1 Liceo Rafael Sotomayor Dpto. Física P.Sarabia N/ 2° Medio

EJE TEMATICO : Temperatura y calor I.-

CAPITULO 1. LA TEMPERATURA y CALOR

La teoría atómica supone que los átomos de cualquier sustancia están en constante movimiento. Los átomos que forman una molécula interactúan mutuamente ejerciendo fuerzas de ATRACCION de origen eléctrico que los mantiene unidos. Pero la distancia entre ellos es mínima y cuando están casi juntos las fuerzas entre ellos es de REPULSION debido a la interacción de sus electrones exteriores. En la materia se distinguen tres estados: A) SÓLIDOS: las fuerzas son grandes, por lo que sus átomos y moléculas se mueven u oscilan en torno a posiciones casi fijas. Estructuras cristalinas. Forma definida y resistencia a las deformaciones. B) LIQUIDOS: la fuerzas son más débiles, luego sus átomos y moléculas se mueven unos sobre otros con mayor rapidez pudiendo desplazarse , sin salirse del recipiente que lo contienen. C) GASES: las fuerzas son extremadamente débiles lo que permite que los átomos y las moléculas se muevan con una gran rapidez provocando choques , lo que hace que no permanezcan juntos y se puedan esparcir por todo el espacio disponible. No presentan formas definidas.

TEMPERATURA: se asocia a “CUAN CALIENTE o FRIO” está un material, se explica a nivel microscópico, y depende del grado de movimiento de las moléculas que forman la materia. Es una “MEDIDA DE LA ENERGÍA CINÉTICA PROMEDIO DE LAS MOLÉCULAS QUE FORMAN UN CUERPO” y dependerá de factores como: a) el tipo de material, b) de las condiciones del medio ambiente y C) del receptor. Las temperaturas se miden a través de TERMOMETROS y su funcionamiento se basa en las propiedades físicas de algunas sustancias como cambio de volumen al calentarse o enfriarse, y pueden ser: a) Clínico o de vidrio: de mercurio de alcohol, etc. b) A gas: muy precisos y sirven para calibrar otros termómetros. ( Gases nobles o ideales como el helio) c) Bimetálicos: cinta que usan propiedad de la dilatación de metales con diferente coeficiente de dilatación ( uso TERMOSTATOS) y d) Digitales: usan propiedades de circuitos eléctricos con chips que reflejan la medicion en una pantalla digital por radiación infraroja. Todos los TERMOMETROS miden solo su propia temperatura, pues al ponerlo en contacto con un cuerpo, después de un instante se alcanza el equilibrio térmico y así podemos medir la temperatura del termómetro que será igual a la temperatura del cuerpo con el que se puso en contacto.

Cuando los TERMÓMETROS se colocan en “contacto térmico “con una sustancia cuya temperatura se desea conocer, la Energía térmica “fluirá” entre ambos hasta que sus temperaturas sean iguales, estableciéndose el “equilibrio térmico” y es en ese momento que la temperatura del termómetro es igual a la de la sustancia, por lo tanto se conocerá la temperatura de ésta última que era lo que deseábamos conocer. Las escalas de temperaturas más conocidas son: CELIUS, KELVIN Y FAHRENHEIT. Todas se calibraron tomando en cuenta el PUNTO DE CONGELACIÓN o fusión del hielo y el de EBULLICION del agua a nivel del mar y a la presión de 1 atmósfera. NOTA: No hay que confundir temperatura de “ebullición” con temperatura de “evaporación”. En la evaporación, algunas moléculas de la superficie del líquido y debido a la agitación térmica “escapan” en forma de vapor y esto se puede producir a cualquier temperatura sobre 0ºC, en cambio la “ebullicion” se produce cuando todas las moléculas tienen energía para “escapar” o “evaporarse” y esto se produce en el agua a los 100 ºC a nivel del mar. .

A cada temperatura de la escala Celsius le corresponde un valor de la escala Kelvin y de la de Fahrenheit, y la relación entre ellas esta dada por: TºK = tºC + 273

tºC = 5/9 ( tºF - 32)

El CERO KELVIN (0º K o -273ºC o -460°F) se le llama CERO ABSOLUTO por ser la temperatura donde los átomos de una sustancia ya no se mueven. Esta propiedad es utilizada hoy en día para congelar espermios, óvulos y otras células con el fin de ser utilizadas más adelante. (Averigua sobre la CRIOGËNESIS)

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NOTA:

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La temperatura en la superficie del Sol es e unos 6.000 ºK y en su núcleo de 15.000ºK. Un grado Farenheit es menor térmicamente que un grado Celsius La escala Kelvin también se le denomina escala “absoluta” o internacional. Esta escala no tiene temperaturas negativas. A la escal Celsius se le suele denominar como escala centígrada.

Es común considerar la “Energía térmica” como algo diferente al “calor”. Un cuerpo “contiene” energía térmica o energía del movimiento global de sus moléculas, por lo que comúnmente se dice que un cuerpo “contiene” calor. Pero en Física, se diferencia entre “Energía térmica “y “ calor” , diciendo que “CALOR” a la energía que se” TRANSFIERE” DE UN CUERPO A OTRO debido a una DIFERENCIA DE TEMPERATURA ENTRE ELLOS., es decir “EL CALOR FLUYE” , en cambio la “ ENERGÍA TÉRMICA” PUEDE O NO HACERLO. UNA VEZ QUE SE HA TRANSFERIDO CALOR DE UN CUERPO O SUSTANCIA DEJA DE SER CALOR Y SE CONVIERTE EN ENERGÍA TÉRMICA. O sea: CALOR: es la” ENERGIA en TRANSITO” o transferida de un cuerpo a otro que estan en

“contacto”, debido a una gradiente térmica ( diferencia de temperatura entre los cuerpos) .La transferencia de calor cesa o termina cuando ambos cuerpos alcanzan la misma energía cinética de promedio, es decir quedan en” equilibrio térmico.

CONTACTO TERMICO: dos objetos están en contacto térmico cuando pueden intercambiar energía entre sí. La energía traspasada o calor se hace desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el de menor temperatura.

EQUILIBRIO TERMICO: se logra cuando dos objetos al ponerse en contacto térmico NO FLUYE ENERGIA o calor de UNO al OTRO, o sea sus TEMPERATURAS son IGUALES. Se le conoce también como LEY CERO de la termodinámica. NOTA: -

La “TRANSPIRACIÓN” es un mecanismo de los seres vivos para mantener constante la temperatura, ya que la temperatura del organismo tiende a elevarse debido a la actividad interna de las células y al transpirar el cuerpo intercambia calor con el ambiente logrando nivelar la temperatura corporal. Los TERMOSTATOS o cintas bimétalicos permiten activar o desactivar mecanismos cuando se alcanza una temperatura deseada, como el sistema de refrigeración, el sistema de aire acondicionado y otros.

DILATACION: es el aumento o disminución del tamaño de un material debido al cambio de temperatura. En el caso de los fluidos ( líquidos y gases) este movimiento es trasnacional, y en los sólidos es rotacional y vibracional. Los átomos se mueven con una cierta frecuencia y amplitud y si aumenta o disminuye la temperatura entonces aumenta o disminuye la agitación de las moléculas, es decir el desplazamiento máximo de las oscilaciones de los átomos y por lo tanto hay un cambio en las dimensiones del material, es decir se produce una “dilatación” Depende de las dimensiones iniciales del cuerpo, de la sustancia que lo forma y el cambio de temperatura que experimenta .Ejemplos: rieles de ferrocarril, pavimento de una calle, golilla al calentarse se introduce mejor en el perno, tapa de un frasco con agua caliente se dilata y podemos sacarla mas fácilmente. a) Dilatación LINEAL: variación de la LONGITUD de un sólido en una sola dimensión. Al existir un tº, la longitud inicial (Lo) cambia a una longitud final (L) , por lo tanto:

Lf = Lo* (1 +  tº )

donde:  = coeficiente de dilatación lineal para el : aluminio = 24 x 10 -6°C-1; Acero = 12x 10 -6 plomo = 29 x 10-6 ; concreto 12 x 10-6 ; vidrio = 9 x 10-6; cobre 14 x 10-6 etc. b) Dilatación SUPERFICIAL: si el material tiene dos dimensiones (largo y ancho) , en cada dimensión sufrirá una dilatación lineal, por lo tanto : donde:  = 2 Af y Ao son las áreas de la lámina

L = Lotº

A= Ao*  tº

Af = Ao ( 1 + tº )

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c) Dilatación VOLUMETRICA: El cambio de volumen que experimenta un material (sólido, líquido y gas) será en tres dimensiones, y por lo tanto: :

V= *Vo *tº

Vf = Vo (1 + tº)

donde:  = 3 Vf y Vo son los volúmenes del material

COMPORTAMIENTO ANOMALO del AGUA: El agua es la única sustancia que se “dilata” al “reducir su temperatura” Con los AUMENTOS de TEMPERATURA la mayoría de los líquidos se DILATAN en forma uniforme, es decir aumentan su volumen y cuando DISMINUYE LA TEMPERATURA se CONTRAEN es decir disminuye su volumen. El AGUA experimenta un COMPORTAMIENTO CONTRARIO en el RANGO de TEMPERATURA de 0ºC a 4º C, ya que entre esos valores el agua se CONTRAE, es decir DISMINUYE su VOLUMEN y, por lo tanto su DENSIDAD aumenta y por sobre los 4ºC el agua nuevamente tiene un comportamiento normal. Lo explicado anteriormente permite que los lagos y lagunas NO SE CONGELEN por completo, lo cual permite la vida acuática. EL CONGELAMIENTO DE UN LAGO ES DESDE SU SUPERFICIE HACIA ABAJO hasta encontrar aguas que no influya la temperatura del aire y el agua se encuentre a más de 4ºC. NOTA:

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A los 4ºC, el agua alcanza su MENOR VOLÚMEN pero su MAYOR DENSIDAD, por lo tanto el agua en estado sólido (hielo) es MENOS DENSA que el agua en estado líquido a menos de 4ºC, por lo tanto el hielo “flota” y esto explica los iceberg, o que un cubito de hielo flote al interior de un vaso que contenga agua o bebidas líquidas. La superficie superior del hielo se mantiene a 0ºC y sirve de “abrigo” a los seres que viven debajo, aunque la temperatura ambiental sea extremadamente baja (-50ºC o menos) .El agua al interior de lagos y océanos permanece a 4º a 5ºC lo que permite la supervivencia de ciertas especies. Los esquimales construyen sus “iglú” para protegerse de las bajísimas temperaturas del medio ambiente. El congelamiento el agua puede romper las cañerías de agua de las casas, por lo que se recomienda dejar que las llaves “goteen” para que no se produzca hielo al interior debido a las bajas temperaturas ambientales en el invierno y en zonas sureñas.

EJERCICIOS RESUELTOS: 1.- Expresar 15 grados bajo cero de la escala Fahrenheit en grados Celsius. Respuesta: t°C = 5/9 ( t°F – 32) = 5/9 (-15 -32) = 5/9 * -47 = -26 ºC 2.- ¿A qué temperatura corresponde el cero absoluto en la escala Fahrenheit? Respuesta: tºC = 5/9 (tºf - 32) y tºC = Tºk – 273 Reemplazando, se obtiene: 5/9 ( tºF - 32) = 0ºK - 273 tºF - 32 = -273 * 9/5 tºF = -491 + 32 tºF = -459º 3.- Una tubería de hierro (  = 12 x 10-6 1/ºC ) tiene 3.000 metros de longitud a una temperatura ambiente de 20ºC. Si la tubería se utiliza para conducir vapor de agua, ¿cuánto se dilatará y que nueva longitud tendrá la tubería? Respuesta: Com: l =  Li tº = 12 * 10-6 1/ºC* 3.000 m * 80ºC = 2,88 m Y entonces: Lf = Li + L = 3.000 m * 2,88 m = 3.0003 m

4 II.- CAPITULO 2: MATERIALES y CALOR La Energía en general ,se manifiesta de muchas formas, pudiendo transformarse, conservarse y degradarse. Las fuentes de energía se clasifican en dos grupos: RENOVABLES (ilimitadas e inagotables como: energía geotérmica, energía solar, energía eólica y otras) y las NO RENOVABLES( poseen una duración limitada como: los combustibles fósiles tales como petróleo, carbón, gas etc)

LA ENERGÍA TÉRMICA o interna representa la Energía Interna total de la materia, o sea la suma de su energía moleculares cinética y potencial. Las moléculas al interior de una sustancia “vibran” en torno a un punto de equilibrio con una frecuencia (f) y una amplitud (A). Esta energía interna es “PROPORCIONAL a su TEMPERATURA y/o su MASA”., y por lo tanto sus energías potenciales son elásticas y las energías cinéticas son de rotación y de traslación..La energía interna se manifiesta a través de la temperatura. Es muy importante diferenciar TEMPERATURA de ENERGÏA INTERNA, pues puede que dos sustancias estén en EQUILIBRIO TËRMICO, o sea a IGUAL TEMPERATURA pero tener DIFERENTES ENERGIAS INTERNAS. Pero dos cuerpos EN EQUILIBRIO TERMICO solo tendrán ENERGIAS INTERNAS DIFERENTES si poseen MASAS DIFERENTES y dos cuerpos con la MISMA MASA tendrán la MISMA ENERGÏA si sus TEMPERATURAS son IGUALES.. Ej: un jarro con 1000 cc de H2O a 80ºC y una taza con 250 cc de H2O también a 80 º C , tendrá MAYOR ENERGÏA el que tiene MAYOR NUMERO de MOLËCULAS ( osea la del jarro) y al MEZCLARLOS NO HAY TRANSFERENCIA de ENERGÏA TËRMICA porque están a la MISMA TEMPERATURA. CALOR: Recordemos lo ya dicho CALOR (Q) es la TRANSFERENCIA de ENERGÏA TËRMICA desde un cuerpo de MAYOR temperatura a una de MENOR temperatura., cuando se ponen en contacto térmico. Se CEDE o se ABSORBE calor. Su unidad es el JOULE (J) pues corresponde a energía, además otras unidades son la CALORIA (cal): cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un GRAMO de agua en un grado Celsius. Y la Cal KILOCALORIA (kcal o Cal): cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un KILOGRAMO de agua en un grado Celsius. 1 kcal = 1000 cal = 4186 joule 1 cal = 4,186 joule NOTAS:  Es importante estipular que el “CALOR” SÓLO EXISTE CUANDO NO HAY EQUILIBRIO TÉRMICO, es decir cuando la temperatura de dos cuerpos son iguales se dice que alcanzaron su equilibrio térmico, por lo tanto ya NO HAY trasferencia de ENERGIA, o sea NO HAY CALOR.  . El CALOR No SE PUEDE GUARDAR, es decir UN TERMO, NO GUARDA CALOR si no que MANTIENE LA TEMPERATURA.  Cuando SELLAMOS LAS PUERTAS es para EVITAR que salga calor desde la casa al exterior, no para que no entre el frío.  Un cuerpo “ABSORVE” calor cuando AUMENTA su temperatura y “CEDE” calor cuando DISMINUYE su temperatura.

CALOR ESPECIFICO (c): Algunos alimentos se conservan caliente más tiempo que otros. Por Ej: 1) Las papas hecha puré se pueden comer más fácilmente que las cebollas hervidas en el mismo cocimiento que el puré. 2) La cubierta de aluminio o alusafoil se puede retirar del horno con los dedos sin quemarse, en cambio el alimento que está contenido en su interior casi no se puede tocar o comer por lo caliente que está. 3) Un trozo de pan tostado se enfría rápidamente al sacarlo del tostador, en cambio una sopa debemos esperar unos minutos antes de consumirla a pesar que está calentada en la cocina a una temperatura similar a la que tiene el tostador. Es decir, diferentes substancias tienen diferente capacidad para “almacenar” Energía interna. Si se calienta 1 cubo de agua se demora 15 minutos en “ebullir”, en cambio igual cantidad de Hierro sobre la misma flama “ebulle” en sólo 2 minutos y si fuera un cubo de plata tardaría menos de 1 minuto en “ebullir”. Se observa que materiales diferentes requieren cantidades diferentes de calor para elevar la temperatura de una masa del material a un número específico de grados. Los diferentes materiales absorben energía en diferente forma. La energía puede incrementar el movimiento de vibración oscilatoria, lo cual incrementa la temperatura, o puede convertir la energía potencial, lo cual incrementará los

5 estados de vibración interna de las moléculas sin que haya incremento de la temperatura, En general existe una combinación de ambos casos. Un gramo de agua requiere de 1 caloría de energía para elevar su temperatura en 1ºC. Pero se requiere sólo , aproximadamente 1/8 de esa energía para elevar la temperatura de 1 gramo de Hierro, en 1ºC. El agua “absorbe” más calor que el Hierro, es decir se dice que el Hierro tiene menor “calor específico” o capacidad calórica específica que el agua. “CALOR ESPECÍFICO de una sustancia se define como: “ la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de una unidad de masa de la sustancia en 1 grado” c = Q / m tº

Es una característica de cada material. Su unidad es J/kg ºC, pero es más común expresarla en cal /g ºC.

Ej: el calor específico del agua es 1 ( cal /g ºC) o 4,184 J /kgºC, y esto significa que es necesario proporcionar 1 caloría a un gramo de masa de agua para que esta eleve su temperatura en un grado Celsius El agua tiene mucha más capacidad para almacenar energía que todos los materiales. Una cantidad relativamente pequeña de agua absorbe una gran cantidad de calor para una elevación de temperatura muy pequeña. Por ésta razón, EL AGUA ES UN AGENTE ENFRIADOR MUY ÚTIL y se le emplea en los sistemas de enfriamiento o refrigeración de la mayoría de los autos y en general de aparatos de aire acondicionado. El agua también requiere mucho tiempo para enfriarse, muy útil en los “guateros” y en el clima pues el agua de los mares tardar en enfriarse y eso permite que por ejemplo el clima en Europa sea mas tibio que en Canadá (igual latitud geográfica) debido a que las corriente frías del Golfo de México tardan en llegar a aguas del atlántico norte y mar mediterráneo. Según la definición de calor específico podemos decir que: “La CANTIDAD de CALOR (Q) necesaria para cambiar la temperatura de un material es PROPORCIONAL a la MASA (m) del material y al CAMBIO de TEMPERATURA (tº )” . Por lo tanto: Cuando la TEMPERATURA AUMENTA, la t y Q son positivos, quiere decir que el CALOR FLUYE hacia el sistema o es ABSORBIDO por este y Q= m* c tº si la TEMPERATURA DISMINUYE, t y Q son negativos, el CALOR FLUYE hacia afuera o es CEDIDO por el sistema. El calor específico de una sustancia, nos indica la “facilidad” con que el cuerpo puede aumentar o disminuir de temperatura cuando absorbe o cede calor. . Mientras MAYOR es el CALOR ESPECÍFICO es más DIFICIL VARIAR LA TEMPERATURA, por lo tanto se require de MAYOR CALOR para AUMENTAR LA TEMPERATURA y liberará más calor al enfriarse. . NOTA: La calefacción por radiadores a gas, petróleo o carbón o electricidad calientan grandes volúmenes de agua a altas temperaturas, el agua circula por las cañerías a los radiadores que están en contacto con el aire que esta más frío, por lo tanto el agua busca el “equilibrio térmico” cediendo calor al medio ambiente frío calefaccionado la habitación.

CAPACIDAD CALORICA (C): es la relación entre el CALOR (Q) ABSORBODO o CEDIDO por un cuerpo con respecto a la VARIACION de TEMPERATURA (tº) que experimenta . C= Q / tº

Su unidad es el Joule/ºK, pero como 1ºK es equivalente a 1ºC, podemos decir que también es válido joule/ºC o cal/ºC. La capacidad calórica es una PROPIEDAD que tienen los cuerpos y NO considera SU MASA , es decir DOS OBJETOS del MISMO MATERIAL pero de DISTINTA MASA tienen DISTINTA CAPACIDAD CALÖRICA.. Si CONSIDERAMOS la MASA del objeto, sería una PROPIEDAD del MATERIAL y en este caso hablamos de CALOR ESPECIFICO.

6 TEMPERATURA de EQUILIBRIO o PRINCIPIO de las MEZCLAS: Si dos cuerpos están a distinta temperatura y se ponen en contacto térmico en un sistema aislado ( no se transfiere energía a través de las paredes del sistema) el CALOR FLUIRÄ del objeto de MAYOR TEMPERATURA hacia el de MENOR TEMPERATURA, hasta alcanzar una TEMPERATURA de EQUILIBRIO. La ENERGIA se CONSERVA( sistema aislado) y por lo tanto el CALOR CEDIDO por el de MAYOR temperatura es IGUAL al CALOR ABSORBIDO por el de MENOR temperatura. /Q cedido/ = / Q absorbido/

Esto se conoce como PRINCIPIO de las MEZCLAS. El calor total transferido hacia o desde el SISTEMA es cero. Q cedido + Q absorbido = 0

m1 c1 ( T - T1 )= - m2 c2 (T - T2 )

donde: T = Temperatura de equilibrio , c 1 y c2 calores específicos de las sustancias.1 y 2 ; m1 y m2 son las masa de ambos cuerpos o sustancias, y T 1 y T2 son las temperaturas iniciales de las dos substancias. EJERCICIOS RESUELTOS: 1.- El sistema de enfriamiento de una máquina hidráulica contiene 12 litros de agua. ¿Cuánto calor absorbe si su temperatura se eleva de 20º a 150ºC? La masa será: m=*V el volumen en litros se debe transformar a cm3 : 1L/12L = 1000cm3/x, entonces x = 12.000 cm3 Luego: m= 1 g/cm3 * 12000 cm3 = 12.000 g De la ecuación de cantidad de calor : Q = mctº = (12000g)(1cal/gºC)(150 - 20)ºC = 1560000cal Es decir, la cantidad de calor que absorbe la máquina térmica es de 1.560 Kcal.

2.- Ochenta perdigones de cobre se calientan a 90ºC y luego se introducen en 80 g de agua que se encuentra a 10ºC contenida en un calorímetro ideal. La temperatura final de la mezcla es de 18ºC. ¿Cuál es la masa de cada perdigón de cobre? ( c cu = 0,093 cal/gºC; CH2O = 1 cal/gºC ) Como: Q cedido + Q absorbido = 0 m cu c cu t cu + m H2O c H2O t H2O = 0 m Cu * 0,093 * (18º - 90º) + 80 * 1 *( 18º - 10º) = 0 -6,7 cal/g * mCu + 640 cal = 0 mCu = -64 cal / -6,7 cal/g donde: mCu = 95,5 g por lo tanto la masa de cada perdigón : m = 95,5 g /80 m = 1,2 g 3.- ¿Qué cantidad de calor se transfiere por segundo, mediante la conducción, a través de un muro de concreto de 2 mt e altura, 4 mt de longitud y 0,5 mt de espesor, si un lado del muro se mantiene a 25ºC y el otro a 5ºC? ( k concreto = 1,30 J/smºC ) Q/t = k A ( T2 - T1 / L ) = ( 1,30 * 2 * 4 ) * ( 25 - 5 / 0,5 ) = 416 J/s

7 CAMBIOS de ESTADO o fase: el estado o fase de la materia pueden ser: SÓLIDO, LIQUIDO y GAS , pudiendo pasar de un estado a otro según una alteración física que puede llamarse FUSION, SOLIDIFICACION, VAPORIZACION y CONDENSACION. Cuando la sustancia absorbe o cede calor experimenta un cambio de temperatura , excepto durante un cambio de fase, donde permanece constante. Durante el “ cambio de fase” la ENERGÏA suministrada no aumenta la Energía cinética de traslación sino que se rompen los enlaces intermoleculares. A) La FUSION es el cambio de fase de un SÓLIDO a un LIQUIDO. y la TEMPERATURA a la cual se produce se le llama “ Punto de fusión”. El CALOR LATENTE de FUSION (Lf ) es el calor Q necesario por unidad de masa m para cambiar una sustancia de la fase sólida a la líquida en su punto de fusión. También se puede decir que la CANTIDAD de CALOR (Q) necesaria para cambiar de fase sólida a líquida, una masa m de sustancia pura será: donde : Lf es el calor latente de fusión de cada sustancia , medido en cal/gr. Algunos Q = Lf * m valores: Helio=1,25 ; nitrógeno= 6,09 ; oxígeno= 3,30 : alcohol= 24,9 ; agua= 79,7 ; azufre= 9,10 ; polmo= 5,85 ; aluminio= 94,8 ; plata= 21,1 ; oro= 15,4 ; cobre= 32,0 B) La SOLIDIFICACION cambia de líquido a sólido y ocurre a la misma temperatura que la fusión, pero es el proceso inverso.. En este caso se “extrae” la misma cantidad de calor, por unidad de masa, que se proporcionó para la fusión. Por lo tanto el calor latente de solidificación es igual al calor latente de fusión, pero con sentido negativo que indica que se esta liberando calor. C) La VAPORIZACION de un LIQUIDO a GAS puede ocurrir de dos formas: 1.- por “ evaporación” :que es gradual y afecta a la superficie libre del líquido y para un rango amplio de temperatura . Rapidez de evaporación: depende de diversos factores: A) de la temperatura del líquido: a > tº > rapidez de evaporación y mayor es la Energía cinética de las moléculas las que se pueden escapar a través de la superficie libre del liquido. B) de la superficie libre del líquido: a > área de superficie libre del líquido > es la rapidez con que se evapora, es decir las moléculas llegan a la superficie del líquido y se evaporan. C) el número de moléculas: a < nº de moléculas cercanas a la superficie libre del líquido cuando se esta cambiando de fase, > es la rapidez de evaporación. Las moléculas cercanas a la superficie libre pueden volver al líquido y retardar la evaporación. Ej: en un día húmedo la ropa mojada tarda más en secarse. 2.- la “ ebullición” : que es violenta y afecta a todo el líquido para una temperatura determinada y específica para cada líquido. Por Ej: para el agua es a los 100°C. La temperatura a la cual se produce el cambio se le llama “ PUNTO DE EBULLICIÓN” . El CALOR LATENTE de VAPORIZACION (Lv) es el calor Q necesario por unidad de masa m para transformar una sustancia desde la fase líquida a la gaseosa. Algunos valores: helio= 4,99; nitrógeno= 48; oxígeno= 50,9; alcohol=204; agua= Lv = Q /m 540; azufre= 77,9; plomo= 208; aluminio= 2720; plata= 558; oro= 377; cobre= 121o D) La CONDENSACIÖN es el cambio de gas a líquido y ocurre a la misma temperatura que la vaporización pero en sentido inverso. Los calores latentes de condensación y vaporización son iguales pero de signos diferentes, lo que indica que se está liberando calor. Una SUSTANCIA PUEDE EXPERIMENTAR VARIOS CAMBIOS de FASE, por ejemplo:  El hielo cambia de -20ºC a 0ºC al absorber una cantidad de calor: Q = mh ch Th = 1*0,5*20º = 10 cal  Cuando el hielo alcanza 0ºC se transforma en agua y absorbe una cantidad de calor: Q = Lfa ma = 80 cal/g * 1 g = 80 cal  El agua cambia de 0ºC a 100ºC absorbiendo calor Q = macata = 1 g *1cal/g * 100º = 100 cal  Cuando el agua alcanza 100ºC se transforma en vapor al absorber un calor Q = Lvama= 540cal/g* 1g = 540 cal

8 Por lo tanto la cantidad total de calor suministrado a la sustancia como hielo a -20ºC hasta vapor de agua a 100ºC es de 730 cal. T ºC sólo vapor

Agua y vapor

Hielo y agua Q (cal/g ) -20ºC

10

80

100

540

NOTA: Durante el cambio de fase la temperatura permanece constante. A un gas a alta temperatura en que sus átomos pierden sus electrones se le llama “plasma” o cuarto estado de la materia. El calor liberado al frotar bruscamente la cabeza de un fósforo contra el costado de la caja hace que la pólvora se encienda. El refrigerador es un artefacto tecnológico típico donde se producen distintos tipos de cambio de fase, permitiendo conservar los alimentos manteniéndolos a bajas temperaturas a pesar de que el medio ambiente sea caluroso. Para que el agua líquida en las calles en climas muy helados no se solidifique provocando accidentes al resbalarse las personas u autos, en las calles se hecha sal para que el punto de fusión baja hasta los -12ºCy así se consigue que el agua en las calles siga siendo líquida .

PROPAGACION o transferencia de CALOR:

El calor se puede PROPAGAR o

TRANSFERIR por: A) CONDUCCIÓN: proceso donde se transfiere calor o energía térmica mediante el “choque de moléculas” adyacentes a través de un medio material, sin desplazamiento del medio. Ej: varilla de metal y en un extremo se coloca “hielo”. Al calentar el extremo opuesto se transfiere calor por conducción y el hielo se derrite porque hay un aumento de la actividad molecular al interior de la varilla desde el extremo calentado, que va traspasándose hasta llegar al hielo. Además de un choque atómico de las moléculas también hay un movimiento de los electrones libres de los átomos. La mayoría de los METALES son BUENOS CONDUCTORES de calor. Además son buenos conductores de electricidad.. Cuando en una habitación se “siente” más fría la baranda de fierro de una escala que la madera de la pared o de sus escalones aunque ambas estén en contacto con el aire y por lo tanto están en equilibrio térmico es porque cada material tiene la propiedad física de tener un distinto COEFICIENTE de CONDUCTIVIDAD TËRMICA. Por ej: para el Aluminio es de 0,5 cal/cmºCs, para el hierro de 0,163, para el Cobre es de 0,9, para el vidrio de 0,002, la madera tiene 0,0003 cal/cmºCs de coeficiente de conductividad térmica. Con estos valores podemos inferir que el Hierro es mucho más conductor del calor que la madera. NOTA:

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Los cuerpos con mayor conductividad térmica transfieren más rápidamente el calor, mientras que aquellos aislantes térmicos o de baja conductividad retardan la transferencia de calor. Esto es usado para conservar el calor del cuerpo humano al usar ropa térmica. También los sacos de dormir emplean esta característica. Los termo paneles ( dos vidrios con espacio al vacío entre ellos) emplean esta conductividad para impedir el traspaso de las temperaturas bajas al interior e las casas. El aire es uno de los peores conductores térmicos y es empleado para aislar los cuerpos, es así que el aire encerrado entre las fibras de nuestra ropa nos permite no sentir mucho el frío. (Parkas de plumas) El agua también es un mal conductor térmico.10

9 B) CONVECCIÓN: es el procedimiento de transferencia de calor por el medio “del movimiento real de la masa de un fluido” Ej: Si colocamos un papel en forma de espiral por encima de la llama de una vela, se observa transferencia de energía térmica al moverse el papel cuando se eleva el aire caliente calentado debido a la flama de la vela. En este caso es calor se transfiere mediante el “movimiento de masas” en vez de ir pasando a través de las moléculas vecinas como en el caso de la conducción . El medio material “se mueve”. La “corriente de convección” es la base de los sistemas para calentar el agua en una tetera o para calentar o enfriar las casas. En estos casos, una corriente de un líquido o de gas que absorbe energía de un lugar, lo lleva a otro lugar, donde lo libera a una porción más fría del fluido. Ej. Brisa del mar desde mar a tierra en días (durante el día ) calurosos se debe al menor calor específico que tiene la Tierra respecto al mar. Al tener la Tierra un menor calor específico que el agua, se calienta y emite rápidamente el calor, así la Tierra es capaz de calentar la capa de aire que se encuentra sobre ella, el cual asciende, entonces es espacio que deja es llenado por aire frío que proviene del mar produciéndose la “ brisa marina”. En las noches el sentido de la corriente convectiva se invierte debido a que el agua de mar se enfría más lentamente que la superficie terrestre y por ende el aire más cálido sobre el mar asciende y el aire más frío proveniente de la Tierra ocupa su lugar produciéndose una corriente de aire de Tierra hacia el mar. NOTA: Las corrientes marinas son corrientes de convección producto de la absorción de calor del sol, como la corriente fría de umbolt (próxima a las costas de Chile) y las corrientes cálida del Niño que provova lluvias abundantes.  Durante los días calurosos se produce una brisa suave desde el mar hacia la tierra (playas) .Durante la noche el sentido de esa brisa es de las playas hacia el mar. Esto es causado po la diferencia de los calores específicos del agua salada y de la arena.

C) RADIACIÓN: proceso donde la energía térmica se transmite a través de “Ondas electromagnéticas” Ej: una fogata, estufa o salamandra al tener la mano cerca del fuego , la transferencia de calor es la “radiación térmica” lo que implica una EMISIÓN O ABSORCIÓN DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS que se originan a nivel atómico. Estas ondas viajan a una velocidad de la luz ( 3 x 10 8 m/s y no requieren de presencia de un medio material para propagarse.. El SOL es la fuente más evidente de este tipo de transmisión de calor y así la Tierra puede recibir una enorme cantidad de calor , la que es aprovechada por el hombre en los paneles solares. ( en las casas se aprovecha para calentar agua y para transformar esta energía térmica en energía eléctrica para los usos domésticos al interior de la casa). Existen por ej., la radiación infrarroja ( que se utiliza para abrir las puertas de un edificio al detectar mediante el calor que emiten las personas, la presencia de ellas y así las puertas a través de un mecanismo eléctrico se abren). Una persona que se encuentra a la misma temperatura que sus alrededores “irradia” y “absorbe” calor con la misma rapidez. NOTA:  Gracias a la radiación electromagnética que emiten los cuerpos en el universo se pueden estudiar astronómicamente las características de esos cuerpos ( planetas, estrellas, asteroides, etc) .  Los objetos oscuros elevan su temperatura debido a la absorción de energía electromagnética del Sol, en cambio los objetos blancos y brillantes absorben muy poca energía térmica del Sol. Por esta razón se recomienda usar ropa blanca en los días calurosos y negra en días fríos.  Los termómetros infrarrojos actuales usan este tipo de transferencia de calor para medir la temperatura corporal e los niño a través del oído.

10 LEYES de la TERMODINAMICA: la termodinámica describe el estado de un sistema mediante el uso de presión (P), volumen (V), temperatura (ºT) y la energía interna (U), la masa (m) y el número de moles (n) que se conocen con el nombre de “variables de estado”. El estado de un sistema aislado solo se puede especificar si existe un equilibrio térmico interno y para que un gas encerrado en un recipiente este en equilibrio térmico es necesario que todo el recipiente se encuentre a la misma temperatura. Si el gas se expande, el trabajo será positivo y se comprime el trabajo será negativo y cuando el volumen permanece constante el trabajo realizado por el sistema será cero. PRIMERA LEY:como la energía es constante , entonces donde: U Energía interna Q calor neto agregado al sistema Q = U + W W trabajo neto efectuado por el sistema sobre los alrededores Debido a esta Ley existen PROCESOS TERMODINAMICOS llamados: a) Proceso ISOTERMICO: la temperatura es constante, b) Proceso ADIABATICO: en este caso no hay flujo de calor Q c) Proceso ISOBARICO: la presión es constante, por lo que el trabajo realizado por el gas cuando este se “comprime” será negativo. d) Proceso ISOVOLUMETRICO: o ISOCORICO es cuando el volumen es constante y no hay trabajo. SEGUNDA LEY: “el calor jamás fluye espontáneamente de un objeto frío a uno caliente” , es decir si por ejemplo tenemos dos objetos a diferente temperatura y se ponen en contacto entre sí, el calor fluirá en forma natural del objeto más caliente al más frío, pero nunca al revés. Es decir son irreversibles, o sea ocurren naturalmente en una sola dirección. Por lo que en toda transformación de energía una parte de ella se “degrada” convirtiéndose en energía de desecho, es decir no se convierte en trabajo Por ej: la bencina de un auto logra realizar trabajo mecánico para que el auto se mueva pero si sólo sirve para calentar el motor sin moverse no está produciendo trabajo mecánico y movimiento, que es el propósito básico de un medio de transporte como es el automóvil-. Esto no quiere decir que la energía se pierda si no que se transforma en diferentes tipos que sirven para distintos propósitos en que algunos de ello no producirán un trabajo mecánico para producir un movimiento. NOTA:- En una ampolleta gran parte e la energía eléctrica se “degrada” como calor y no como luz, que es el propósito de la ampolleta, y es por esto que hoy en día existen las ampolletas ahorro de energía.

MAQUINAS TERMICAS: Es una máquina que convierte la energía térmica en otras formas útiles de energía, como por ejemplo una máquina de vapor en donde éste se puede transformar en energía cinética y hacer que un auto se mueva. La máquina térmica hace que una sustancia de trabajo recorra un proceso cíclico durante el cual:  Se “Absorbe calor” de una fuente a alta temperatura  La máquina realiza un “Trabajo”, luego  “Libera calor” a una fuente a temperatura más baja. En una máquina se cumple: Q caliente = W + Q frío y el trabajo neto es: W = Qc - Qf La EFICIENCIA de una máquina térmica se define como la razón entre el trabajo realizado y el calor absorbido durante el ciclo. NOTA:  Nuestro cuerpo realiza trabajo y requiere energía que proviene en forma de “calorías” en nuestros alimentos, por esto es importante consumir las calorías que nos permitirán efectuar nuestra vida sin que sobre ni falte energía conservando nuestro peso. Hay que consumir aproximadamente entre 1.800 y 2.500 calorías diarias según las actividades que realicemos. La nformación nutricional rotulada en los envases se expresa en kilocalorías (kcal)  Los atletas y/o personas que practican deporte e manera sistemática deben tener una dieta balanceada compatible con su actividad física y su metabolismo.  Se puede captar la presencia de objetos con diferentes temperaturas y obtener imágenes infrarrojas obtenidas mediante radiación térmica en lugar de luz visible lo que se denomina “TERMOGRAFÏA” muy usada en medicinay en cartas sinópticas y pronóstico del tiempo.

11 GUIA EJERCICIOS TEMPERATURA y CALOR 1.- Expresar: a. en Kelvin una temperatura de - 243 ºC b. en Celsius una temperatura de 79 ºF 2. Calcular el calor necesario para elevar la temperatura de 2000 gramos de mercurio de 20 a 100ºC ( c hg = 140 J/kgºK ) 3.- Si 200 gr de cobre a 300ºC se colocan en un calorímetro de 310 g, también de cobre, lleno de agua a 15ºC, siendo la temperatura de equilibrio de 30,3 ºC, ¿qué masa de agua debe haber en el calorímetro? ( c cu = 0,093 cal/gºC ) 4. ¿En base a qué procesos físicos funciona un termómetro? 5. ¿Cuándo una persona siente frío? 6. ¿Qué estado de la materia se presenta a temperatura extremadamente altas como la del Sol? 7. ¿Qué cantidad de calor se debe entregar como mínimo a un bloque sólido de plomo de 100 gr de masa, que tiene un calos latente de fusión de 5,8 cal/g y que se encuentra a su temperatura de fusión de 327 ºC, para fundirlo completamente? 8. En condiciones de presión constante, una muestra de gas hidrógeno con un volumen inicial de 10 Lt a 88 ºC se enfría hasta que su volumen llega a 3,50 Lt. ¿Cuál es su temperatura final? 9. Una cierta cantidad de gas está contenida en un recipiente de vidrio a 30º C y 0,8 atm. Si el recipiente puede soportar una presión de hasta 2 atm. ¿Cuánto se puede elevar la temperatura sin que se rompa el recipiente? 10. Una muestra de gas ocupa un volumen de 0,452 Lt medido a 87ºC y 0,62 atm.¿Cuánto es su volumen a 1 atm y 10ºC? 11. Un riel de acero de 6 mt forma parte de la vía e un tren. En esa región la variación térmica es de 15ºC. Sabiendo que el coeficiente de dilatación del acero es de 11 x 10 -6 1/ºC, ¿de cuánto debe ser la separación que debe existir entre dos rieles? 12. ¿A qué temperatura en Celsius un termómetro Fahrenheit y otro Kelvin registrarán aproximadamente la misma lectura? 13. Un calentador de potencia 2 cal/s es sumergido durante 10 min en un vaso de 1lt lleno de agua. Sabiendo que la densidad del agua es de 1 g/cm3, ¿cuál es el aumento de temperatura del agua si todo el calor se emplea en elevar su temperatura? ( c agua = 1 cal/gºC ) 14. Calcular la variación de energía interna de un sistema, si realiza un trabajo de 140 J sobre el entorno y absorbe 80 J de calor. 15. El motor de un auto tiene una eficiencia de 25% y produce un promedio de 2500 J de trabajo mecánico por segundo cuando está funcionando. ¿Cuál es la producción de calor por segundo de este motor? 16. Un tanque con un volumen de 0,1 m3 contiene gas helio a una presión de 150 atm ¿Cuántos globos se pueden inflar si cada globo lleno es una esfera de 30 cm de diámetro a una presión absoluta de 1,2 atm? 17 Un calorímetro de aluminio con una masa de 100g contiene 250 g de agua. Este se encuentra en equilibrio térmico a 10ºC, Si se colocan dos bloques de metal en el agua, uno de 50 g de cobre a 80ºC y el otro con una masa de 70 g a una temperatura de 100ºC, todo el sistema se estabiliza a una temperatura final de 20ºC. Determinar el calor específico del bloque desconocido. SOLUCIONARIO (en desorden) 0,220 lt ; 30 ºK y 26,1ºC ; 7500 J/s ; transferencia de energía ,equilibrio térmico, dilatación lineal ; 1mm 0.435 cal/gºC ; 2240 J ; 302ºC ; plasma ; 758 ºK ; 884 globos ; 299 gr ; cuando el cuerpo está a < tº que el medio ambiente 126 ºK ; 580 cal ; 1,2ºC ; -60 J .