Calor y Temperatura: Conceptos Fundamentales

Un cuerpo es una porción limitada de materia, y la materia está formada por moléculas que poseen movimiento que varía según el estado de agregación de la materia.

Estados de Agregación y Movimiento Molecular

• Sólidos: Las moléculas se mueven vibrando alrededor de un punto fijo.
• Líquidos: Las moléculas se desplazan libremente.
• Gaseosos: Las moléculas se mueven al azar y adquieren mucha velocidad.

La teoría cinético-molecular explica el movimiento de las moléculas y nos dice que cuando las moléculas se mueven, generan energía cinética. A mayor velocidad, las moléculas poseen mayor energía cinética y, por lo tanto, aumenta la temperatura.

La energía cinética de las moléculas de un cuerpo se denomina energía interna. La temperatura es la magnitud que indica la energía interna de un cuerpo.

Calor: Transferencia de Energía

El calor es un tipo de energía, es energía en transición que se mueve desde un cuerpo que está a mayor temperatura hacia otro que está a menor temperatura.

La energía es la capacidad de realizar trabajo. No es algo concreto, sino una capacidad que se presenta de distintas formas: energía solar, energía eléctrica, energía química, etc.

Principios de la Termodinámica

Primer Principio de la Termodinámica

La energía no se pierde ni se crea, se transforma.

Segundo Principio de la Termodinámica

El calor se transfiere de un cuerpo que está a mayor temperatura hacia un cuerpo que está a menor temperatura.

Equilibrio Térmico

El proceso de transferencia de calor culmina cuando ambas temperaturas se igualan, cesa la transferencia de calor.

(Kelvin = 273 + la escala Celsius)

El Termómetro: Midiendo la Temperatura

El termómetro está constituido por un tubo de vidrio fino, en su interior mercurio y un bulbo. Al calentarse el termómetro, se calienta el líquido que se encuentra en su interior, dilatándose según la temperatura del objeto con el que está en contacto. Al enfriarse, también se enfría el líquido, contrayéndose según la temperatura.

Escalas de Temperatura

• Celsius: Escala relativa.
• Fahrenheit: Escala relativa.
• Kelvin: Escala absoluta.

El Cero Absoluto

El cero absoluto es la temperatura más baja que se puede alcanzar. Se refiere a los objetos que no tienen más energía interna y cuyas moléculas no se mueven.

Se llama escala absoluta porque se define a partir del cero absoluto, no a partir de otro dato como las escalas relativas (Celsius y Fahrenheit).

Formas de Transmisión del Calor

Conducción

En los sólidos, el calor se propaga a través de la conducción. Al calentar un sólido, por ejemplo, una barra de hierro, sus moléculas se agitan rápidamente y chocan con las moléculas vecinas. Por medio de estos choques, las moléculas más agitadas transfieren su energía a las que se mueven más lentamente.

Este proceso no ocurre de igual manera en todos los cuerpos. Existen sustancias sólidas que son muy buenas conductoras de calor, por ejemplo, los metales, y otras sustancias que no conducen bien el calor y se denominan aislantes, por ejemplo, las maderas y los plásticos.

Convección

En los líquidos y en los gases, el calor se transmite por convección. Cuando se calienta un recipiente con agua, el agua que está más próxima al fuego se calienta primero. Las moléculas se expanden, se vuelven más livianas y, por lo tanto, suben. El movimiento del agua genera corrientes circulares en donde la energía se desplaza gracias al desplazamiento de materia.

Radiación

Entre el sol y la tierra no existe un fluido que sirva para transmitir el calor por convección ni un sólido que sirva para transmitir el calor por conducción. El sol irradia calor en forma de ondas electromagnéticas que tienen la propiedad de propagarse incluso en el vacío.

Dilatación: El Efecto del Calor sobre el Volumen

Al calentarse un cuerpo, se observa un aumento de temperatura y simultáneamente un aumento de su volumen, es decir, una dilatación. Al aumentar la temperatura, un cuerpo se expande, por eso se dilata.

La dilatación depende de los estados de agregación y del material con el que está formado un cuerpo, de la medida en que se dilata un cuerpo.

Dilatación Lineal

Al exponer un cuerpo sólido al calor en el cual la longitud predomina sobre las otras dos dimensiones, la dilatación es lineal y depende de la naturaleza de la sustancia.

Dilatación Superficial

En los cuerpos de forma laminar, aplanada, en los cuales el largo y el ancho predominan sobre el espesor, interesa el aumento de la superficie por el incremento de la temperatura. Varía según la sustancia.

Dilatación Cúbica

En los sólidos donde no hay predominio de ninguna de las tres dimensiones, al ser calentados adquiere importancia el aumento de volumen. Depende de la naturaleza de la sustancia.

Dilatación en Líquidos

El líquido se derrama porque aumenta el volumen.

Dilatación en Gases

Dilatación cúbica. Si se calienta un gas que puede expandirse libremente, su volumen se incrementa en forma proporcional al aumento de temperatura. Si se encuentra en un recipiente cerrado, no puede aumentar el volumen, se produce un incremento de su presión.

Aplicaciones de la Dilatación

La formación de grietas en techos es causada por el movimiento de los materiales que lo forman, los cuales se contraen y se dilatan como consecuencia de los cambios de temperatura. Las chapas de hierro se tuercen.

Termostatos: Controlando la Temperatura

Los termostatos son dispositivos que mantienen la temperatura constante de un medio y constituyen una aplicación muy útil de la dilatación. Está formado por dos láminas metálicas de diferente naturaleza. Al calentarse, los dos metales se dilatan en forma desigual, por tener diferente coeficiente de dilatación, lo que interrumpe el circuito eléctrico. Al enfriarse, el bimetal recupera su forma recta y vuelve a cerrar el circuito.