Trabajo final de física Liliana Anaya 2do "D" T/M: CALOR Y TEMPERATURA

LA TEMPERATURA:
¿Qué es?
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.
Los gatos poseen termo sensores en la nariz que les permiten distinguir variaciones de 0.2ºC.

Toda la materia está formada por partículas en continua agitación:. incluso los sólidos, que a simple vista parecen estar en reposo, la tienen.
En los sólidos las vibraciones son pequeñas. Si la energía de agitación es muy grande, se pueden llegar a romper los enlaces entre las moléculas y entre los átomos.
Las partículas se desenlazan y vibran libres, rotan, chocan entre si y contra las paredes del recipiente.

Este estado de la materia se llama gaseoso. El gas trata de ocupar todo el volumen del recipiente que lo contiene: trata de expandirse.
No todas las partículas se mueven en la misma dirección y con la misma velocidad. A cada estado concreto se le puede asignar una velocidad media.

En un gas la temperatura es una magnitud (algo que podemos medir) que se relaciona con la medida de la velocidad media con que se mueven las partículas (por lo tanto con su energía cinética o nivel de agitación).
La temperatura no depende del número de partículas que se mueven sino de su velocidad media: a mayor temperatura mayor velocidad media. No depende por tanto de la masa total del cuerpo: si dividimos un cuerpo con una temperatura "T" en dos partes desiguales las dos tienen la misma temperatura.
La temperatura es una magnitud que refleja el nivel térmico de un cuerpo (su capacidad para ceder energía calorífica) y el calor es la energía que pierde o gana en ciertos procesos (es un flujo de energía entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas).

COMO SE MIDE LA TEMPERATURA?

Al poner en contacto dos sustancias la agitación de las partículas de una se transmite, mediante choques, a las partículas de la otra hasta que se igualan sus velocidades. Las partículas de la sustancia más caliente son más rápidas y poseen más energía. En cada impacto ceden parte de la energía a las partículas más lentas con las que entran en contacto. Las partículas de la sustancia que está a mayor T se frenan un poco, pero al mismo tiempo hacen que la más lentas aceleren.
Finalmente las partículas de las dos sustancias alcanzan la misma velocidad media y por lo tanto la misma temperatura: se alcanza el "equilibrio térmico".
Para diseñar un instrumento que mida la temperatura debemos escoger una cualidad de la materia que sea fácilmente observable, que varíe de manera importante con la agitación de sus partículas, que sea fácil de medir y que nos permita relacionar su variación con la agitación que tiene el cuerpo.
La cualidad elegida en los termómetros de mercurio es la dilatación, pero existen otros tipos de termómetros basados en otras cualidades.
Se utiliza el mercurio para construir termómetros porque es un metal que es líquido entre -20 ºC y 100ºC y porque se dilata mucho. Encerramos el metal dentro de un tubo fino (capilar) para que al dilatarse un poco avance mucho por el tubo (cuanto más fino sea el tubo más centímetros avanza). Midiendo longitudes de la columna podemos establecer una relación entre la dilatación y el nivel de agitación de la sustancia a medir.

¡Medimos la temperatura midiendo una longitud!

Se pueden tomar como base para medir las temperaturas otras propiedades que cambien con ella como el color, la resistencia eléctrica, etc. Aparatos basados en las anteriores propiedades son el pirómetro óptico, el termopar.

CALOR:

¿Qué es el calor?
Durante muchos años se creyó que el calor era un componente que impregnaba la materia y que los cuerpo absorbían o desprendían según los casos.
Lo que ves a la derecha es una manifestación del calor, es una llama, pero no es el calor.
El calor es un concepto y por lo tanto no se ve. Si puedes percibir los efectos del calor.

Rumford, taladrando tubos de metal para construir cañones, se dio cuenta de que cuanto más roma estaba la broca más calor se desprendía. Si el calor estuviera retenido en el cuerpo impregnándolo saldría más cuanto más se desmenuzara la materia en virutas...pero no era así, era justamente al revés.
¡El calor se generaba al rozar la broca con el metal! ¡La energía cinética de la broca se transformaba en calor!
El calor es por lo tanto una forma de energía. Es la "energía calorífica". Un inglés llamado J.P. Joule halló su equivalencia con las unidades del trabajo.
El Universo está hecho de materia y energía. La materia está compuesta de átomos y moléculas (que son grupos de átomos) y la energía hace que los átomos y las moléculas estén en constante movimiento: rotando alrededor de si mismas, vibrando o chocando unas con otras. Cuando la materia desaparece (a veces esto ocurre espontáneamente en las sustancias radiactivas) se transforma en energía (E=mc²)
El movimiento de los átomos y moléculas está relacionado con el calor o energía térmica. Al calentar una sustancia aumenta la velocidad de las partículas que la forman.
La cantidad total y absoluta de energía que tiene un cuerpo, que es la que podría teóricamente ceder, es muy difícil de precisar.
Nos referimos al calor como a esa energía que intercambian los cuerpos (energía de tránsito) y que podemos medir fácilmente.
El calor es una energía que fluye de los cuerpos que se encuentran a mayor temperatura a los de menor temperatura. Para que fluya se requiere una diferencia de temperatura. El cuerpo que recibe calor aumenta su temperatura, el que cede calor disminuye su temperatura. Resulta evidente que los dos conceptos, calor y temperatura, están relacionados.

¿Cómo se genera el calor?

La energía puede presentarse de muy diferentes formas y puede cambiar de una forma a otra.
Ya vimos la experiencia de Rumford en la que por rozamiento la broca transformaba energía cinética en energía calorífica. Pero existen otras transformaciones de energía..

La energía electromagnética (luz del Sol) calienta la Tierra. Esta es la primera fuente de toda la energía que llega a la Tierra y que luego se transforma en otros tipos de energía.
Los cuerpos emiten energía calorífica en forma de radiación en el infrarrojo.
Las reacciones química de combustión desprenden calor (exotérmicas), otras lo absorben (endotérmicas).
La electricidad circulando por una resistencia la calienta.
Un balón al chocar contra el suelo transforma su energía mecánica en calor al deformarse.
Nuestros cuerpos transforman la energía química de los alimentos en calor: para vivir necesitamos unas 2.100.000 calorías al día.
Las reacciones nucleares generan calor al desaparecer la masa.
Al producir un sonido hacemos vibrar las partículas de aire y esta energía se transmite en el aire: las ondas transportan energía.

¿Cómo se mide el calor?
El agua es importantísima en nuestra vida. Se ha utilizado para establecer la escala de Celsisus de temperaturas y tiene una excepcional cualidad que hizo que se eligiera para definir el patrón de la energía calorífica: el agua es una de las sustancias que, aunque reciba mucha energía calorífica, incrementa muy poco su temperatura.
Esta cualidad del agua es la responsable del clima benigno (poco oscilante entre el día y la noche) en las proximidades del mar para una misma latitud terrestre.
La capacidad del agua de "encajar" los impactos de calor "sin casi inmutarse" incrementando poco su temperatura se representa mediante una magnitud llamada "calor específico" (Ce) : calor que necesita 1 g de sustancia para aumentar 1 grado su temperatura.

Formulas para conversión entre unidades de temperatura

Kelvin

	de Kelvin	a Kelvin
Celsius	°C = K – 273.15	K = °C + 273.15
Fahrenheit	°F = ( 9/5 K ) – 459.67	K = 5/9 ( °F + 459.67 )
Rankine	°R = 9/5 K	K = 5/9 °R

Celsius

	de Celsius	a Celsius
Fahrenheit	°F = ( 9/5 °C ) + 32	°C = 5/9 ( °F – 32)
Kelvin	K = °C + 273.15	°C = K – 273.15
Rankine	°R = 9/5 ( °C + 273.15 )	°C = 5/9 ( °R – 491.67 )

Fahrenheit

	de Fahrenheit	a Fahrenheit
Celsius	°C = 5/9 ( °F – 32)	°F = ( 9/5 °C ) + 32
Kelvin	K = 5/9 ( °F + 459.67 )	°F = ( 9/5 K ) – 459.67
Rankine	°R = °F + 459.67	°F = °R – 459.67

Rankine

	de Rankine	a Rankine
Celsius	°C = 5/9 ( °R – 491.67 )	°R = 9/5 ( °C + 273.15 )
Fahrenheit	°F = ( 9/5 K ) – 459.67	°R = °F + 459.67
Kelvin	K = 5/9 °R	°R = 9/5 K

Transferencia de calor :

tabla de conductividad térmica:

elemento valor
plata 1.01
cobre 0.92
oro aluminio 0.70
hierro 0.48
mercurio 0.16
vidrio 0.14
agua 0.002
aire 0.00005

calor especifico (formulas):

el calor especifico (ce) de una sustancia es igual a la capacidad calorífica de dicha sustancia entre su masa.

1.-Q=(Ce)(m)(AT)
2.-Ce= Q
(m)(AT)
3.-m= Q
(Ce)(AT)
4.-AT= Q
(Ce)(m)
en términos prácticos el calor especifico se define como la cantidad de calor que necesita un gramo de una sustancia para elevar su temperatura a 1 grado celsius.
Q= Ce m AT

dilatación:
Aumento de volumen de un cuerpo por la separación de sus moléculas y disminución de su densidad al elevarse su temperatura o disminuir la presión a la que está sometido, sin que se produzca ningún cambio en su naturaleza.

Dilatación lineal:

La dilatación lineal es aquella en la cual predomina la variación en una única dimensión, o sea, en el ancho, largo o altura del cuerpo.

Para estudiar este tipo de dilatación, imaginemos una barra metálica de longitud inicial L0y temperatura θ0.

Si calentamos esa barra hasta que la misma sufra una variación de temperatura Δθ, notaremos que su longitud pasa a ser igual a L (conforme podemos ver en la siguiente figura):

Matemáticamente podemos decir que la dilatación es:

Pero si aumentamos el calentamiento, de forma de doblar la variación de temperatura, o sea, 2Δθ, entonces observaremos que la dilatación será el doble (2 ΔL).

Podemos concluir que la dilatación es directamente proporcional a la variación de temperatura.

Imaginemos dos barras del mismo material, pero de longitudes diferentes. Cuando calentamos estas barras, notaremos que la mayor se dilatará más que la menor.

Podemos concluir que, la dilatación es directamente proporcional al larco inicial de las barras.

Cuando calentamos igualmente dos barras de igual longitud, pero de materiales diferentes, notaremos que la dilatación será diferentes en las barras.
Podemos concluir que la dilatación depende del material (sustancia) de la barra.

De los ítems anteriores podemos escribir que la dilatación lineal es:

Donde:
L0 = longitud inicial.
L = longitud final.
ΔL = dilatación (DL > 0) ó contracción (DL < 0)
Δθ = θ0 – θ (variación de la temperatura)

α = es una constante de proporcionalidad característica del material que constituye la barra, denominada como coeficiente de dilatación térmica lineal.
De las ecuaciones I y II tendremos:

La ecuación de la longitud final L = L0 (1 + α . Δθ), corresponde a una ecuación de 1º grado y por tanto, su gráfico será una recta inclinada, donde:

L = f (θ) ==> L = L0 (1 + α . Δθ).

Dilatación Cúbica

Cuando una barra o cualquier trozo de metal es calentado a alta temperatura, se dilata en sus tres dimensiones: largo, ancho y alto. Por ejemplo, en los pisos, es necesario dejar un espacio entre las losetas para que cuando la temperatura ambiental aumente, el piso no sufra deformaciones o cuarteaduras.

El coeficiente de dilatación cúbica se calcula con base

en la dilatación lineal, ya que es tres veces mayor, es

decir:

β=3[Lf-Lo/Lo(Tf-To)]

que simplificada se representa así:

β=3ª

Se puede calcular el aumento de volumen al variar la

temperatura con la siguiente fórmula

Vf=Vo[1+ β(Tf-To)]

problema:

¿cual será el volumen final de una sustancia cuyo

coeficiente de dilatación cúbica es de 1.89 x 10^-4/ °C, si

originalmente tiene una temperatura de 12 °C y un

volumen de 130 cm³, cuando su temperatura se incrementa

hasta 50 °C?

Datos:

Vf =?

β= 1.89 x 10^-4/°C

To =12°C

Tf =50°C

Fórmula:

Vo =130 cm³

Dilatación de área

Cuando un área o superficie se dilata, lo hace incrementando sus dimensiones en la misma proporción. Por ejemplo, una lámina metálica aumenta su largo y ancho, lo que significa un incremento de área. La dilatación de área se diferencia de la dilatacion lineal porque implica un incremento de área.
El coeficiente de dilatación de área es el incremento de área que experimenta un cuerpo de determinada sustancia, de área igual a la unidad, al elevarse su temperatura un grado centigrado. Este coeficiente se representa con la letra griega gamma (γ). El coeficiente de dilatación de área se usa para los sólidos. Si se conoce el coeficiente de dilatación lineal de un solido, su coeficiente de dilatación de área será dos veces mayor:

$\gamma_A \approx 2 \alpha$

Al conocer el coeficiente de dilatación de área de un cuerpo sólido se puede calcular el área final que tendrá al variar su temperatura con la siguiente expresión:

$A_f = A_0 [1 +\gamma_A (T_f - T_0)]\;$

Donde:

γ=coeficiente de dilatación de área [°C^-1]

A₀ = Área inicial

A_f = Área final

T₀ = Temperatura inicial.

T_f = Temperatura final

Gases y sus leyes:

Ley de Boyle:

El volumen que ocupa una masa definida de un gas es directamente proporcional a su presión.
k = P x V

Ley de Charles

A presión constante, el volumen de un gas es directamente proporcional a su temperatura.
V= k x T

Ley de Dalton

En una mezcla de gases, la presión total equivale a la suma de la presión parcial de cada gas de la mezcla.

Ley de Fick:

La velocidad de difusión depende del gradiente de presión entre dos lados de una membrana porosa

Ley de Gay-Lussac

A un volumen constante, la presión de un gas cambia proporcionalmente a su temperatura

Ley de Graham

La velocidad de difusión y efusión de un gas es inversamente proporcional a la raiz cuadrada de su densidad o peso molecular.

Ley de Hagen-Poiseuille:

El flujo laminar de un fluido en un tubo es directamente proporcional al gradiente de presión, a la cuarta potencia de su radio e inversamente proporcional a su viscosidad.

Ley de Henry: