CALOR Y TEMPERATURA
Calor
Lo
que se percibe con más precisión es la temperatura del objeto o, más
exactamente todavía, la diferencia entre la temperatura del mismo y la de la
mano que la toca. Ahora bien, aunque la sensación experimentada sea tanto más
intensa cuanto más elevada sea la temperatura, se trata sólo una apreciación
muy poco exacta que no puede considerarse como medida de temperatura. Para
efectuar esta ultima se utilizan otras propiedades del calor, como la
dilatación, cuyos efectos son susceptibles.
Con
muy pocas excepciones todos los cuerpos aumentan de volumen al calentarse y
disminuyen cuando se enfrían. En caso de los sólidos, el volumen suele incrementarse
en todas las direcciones se puede observar este fenómeno en una de ellas con
experiencia del pirómetro del cuadrante.
El,
pirómetro del cuadrante consta de una barra metálica apoyada en dos soportes,
uno de los cuales se fija con un tornillo, mientras que el otro puede
deslizarse y empujar una palanca acodada terminada por una aguja que recorre un
cuadrante o escala cuadrada. Cuando, mediante un mechero, se calienta
fuertemente la barra, está se dilata y el valor del alargamiento, ampliado por
la palanca, aparece en el cuadrante.
Otro
experimento igualmente característico es el llamado del anillo de
Gravesande. Este aparato se compone de un soporte del que cuelga una esfera
metálica cuyo diámetro es ligeramente inferior al de un anillo el mismo metal
por el cual puede pasar cuando las dos piezas están a l a misma temperatura. Si
se calienta la esfera dejando el anillo a la temperatura ordinaria, aquella se
dilata y no pasa por el anillo; en cambio puede volver a hacerlo una vez
enfriada o en el caso en que se hayan calentando simultáneamente y a la misma
temperatura la esfera y el anillo.
La
dilatación es, por consiguiente, una primera propiedad térmica de los cuerpos,
que permite llegar a la noción de la temperatura.
La
segunda magnitud fundamental es la cantidad de calor que se
supone reciben o ceden los cuerpos al calentarse o al enfriarse,
respectivamente.
La
cantidad de calor que hay que proporcionar a un cuerpo para que su temperatura
aumente en un numero de unidades determinado es tanto mayor cuanto más elevada
es la masa de dicho cuerpo y es proporcional a lo que se denomina calor
especifico de la sustancia de que está constituido.
Cuando
se calienta un cuerpo en uno de sus puntos, el calor se propaga a los que son
próximos y la diferencia de temperatura entre el punto calentado directamente y
otro situado a cierta distancia es tanto menor cuando mejor conducto del calor
es dicho cuerpo. Si la conductibilidad térmica de un cuerpo es
pequeña, la transmisión del calor se manifiesta por un descenso rápido de la
temperatura entre el punto calentado y otro próximo. Así sucede con el vidrio,
la porcelana, el caucho, etc. En el caso contrario, por ejemplo con metales
como el cobre y la plata, la conductibilidad térmica es muy grande y la
disminución de temperatura entre un punto calentado y el otro próximo es muy
reducida..
Temperatura
Todos
sabemos intuitivamente de qué estamos hablando. Por medio del tacto notamos la
temperatura al tocar un cuerpo ya que unas terminaciones nerviosas situadas en
la piel se encargan de ello./9 del tamaño de un grado Celsius.
A lo
largo de los años se establecieron diferentes escalas. En 1967 se adoptó
la temperatura del punto triple del agua como único punto fijo para la
definición de la escala absoluta de temperaturas y la separación
centígrada de la escala Celsius. El nivel cero quedaba a -273,15 K del punto
triple y se definía como el cero absoluto o 0 K. Esta escala sustituyó a la
escala centígrada o Celsius al definir el cero como el punto más bajo posible e
inalcanzable en la práctica.
A la
temperatura del cero absoluto no hay movimiento y desde él no se puede sacar
calor. En ese estado todo el movimiento atómico y molecular se detiene, es la
temperatura más baja posible. Todos los objetos tienen una temperatura más alta
que el cero absoluto y por lo tanto emiten energía térmica o calor. El espacio
interestelar casi vacío tiene temperatura ligeramente superior al 0 K.
En
este esquema comparativo puedes ver las escalas más importantes:
La
escala Celsius y la escala Kelvin tiene una transformación muy sencilla:
grados
K=273.15 + grados C
En
la transformación de grados centígrados a grados Fahrenheit debes tener en
cuenta que cada grado centígrado vale 1,8 ºF ( 0 - 100 en la escala centígrada
equivale a 32 - 210 en la escala Fahrenheit). Por lo tanto debes multiplicar
los grados centígrados por 1,8 que equivale a 9/5 . Como el cero Celsisus
corresponde al 32 Fahrenheit debes sumar 32:
gradosF=(9/5)*gradosC+32
Para
la transformación inversa se despeja y queda:
gradosC=(5/9)*(
grados F-32)
Dilatacion de solidos y liquidos
DILATACION DE SOLIDOS Y LIQUIDOS
DILATACIÓN:
Es
el aumento de volumen que experimentan los cuerpos por cuando aumenta su
temperatura.
Fácil es
probar que todos los cuerpos, salvo muy raras excepciones, se
dilatan al calentarse y se contraen al enfriarse. Para ellos basta
con calentar o enfriar diversos cuerpos y observar lo que ocurre.
Igualmente
sencillo es probar que la dilatación se produce en todas direcciones, lo que no
podría ser de otro modo desde que se trata de un
aumento de volumen.
Sin
embargo, de acuerdo son las características dimensionales de los
cuerpos, en la práctica, se acostumbra hacer distinción entre dilatación
longitudinal o lineal, dilatación superficial y dilatación cúbica.
DILATACIÓN LINEAL DE LOS SÓLIDOS
Es
el aumento de longitud que experimentan ciertos cuerpos en los cuales la
dimensión predominante es el largo.
Tal
es el caso de las varillas, rieles, tubos, cables, vigas, etc.
¿De
qué factores depende este aumento de longitud?
Tomemos
una varilla de longitud i y elevamos su temperatura
en cierto número de grados. Observaremos un aumento de longitud
Δi (deltai) si aumentamos sucesivamente el largo de la varilla
al doble, triple, et. Manteniendo su naturaleza y grosor, y la sometemos al
mismo aumento de temperatura, observaremos que la dilatación experimentada es
también el doble, triple, etc. De la primitiva.
Luego,
la dilatación lineal de un sólido es directamente proporcional a su longitud
inicial.
Si
en la experiencia anterior se somete una misma varilla al doble, triple, et.,
aumento de temperatura, observaremos que la dilatación es también el doble, el
triple, de la primitiva.
Leugo,
la dilatación lineal de un sólido es directamente
proporcional al aumento de temperatura que experimenta.
Ahora,
si sometemos varias varillas de igual longitud, pero de diferentes sustancias,
a un mismo aumento de temperatura, observaremos que las dilataciones
experimentadas son distintas.
Luego,
la dilatación lineal de un sólido depende de su naturaleza.
Medir
la dilatación lineal experimentada por un cuerpo en determinadas
condiciones no es problema, en la práctica; pero con mucha frecuencia es
necesario calcular la dilatación que experimentarían algunos
cuerpos sometidos a variaciones hipotéticas o reales de
temperatura y cuya influenza en el uso de rieles, cables, tubos, etc.
Para
establecer una relación que permita practicar este
calculo.
Este
valor se denomina coeficiente de dilatación lineal y es característico para
cada sustancia. Se define en cualquiera de las dos formas siguientes:
Coeficiente
de dilatación lineal de un sólido es la dilatación media que éste
experimenta, por unidad de longitud, cuando su temperatura aumenta
en 1ºC.
Coeficiente
de dilatación lineal de un sólido es la
razón entre la dilatación experimentada por éste y el
producto de su longitud inicial por la elevación de temperatura
correspondiente.
La
fórmula anterior permite además, de definir y calcular el
coeficiente de dilatación lineal de cualquier sólido, determinar la
dimensión de dicho contiene algunos coeficientes d dilatación
lineal, expresados en (ºC)-1
Sustancia coeficiente sustancia coeficiente
Al 0,000023 latón 0,000019
Acero 13 Au 14
Cu 17 Ag 19
Sn 22 pt 9
Fe 12 Pb 29
Según
lo expuesto, que el coeficiente de la
dilatación lineal del Cu sea 0,000017
(ºC)-1 significa que una varilla de Cu de un
cm, m, Km., etc., cuando su temperatura aumenta en 1ºC.
APLICACIONES
DE LA DILATACIÓN LINEAL
La
dilatación lineal de los sólidos tiene numerosas aplicaciones prácticas, la
mayoría de las cuales se basa en la gran fuerza que se desarrolla por efecto de
la dilatación.
Una
de las más corrientes la tenemos en la termometría, en la construcción de
termómetros de sólidos como termostatos y termógrafos, mediante el uso de
láminas bimetálicas, formadas por dos láminas de metales de
muy diferente coeficiente de dilatación lineal, yuxtapuestas
y soldadas entre sí.
La
lámina bimetálica se encorva hacia el metal de menor
coeficiente de dilatación cuando sube la temperatura y mayor
coeficiente se dilata o se contrae más rápidamente que el
otro.
En
algunos termómetros de sólido la lámina bimetálica está enrollada en
forma circula y se le agrega una aguja indicadora.
DILATACIÓN DE LOS LÍQUIDOS
En
el caso de los líquidos, salvo casos excepcionales, hablaremos
exclusivamente de dilatación cúbica, por cuanto, aún en los tubos capilares de
los termómetros, es necesario considerar que la dilatación en el sentido
transversal influye en la dilatación lineal observada.
Por
otra parte, es prácticamente imposible independizar por completo la dilatación del líquido
de la experimentada por el recipiente que lo contiene, de tal modo que se hace
necesario distinguir entre dilatación aparente y
dilatación absoluta o verdadera del líquido.
Dilatación aparente
es la dilatación que se observa en el líquido, influenciada por la que
experimenta el recipiente que lo contiene.
Dilatación
absoluta es la dilatación verdadera del líquido, que observaríamos
si el recipiente no se dilatara.
Resulta
evidente que la dilatación absoluta de un
líquido equivale a la dilatación aparente observada
más la que experimenta el recipiente.
O
sea: D absoluta = D
aparente + D recipiente
Y
como se trata, en cada caso, de dilatación cúbica, se tiene que el coeficiente
de dilatación absoluta del líquido es igual al
coeficiente de dilatación aparente más del de dilatación cúbica del
recipiente.
Luego,
basta determinar el coeficiente de dilatación aparente, en la
forma como se procedió para los sólidos, para
que s etenga el de dilatación absoluta y, con ello, sea posible aplicar a los
líquidos las mismas fórmulas de dilatación cúbica que a los sólidos.
A
continuación se indican algunos coeficientes d edilatación absoluta, expresados
en (ºC)-1
Liquido coeficiente
de dilatación absoluta
Alcohol 0,00112
Mercurio 0,00018
Petróleo 0,00096
Agua 0,00021
En
cuanto a la significación de estos coeficientes, ella puede darse, como la de
cualquier coeficiente de dilatación cúbica en forma análoga a la
indicada para los coeficientes de dilatación lineal.
Calorimetría, fusión,
vaporización
El calor es una forma de energía. La
unidad mas utilizada en la medida de la cantidad de calor en el sistema métrico
y su múltiplo la kilocaria que se definen,
respectivamentecomo sigue:
1
calor (cal) = cantidad de calor necesaria para la temperatura de 1 gramo de
agua en 1 grado centígrado.
Calor especifico de
una sustancia( es numéricamente igual a la unidad (1cal/g°C o kcal/°C) siempre
que se desprecien las variaciones con la temperatura.
Calor calorífica o
equivcalente en agua de un cuerpo es la cantidad de calor necesario para elevar
la temperatura del cuerpo en un grado. Se mide en calorías por grado centígrado
(cal/°C).
Capacidad
calorífica de un cuerpo = masa del cuerpo x calor especifico.
Calor ganado o perdido por un cuerpo, siempre que no
experimente ningún cambio de estado.
=
masa x calor especifico x variación de temperatura
Q=
mxcxDt
En
donde Q = cantidad de calor (cal o Kcal), m = (g o kg),c = calor especifico
(cal/g °C o kcal/kg °C) y Dt
= variación temperatura (°C).
Calor de fusión de
un cuerpo solido es la cantidad de calor necesaria para pasar al estado liquido
la unidad de masa del cuerpo en cuestión de que varie su temperatura.
Calor
de fusión del hielo - 80 cal/g o kcal/kg(a O°C y 1 atm).
Calor de vaporización de
un liquido es la cantidad de calor necesario para pasar al estado vapor la
unidad de masa del liquido en cuestión sin que varia su temperatura.
Calor
de vaporización del agua -540 cal/g o kcal/kg (a 100 °C y 1 atm)
Transmisión
de calor
El
calor se transmite de un lugar a otro de tres maneras diferentes:
- Por conducción entre
cuerpo sólidos en contacto
- Por convección en
fluidos (líquidos o gases)
- Por radiación a través
del medio en que la radiación pueda propagarse
La
energía se transmite de la forma que resulta más eficiente.
En
física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre
distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están en
distinto nivel energético. El calor se transfiere mediante convección,radiación
o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente,
puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos.
La conducción requiere contacto físico entre los cuerpos que intercambian calor, pero en la radiación no hace falta que los cuerpos estén en contacto ni que haya materia entre ellos. La convección se produce a través del movimiento de un líquido o un gas en contacto con un cuerpo de temperatura diferente.
Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.
La conducción requiere contacto físico entre los cuerpos que intercambian calor, pero en la radiación no hace falta que los cuerpos estén en contacto ni que haya materia entre ellos. La convección se produce a través del movimiento de un líquido o un gas en contacto con un cuerpo de temperatura diferente.
Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.
Termodinámica
Primera
ley de la termodinámica
Permítase
que un sistema cambie de un estado inicial de equilibrio i, a un estado final de
equilibrio f, en un camino
determinado, siendo Q el
calor absorbido por el sistema y W el
trabajo hecho por el sistema. Después calculamos el valor de Q - W. A continuación cambiamos el
sistema desde el mismo estado i hasta
el estado finalf, pero en esta
ocasión por un camino diferente. Lo hacemos esto una y otra vez, usando diferentes
caminos en cada caso. Encontramos que en todos los intentos Q - W es la misma. Esto es,
aunque Q y W separadamente dependen del
camino tomado, Q - W no
depende, en lo absoluto, de cómo pasamos el sistema del estado i al estado f, sino solo de los estados inicial y
final (de equilibrio).
Del
estudio de la mecánica recordará, que cuando un objeto se mueve de un punto
inicial i a otro
final, f en un campo
gravitacional en ausencia de fricción, el trabajo hecho depende solo de las
posiciones de los puntos y no, en absoluto, de la trayectoria por la que el
cuerpo se mueve. De esto concluimos que hay una energía potencial, función de
las coordenadas espaciales del cuerpo, cuyo valor final menos su valor inicial,
es igual al trabajo hecho al desplazar el cuerpo. Ahora, en la termodinámica,
encontramos experimentalmente, que cuando en un sistema ha cambiado su
estado i al f, la cantidad Q - W dependen solo de las
coordenadas inicial y final y no, en absoluto, del camino tomado entre estos
puntos extremos. Concluimos que hay una función de las coordenadas
termodinámicas, cuyo valor final, menos su valor inicial es igual al
cambio Q - W en el
proceso. A esta función le llamamos función de la energía interna.
Representemos
la función de la energía interna por la letra U . Entonces la energía interna del sistema en el
estado f, Uf ,
es solo el cambio de energía interna del sistema, y esta cantidad tiene un
valor determinado independientemente de la forma en que el sistema pasa del
estado i al estado f:
Tenemos entonces que:
Uf- Ui = ΔU = Q - W
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA
Las
primeras máquinas térmicas construidas, fueron dispositivos muy ineficientes.
Solo una pequeña fracción del calor absorbido de la fuente de la alta
temperatura se podía convertir en trabajo útil. Aun al progresar los diseños de
la ingeniería, una fracción apreciable del calor absorbido se sigue descargando
en el escape de una máquina a baja temperatura, sin que pueda convertirse en
energía mecánica. Sigue siendo una esperanza diseñar una maquina que pueda
tomar calor de un depósito abundante, como el océano y convertirlo íntegramente
en un trabajo útil. Entonces no seria necesario contar con una fuente de calor
una temperatura más alta que el medio ambiente quemando combustibles. De la
misma manera, podría esperarse, que se diseñara un refrigerador que simplemente
transporte calor, desde un cuerpo frío a un cuerpo caliente, sin que tenga que
gastarse trabajo exterior. Ninguna de estas aspiraciones ambiciosas violan la
primera ley de la termodinámica. La máquina térmica sólo podría convertir
energía calorífica completamente en energía mecánica, conservándose la energía
total del proceso. En el refrigerador simplemente se transmitiría la energía
calorífica de un cuerpo frío a un cuerpo caliente, sin que se perdiera la
energía en el proceso. Nunca se ha logrado ninguna de estas aspiraciones y hay
razones para que se crea que nunca se alcanzarán.
TERCERA
LEY DE LA TERMODINAMICA
En
el análisis de muchas reacciones químicas es necesario fijar un estado de
referencia para la entropía. Este siempre puede escogerse algún nivel
arbitrario de referencia cuando solo se involucra un componente; para las
tablas de vapor convencionales se ha escogido 32°F. Sobre la base de las
observaciones hechas por Walther Nernst y por otros, Planck estableció la
tercera ley de la termodinámica en 1912, así:
la
entropía de todos los sólidos cristalinos perfectos es cero a la temperatura de
cero absoluto.
Un
cristal "perfecto" es aquel que esta en equilibrio termodinámica. En
consecuencia, comúnmente se establece la tercera ley en forma más general,
como:
La
entropía de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinámico tiende a cero
a medida que la temperatura tiende a cero.
La
importancia de la tercera ley es evidente. Suministra una base para el calculo
de las entropías absolutas de las sustancias, las cuales pueden utilizarse en
las ecuaciones apropiadas para determinar la dirección de las reacciones químicas.
Una
interpretación estadística de la tercera ley es más bien sencilla, puesto que
la entropía se ha definido como:
S =
k.ln Ω
En
donde k es la constante de Boltzmann Ω es la
probabilidad termodinámica. En vista de la anterior disertación, la tercera ley
equivale a establecer que:
Ω →1 cuando T
→ 0.
Esto
significa que sólo existe una forma de ocurrencia del estado de energía mínima
para una sustancia que obedezca la tercera ley.
Hay varios casos
referidos en la literatura en donde los cálculos basados en la tercera ley no
están desacuerdo con los experimentos. Sin embargo, en todos los casos es
posible explicar el desacuerdo sobre la base de que la sustancia no es
"pura", esto es, pueda haber dos o más isótopos o presentarse
moléculas diferentes o, también, una distribución de no equilibrio de las
moléculas. En tales casos hay más de un estado cuántico en el cero absoluto y
la entropía no tiende a cero.
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