- Reconocer los conceptos de energía térmica, calor y temperatura como conceptos totalmente diferentes, aunque relacionados entre sí.
- Conocer las distintas escalas termométricas.
- Insistir en los procedimientos de resolución de problemas y de ecuaciones de primer grado, a partir del cálculo del calor absorbido o cedido por un cuerpo y su relación con el cambio de temperatura que experimenta.
Antes de empezar tenemos que tener claro lo siguiente:
En nuestra vida cotidiana empleamos con frecuencia términos como calor o temperatura. En este apartado vamos a aprender que en la Ciencia, a diferencia de lo que ocurre en el lenguaje cotidiano, ambos conceptos no significan lo mismo.
Energía térmica y temperatura
La energía térmica (o energía calorífica) es la que poseen los cuerpos debido al movimiento de las partículas que los forman. Este movimiento se llama agitación térmica, es decir, el movimiento de las partículas fundamentales que forman un cuerpo (átomos y/o moléculas).
La energía térmica que posee un cuerpo no se puede medir y tampoco calcular, puesto que es imposible conocer los detalles del movimiento de cada una de la inmensa cantidad de partículas que forman un cuerpo (por pequeño que éste sea).
Sin embargo, la agitación térmica de las partículas que forman un cuerpo está relacionada con su temperatura:
Cuanta mayor sea la temperatura de un cuerpo, mayor es la agitación térmica y la cantidad de energía térmica que posee.
Calor y temperatura
Al poner en contacto dos cuerpos con diferente temperatura, podremos comprobar cómo, al cabo de cierto tiempo (más o menos largo, según el caso) ambos cuerpos terminan por tener la misma temperatura.
En ese momento, los físicos dicen que los cuerpos han alcanzado el equilibrio térmico. Para llegar al equilibrio térmico el cuerpo caliente transfiere calor al más frío.
- El calor no es algo que posean los cuerpos.
- El calor se transfiere de los cuerpos calientes a los fríos.
- El calor y la temperatura no son lo mismo.
Unidades de Medida
Como todas las energías, se mide en julios, aunque es frecuente también usar la caloría.
La temperatura es una manifestación externa de la agitación térmica.
Se mide con instrumentos llamados termómetros.
La temperatura es sólo la magnitud que miden los termómetros. Se mide en grados.
- En nuestra vida cotidiana, usamos el grado centígrado o Celsius (ºC).
- En los países anglosajones emplean el grado Farenheit (ºF).
- En el Sistema Internacional se emplea el kelvin (K).
Calor intercambiado y variación de temperatura
Cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto, el más caliente cede energía al más frío hasta que ambos igualan sus temperaturas. Entonces se dice que están en equilibrio térmico.Esa energía que los cuerpos calientes ceden a los fríos es el calor.
El calor es una energía, pero que no está en los cuerpos, sino "pasando de los calientes a los fríos".
La variación de temperatura que sufre un cuerpo cuando gana o pierde energía en forma de calor depende de varios factores:
- La diferencia entre las temperaturas inicial y final.
- La masa del cuerpo.
- El calor específico del cuerpo, que es característico de cada sustancia.
Cuanto mayor sea el calor específico de un cuerpo, menos cambia su temperatura al absorber o ceder calor.
La fórmula que relaciona las magnitudes anteriores es:
Pero no te asustes que no es tan complicado como parece:
- Q es la energía, en forma de calor, que el cuerpo ha ganado (si es +) o perdido (si es -)
- m es la masa del cuerpo.
- ce es el calor específico del cuerpo (depende de la sustancia de la que esté hecho)
- Tf y Ti son, respectivamente, las temperaturas final e inicial del cuerpo.
La relación entre la temperatura final que alcanza un cuerpo que absorbe o cede calor y el calor absorbido o cedido es una relación afín.
Su representación gráfica es una recta que no pasa por el origen de coordenadas.
Ejemplo 1
Un trozo de hierro de 200 gramos de masa que se encuentra a 30 ºC, se calienta hasta alcanzar 80 ºC ¿Qué cantidad de calor ha absorbido o desprendido?
Lo primero que tenemos que hacer es convertir todos los datos a las unidades al S.I. En este caso convertiremos los gramos en kg, y los ºC en K:
200 g = 0,2 kg
30 ºC = 303 K
80 ºC = 353 K
Tenemos que buscar en la tabla de calores específicos el que corresponda al hierro, material con el que estamos trabajando en el problema: ce = 450 J/kg∙K
A continuación sustituimos en la fórmula los valores de las magnitudes conocidas; todas en este caso, excepto el calor, que es precisamente lo que queremos calcular:
Q = 0,2 kg ∙ 450 J/kg∙K ∙ (353 K - 303 K)
Ahora hacemos los cálculos, empezando por el paréntesis:
Q = 0,2 kg ∙ 450 J/kg∙K ∙ 50 K
Q = 4500 J
Observa que era indiferente el cambio de unidad de ºC a K ya que la diferencia de grados es la misma: 50
Solución: El trozo de hierro ha absorbido 4500 J.
El valor obtenido es positivo, lo que significa que el hierro no ha cedido calor, sino que lo ha ganado.
Actividades de Clase:
PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN:
1. ¿Cómo se llama el movimiento incesante de las partículas que forman un cuerpo?
Temperatura.
Agitación térmica.
Calor.
2. ¿Cuándo se dice que dos cuerpos están en equilibrio térmico?
Cuando están a la misma temperatura.
Si contienen la misma cantidad de calor.
Si contienen la misma cantidad de partículas.
3. El calor, como energía que es, se mide en
Kelvin.
Vatios.
Julios.
4. ¿Qué magnitud física es la que miden los termómetros?
El calor.
La energía térmica.
La temperatura.
5. Calentamos un balín de plomo de masa 400 g desde 10 ºC hasta 90 ºC ¿Qué cantidad de calor absorberá el balín de plomo al calentarse?
4128 J
4128000 J
14400 J
6. ¿Qué cantidad de calor desprenderán 500 gramos de agua al enfriarse desde 100 ºC hasta 0 ºC?
209000 J
- 209000 J
- 209 MJ
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