus trabajos hasta 1676. Esta es la razón por la que en muchos libros encontramos esta ley con el nombre de Ley de Boyle y Mariotte.

La ley de Boyle establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante.




LEY DE GAY LUSSAC

En aumentar la temperatura, el volumen del gas aumenta si la presión se mantiene constante.

 


LEY DE CHARLES
La Ley de Charles y Gay-Lussac, o simplemente Ley de Charles, es una de las leyes de los gases. Relaciona el volumen y la temperatura de una cierta cantidad de gas ideal, mantenido a una presión constante, mediante una constante de proporcionalidad directa.




LEYES DE LOS GASES




Delos tres estados de las materia, en el estado gaseoso las interacciones entre sus partículas son mínimas, por lo que es en este caso donde el estudio y la interpretación de los resultados obtenidos es menos complicada. Como resultado de tales estudios se ha llegado a establecer una serie de generalizaciones empíricas que se incluye bajo la denominación de leyes de los gases, las cuales describen el comportamiento de dichas sustancias en determinadas condiciones especiales.

Si un gas es introducido en un recipiente cerrado, sus moléculas se moverán según las consideraciones de la teoría cinética molecular, con una velocidad que aumentará con la temperatura.

Suponiendo que un determinado número de moléculas, las cuales se pueden expresar en función al número de moles (n), se llevan a un recipiente cerrado de volumen (V) y a una temperatura kelvin (T), las moléculas se moverán chocando contra las paredes del recipiente ejerciendo una fuerza F que al expresarse con relación al área S de la pared determinará una presión (P), que es dependiente del número de choques. La presión, la temperatura, y el volumen de una muestra de gas son sus variables de estado.                                             








LEY COMBINADA
Las dos primeras leyes pueden utilizarse, como se ya se indicó, para averiguar el nuevo volumen que adquiere un gas cuando se modifica su temperatura y su presión, pero no cuando ambas variables lo hacen de manera simultánea. Sin embargo, en la práctica, lo más frecuente es que así suceda.

La ley combinada de los gases es una suma de las leyes de Boyle y de Charles, incluso la ley de Gay Lussac. Al final, resulta la ecuación general:

ViPiTf=VfPfTi

La ley de Boyle y la ley de Charles han sido verificadas y confirmadas mediante cuidadosas realizaciones experimentales. En ciertas condiciones de temperatura y/o presión, las propiedades de la mayor partye de los gases reales se desvóan por completo de las de un gas ideal. Para estos casos existen otras ecuaciones.