1. La temperatura
Equilibrio
térmico. Cuando dos cuerpos con distinta temperatura se
ponen en contacto, el cuerpo caliente cede energía al frío hasta que sus
temperaturas se igualan. Entonces cesa la transferencia de energía y se dice
que ambos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico.
La temperatura es la magnitud física común a dos cuerpos en
equilibrio térmico. La temperatura de un cuerpo es proporcional a la energía
cinética media de sus partículas.
EL EQUILIBRIO TÉRMICO SEGÚN LA
TEORÍA CINÉTICA
El termómetro es el instrumento que se utiliza para medir la
temperatura, ya que posee alguna propiedad observable (longitud, resistencia
eléctrica, etc.) que varía con el valor de la temperatura.
Escalas
termométricas
Escala
Celsius. Asigna el valor 0 °C a la temperatura de fusión
del agua y 100 °C a su temperatura de ebullición. El intervalo entre esos dos
puntos se divide en 100 partes denominadas grados Celsius.
Escala
Fahrenheit. Se le da el valor 32 °F al punto de fusión del
agua y 212 °F a su punto de ebullición. El intervalo entre esos dos puntos se
divide en 180 partes.
Escala
absoluta o Kelvin. El cero (0 K) corresponde a –273,15 °C,
temperatura a la que las partículas que forman la materia carecen de movimiento
térmico. El kelvin (K) es la unidad de temperatura en el SI. La relación entre la
escala Celsius y la absoluta es la siguiente:
2. El calor como forma de transferencia energética
El calor es el proceso de transferencia de energía de un
cuerpo a otro como consecuencia de la diferencia de temperatura entre ellos.
Esta transferencia de energía tiene tres mecanismos posibles:
– Conducción. Es la propagación calorífica sin desplazamiento
de materia. Las partículas del cuerpo que reciben energía se mueven con mayor
rapidez y transmiten esta energía mediante choques a las restantes partículas
del cuerpo.
– Convección. Es la propagación calorífica mediante
desplazamiento de materia. Se produce fundamentalmente en los fluidos: las
partes del fluido que reciben energía aumentan de volumen, se vuelven menos densas
y ascienden; las partes frías son más densas y bajan, ocupando las zonas libres
hasta que la temperatura se iguala.
– Radiación. Es la propagación calorífica a través de ondas
electromagnéticas sin necesidad de medio material alguno.
3. Capacidad calorífica y calor específico
La capacidad calorífica es la
energía que hay que transferir caloríficamente a un cuerpo para que su
temperatura aumente 1 K. La capacidad calorífica se mide en J/K y depende de la
masa del cuerpo.
El calor específico, ce, de una sustancia es la energía que absorbe 1 kg de la misma para
aumentar su temperatura 1 K. Se mide en J kg−1 K−1. El calor específico es la capacidad
calorífica por unidad de masa.
La energía que hay que transferir mediante calor (Q) a
un cuerpo de masa, m, para elevar su temperatura desde Ti hasta Tf es la siguiente:
Q =
m ce (Tf −
Ti)
A
partir del principio de conservación de la energía, si dos cuerpos intercambian energía mediante calor, la energía
cedida por uno de ellos (negativa) es igual a la absorbida por el otro
(positiva).
Qabsorbida +
Qcedida =
0
4. Variación de temperatura y cambios de estado
Los
cambios de estado pueden deberse a una absorción o cesión de energía.
La
temperatura de una sustancia pura permanece
constante durante un proceso de cambio de estado.
La energía, Q, que interviene en un cambio de estado de una sustancia depende de
las características de la sustancia y de su masa, m.
Q =
L m
La
constante, L, es característica de cada sustancia y se denomina calor latente de
cambio de estado.
El calor latente de cambio de estado de
una sustancia es la cantidad de energía transferida para que 1 kg de esa
sustancia cambie de estado. Su unidad en el SI es el julio por kilogramo
(J/kg).
−
Calor latente de cambio de la fusión y de la solidificación, Lf.
−
Calor latente de cabio de estado de la vaporización y la condensación, Lv.
5. Variación de temperatura y dilatación
La dilatación es el aumento de las dimensiones que
experimenta un cuerpo cuando se eleva su temperatura.
Dilatación
de los sólidos. Al aumentar la temperatura, aumenta la
vibración de las partículas, separándose y aumentando el tamaño del cuerpo.
Cuando disminuye la temperatura, se produce una contracción del mismo.
– Dilatación lineal. La variación de
longitud de un cuerpo, ΔL, se expresa así:
ΔL =
α L0 (T −
T0)
Donde
α es el coeficiente de dilatación lineal.
− Dilatación cúbica. La variación de
volumen de un cuerpo, ΔV, se expresa de esta forma:
ΔV =
γ V0 (T −
T0)
Donde
γ es el coeficiente de dilatación cúbica y su
valor es el triple que el del coeficiente de dilatación lineal:
γ = 3α.
Dilatación
de los líquidos. Los líquidos también se dilatan al calentarse y
se contraen al enfriarse. La dilatación de los líquidos es mayor que la de los
sólidos porque sus partículas tienen más libertad de movimiento.
Dilatación
de los gases. Los gases se dilatan más que los sólidos y los
líquidos porque sus moléculas se mueven con total libertad por todo el
recipiente.
−
El volumen de una masa de gas a presión
constante es directamente proporcional al valor de su
temperatura en kelvin (ley de Charles).
− A
volumen constante, la presión del gas es proporcional al valor de su temperatura en
kelvin (ley de Gay Lussac).
− A
temperatura constante, una disminución del volumen produce un aumento de la presión, y un
aumento del volumen produce una disminución de la presión (ley de Boyle).
pV =
p0V0
6. Las máquinas térmicas y su rendimiento
El calor puede aprovecharse para producir una tarea útil: mover una maquina, enfriar alimentos... Las máquinas térmicas comenzaron a usarse masivamente tras la revolución industrial (siglo XVIII) y ahora son imprescindibles en nuestra vida diaria.
La primera máquina termica eficiente fue la máquina de vapor, desarrollada para bombear agua de las minas de Inglaterra.
Es una máquina de combustión externa; esto quiere decir que la combustión se produce fuera del lugar donde se realiza el trabajo.
El calor puede aprovecharse para producir una tarea útil: mover una maquina, enfriar alimentos... Las máquinas térmicas comenzaron a usarse masivamente tras la revolución industrial (siglo XVIII) y ahora son imprescindibles en nuestra vida diaria.
La primera máquina termica eficiente fue la máquina de vapor, desarrollada para bombear agua de las minas de Inglaterra.
Es una máquina de combustión externa; esto quiere decir que la combustión se produce fuera del lugar donde se realiza el trabajo.
Una
máquina térmica es
un dispositivo que realiza un trabajo mediante un proceso de paso de energía
desde un foco caliente hasta uno frío.
Algunos
tipos de máquinas térmicas son la máquina
de vapor, la turbina
de gas y el motor de
explosión.
El rendimiento de una máquina térmica, r, es el cociente entre el trabajo, W, realizado por la máquina y la energía, Q1, cedida por el foco caliente.
Donde
T1 y T2 son las temperaturas absolutas de sus focos
caliente, T1, y frío, T2.
El
rendimiento de una máquina es siempre menor que 1 y suele expresarse en
porcentaje: r (%) =
100 r.
Otro tipo de máquinas térmicas son las máquinas frigoríficas.
Una máquina frigorífica tiene como objetivo absorber energía en forma de calor de una región a baja temperatura mediante la realizacion de un trabajo. Mención especial merece la obtención de temperaturas muy bajas, proceso que recibe el nombre de criogeneración.
7. Transmisión de calor.
Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos cuerpos o entre dos partes de un mismo cuerpo, se establece espontáneamente un transporte de calor que puede tener lugar por conducción, por canvección o por radiación.
En la conducción se tranporta energía sin que haya transporte de materia. De esta forma se transmite el calor en los sólidos.
En la convección hay transporte de energía y de materia. Así se transmite el calor en líquidos y gases.
En la radiación, la energía, pasa de un cuerpo a otro sin que haya contacto entre ellos.
Máquinas térmicas
Bote de vapor térmico
Otro tipo de máquinas térmicas son las máquinas frigoríficas.
Una máquina frigorífica tiene como objetivo absorber energía en forma de calor de una región a baja temperatura mediante la realizacion de un trabajo. Mención especial merece la obtención de temperaturas muy bajas, proceso que recibe el nombre de criogeneración.
7. Transmisión de calor.
Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos cuerpos o entre dos partes de un mismo cuerpo, se establece espontáneamente un transporte de calor que puede tener lugar por conducción, por canvección o por radiación.
En la conducción se tranporta energía sin que haya transporte de materia. De esta forma se transmite el calor en los sólidos.
En la convección hay transporte de energía y de materia. Así se transmite el calor en líquidos y gases.
En la radiación, la energía, pasa de un cuerpo a otro sin que haya contacto entre ellos.
Máquinas térmicas
Bote de vapor térmico
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