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CAPÍTULO 3 / TEMA 4

Termómetros

El grado de calor o frío del ambiente y del cuerpo humano motivaron la construcción de los termómetros.

Fuerzas y energía
Calor y transferencia de energía

En la naturaleza existen diferentes formas de energía, una de ellas es la energía térmica que posee un objeto o sistema debido al movimiento de partículas dentro del mismo; esta energía se trasmite en forma de calor, por lo que también es conocida como energía calorífica.

¿CÓMO SE TRANSFIERE CALOR ENTRE LOS CUERPOS?

El calor puede transferirse de un lugar a otro mediante tres métodos: conducción en sólidos, convección de líquidos o gases y radiación a través de cualquier elemento que permita el paso de la radiación.

Si hay una diferencia de temperatura en un sistema, el calor
siempre se moverá de temperaturas más altas a más bajas.

Conducción

Ocurre cuando dos objetos a diferentes temperaturas entran en contacto, el calor fluye desde el calentador al objeto más frío hasta que ambos se encuentren a la misma temperatura. En la conducción el movimiento de calor a través de una sustancia se da por la colisión de moléculas.

En el lugar donde tocan los dos objetos, las moléculas del objeto más cálido que se mueven más rápido colisionan con las moléculas de movimiento más lento del objeto más frío. A medida que colisionan, las moléculas más rápidas ceden parte de su energía a las moléculas más lentas; éstas a su vez obtienen más energía térmica y colisionan con otras moléculas en el objeto más frío. Este proceso continúa hasta que la energía térmica del objeto más caliente se propaga por todo el objeto más frío.

Algunas sustancias conducen el calor más fácilmente que otras. Los sólidos son mejores conductores que los líquidos y los líquidos son mejores conductores que los gases.

Cuanto más caliente es la sustancia, más vibran sus moléculas y, por lo tanto, mayor es su energía térmica.
¿SABÍAS QUÉ?

Los metales son muy buenos conductores de calor, por otro lado, los tejidos con los que nos vestimos y con los que se hacen las mantas son malos conductores.

La transferencia de calor en sólidos se lleva a cabo mediante la conducción.

Convección

En líquidos y gases, la convección suele ser la forma más eficiente de transferir calor,  ocurre cuando las áreas más cálidas de un líquido o gas se elevan a zonas más frías de los mismos. Este ciclo da como resultado un patrón de circulación continua y el calor se transfiere a áreas más frías.

Existe la expresión "El aire caliente sube y el aire frío baja para tomar su lugar", esta es una descripción de la convección en nuestra atmósfera. La energía térmica se transfiere por la circulación del aire.

Sentimos calor del Sol aunque
no lo toquemos.
QUIERO SABER SOBRE...

Percibimos de color negro las superficies que absorben bien la radiación que incide sobre ellas. Por el contrario, si percibimos una superficie como blanca, es porque no absorbe prácticamente nada de la radiación que recibe.

¡Vamos a ejemplificar!

Si tenemos una bala de dinamita y explota, la energía química contenida en ella cambia a energía cinética, calor y luz; si toda esta energía se suma, será igual al valor de energía química
de partida.

Al aumentar el calor de un cuerpo se incrementa el movimiento de las partículas, lo que a su vez produce un ascenso en la temperatura, cuando disminuye ocurre lo contrario.

EXPERIMENTO: Corriente de convección

Objetivo

Observar las corrientes causadas por la diferencia de densidad del agua a diferentes temperaturas.


Materiales

- Bandeja de cubitos de hielo.
- Agua.
- Colorante alimenticio (preferiblemente azul).
- Vaso o jarra transparente.


Procedimiento

  1. Mezclar el agua y el colorante.
  2. Verter el agua coloreada en una bandeja de cubitos de hielo.
  1. Colocar la bandeja de cubitos de hielo en el congelador hasta que se solidifique.
  1. Llenar el vaso o la jarra transparente con agua tibia.
  1. Agregar un cubo de hielo al vaso de agua.


¿Qué ocurrió?

El agua tibia derritió el cubo de hielo, se enfrió y se hundió hasta el fondo del vaso. A medida que el agua se caliente, se elevará de nuevo a la parte superior del recipiente. El agua coloreada le permitirá ver la corriente de convección en el recipiente.


Radiación

Tanto la conducción como la convección requieren materia para transferir calor. La radiación es un método de transferencia de calor que no depende de ningún contacto entre la fuente de calor y el objeto calentado.

El calor puede transmitirse a través del espacio vacío mediante radiación térmica, que es un tipo de radiación electromagnética. La radiación es una forma de transporte de energía que consiste en ondas electromagnéticas que viajan a la velocidad de la luz. No se intercambia ninguna masa y no se requiere un medio.

Todos los objetos absorben y emiten radiación. Cuando la absorción equilibra la emisión de energía, la temperatura de un objeto permanece constante. Si la absorción es mayor que la emisión, la temperatura de un objeto aumenta; si es menor, la temperatura del objeto disminuye.

LEY DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

Es una ley física que establece que la energía no puede ser creada o destruida, sino que puede cambiar de una forma a otra. Otra manera de establecer esta ley es decir que la energía total de un sistema aislado permanece constante o se conserva dentro de un marco de referencia dado.

¿QUÉ ES LA TERMODINÁMICA?

Es el estudio de la transferencia de calor y los cambios que resultan de ella. La comprensión de la transferencia de calor es crucial para analizar un proceso termodinámico, como los que tienen lugar en los motores térmicos y las bombas de calor.

La energía térmica de una sustancia o sistema se debe a su temperatura, es decir, la energía de las moléculas en movimiento o vibratorias.

Calor

La termodinámica se ocupa de varias propiedades de la materia donde se destaca el calor.

El calor es energía transferida entre sustancias o sistemas debido a una diferencia de temperatura entre ellos. Como una forma de energía, el calor se conserva, es decir, no puede ser creado o destruido, sin embargo, puede transferirse de un lugar a otro. El calor también se puede convertir en otras formas de energía.

Temperatura

Aunque el calor y la temperatura están vinculados, no se deben confundir los términos. La temperatura es una medida objetiva de qué tan caliente o frío es un objeto; es un medio de determinar la energía interna contenida dentro del sistema. Se puede medir con un termómetro o un calorímetro.

La escala de temperatura más comúnmente utilizada es Celsius, con valores asignados de 0 °C y 100 °C y le sigue la escala Fahrenheit, a la que se han asignado valores de 32 °F y 212 °F, respectivamente; ambas escalas se basan en los puntos de congelación y ebullición del agua.

CALOR ESPECÍFICO

La cantidad de calor requerida para aumentar la temperatura de una sustancia en una cantidad determinada se denomina calor específico o capacidad calorífica específica.

El calor específico de un metal depende casi por completo del número de átomos, no de su masa. Por ejemplo, un kilogramo de aluminio puede absorber aproximadamente siete veces más calor que un kilogramo de plomo.

Una masa dada de átomos de agua puede absorber casi cinco veces más calor que una masa igual de aluminio.
Una bombilla puede convertir la energía eléctrica en radiación electromagnética que, cuando es absorbida por una superficie, se convierte nuevamente en calor.
¿SABÍAS QUÉ?

El rabino Joseph Solomon Delmedigo publicó en 1629 en su libro Ma’yan Ganim, "Una fuente de jardines", un diseño conceptual de que los primeros termómetros usaban brandy en lugar de mercurio como la sustancia que se expandía y contraía.

Energía térmica vs. temperatura

Una piscina a 40 °C está a una temperatura más baja que una taza de té a 90 °C. Sin embargo, la piscina contiene mucha más agua, por lo que ésta tiene más energía térmica que la taza de té, aunque éste se encuentre más caliente.

Caloría:

cantidad de energía térmica requerida para elevar a 1 °C la temperatura de 1 gramo de agua.

Intercambio de calor

Este recurso le permitirá conocer este proceso de intercambio de energía térmica entre los cuerpos.


Calorimetría

Con este recurso audiovisual podrá conocer esta parte de la física que se encarga del estudio de la cantidad de calor que cede o absorbe un cuerpo.


Energía térmica

Este material le permitirá comprender la manifestación de la energía en forma de calor.