Temperatura y Calor

1. Temperatura de un Cuerpo

Para definir la temperatura desde un punto de vista físico, hay que definir el concepto de equilibrio térmico y movimiento térmico:

Equilibrio Térmico

Cuando dos sustancias a diferentes temperaturas se encuentran próximas, se produce entre ellas un intercambio de energía que tiende a crear el equilibrio térmico, que se produce cuando ambas temperaturas se igualan.

Movimiento Térmico

Esta teoría explica los fenómenos que acontecen en los cuerpos a partir de que:

• La materia está formada por partículas pequeñas que ejercen fuerzas entre ellas.
• Estas partículas tienen un movimiento continuo y desordenado llamado movimiento térmico.

La temperatura de un cuerpo es proporcional a la energía cinética media de sus partículas.

2. El Calor como Forma de Transferencia de Energía

Al poner en contacto dos cuerpos con temperaturas distintas se produce una transferencia energética hasta alcanzar el equilibrio térmico. Esto se caracteriza por:

• La energía se transfiere desde el cuerpo con mayor temperatura al de menor temperatura.
• La energía interna del cuerpo frío aumenta y la del caliente disminuye.
• En equilibrio térmico los dos cuerpos tienen la misma temperatura.

Hay tres procedimientos de transferencia de energía por calor:

• Conducción: es cuando se produce una propagación calorífica sin desplazamiento de materia.
• Convección: es cuando en la propagación de energía se produce mediante desplazamiento de la materia.
• Radiación: es la propagación de la energía mediante ondas electromagnéticas.

3. Medida de la Temperatura

La temperatura se mide mediante un termómetro y las escalas termométricas son:

• Celsius: Anders Celsius (1701-1744) fue un científico sueco que inventó la escala centígrada en 1742. En la escala centígrada, el punto de congelamiento del agua lo fijó en 0°C y el punto de ebullición del agua en 100°C.
• Fahrenheit: Fue propuesta por el físico holandés Gabriel Fahrenheit. Se utiliza sobre todo en países anglosajones. La temperatura de ebullición del agua en esta escala es 212°F y el de fusión en 32°F.
• Kelvin: Es la más utilizada por los científicos. El cero de esta escala corresponde a -273,15°C.

4. Capacidad Calorífica y Calor Específico

Capacidad Calorífica

Es la cantidad de energía necesaria para aumentar 1K la temperatura de una sustancia. La Capacidad Calorífica (C) de una sustancia es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor.

Calor Específico

El calor específico o capacidad calorífica específica, c, de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para aumentar su temperatura en una unidad por unidad de masa, sin cambio de estado:

Donde c es el calor específico, Q es la cantidad de calor, m la masa y ΔT la diferencia entre las temperaturas inicial y final.

5. Variación de la Temperatura y Cambios de Estado

Al transferir energía mediante el calor a una sustancia, aumenta su temperatura porque la energía cinética de sus partículas aumenta. Los cambios de estado se producen por transferencia de energía. Los cambios de estado son:

• Evaporación: Paso de una sustancia del estado líquido al de vapor, a una temperatura inferior a la de ebullición. Tiene lugar sólo en la superficie del líquido y se produce de forma gradual.
• Condensación: Paso de una sustancia de la fase de vapor a la líquida (o la sólida); el proceso inverso es la vaporización (o la sublimación).
• Solidificación: Paso de un cuerpo del estado líquido al sólido; es el fenómeno inverso de la fusión. Para cada cuerpo tiene lugar a una temperatura determinada -punto de solidificación o de fusión- con desprendimiento de calor y, generalmente, acompañada de una disminución del volumen.
• Fusión: Paso de un cuerpo del estado sólido al líquido. Se verifica con absorción de calor, generalmente con aumento de volumen, y a una temperatura constante que depende de la naturaleza de los cuerpos y de la presión externa.
• Vaporización: Paso de una sustancia del estado líquido al gaseoso. Puede ser evaporación o ebullición según afecte sólo a la superficie o a todo el volumen. El calor de vapor es la cantidad de vapor que absorbe la unidad de masa de una sustancia al vaporizarse a una temperatura dada.
• Sublimación: Paso de un cuerpo directamente del estado sólido al de vapor o del de vapor al sólido; este último se llama también condensación. La transición sólido-vapor se produce cuando el sólido está sometido a una presión inferior a su presión de vapor, por lo que en muchos casos la cantidad de vapor en equilibrio con la fase sólida es mínima. Se llama calor de sublimación al absorbido (o desprendido) por la unidad de masa de una sustancia al sublimar.

6. Dilatación

La dilatación es el aumento de las dimensiones de un cuerpo cuando su temperatura aumenta:

Dilatación en los Sólidos

Las partículas en los sólidos vibran. Al aumentar la temperatura se producen vibraciones mayores y se producen separaciones entre las partículas que hacen que el objeto aumente. El coeficiente de dilatación lineal es la variación en la longitud que experimenta un metro de algo cuando su temperatura cambia un grado.

Dilatación en los Líquidos

Los líquidos se dilatan al calentarse y al enfriarse se contraen. Al dar calor a un líquido, la energía cinética de sus partículas aumenta, chocan unas contra otras y se separan más que en los sólidos.

Dilatación en los Gases

Los gases son los que más se dilatan debido a que sus partículas se mueven con mayor libertad. Las formas de calentar un gas son a volumen constante y a presión constante.

7. Las Máquinas y su Rendimiento

Las máquinas térmicas aprovechan el calor para realizar un trabajo mecánico. La energía transferida como calor a la máquina no puede a su vez ser transferida íntegramente por esta como trabajo.

Ondas y Energía

1. Las Ondas y la Transmisión de Energía

Cuando una partícula vibra sometida a una fuerza de tipo elástico que responde a la ley de Hooke, se le denomina movimiento vibratorio armónico. Una onda es la propagación por un medio material de un movimiento vibratorio. La vibración pasa de unas partículas a otras sin que se origine un desplazamiento en el sentido de propagación del movimiento. Lo que se está produciendo es una transmisión de energía. En un movimiento ondulatorio se produce una propagación de energía por un medio material sin transporte de materia.

2. Clases de Ondas

Según el Medio de Propagación

Las ondas pueden ser:

• Mecánicas: son aquellas que necesitan un medio material para propagarse.
• Electromagnéticas: son las que no necesitan un medio material para su propagación. También pueden propagarse en el vacío.

Según la Dirección de Propagación

Según la dirección de propagación de la onda y de la vibración de las partículas alcanzadas las ondas pueden ser:

• Ondas longitudinales: son las que la dirección de propagación del movimiento ondulatorio es la misma que la dirección de vibración de las partículas alcanzadas por la onda.
• Ondas transversales: son las que la dirección de propagación del movimiento ondulatorio es perpendicular a la dirección de vibración del movimiento armónico que se propaga.

3. Características de las Ondas

• Amplitud (A)
• Elongación (x)
• Periodo (T)
• Frecuencia (f)
• Fase
• Longitud de onda (λ)
• Velocidad de propagación (v)

Una onda está caracterizada por el valor de su frecuencia, que permanece constante aunque la onda cambie de medio material.

4. El Sonido y su Propagación

El sonido se origina cuando un foco emisor vibra en el seno de un medio material y comunica su vibración a las moléculas próximas del medio. Esta propagación genera compresiones y dilataciones periódicas en el medio material que se transmiten de unas zonas a otras. El sonido es una sensación producida en el oído por estas ondas. Las ondas sonoras son mecánicas y longitudinales.

Velocidad de Propagación del Sonido

La velocidad de propagación del sonido depende de la proximidad entre las partículas que forman el medio: es mayor en los sólidos que en los líquidos y en estos es mayor que en los gases. La velocidad del sonido en el aire en función de la temperatura se expresa así:

5. Características del Sonido

Características de un sonido: tono, volumen y timbre.

• Tono: es una propiedad del sonido que permite distinguir entre sonidos graves y agudos. Está relacionado con la frecuencia de las ondas sonoras.
• Volumen: está relacionado con la cantidad de energía que transporta las ondas sonoras y depende de la amplitud de estas. Están las fuertes y las débiles según su intensidad.
• Timbre: se relaciona con la forma de la onda sonora, permitiendo al oído distinguir sonidos producidos aunque tengan la misma intensidad y frecuencia.

6. La Luz y su Propagación

Las ondas luminosas son ondas electromagnéticas, como los rayos X, ultravioleta o las ondas de radio. La luz es una sensación producida por el ojo por estas ondas.

Propagación Rectilínea de la Luz

Se pueden representar mediante rayos de luz, este es una línea recta que recorre la luz al propagarse.

Velocidad de Propagación de la Luz

La luz se propaga en el vacío a una velocidad de 3 . 100000000 m/s (300000 km/s). La velocidad de la luz que deja pasar la radiación luminosa (transparentes) es siempre menor que en el vacío. Se denomina índice de refracción n de un medio al cociente entre la velocidad c de la luz en el vacío y la velocidad v de la luz en el medio: n=c/v

7. Características de la Luz

Dos propiedades importantes de la luz son el color y la intensidad luminosa.

Color

Se caracteriza por su frecuencia, no varía aunque la luz cambie de medio. El color es la sensación causada en la retina por cada una de las frecuencias de las ondas luminosas. El color de la luz depende de su frecuencia y longitud de onda. El conjunto de colores obtenido se denomina espectro visible. Se denomina dispersión de la luz a la descomposición de un rayo de luz de los colores que lo componen. La luz blanca es policromática, se denomina así porque corresponde a una única frecuencia o color. La intensidad luminosa se caracteriza por estar relacionada con la cantidad de energía emitida por un foco luminoso.

8. Fenómenos Sonoros

Reflexión

Es un movimiento ondulatorio que se refleja al chocar con una superficie. El oído distingue entre onda sonora incidente, que viene directamente de la fuente sonora, y la onda refleja si llegan a él con más de 0.1s de diferencia entre ellas. Esto se denomina eco. Si llega con menos de 0.1s de diferencia se llama reverberación.

Refracción

Es el cambio de dirección y de velocidad de las ondas sonoras cuando pasan de un medio a otro o si varían la densidad y la temperatura del medio por el que se propaga.

Resonancia

Frecuencia propia o natural de un cuerpo a la frecuencia con la que vibra espontáneamente si no sufre ninguna perturbación exterior. Si la frecuencia que alcanza a un cuerpo es igual a la frecuencia propia de este, el cuerpo absorbe la energía de la onda y vibra con la máxima amplitud. Este fenómeno se llama resonancia.

9. Fenómenos Luminosos

Reflexión

La reflexión de la luz es el cambio de dirección que experimenta cuando incide en una superficie opaca y pulimentada. La luz no cambia, por lo tanto no cambia de velocidad.

Leyes de la reflexión:

• Rayo incidente, el rayo reflejado y la normal se encuentran en el mismo plano.
• Los ángulos de incidencia y de reflexión son iguales: Î=î´

Refracción

Es el cambio de dirección que se produce cuando la luz pasa de un medio a otro. Hay un cambio de velocidad de propagación.

Leyes de la refracción:

• Rayo incidente, el rayo refractado y la normal se encuentran en el mismo plano.
• Los ángulos de incidencia y de refracción están relacionados por la llamada ley de Snell.