CAPÍTULO 4 / TEMA 7

El calor y la temperatura

Los términos calor y temperatura son comunes en nuestro vocabulario ya que nos permiten explicar por qué percibimos lo frío de la nieve o lo caliente del agua hirviendo. Estos conceptos pueden diferenciarse y existen escalas para medirlos.

CALOR Y TEMPERATURA, ¿SON LO MISMO?

VER INFOGRAFÍA

El calor y la temperatura no son lo mismo. El calor es una forma de energía que se transfiere de un material más caliente a otro menos caliente, es decir, es una energía de tránsito. La temperatura, en cambio, es la medida de la cantidad de movimiento de las moléculas de un sistema; es decir, es una medida de la energía térmica. Es sólo una magnitud que miden los termómetros.

¿Qué es la energía térmica?

La energía térmica es la manifestación de la energía en forma de calor, se produce como consecuencia del movimiento de las partículas que conforman un cuerpo. Entonces, a mayor movimiento de partículas más energía térmica contiene el cuerpo.

¿Sabías qué?
El frío no existe. Realmente un cuerpo se siente frío cuando sus partículas tienen baja energía térmica.

EQUILIBRIO TÉRMICO

Al colocar dos cuerpos con diferentes temperaturas dentro de un sistema aislado, el que tiene mayor temperatura cede calor al cuerpo con menor temperatura hasta alcanzar el equilibrio térmico, es decir, hasta que se igualan las temperaturas.

El equilibrio térmico ocurre debido al intercambio de energía térmica de dos cuerpos que se encuentran a diferente temperatura. El cuerpo que tiene mayor energía térmica, es decir una temperatura más alta, transfiere calor al cuerpo con menor energía térmica hasta que ambos llegan a la misma temperatura. En ese momento es alcanzado el equilibrio en el sistema.

¿Sabías qué?
El calentamiento global es un alarmante caso de equilibrio térmico con el agua del planeta, ya que ha provocado que los glaciares empiecen a derretirse.

Ejemplos de equilibrio térmico

 

Cuando un producto se saca de la heladera, al pasar cierto tiempo alcanzará el equilibrio con la temperatura del medio natural.

 

Al salir de una ducha caliente puede sentirse una sensación de frío porque el cuerpo estaba en equilibrio con la temperatura del agua, y luego entra en equilibrio con la temperatura ambiental.

 

 

 

 

 

Al agregar leche fría a una taza de café caliente, el equilibrio térmico se alcanza rápido y el café tendrá una temperatura más baja que al principio.

Para alcanzar el equilibrio térmico, el calor puede ser transferido de un cuerpo a otro de tres maneras distintas:

Conducción

La energía térmica es transferida de un material preferentemente sólido a otro sin transporte de materia. Por ejemplo, podemos calentar un extremo de una barra de metal con fuego y luego de un tiempo veremos que el otro extremo también elevó su temperatura porque el calor es conducido a través de las moléculas que la componen.

Convección

Se transfiere la energía y la materia por una masa fluida. Se produce en materiales que poseen moléculas que se mueven libremente, como el aire o el agua. Por ejemplo, cuando calentamos agua se producen corrientes de convección, es decir, el agua caliente sube y el agua fría baja, lo que genera una corriente.

Radiación

Se transfiere la energía térmica a través de ondas. Es totalmente independiente de la materia y la transferencia puede ocurrir en el vacío. Por ejemplo, cuando colocamos la mano sobre el fuego vamos a sentir el calor porque se transmite por radiación, es decir, a través de las ondas.

Ejemplos de conducción, convección y radiación.

¿EL CALORSE ABSORBE O SE CEDE?

Cuando refrescamos nuestro cuerpo con botellas de agua fría lo que sucede es que el calor corporal es cedido al de la botella que tiene una temperatura más baja.

El calor fluye desde el cuerpo con mayor temperatura al que tiene menor temperatura, de manera que el primero cede calor, en tanto el segundo absorbe el calor. Por ejemplo, cuando una persona se sumerge en el mar le está cediendo calor al mismo, ya que la temperatura corporal de la persona (37 °C) es mayor que la temperatura del mar (< 30 °C).

¿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.

Existen tres factores que influyen en la manera que un cuerpo cede o absorbe el calor:

  • La variación de la temperatura. Un cuerpo necesita absorber más calor para aumentar su temperatura en 50 °C que para un incremento de sólo 5 °C.
  • La masa del cuerpo. Se necesita más calor para hervir 1 kg de agua que para hervir 200 g de agua.
  • La naturaleza del cuerpo. Al calentar dos cuerpos de igual masa, pero de diferente material, se necesitan cantidades diferentes de calor para elevar su temperatura en igual proporción.

ESCALAS DE TEMPERATURA Y EQUIVALENCIAS

La temperatura es una medida de la energía térmica. Esta magnitud se mide con un termómetro y existen varias unidades de medida para hacerlo:

Grado centígrado o Celsius (°C)

La escala fue propuesta por el físico Anders Celsius en el siglo XVIII. Tomó también el nombre de “centígrados” debido a que la escala es dividida en 100 partes iguales al tomar como referencia los puntos de fusión y ebullición del agua (temperatura a la cual se funde y se hierve).

Grado Fahrenheit (°F)

La escala fue creada por el físico Gabriel Daniel Fahrenheit en el año 1724. Es más utilizada en los países anglosajones y divide en 180 partes iguales a la temperatura entre la cual se funde y se hierve el agua.

Kelvin (K)

La escala fue propuesta por el físico y matemático William Thomson Kelvin en 1848. Es empleada para estudios de termodinámica. El cero se define como el cero absoluto de temperatura, es decir, a -273,15 °C. La magnitud de su unidad, se define como igual a un grado Celsius, es decir, un Kelvin es equivalente a esa temperatura en escala Celsius, la más conocida.

Las equivalencias entre estas escalas son las siguientes:

Fahrenheit a Celsius Celsius a Kelvin Celsius a Fahrenheit
 

Kelvin a Celsius

 

Fahrenheit a Kelvin

 

Fahrenheit a Kelvin

CONDUCTORES Y AISLANTES TÉRMICOS

Termos

También llamados frascos de vacío o botella de Dewar, son contenedores aislantes creados de tal manera que pueden reducir la transferencia por conducción o convección. De este modo, su contenido mantiene por más tiempo su temperatura en su interior.

Materiales conductores

Son aquellos que permiten la transmisión de calor y se utilizan en la fabricación de hornos y utensilios de cocina, como ollas y sartenes. También se usan en la manufactura de radiadores.

En general, los metales son excelentes conductores de calor, en especial el aluminio, el cobre, el hierro y el oro.
¿Sabías qué?
El sodio, magnesio, potasio y el calcio son metales que se encuentran en la naturaleza y presentan una baja conductividad.
El diamante es el mejor conductor térmico.

Materiales aislantes

Son aquellos que no permiten la fácil transmisión de calor. Son utilizados en la fabricación de los trajes ignífugos que usan los bomberos. Asimismo, se emplean en el recubrimiento de diferentes tipos de construcciones y en la elaboración de termos.

La conductividad térmica es la cualidad que tienen ciertos materiales de traspasar calor a través de ellos. La cantidad de calor necesario por m2 está determinado por el coeficiente de conductividad térmica (λ).

A continuación se muestra una tabla referida a la capacidad de algunos materiales para transmitir el calor.

 

Material λ
Acero 47-58
Agua 0,58
Aire 0,02
Alcohol 0,16
Alpaca 29,1
Aluminio 237
Bronce 116-186
Corcho 0,03-0,04
Material λ
Diamante 2.300
Glicerina 0,29
Hierro 80,2
Ladrillo 0,80
Madera 0,13
Oro 308,2
Tierra húmeda 0,8
Zinc 106-140
RECURSOS PARA DOCENTES

Video “Intercambio de calor”

En este video se explica mediante problemas cómo se intercambia el calor en los cuerpos.

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Video “Calorimetría: Cambios de estado”

Este recurso audiovisual detalla cómo un cuerpo cambia de estado físico gracias al aporte de energía calorífica.

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Artículo destacado “Capacidad calorífica”

En este artículo se describe con ejemplos la capacidad calorífica como la propiedad de todo cuerpo de absorber, retener y liberar calor.

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Calor y temperatura

Cuando calentamos algún objeto sabemos que su temperatura aumenta, no obstante, es usual que confundamos los términos temperatura y calor en la vida cotidiana, y aunque éstos tienen relación entre sí, sus significados son muy diferentes.

Calor Temperatura
¿Qué es? Es la energía total del movimiento molecular en un cuerpo. Es la medida de la energía del movimiento molecular en un cuerpo.
Comportamiento La energía se intercambia entre un sistema y sus alrededores debido a la diferencia de temperatura. La temperatura aumenta conforme aumenta el movimiento o los choques entre las moléculas.
Dependencia Depende de la velocidad, cantidad y tamaño de las partículas. No depende de la velocidad, cantidad y tamaño de las partículas.
Unidades
  • Calorías (cal)
  • Joule (J)
  • Ergio (erg)
  • Grado Celsius (°C)
  • Grado Fahrenheit (°F)
  • Kelvin (K)
Instrumentos de medición Calorímetro

Termómetro

Ejemplos
  • Al servir té caliente, el agua transmite su calor a la taza.
  • Al sujetar un trozo de chocolate en la palma de la mano, éste empieza a derretirse por la transferencia de calor corporal al chocolate.
  • La temperatura para que el agua hierva es de 100 °C.
  • La temperatura corporal promedio es de 36,5 °C.
    La temperatura del ambiente está entre los 20 a 25 °C.