Unidad 3Calor y Temperatura. Objetivos: El alumno: ¾ Explicará la diferencia entre calor y temperatura, mediante la identificación de los efectos del calor sobre los cuerpos, a través del estudio de sus respectivos conceptos, principios y leyes; mostrando interés científico y responsabilidad en la aplicación de dichos conocimientos; en un ambiente de respeto y armonía con sus compañeros y el entorno. La sensación de calor o frío está estrechamente relacionada con nuestra vida cotidiana. Hacia el siglo XVIII se pensaba que el calor era una sustancia que formaba parte de los cuerpos y que podía fluir de un cuerpo a otro, y a eso se le daba el nombre de calórico. El calórico era una sustancia que al salir enfriaba a un cuerpo, mientras que al entrar lo calentaba; así se creó una teoría que perduró durante muchos años. Todavía en el siglo XVIII, no se contaba con una forma de medir con exactitud lo caliente o lo frío de un cuerpo. Un médico estimaba cuánta fiebre tenía un paciente, tocando su frente; un panadero calculaba lo caliente de su horno por el color de las brasas. Lo riguroso del frío invernal se determinaba por el espesor del hielo en los estanques congelados. Era necesaria una forma exacta de describir lo caliente y lo frío de las cosas. Temario: ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ Diferencia entre calor y temperatura. Temperatura y su medición. Calor y sus unidades de medida. Mecanismos de transferencia de calor. Dilatación lineal, superficial y volumétrica de los cuerpos. Dilatación irregular del agua. Calor específico de las sustancias. Calor cedido y absorbido por los cuerpos. Física II 3.1. INTRODUCCIÓN. El hombre primitivo le atribuía propiedades maravillosas al fuego, por lo cual lo consideraba un dios. Más tarde, en el siglo XVIII, se creyó que el calor era una sustancia que fluía a través del espacio; a dicho fluido lo llamaban calórico. En la metalurgia se creía que, al enfriar un trozo de hierro con agua, el calórico fluía del metal al agua o que si un pedazo de madera ardía hasta consumirse, el calórico escapaba y fluía hacia otros cuerpos. La idea generalizada era que todos los cuerpos contenían calórico en mayor o menor medida. La aplicación de calor a los alimentos se remonta a los tiempos en que el ser humano descubrió cómo hacer fuego y observó empíricamente los beneficios que esta práctica aportaba. Actualmente, el calor es uno de los tratamientos que hacen posible la existencia de productos sanos de larga vida comercial. El tratamiento térmico permite que las conservas puedan almacenar el producto a temperatura ambiente, garantizando su seguridad. Asimismo, el uso de los diversos tratamientos térmicos, junto con otras tecnologías como la refrigeración, facilita el comercio de productos alimenticios entre distintos países, incluso cuando están geográficamente muy alejados. El uso de los diversos tratamientos térmicos facilita la existencia de productos sanos de larga vida comercial. El calor inactiva o destruye a los patógenos y por ello conviene saber usarlo adecuadamente. Una mala aplicación en el ámbito doméstico o en el industrial puede provocar efectos contrarios a los deseados. La gente acostumbra tomar café durante todo el año. Con este calor, yo prefiero un vaso con limonada fría. La aplicación del calor en los alimentos tiene varios objetivos. El primero de ellos es convertir a los alimentos en digestibles, hacerlos apetitosos y mantenerlos a una temperatura agradable para comerlos. 144 Calor y temperatura ¾ Del mismo modo, los tratamientos térmicos persiguen destruir agentes biológicos, como bacterias, virus y parásitos con la finalidad de obtener productos más sanos; conseguir productos que tengan una vida comercial más larga, debido fundamentalmente a la eliminación o reducción de los microorganismos causantes de la alteración de los alimentos; y disminuir la actividad de otros factores que afectan a la calidad de los alimentos, como determinadas enzimas (por ejemplo, las que producen el oscurecimiento de los vegetales cuando éstos son cortados). La temperatura es una unidad fundamental que nos permite describir numerosos fenómenos que ocurren en la materia. Por ejemplo, si tuviera dos recipientes con agua a temperaturas diferentes, podría saber cual está más caliente (o tiene una temperatura más alta), comparándola con sus manos. Esta comparación es relativa, porque se está comparando el calor o el frío del agua en los recipientes con la temperatura corporal de sus manos. Figura 1. Nuestros sentidos pueden engañarnos 3.1.1. Diferencia entre calor y temperatura. Se le llama energía interna de un cuerpo o sistema, a la suma de todos los tipos de energía que poseen sus moléculas. En particular, la energía térmica se define como la suma de las energías cinéticas de las moléculas de un cuerpo o sistema. La temperatura de un cuerpo, es una medida de la energía cinética promedio de sus moléculas y está relacionada con la sensación de caliente o frío que experimentamos cuando tocamos dicho cuerpo. Cuando dos cuerpos que están a diferente temperatura se ponen en contacto entre sí, hay una transferencia de energía térmica del cuerpo de mayor hacia el de menor temperatura. A esta energía que se está transfiriendo se le llama calor. El calor y la temperatura son factores que modifican la estructura de los objetos. El significado del calor y temperatura es distinto, aunque sabemos que están muy relacionados entre sí. 145 Física II Cuando un cuerpo está caliente su energía térmica es mayor, ya que las moléculas tienen mayor velocidad de movimiento a diferencia de un cuerpo frío, donde su energía térmica es menor y por lo tanto su energía cinética también es menor. Al ponerse en contacto dos cuerpos con diferente temperatura, el más caliente cederá energía térmica hasta que ambos cuerpos tengan la misma temperatura, llamándose a esto equilibrio térmico. Figura 2. Del lado izquierdo tenemos un gas a temperatura baja, con una energía cinética media reducida. A la derecha tenemos el mismo gas pero ahora a temperatura alta es decir, con una energía cinética media elevada. 3.1.2. Unidades de calor. Dado que el calor es energía, sus unidades serán Joules (J), Ergios (Ergs) o Libras-pie (lb.ft). Sin embargo las unidades que suelen utilizarse se definieron antes de saber que el calor es otra manifestación de la energía. Estas unidades son: Caloría, Kilocaloría y la unidad térmica británica. Una Caloría (Cal) es la cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado Celsius la temperatura de un gramo de agua. Una Kilocaloría (Kcal) Es la cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado Celsius la temperatura de un kilogramo de agua. Una Unidad Térmica Británica (BTU) Es la cantidad de calor que se requiere para aumentar en un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua Figura 5. Unidades de energía calorífica Mediante un experimento William Thomson transfiere energía mecánica a un recipiente con agua logrando un aumento en la temperatura de ésta, verificando que el calor es una forma de energía. Thomson obtuvo que la equivalencia entre la energía mecánica y la energía calorífica es la siguiente: 1 caloría = 4.18 Joules. 146 1. la elaboración de una escala termométrica o de temperaturas lleva consigo. Para definir una escala de temperaturas es necesario elegir una propiedad termométrica que reúna las siguientes condiciones: a) La expresión matemática de la relación entre la propiedad y la temperatura debe ser conocida. un tigre. Medición de la temperatura. del volumen de un líquido. no constituye un medio adecuado para medir la temperatura porque estará en relación a la temperatura de nuestro cuerpo. c) El rango de temperatura accesible debe ser suficientemente grande. pequeños cambios térmicos.252 Kcal 3. al menos. Por tal razón se inventó el termómetro. porque pueden ser empleadas en la construcción de termómetros. Aunque el sentido del tacto nos proporciona una indicación cualitativa de lo frío o caliente de un cuerpo.3. con una precisión aceptable. Escalas termométricas En todo cuerpo material. 147 . etcétera? 1Cal 4.18J 1Kcal 4186J 1Kcal 1000Cal 1BTU 778 lb-ft 1BTU 1054 J 1BTU 252 Cal 1 BTU 0. etcétera.Calor y temperatura Tabla 1: Equivalentes mecánicos del calor ¿Qué temperatura tendrán algunos animales como el oso. la determinación de los puntos fijos o temperaturas de referencia que permanecen constantes en la naturaleza y. la división del intervalo de temperaturas correspondientes a tales puntos fijos en unidades o grados. de la resistencia eléctrica de un metal. dos operaciones. Estas magnitudes cuya variación está ligada a la de la temperatura se denominan propiedades termométricas. por una parte. de la presión de un gas. que es la manera de obtener la temperatura relativa de un cuerpo. Tal es el caso de la longitud de una varilla metálica. Una vez que la propiedad termométrica ha sido elegida. por otra. la variación de la temperatura va acompañada de la correspondiente variación de otras propiedades medibles. Todo termómetro basa su funcionamiento en que al variar la temperatura de un objeto varían también otras propiedades físicas. de modo que a cada valor de aquella le corresponde un solo valor de ésta. b) La propiedad termométrica debe ser lo bastante sensible a las variaciones de temperatura como para poder detectar. por lo que la temperatura indicada puede estar bastante por encima de la temperatura real del aire. El termómetro situado a la sombra puede ceder calor por radiación a las paredes frías del edificio. tendríamos 1 ºC=180 ºF 100 1 ºC=9 ºF o 5 1 ºC = 1. conducción o convección. Al comparar dos termómetros graduados en dichas escalas notamos lo siguiente: (Ver fig. La escala Fahrenheit utiliza otras temperaturas de referencia. 148 . las lecturas de ambos instrumentos pueden ser muy distintas. Para evitar esos errores. su lectura estará algo por debajo de la temperatura real del aire. 3).8 Tc +32 Figura 3. por lo tanto. Por otra parte. uno de ellos a la sombra y otro al sol. una medida precisa de la temperatura exige proteger el termómetro de fuentes frías o calientes a las que el instrumento pueda transferir calor (o que puedan transferir calor al termómetro) mediante radiación. el termómetro situado al sol absorbe el calor radiante de él.Física II Para la escala de temperatura Celsius. aunque la temperatura del aire sea la misma. Termómetros en escalas Fahrenheit y Celsius O bien: TF = 9 Tc + 32 5 Los rayos solares son más fuertes aquí ¿Sabes que te puedes deshidratar si duras mucho ahí? Es importante saber que si medimos la temperatura en el exterior de un edifico con dos termómetros situados a pocos centímetros. El rango de 100 grados en la escala Celsius corresponde a un rango de 180 grados en la escala Fahrenheit temperaturas. las relacionaremos como sigue: 180 divisiones de ºF=100 divisiones de ºC Despejando 1 ºC.8 ºF Para convertir temperaturas entre las escalas antes mencionadas se utilizan las siguientes ecuaciones: Relacionando las escalas Celsius y Fahrenheit: TF = 1. Por eso. la ebullición del agua. las temperaturas de referencia son los puntos de fusión del hielo para el punto inferior y para el punto superior. 149 . Termómetro comparando ambas escalas absolutas: la escala Kelvin y la escala Ranking. En equipo desarrolla las fórmulas para llegar directamente a la conversión de ºC a ºR y de ºF a º K EJERCICIO 2 Otras propiedades termométricas Algunas magnitudes físicas relacionadas con la electricidad varían con la temperatura siguiendo una ley conocida. lo que hace posible su utilización como propiedades termométricas. Las temperaturas absolutas Kelvin y Rankine se asocian a las temperaturas Celsius y Fahrenheit por las siguientes ecuaciones: 0 K = 0C + 2730 0 R = 0F + 4600 Figura 4.Calor y temperatura En equipo encuentra la fórmula para convertir ºC (grados Celsius) a ºF (grados Fahrenheit) EJERCICIO 1 Escalas de temperaturas absolutas A las escalas Celsius y Fahrenheit se les llama escalas relativas. Este tipo de termómetros permiten obtener medidas casi instantáneas de la temperatura del cuerpo con el que están en contacto. Otra escala absoluta para medir temperatura es la Rankine. TAREA 1 Página 175. Los termómetros de termistores constituyen una variante de los de resistencia. puede haber valores negativos en sus escalas. termómetros de resistencia que emplean normalmente un hilo de platino como sensor de temperaturas y poseen un amplio rango de medidas que va desde los -200 ºC hasta los 1200 ºC. Para evitar esto y encontrar un límite inferior con el cero absoluto. porque el cero de dichas escalas no es la menor temperatura. Emplean resistencias fabricadas con semiconductores que tienen la propiedad de que su resistencia disminuye en vez de aumentar con la temperatura (termistores). Tal es el caso de la resistencia eléctrica de los. como son la escala Kelvin que ha sido adoptada por el Sistema Internacional de Unidades como patrón para medir temperatura. llamadas temperaturas bajo cero. El cero absoluto se considera el punto en que las moléculas de un cuerpo o sistema no tienen energía térmica. se tienen las escalas de temperatura absoluta. En ese momento. Los termistores y termopares tienen a menudo elementos sensores de sólo uno o dos centímetros de longitud. lo que permite hallar la temperatura. Como la tensión depende de la diferencia de temperatura en ambas uniones. El pirómetro óptico se emplea para medir temperaturas de objetos sólidos que superan los 700 ºC. A esas temperaturas los objetos sólidos irradian suficiente energía en la zona visible para permitir la medición óptica a partir del llamado fenómeno del color de incandescencia. Más allá del punto de fusión del oro las temperaturas se miden mediante el llamado pirómetro óptico. La temperatura de un objeto incandescente puede medirse observando el objeto a través del pirómetro y ajustando el reóstato hasta que el filamento presente el mismo color que la imagen del objeto y se confunda con ésta. Para incrementar la tensión pueden conectarse en serie varios termopares para formar una termo pila. El color con el que brilla un objeto caliente varía con la temperatura desde el rojo oscuro al amarillo y llega casi al blanco a unos 1300 ºC. la lectura del galvanómetro puede convertirse directamente en una indicación digital de la temperatura. manganeso o cobalto. lo que les permite responder con rapidez a los cambios de la temperatura y los hace ideales para muchas aplicaciones en biología e ingeniería. Usando circuitos electrónicos adecuados. en los que se genera una pequeña tensión (del orden de milivoltios) al colocar a temperaturas distintas las uniones de un bucle formado por dos alambres de distintos metales. una de ellas debe mantenerse a una temperatura conocida. que se basa en la intensidad de la luz de una frecuencia determinada que emite un cuerpo caliente. Es posible efectuar mediciones de temperatura muy precisas empleando termopares. desde 1933. como patrón un termómetro de resistencia de platino para temperaturas entre -190 ºC y 660 ºC hasta el punto de fusión del oro (1063 ºC) se emplea un termopar patrón: Los termopares son dispositivos que miden la temperatura a partir de la tensión (dilatación) producida entre dos alambres de metales diferentes. empleado sobre todo en termostatos. En este fenómeno se basa el termómetro de resistencia. Para temperaturas más altas se emplean termistores fabricados con otros metales o aleaciones. se basa en la expansión térmica diferencial de dos tiras o discos fabricados con metales distintos y unidos por los extremos o soldados entre sí. cuando la mayoría de los restantes termómetros se fundiría. en caso contrario hay que introducir en el dispositivo un circuito electrónico de compensación para hallar la temperatura del sensor. Para medir temperaturas entre -50 y 150 ºC se utilizan diferentes termistores fabricados con óxidos de níquel.Física II La escala internacional emplea. La resistencia eléctrica de un conductor o un semiconductor aumenta cuando se incrementa su temperatura. Para un termistor dado. El pirómetro contiene un filamento similar a un foco o bombilla. El filamento está controlado por un reóstato calibrado de forma que los colores con los que brilla corresponden a temperaturas determinadas. 150 . la temperatura del filamento (que puede leerse en el reóstato calibrado) es igual a la del objeto. La resistencia puede medirse mediante un galvanómetro. por ejemplo. a cada temperatura corresponde una resistencia eléctrica diferente. en el que se aplica una tensión eléctrica constante al termistor. el platino puede emplearse hasta los 900 ºC aproximadamente. Otro sistema para medir temperatura. o efecto sensor. Calor y temperatura Una aplicación termométrica del fenómeno de dilatación en sólidos lo constituye el termómetro metálico. Los tres estados básicos son el sólido. la desviación es tanto mayor cuanto mayor es la diferencia de temperaturas respecto de 0 ºC. Cuando la temperatura aumenta o disminuye respecto del valor inicial. una escala graduada permite leer directamente el valor de la temperatura. 151 . Al aumentar la temperatura el mercurio se dilata y asciende por el capilar. si se añade una aguja indicadora el sistema. ¿Qué sustancias usaremos? Cambio de estado En física y química se denomina cambio de estado a la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición. Pero. Un termómetro clínico está formado por un capilar de vidrio que se comunica con un bulbo lleno de mercurio. el líquido y el gaseoso. de igual longitud a 0 ºC. Está formado por una lámina bimetálica de materiales de diferentes coeficientes de dilatación lineal que se consigue soldando dos láminas de metales tales como latón y acero. ¿Qué experimentos sencillos haremos para ver los cambios de estado de una sustancia? Alguna sustancia que cambie rápido o lento sus estados. con lo que el conjunto se curva en un sentido o en otro según que la temperatura medida sea mayor o menor que la inicial de referencia. si tiene un termómetro metálico. su diferencia da lugar a que una de las láminas se dilate más que la otra. de modo que pueda moverse sobre una escala graduada y calibrada con el auxilio de otro termómetro de referencia. Además. Cuando calentamos un sólido. se funde para formar un líquido (a la temperatura que eso ocurre se le llama punto de fusión). Naturaleza de los cuerpos. La naturaleza de los cuerpos depende de la combinación y modo de ser de sus principios. hay también leyes especiales. la condensación ocurre cuando se enfría un gas produciendo un líquido que. Por otra parte. mas al paso. que modifican o varían el influjo de aquellas causas. que estos estén sujetos a ciertas causas generales. el líquido se evaporará y se convertirá en gas (esta conversión ocurre a la temperatura del punto de ebullición).Física II SUBLIMACIÓN FUSIÓN SÓLIDO VAPORIZACIÓN LÍQUIDO SOLIDIFICACIÓN GASEOSO CONDENSACIÓN SUBLIMACIÓN INVERSA Los tres estados de la materia son transformables entre sí mismos. Si seguimos calentando. se congelará o solidificará para producir un sólido. al enfriarse aún más. 152 . resultantes de la organización. Las especies acuáticas sólo pueden existir dentro de un estrecho rango de temperatura del agua. por ejemplo. los compuestos químicos se separan en sus componentes. La primera trata de las inorgánicas. y tienen que estar protegidos de temperaturas extremas. un aumento de sólo unos grados en la temperatura de un río como resultado del calor desprendido por una central eléctrica puede provocar la contaminación del agua y matar a la mayoría de los peces originarios. Por ejemplo. la segunda abraza las orgánicas. 153 . los materiales sólidos se licuan o se convierten en gases. Las orgánicas generalmente presentan una buena conducción de calor y las inorgánicas no. Así. La temperatura desempeña un papel importante para determinar las condiciones de supervivencia de los seres vivos. es decir. A temperaturas elevadas. las aves y los mamíferos necesitan un rango muy limitado de temperatura corporal para poder sobrevivir.Calor y temperatura El estudio de todas las sustancias que se nos ofrece en la química. ofreciendo una elevada resistencia por rozamiento al flujo. diferente según las especies. no todo depende de sus condiciones físicas para transferirlo y de sus efectos químicos. el acero se vuelve quebradizo y se rompe fácilmente. o todo el reino mineral. Los cambios de temperatura también afectan de forma importante a las propiedades de todos los materiales. ¿Cuántas calorías gastas o quemas cuando corres? El calor nos hace sudar al practicar algún deporte Efectos de la temperatura. todas las sustancias del reino vegetal y animal. y los líquidos se solidifican o se hacen muy viscosos. A temperaturas árticas. está dividido en dos partes. con muchos poros pequeños. A bajas alturas. la temperatura del aire está determinada en gran medida por la temperatura de la superficie terrestre. y en julio la situación es la contraria. Como resultado de este fenómeno.3. La temperatura se debe básicamente al calentamiento por la radiación del Sol de las zonas terrestres del planeta. ¿Por qué no se utiliza una tela sin poros? Explique su respuesta. Y aquí hace demasiado calor. por ejemplo. Por encima de esta altura. Mecanismos de transferencia de calor. . En enero. desde un nivel de referencia de 15 ºC en el nivel del mar (en latitudes templadas) hasta unos -55 ºC a 11000m aproximadamente. porque los rayos solares llegan directos debido al movimiento de traslación y otros factores.1.Física II Estas zonas del planeta son muy frías. EJERCICIO 3 Realiza en equipo lo siguiente: Da tres ejemplos de situaciones donde la transferencia de calor A) Sea deseable B) No sea deseable Comenta con tus compañeros de clase tus respuestas. EJERCICIO 4 154 Realiza individualmente lo siguiente: La ropa interior térmica tiene una estructura fina. la temperatura disminuye con la altura. La temperatura de la atmósfera se ve muy influida tanto por las zonas de tierra como de mar. que a su vez calientan el aire situado por encima. la temperatura permanece casi constante hasta unos 34000 m. 3. las grandes masas de tierra del hemisferio norte están mucho más frías que los océanos de la misma latitud. Si sostiene un extremo de una barra de hierro en una fogata. Dichas corrientes pueden ser naturales o forzadas. Siempre que hay una diferencia de temperatura entre dos cuerpos se dice que el calor fluye en dirección del cuerpo de temperatura más alta al de temperatura más baja. Mecanismos de transferencia de calor La conducción es la transferencia de calor por medio de las colisiones moleculares entre moléculas vecinas. el cual generalmente es un fluido. Figura 6. Por ejemplo.Calor y temperatura El calor es una forma de energía en movimiento. Existen tres formas principales por las cuales ocurre la transferencia de calor: Conducción. Figura 7. el calor alcanzará finalmente su mano debido al proceso de conducción. Cuando tiene lugar el movimiento de un medio material se produce lo que se denomina corrientes de convección. El incremento de la actividad molecular en el extremo calentado pasa de molécula en molécula hasta que llega a la mano. convección y radiación. Conducción La convección es el proceso mediante el cual el calor se transfiere utilizando el movimiento de un medio material. Los materiales conductores de calor por este proceso son los metales. 155 . Convección natural y forzada La radiación es el proceso a través del cual el calor se transfiere por medio de ondas electromagnéticas. como bombas y ventiladores. Todos los objetos emiten energía radiante e incluso se puede desplazar en el espacio a través de un vacío. 156 Figura 9. Como ejemplos tenemos la calefacción.Física II Las naturales son aquellas que se producen cuando el movimiento de un medio es ocasionado por una diferencia de densidad debido a la variación de temperatura. Como ejemplo tenemos las corrientes de aire caliente y frío que existen en nuestro planeta. TAREA 2 Página 177. El sol transfiere calor a la tierra a través del mecanismo de radiación . Las corrientes de convección forzada son aquellas en las que el medio de transferencia es obligado a moverse mediante dispositivos mecánicos. Figura 8. Tenemos como ejemplo la energía del sol. 157 . Hablemos primero de los sistemas de aprovechamiento térmico.Calor y temperatura Para practicar un deporte primero se debe “calentar” el cuerpo. En los países árabes ya funcionan acondicionadores de aire que utilizan eficazmente la energía solar. recogiendo de forma adecuada la radiación solar. se puede obtener agua caliente para consumo doméstico o industrial. fábricas. Ambos procesos nada tienen que ver entre sí. ni en cuanto a su tecnología ni en su ampliación. El calor se logra mediante los captadores o colectores térmicos. porque si no lo haces te puedes lesionar. etcétera. colegios. y la electricidad. Realizar individualmente: EJERCICIO 5 ¿Por qué generalmente usamos ropa de color negro en el invierno y ropa de colores claros en el verano? ¿Qué se puede obtener de la energía solar? ¾ Básicamente. la cual puede perfectamente tener su origen en unos colectores solares instalados en el tejado o azotea. Por ejemplo. hoteles. otra de las más prometedoras aplicaciones del calor solar será la refrigeración durante las épocas cálidas precisamente cuando más soleamiento hay. En efecto. Sí. podemos obtener calor y electricidad. y aunque puede parecer extraño. También. El calor recogido en los colectores puede destinarse a satisfacer numerosas necesidades. a través de los llamados módulos fotovoltaicos. Incluso podemos climatizar las piscinas y permitir el baño durante gran parte del año. o bien para dar calefacción a nuestros hogares. para obtener frío hace falta disponer de una fuente cálida. no contaminan ni producen ningún ruido en absoluto. para evitar la necesidad de grandes y costosos sistemas de acumulación. Un cambio de los cuerpos es la dilatación. La energía solar puede ser perfectamente complementada con otras energías convencionales. por citar otro ejemplo. y aunque con menos rendimiento. Así. se deja un espacio entre un bloque de concreto y otro. al carecer los panales de partes móviles. pues. Actualmente se perfilan como la solución definitiva al problema de la electrificación rural. Además. al pavimentar una calle. 3. una casa bien aislada puede disponer de agua caliente y calefacción solares.Física II Las aplicaciones agrícolas son muy amplias. que consiste en el aumento de sus dimensiones cuando cambia su temperatura: Todos los sólidos.4. con clara ventaja sobre otras alternativas. funcionan también en días nublados. ya producían electricidad en los primeros satélites espaciales. Dilatación de los sólidos Seguramente has notado que los rieles de una vía del ferrocarril están separados por una pequeña distancia o que. y. El costo de la factura de la luz sería sólo una fracción del que alcanzaría sin la existencia de la instalación solar. como el agua en el intervalo de temperatura de 0 0C a 4 0C). 158 . los secadores agrícolas consumen mucha menos energía si se combinan con un sistema solar. Dilatación de los cuerpos. ¾ Las celdas solares. resultan totalmente inalterables al paso del tiempo. con el apoyo de un sistema convencional a gas o eléctrico que únicamente funcionaria en los periodos sin sol.1. Con invernaderos solares pueden obtenerse mayores y más tempranas cosechas. pueden funcionar plantas de purificación o desalinización de aguas sin consumir ningún tipo de combustible. líquidos y gases se dilatan al cambiar su temperatura (con algunas excepciones. puesto que captan la luz que se filtra a través de las nubes. Esto se debe a la necesidad de dar un margen a la dilatación del metal o concreto. dispuestas en panales solares. no consumen combustible y no necesitan mantenimiento. Calor y temperatura Tf Lf Figura 10. Experimentalmente se ha comprobado que al aumentar la temperatura de una barra. el valor de alfa y la variación en la temperatura. aumenta su longitud y que dicho aumento ( ∆L ) es proporcional a su longitud inicial ( Li ) y al aumento de su temperatura ( ∆t ). Esto es ∆L = αLi∆t Donde: ∆L = Dilatación lineal Li = Longitud inicial ∆t = Variación en la temperatura 159 . necesitan la longitud inicial. es muy sencillo. Dilatación lineal de una barra ¿Cómo se calcula la dilatación de un cuerpo? Jóvenes. 7 x 10 -5 / 0C 1 x 10 -5 / 0C 1. Ai 160 .Física II α = Constante de proporcionalidad.6 x 10 -5 / 0C Material Acero Aluminio Cobre Concreto Hierro Latón Plata Plomo Vidrio pyrex Zinc Tabla 2. láminas y espejos. Coeficientes de dilatación para algunos materiales Dilatación superficial Los lados de una placa sufren dilataciones lineales.3 x 10 -5 / 0C 2. por ejemplo en chapas. llamado coeficiente de dilatación lineal.4 x 10 -5 / 0C 1.2 x 10 -5 / 0C 1. Para cada material tiene un valor determinado. Los valores del coeficiente de °C dilatación lineal de algunos materiales sólidos se muestran en la siguiente tabla: α (Coeficiente de dilatación) 1. Esto se observa en aquellos cuerpos en los que una de sus dimensiones es mucho menor que las otras dos. cuando hay un cambio en la temperatura y su unidad es 1 en el sistema internacional.8 x 10 -5 / 0C 2 x 10 -5 / 0C 3 x 10 -5 / 0C 0. etcétera. provocando una dilatación superficial cuando aumenta su temperatura. Se define al coeficiente de dilatación lineal ( α ) como la variación de longitud por unidad de ésta de un material.2 x 10 -5 / 0C 2. La fórmula es: ∆V = γVi ∆t 161 . cuando hay un aumento en la temperatura. se puede obtener multiplicando el coeficiente de dilatación lineal por dos: ∆=2 α Y se define al coeficiente de dilatación superficial como: La variación de la superficie de una placa. Dilatación volumétrica Es importante conocer cómo varía el volumen de un cuerpo cuando aumenta su temperatura.Calor y temperatura La fórmula de dilatación superficial es: ∆S = βAi∆t Donde ∆S = Dilatación superficial β = Coeficiente de dilatación superficial Ai = Área inicial ∆t = Variación en la temperatura El coeficiente de dilatación superficial de una lámina. que se dilata en la misma proporción a lo largo y lo ancho. por unidad de área. Física II Donde: ∆V = Dilatación volumétrica γ = Coeficiente de dilatación volumétrica Vi = Volumen inicial ∆t = Variación de temperatura El coeficiente de dilatación volumétrica de un sólido.1. TAREA 3 γ =3 α Página 179. permitiendo la subsistencia de su flora y fauna debajo. Esto es. se puede obtener multiplicando su coeficiente de dilatación lineal por tres. Debido a esa característica. al aumentar su temperatura disminuye su volumen. excepto el agua. los ríos se congelan en la parte superior y debajo de la capa de hielo el agua permanece en estado líquido. los ríos y lagos se congelan en la parte superior. que se dilata igualmente en todas direcciones. Figura 11. en el cual. si la temperatura decrece de 4 0C a 0 0C también se dilata en lugar de contraerse. Es asombroso que haya vida debajo de una capa de hielo en un lago o río. 3. pues su coeficiente de dilatación volumétrica es positivo.5. Todos los líquidos aumentan su volumen cuando aumenta su temperatura. el agua es más densa a 4 0C que a 0 0C por eso en las zonas donde las temperaturas son muy bajas. Debido a la dilatación irregular del agua. por encima de los 4 0C el agua se dilata al aumentar su temperatura. Ésta no se comporta de esta manera en el intervalo de temperatura de 0 0C a 4 0C. 162 . cuando hay un cambio en la temperatura. Dilatación irregular del agua. Y se define al coeficiente de dilatación volumétrico como: La variación del volumen por unidad de éste de un material. ¿Cuánta gasolina se derramó del tanque? γ gasolina = 950 x 10-6 0 C Datos ( γ gasolina )( ) = 950 x 10-6 0 C 163 .025 m ∆t = tf – ti = 150 0C – 15 0C = 135 0C Sustitución ∆L = αLi∆t ⎛ 1. de lado se calienta aumentando su temperatura en 100 0C. cuando la temperatura era de 68 0F al día siguiente.0225 m2 ∆t = 100 0C Sustitución ∆S = βAi∆t ⎛ 4.08 X 10 -4 m2 ∆S = ⎜⎜ 0 ⎟ C ⎝ ⎠ 3. de diámetro a una temperatura de 15 0C. Datos α = 12 x 10 -6 = 1.8 x10 −5 ⎟ = 0 ⎟ C ⎠ Ai = 15 cm x 15 cm = 0.0225 m2 100 0 C = 1. En una lámina de acero se hace una perforación de 2.5 cm = 0.8 x10 −5 ⎞ ⎟ 0.Calor y temperatura Problemas: 1.025 m) 135 0C = 0.4 x10 −5 β = 2 α = 2 ⎜⎜ 0 C ⎝ ⎞ 4. Una lámina cuadrada de aluminio de 15 cm.2 x 10 -5 o 0 C C Li = 2.2X10 −5 ⎞ ⎟ (0.15 m = 0. ¿Cuánto aumentará el diámetro del orificio al calentar la lámina hasta una temperatura de 150 0C.15 m x 0. ¿Cuál es la variación de su superficie? Datos ⎛ 2.5 cm. el sol había llevado la temperatura a 131 0F. Un tanque de gasolina de 40 litros fue llenado por la noche.00405 m ∆L = ⎜⎜ 0 ⎟ C ⎝ ⎠ ( ) 2. 33 x 10 -3 m3 ∆ V = ⎜⎜ 0 ⎟ C ⎠ ⎝ Ahora bien. Una flama de fuego afecta diferente a cada sustancia. Hemos definido una cantidad de calor como la energía térmica requerida para elevar la temperatura de una masa dada. Unos cuerpos se derriten más rápido que otros.33 x 10 -3 m3 = 1.6.33 litros 3.Física II Vi = 40 litros = 40 dm3 = 0.040 m3 tf = 131 0F = 55 0C ti = 68 0F = 20 0C ∆ t = tf – ti = 55 0C – 20 0C = 35 0C Sustitución ∆V = γVi∆t ⎛ 950 x10 −6 ⎞ ⎟ 0. Pero la cantidad de energía térmica para elevar la temperatura de una sustancia varía con materiales diferentes.1.040 m3 35 0 C = 1. 164 . para ser más claros convertimos el resultado a litros: ( )( ) ∆ V = 1. Calor específico de las sustancias.33 dm3 = 1. ). Figura 12. b) Cada material con la misma masa. cobre y plomo. Cada bloque se construye de modo que tienen la misma área en la base y la misma masa (1 Kg. a) La cantidad de calor requerida para aumentar la temperatura de cada bloque de 20 a 100 0C varía con el material. cada uno de los bloques (a 100 0C) se coloca sobre un bloque de hielo como se muestra en la figura 12. La cantidad de calor que se requiere para aumentar la temperatura ambiente (20 0C) a 100 0C varía en cada uno de los bloques. las alturas de los bloques varían. Partes de un calorímetro 165 . pero también debe relacionarse con la masa m del objeto. Esta propiedad debe ser una medida de la cantidad de calor Q requerida para cambiar la temperatura de un objeto en un intervalo ∆ t. Llamamos a esta propiedad calor específico. pero las masas y en consecuencia los pesos son idénticos. El aluminio absorbe el calor en forma más eficiente que el hierro. Debido a las diferentes densidades. Es claro que debe haber alguna propiedad de los materiales que explique las diferencias observadas en la figura. temperatura y sección transversal se sumergirá a diferente profundidad en un bloque de hielo debido a sus distintos calores específicos. Puesto que los bloques de hierro y aluminio absorben más calor que los bloques de cobre y plomo. Para ver que esto es cierto. podríamos esperar que liberaran más calor al enfriarse. El hierro y el aluminio funden más hielo y por ello se hunden más profundamente que los otros bloques.Calor y temperatura 1 Kg 1 Kg 1 Kg 1 Kg Figura 12. denotado por la letra C. puede escribirse en las siguientes formas útiles: ⎛ Q ⎞ Ce = ⎜ ⎟ Q = mCe∆t El calor específico se mide en calorías ⎝ m • ∆t ⎠ ⎛ cal ⎞ sobre gramo y grado centígrado ⎜⎜ 0 ⎟⎟ .092 Sustancia Aluminio Latón Cobre Alcohol etílico Vidrio Hielo Hierro Plomo Plata Acero Zinc Página 181.Física II El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de una masa unitaria en un grado. La fórmula basada en esta definición.60 0.22 0. ¿Cuál es el calor requerido para aumentar la temperatura de un lingote de plata de 150 kg de 25 0C a 400 0C? Datos: m = 150 kg = 150 000 gr C = 0.031 0.113 0.. 056 166 cal ) (375 0C) = 3. 0 gr C .094 0.50 0. C ( cal / gr 0C ) 0.093 0. Tabla 3.15 X 10 6 cal. Problemas: 1.20 0.42 0.056 0.056 cal / gr 0C Ti = 25 0C Tf = 400 0C Sustitución: ∆ t = tf – ti ∆ t = 400 0C – 25 0C = 375 0 Ce= Q ⇒ Q = mCe∆t m∆t Q = (150 000 gr) (0.Calores específicos de algunas sustancias. ⎝ gr C ⎠ TAREA 4 En la tabla siguiente se presentan los valores de C para algunas sustancias comunes. 1. la calorimetría significa medir el calor. entonces conforme a la ley de conservación de la energía tendremos: Calor perdido = Calor ganado ( Por el cuerpo caliente ) = ( Por el cuerpo más frío ) ∆ Q perdido = ∆ Q ganado Un dispositivo de laboratorio que se utiliza para medir la pérdida o ganancia de calor es el calorímetro. Si no se emite calor a los alrededores. 167 .Calor y temperatura La experimentación es una actividad que nos permite llevar a cabo un suceso Los laboratorios son muy importantes. Utilizando los valores conocidos de calor específico de las mediciones de materiales y temperatura. El principio básico de la calorimetría es la conservación de la energía.7. Si un cuerpo caliente y un cuerpo frío se ponen en contacto térmico. Calor cedido y absorbido por los cuerpos. con el tiempo alcanzarán el equilibrio térmico a la misma temperatura debido a la transferencia o flujo de calor. 3. Calorimetría Como su nombre lo indica. es fácil calcular el calor absorbido y despedido por algunas sustancias. 168 .103 cal gr 0 C El calor puede ocasionar lesiones de gravedad en la piel. Se caracteriza porque hay daño epidérmico superficial. Determinar el calor específico del aluminio si suponemos que no se pierde calor externo. La profundidad de éstas es directamente proporcional a la temperatura del agente vulnerante. hay ausencia de ampollas. sin cicatriz.3 0C ) = ( 400 cal / 0C) ( 2.0 cal / gr 0C) (22. son muy dolorosas porque las terminaciones nerviosas están intactas. al tiempo de actuación del mismo y a la resistencia de la piel al calor. capa más superficial de la piel. Como ejemplo tenemos a las quemaduras. Datos m aluminio = 200 gr C aluminio = ? ti = 75 0C tf = 22.7 0C Sustitución ∆ Q perdido = ∆ Q ganado Q = mCe ∆t Aluminio = Q = mCe ∆t Agua (200 gr) (Ce Al ) (75 0C – 22.7 0C) (Ce Al ) ( 10 460 gr (Ce Al ) = 0 C) = 1080 cal 1080 cal 0 10 460 gr C = 0.Física II Problema: 1.7 0C – 20 0C) ( 200 gr ) (Ce Al ) ( 52. Según su profundidad se clasifican en: A) Quemaduras de primer grado: Afectan a la epidermis.7 0C m agua = 400 gr C agua = 1.0 cal / gr 0C ti = 20 0C tf = 22. después de un tiempo la temperatura final de la mezcla en equilibrio térmico es de 22.7 0C ) = (400 gr) (1. Son lesiones que se curan entre 5 y 10 días con restitución total. Se tienen 200 gr de aluminio a 75 0C y se ponen en 400 gr de agua a 20 0C. son de color rojo.7 0C. el calor también puede producir un trabajo. 3. salida de líquido y sensibilización. con frecuencia se usa el término "sistema". Son de color blanco (o negro si hay carbonización). 169 . son de color rosa/rojo oscuro. El resto. La envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa de sus inmediaciones (entorno) se llama frontera del sistema y puede pensarse que tiene propiedades especiales que sirven para: a) Aislar el sistema de su entorno o para b) permitir la interacción de un modo específico entre el sistema y su ambiente. seleccionado para estudiarlo y aislarlo (mentalmente) de todo lo demás. suele quedar cicatriz a veces exagerada. lo demás en el Universo. EJERCICIO 6 Al hablar de termodinámica.1. que se efectúa trabajo cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro por medios mecánicos. etcétera. lo cual se convierte entonces en el entorno del sistema. se les llama máquinas térmicas. pueden aparecer ampollas o no. En ocasiones se requiere injerto cutáneo. Termodinámica. Son lesiones que se curan ente 1 y 2 semanas. O sea. se conoce como su "ambiente". C) Quemaduras de tercer grado: No son dolorosas. son muy dolorosas por afección vascular. que no pertenece al sistema. cualquier región del espacio. Sabemos por el curso de Física I. y viceversa. Precisamente a las máquinas o dispositivos que transforman el calor en trabajo mecánico. Un sistema puede ser cualquier objeto. por la destrucción de las terminaciones nerviosas sensitivas.8. Termodinámica: Se define como la parte de la Física que estudia los procesos en los que el calor se transforma en trabajo mecánico. El calor es una energía en transferencia de un cuerpo a otro que está a menor temperatura. Ejercicio: Individual Dar tres ejemplos de máquinas térmicas que se utilicen actualmente.Calor y temperatura B) Quemaduras de segundo grado: Afectan a la epidermis y dermis. cualquier cantidad de materia. Los canales pueden ser inespecíficos para interacciones fundamentales tales como el calor o la interacción mecánica o eléctrica. Sistema aislado es el sistema que no puede intercambiar materia ni energía con su entorno. TAREA 5 Página 183. Sistema cerrado es el sistema que sólo puede intercambiar energía con su entorno. cerrados y abiertos. Sistemas aislados. tal interacción se realiza a través de los canales existentes en la frontera.Física II Si la frontera permite la interacción entre el sistema y su entorno. En un sistema cerrado no entra ni sale masa. . Se consideran varios tipos de sistemas. pero no materia. Sistema abierto es el sistema que puede intercambiar materia y energía con su entorno. contrariamente a los sistemas abiertos donde sí puede entrar o salir masa. 170 Un sistema cerrado es aislado si no pasa energía en cualquiera de sus formas por sus fronteras. o muy específicos para interacciones de transporte. etcétera) mediante la observación directa o mediante algún instrumento de medida. Si la energía interna del sistema aumenta. volumen. 171 . aplicada a sistemas termodinámicos. dicho calor se transforma en un cambio en la energía interna del sistema (∆U) más una cantidad de trabajo (W) realizado por o sobre el sistema” ∆Q = ∆U + W En esta ley debemos tener cuidado con los signos de las cantidades que intervienen en ella. ∆U es positiva. W se considera positivo. (como su temperatura. pero si el trabajo se realiza sobre el sistema será negativo. si disminuye será negativa. ∆Q es positivo. Esta ley afirma que “cuando a un sistema se le suministra o se le extrae una cierta cantidad de calor (∆Q). Si el sistema absorbe o recibe calor. Esta ley es una manifestación específica de la ley de conservación de la energía. Un estado de no equilibrio es un estado con intercambios netos de masa o energía y sus parámetros característicos dependen en general de la posición y del tiempo. El estudio de la termodinámica está fundamentado en las siguientes leyes: Primera Ley de la Termodinámica. Cuando el trabajo es realizado por el sistema. Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando no se observa ningún cambio en dichas propiedades termodinámicas a lo largo del tiempo.Calor y temperatura Las propiedades termodinámicas de un sistema vienen dadas por los atributos físicos macroscópicos observables del sistema. en cambio si cede o pierde calor será negativo. no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo. intercambiando energía con su alrededor. que tiene tres enunciados equivalentes: Enunciado de Kelvin-Planck: Es imposible construir una máquina térmica que. por tanto no cambia su energía interna. ¿Cuánto calor se pierde durante este proceso? 4. la segunda ley varía radicalmente su equivalencia.Física II EJERCICIO 7 Utiliza la ecuación de la Primera ley de la Termodinámica para resolver los siguientes problemas: 1. El calor puede transformarse en trabajo. Un pistón realiza 100 Joules de trabajo sobre un gas encerrado en un cilindro. causando que un pistón efectúe un trabajo de 450 Joules. pero la inversa no siempre es posible. los dos procesos (trabajo y calor) son equivalentes. c) El sistema libera 120 calorías y sobre él se realiza un trabajo de 310 Joules. Desde el punto de vista de la primera ley de la termodinámica. Calcula la variación de la energía interna de éste sistema en los siguientes casos: a) El sistema absorbe 120 calorías y realiza un trabajo de 310 Joules. b) El sistema absorbe 120 calorías y sobre él se realiza un trabajo de 310 Joules. No es posible convertir completamente calor en trabajo. causando que la energía interna de éste sistema aumente 48 Joules. Si en un proceso isotérmico el sistema realiza un trabajo de 300 Joules. Un gas en un cilindro absorbe 400 calorías de calor. pero cuyos procesos inversos no. ¿cuántas calorías de calor absorbió? 3. ¿cuánto vale el cambio de la energía interna del gas? 2. calor y trabajo son formas equivalentes de intercambio de energía. o el trabajo en calor. mientras. Un proceso isotérmico es aquél en el que no hay cambio en la temperatura del sistema. Siempre podemos transformarlo en calor. Esta equivalencia se pierde si consideramos la segunda ley. ya que el trabajo puede pasar íntegramente a calor pero el calor no puede transformarse íntegramente en trabajo. En la naturaleza hay procesos que suceden. pero sí trabajo en calor. Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea la transferencia continua de energía de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo. Segunda Ley de la Termodinámica. El trabajo es una forma más 'coherente' de energía. 172 . Para explicar esta falta de reversibilidad se formuló la segunda ley de la termodinámica. operando en un ciclo. De acuerdo con la Primera Ley de la Termodinámica. según la primera ley. Un sistema sufre una transformación pasando de un estado a otro. Así pues. Es la temperatura a la cual cesa el movimiento de las partículas. El cero absoluto (0 K) corresponde a la temperatura de . que pasa a contribuir a la contaminación térmica que ocasiona el calentamiento global del planeta y al desorden de las moléculas del universo por calentamiento. Nunca se ha alcanzado tal temperatura y la termodinámica asegura que es inalcanzable. Tercera Ley de la Termodinámica y Ley Cero de la Termodinámica.Calor y temperatura De acuerdo con estos enunciados no es posible construir una máquina de movimiento perpetuo. Esto dio pie a que un físico alemán enunciara la segunda ley así: Enunciado de Boltzman: La entropía del universo va en aumento. Ley Cero de la Termodinámica (de Equilibrio): "Si dos objetos A y B están por separado en equilibrio térmico con un tercer objeto C. La tercera ley tiene varios enunciados equivalentes: "No se puede llegar al cero absoluto mediante una serie finita de procesos" Es el calor que entra desde el "mundo exterior" lo que impide que en los experimentos se alcancen temperaturas más bajas. no se encuentran en equilibrio térmico entre sí. entonces los objetos A y B están en equilibrio térmico entre sí". Además de la primera y segunda leyes de la termodinámica. 173 . Definiendo la entropía como una medida del desorden de las moléculas de un sistema. Tercera Ley de la Termodinámica.273. El cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible y se caracteriza por la total ausencia de energía térmica.16 ºC. Como consecuencia de esta ley se puede afirmar que dos objetos en equilibrio térmico entre sí están a la misma temperatura y que si tienen temperaturas diferentes. existen la ley cero y la tercera ley de la termodinámica. ya que siempre habrá una pérdida de energía por fricción que pasa al medio ambiente en forma de calor no útil. Física II ¡Ojo! Recuerda que debes resolver la autoevaluación y los ejercicios de reforzamiento. esto te ayudará a enriquecer los temas vistos en clase. 174 . Kelvin Celsius Rankine Fahrenheit 86 31 580 . de Expediente _____________________ Fecha _____________________ INSTRUCCIONES: Completa la siguiente tabla.200 ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ 175 . de lista ____________ Grupo __________________ Turno ___________ Núm. efectuando las conversiones pertinentes de temperatura incluyendo el desarrollo.Calor y temperatura Nombre ____________________________________________________________ TAREA 1 Núm. Compara los resultados con los de tus compañeros. Física II ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ Revisión: _____________________________________________________ Observaciones:________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 176 . describe situaciones cotidianas y tecnológicas donde se manifiesten las tres formas de transferencia de calor y preséntalas a tu profesor. ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ 177 .Calor y temperatura Nombre ____________________________________________________________ TAREA 2 Núm. de Expediente _____________________ Fecha _____________________ INSTRUCCIONES: Por medio de ejemplos. de lista ____________ Grupo __________________ Turno ___________ Núm. Física II ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ Revisión: _____________________________________________________ Observaciones:________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 178 . Calor y temperatura Nombre ____________________________________________________________ TAREA 3 Núm. de Expediente _____________________ Fecha _____________________ INSTRUCCIONES: Al calentar alimentos congelados que se conservan en bolsas selladas. de lista ____________ Grupo __________________ Turno ___________ Núm. ¿por qué primero se hacen hoyos a la bolsa antes de meter los alimentos al microondas? ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ 179 . Física II ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ Revisión: _____________________________________________________ Observaciones:________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 180 . de Expediente _____________________ Fecha _____________________ INSTRUCCIONES: Se tienen dos cuerpos a la misma temperatura: Una taza de café y una olla grande de agua a 100 0C. ¿quién tendrá más calor? Explica.Calor y temperatura Nombre ____________________________________________________________ TAREA 4 Núm. de lista ____________ Grupo __________________ Turno ___________ Núm. ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ 181 . Física II ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ Revisión: _____________________________________________________ Observaciones:________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 182 . de Expediente _____________________ Fecha _____________________ INSTRUCCIONES: Diseñar un ejemplo de Sistema abierto. cerrado y aislado. ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ 183 .Calor y temperatura Nombre ____________________________________________________________ TAREA 5 Núm. de lista ____________ Grupo __________________ Turno ___________ Núm. Física II ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ Revisión: _____________________________________________________ Observaciones:________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 184 . Calor y temperatura Nombre _________________________________________________________ AUTOEVALUACIÓN Núm. Sabemos que todos los materiales aumentan o disminuyen sus dimensiones al aumentar o disminuir su temperatura. el segundo con una temperatura de 6 0 F. No hay ningún intercambio de calor entre los dos cuerpos. 1. de lista ____________ Grupo ________________ Turno __________ Núm. Concreto y aluminio. la temperatura del cuerpo A es mayor que la temperatura del cuerpo B. Se tienen dos cuerpos. 4. A alcanza la temperatura que inicialmente tenía B. Mercurio y concreto. Si se ponen en contacto. Suponiendo que el enfriamiento sea igual y constante para ambos. B alcanza la temperatura que inicialmente tenía A. 5. Ambos trozos de metal se enfriarán hasta alcanzar la temperatura ambiente en el mismo lapso de tiempo cuando sean sacados del horno. Las moléculas del primer cuerpo tienen mayor energía cinética que las del segundo. El aluminio se enfriará más rápido. 2. Dos cuerpos A y B tienen diferente temperatura. en mayor o menor proporción debido a su naturaleza molecular. rellenando el círculo de la opción que consideres correcta. ¿cuáles serán los dos materiales que en el siguiente orden. podemos afirmar que adquieren el equilibrio térmico cuando: A y B tienen la misma cantidad de calor. de Expediente ___________________ Fecha ____________________ INSTRUCCIONES: Lee cuidadosamente y responde los siguientes cuestionamientos. Dos cuerpos A y B tienen diferente temperatura. ambos con la misma masa. de la siguiente lista de materiales: Madera. menos y más se dilatan? Madera y mercurio. La velocidad de las moléculas en los dos cuerpos son iguales. ¿Qué sucede? El aluminio tarda más en enfriarse. 185 . El movimiento de las moléculas no tiene nada que ver con la temperatura. se ponen dentro de un horno de laboratorio y se calientan hasta alcanzar cierta temperatura en el mismo tiempo cuando se sacan del horno. De acuerdo con esto. Un trozo de aluminio y un trozo de cobre. Los dos cuerpos se encuentran a la misma temperatura absoluta. aluminio y concreto. el primero con una temperatura de 3 0C. 3. El cobre se enfría más rápido. Con base en lo anterior: Las moléculas del segundo cuerpo se mueven con mayor velocidad que las del primero. Si a ambos cuerpos los ponemos en contacto podemos afirmar que: B le transfirió frío al cuerpo A. El cuerpo A le transmite calor al cuerpo B. Aluminio y madera. A le roba calor al cuerpo B. mercurio. Física II 6. ¿qué podría decirte de las cantidades de agua contenidas en ambos recipientes? La cantidad de agua es la misma en ambos recipientes. La temperatura del agua es la misma cuando está hirviendo. No tiene nada que ver la cantidad de agua. 10. La parafina solo es útil para ciertos metales. En uno de los recipientes hay la mitad de agua de la que contiene el otro. El calor específico de un recipiente es el doble que el del otro recipiente. ¿cuál de las siguientes afirmaciones es correcta? La temperatura del agua hirviendo es mayor cuando el quemador está alto. ¿por qué descienden a distintas profundidades? La cantidad de calor es mayor en el aluminio. 8. La temperatura del agua hirviendo es mayor cuando el quemador está bajo. La cantidad de calor es menor en el aluminio. El calor que irradia una estufa se propaga a igual distancia por tres medios: Metal. El hierro alcanza la misma temperatura de forma más lenta. La relación de tiempos de llegada al otro extremo de la energía calórica para cada material será t aire < t madera < t metal t aire < t metal < t madera t metal < t aire < t madera t metal < t madera < t metal 186 . Con base a lo anterior. 9. Bloques de metal de aluminio y hierro con iguales masas se calientan hasta alcanzar la misma temperatura y se ponen sobre un bloque de parafina. Un perol de agua puesto sobre una estufa hierve más rápidamente cuando el quemador es alto y hierve con mayor lentitud cuando el quemador está bajo. Si a dos recipientes iguales que contienen agua se les agregan cantidades iguales de calor y si el cambio de temperatura del agua en uno de los recipientes es el doble que la del otro. madera y aire. El punto de ebullición del agua depende de si esta alto o bajo el quemador. 7. La energía Cinética del sistema C es mayor que la del sistema A. Cambios de estado. La temperatura final de A es mayor que su temperatura inicial. Dos cuerpos A y B de temperaturas T A > T B . Si un sistema A está en equilibrio térmico con un sistema B. ¿qué puede usted concluir acerca de las temperaturas de los sistemas A. en un rango predeterminado. 12. Si varios cuerpos de igual masa varían su temperatura en un mismo numero de grados absorbiendo o cediendo distintas cantidades de calor. se ponen en contacto es decir la temperatura del cuerpo A es mayor que la del cuerpo B y aislados de influencias externas. Regular la temperatura de un recinto de un artefacto eléctrico. Se puede afirmar que después de que ambos interactúan Ambos mantienen sus temperaturas individuales originales. 15. Registrar la temperatura en un determinado lapso. De las siguientes afirmaciones: ¿Cuál es la correcta? 37. 17. La función específica de un termostato es: Medir la temperatura en forma directa. Los principales efectos del calor en un cuerpo cualquiera son: Aumentar la temperatura. Coeficiente de dilatación.Calor y temperatura 11. Un termómetro mide la temperatura de un líquido en grados Fahrenheit y otro en grados Kelvin. B y C es la misma. ambos registran la misma lectura aproximadamente a los: 226 ºC 575 ºC 302 ºC 756 ºC 13. entonces estos cuerpos tienen diferente: Calor especifico. La temperatura del sistema A es diferente a la del sistema C. Conductividad térmica. pero este último no está equilibrio térmico con un sistema C. C? La temperatura de los sistemas A y C es la misma. Dilatación lineal. El punto de ebullición del agua corresponde a 373 K. La temperatura de los sistemas A. La temperatura de B siempre es mayor que la de A. 14. Todos los anteriores. El punto de congelación del agua es 0 ºK. Dilatación de ellos. B. 187 . Los termómetros de mercurio se gradúan en escala Celsius o Kelvin. 16. Medir la dilatación de un cuerpo por efecto de calor.5 ºF corresponde a la temperatura del cuerpo humano. La temperatura final de B es mayor que su temperatura inicial. 19. El anillo de metal se encogió y detiene a la bola. . la bola queda detenida en el anillo. por lo que te invitamos a continuar con esa dedicación. Que la energía cinética de los dos cuerpos sea la misma. 188 Consulta las claves de respuestas en la página 193. ¿Qué significa que dos sistemas estén en equilibrio térmico? Que la temperatura de un sistema sea mayor que la del otro. ¾ Si tienes de 15 a 19 aciertos. por lo que te recomendamos solicitar asesoría a tu profesor. pero es necesario que nuevamente repases los temas. tu aprendizaje es insuficiente. tu aprendizaje es bueno. Que las moléculas de un sistema se muevan más rápido que las del otro sistema. Sin embargo cuando se calienta. El anillo de metal se dilató y no deja pasar la bola.Física II 18. Interacción. ESCALA DE MEDICIÓN DEL APRENDIZAJE ¾ Si todas tus respuestas fueron correctas: excelente. Radiación. Conveccion. Que la energía cinética de un sistema sea menor que el otro. Una bola puede pasar por un anillo de metal. 20 Los rayos del sol viajan hacia la tierra por medio del proceso de: Conducción. ¿cuál afirmación es correcta? La bola se dilató y no puede pasar por el anillo. Los metales en general son buenos conductores de calor y por lo tanto se detiene la bola. ¾ Si contestaste correctamente 14 o menos reactivos. Se construyen bloques de cinco diferentes metales: Aluminio. Usted recoge una pala que ha estado en el exterior por un largo tiempo. ¿La temperatura de la hoja es la misma que la del mango? 4. ¿Por qué podemos ver nuestro aliento en un día frío? 6. para que lleguen justo a tocarse un día en que la temperatura sea de 48 0C? 9. 8. Relacionando las fórmulas para convertir temperaturas en las escalas de Celsius y Fahrenheit. ¿Por qué el espejo de un baño se empaña cuando tomamos una ducha? 5. el agua hierve más pronto? 7. A menudo decimos que un ventilador nos refresca y sin embargo sopla el aire a la misma temperatura ambiente.4 0C. hierro y plomo con la misma masa e igual área de la sección transversal de la base. Hallar la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 100 gr de cobre desde 10 0C a 100 0C 12. zinc. cobre. determine que el valor en el cual ambas escalas coinciden en la misma temperatura es -40 2. de lista ____________ Grupo ________________ Turno __________ Núm. ¿Te has quemado la lengua al comer un alimento? ¿Qué alimentos tienen más calor específico o conservan más el calor? 3. Cada bloque se calienta hasta una temperatura de 100 0C y se colocan sobre un bloque de hielo. En un día frío. se deja caer dentro de 250 gr de agua a 17 0C y su temperatura se incrementa hasta 19. de Expediente ___________________ Fecha ____________________ INSTRUCCIONES: 1. Unos rieles de acero de 15 m de longitud son colocados un día en que la temperatura es de 3 0C. Un cubo de latón de 20 cm de lado se calienta de 20 0C a 45 0C. ¿Cuál llegará a mayor profundidad al fundirse el hielo? Liste los cuatro bloques restantes en orden decreciente de las profundidades. ¿Cuál será el espacio mínimo que habrá que dejar entre ellos. Una lámina rectangular de aluminio de 20 cm de largo y 10 cm de ancho se calienta de 10 0C a 95 0C. Explique a que se debe esto. ¿Cuál será la variación de su superficie? 10. ¿Cuál será la variación de su volumen? 11.Calor y temperatura EJERCICIO DE REFORZAMIENTO 1 Nombre _________________________________________________________ Núm. Una pieza de metal de 50 gr a 95 0C. ¿Cuál es el calor específico del metal? 189 . ¿Por qué si una jarra de agua se cubre con una tapadera. 13. Explique por qué la hoja de la pala se siente más fría al tocarla que el mango. Física II Revisión: _____________________________________________________ Observaciones:________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 190 .