Temperatura y Calor

Definición de Temperatura

La temperatura es el grado de agitación que tienen las partículas en la materia. Cuanto mayor es la agitación de las partículas, mayor es la temperatura. La temperatura es una magnitud que se mide con el termómetro y cuya unidad en el Sistema Internacional (SI) es el grado Kelvin (K).

El Termómetro

El termómetro es el instrumento que mide la temperatura de los cuerpos. Se basa en la propiedad de la materia de dilatarse (aumentar su volumen) cuando aumenta la temperatura. El termómetro más común consiste en un capilar de vidrio con un depósito generalmente de mercurio. Cuando la temperatura sube, el mercurio se dilata y sube por el interior del tubo.

Escalas Termométricas

Todas las escalas termométricas se basan en dos puntos fijos: la temperatura de fusión del hielo y la temperatura de ebullición del agua.

1. Escala Celsius (°C): La temperatura de fusión del hielo es 0 °C y la de ebullición del agua es 100 °C. Un grado Celsius es la centésima parte de la distancia entre estos dos puntos.
2. Escala Réaumur (°R): Un grado Réaumur es la octogésima parte de la distancia entre la temperatura de fusión del hielo y la de ebullición del agua.
3. Escala Fahrenheit (°F): La temperatura de fusión del hielo es 32 °F y la de ebullición del agua es 212 °F. Un grado Fahrenheit es la ciento ochenta parte de la distancia entre estos dos puntos.
4. Escala Kelvin (K): Esta escala establece que no existe una temperatura inferior a -273 °C, la cual se denomina cero absoluto (0 K).

Fórmulas de Conversión:

• °C/100 = (°F-32)/180
• °C/100 = °R/80
• °R/80 = (°F-32)/180
• K = °C + 273

Efectos del Cambio de Temperatura

Dilatación

La dilatación es el aumento de tamaño que sufren los cuerpos cuando se aumenta su temperatura. Esto se debe a que las moléculas necesitan más espacio para moverse más rápidamente. Dependiendo de la dimensión que predomine en el cuerpo, podemos hablar de dilatación lineal, superficial o cúbica.

La dilatación se calcula restando la longitud inicial a la longitud final. Depende de varios factores:

• Longitud inicial: Cuanto mayor sea la longitud inicial, mayor será la dilatación.
• Diferencia de temperatura: Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, mayor será la dilatación.
• Material: Cada material tiene un coeficiente de dilatación lineal (α) específico. La dilatación es mayor cuanto mayor sea α.

Fórmula de la dilatación lineal: lf – li = li · α · (tf – ti)

Energía Cinético-Molecular

La teoría cinético-molecular establece que la materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas moléculas, que están en continuo movimiento, separadas entre sí y sometidas a fuerzas de cohesión.

• En los sólidos, las moléculas están muy unidas y cohesionadas.
• En los líquidos, las moléculas están más separadas, pero aún sometidas a fuerzas de cohesión.
• En los gases, no hay cohesión entre las moléculas, por lo que se mueven libremente.

Cuando se comunica energía a un sólido, sus moléculas se mueven más rápidamente, aumentando la temperatura y separándose hasta alcanzar el estado líquido. Si se sigue suministrando energía, la materia se convierte en gas.

Definición de Calor

El calor es una forma de energía que se manifiesta solo cuando está en tránsito entre un cuerpo que está a una temperatura mayor y otro a una temperatura menor. Como el calor es una forma de energía, se puede medir en julios (J) y en calorías (cal).

• 1 cal = 4.186 J
• 1 J = 0.24 cal

Cantidad de Calor

La cantidad de calor (Q) es la energía calorífica necesaria para aumentar la temperatura de una masa determinada.

Fórmula: Q = m · (tf – ti) · c

Donde:

• Q: cantidad de calor
• m: masa
• tf: temperatura final
• ti: temperatura inicial
• c: calor específico

Cambios de Estado

Cuando un cuerpo, por acción del calor o del frío, pasa de un estado a otro, decimos que ha cambiado de estado. En el caso del agua:

• Cuando hace calor, el hielo se derrite (fusión).
• Si calentamos agua líquida, se evapora (vaporización).

El resto de las sustancias también pueden cambiar de estado si se modifican las condiciones en que se encuentran. Además de la temperatura, la presión también influye en el estado de las sustancias.

Fusión

Si se calienta un sólido, llega un momento en que se transforma en líquido. Este proceso se llama fusión. El punto de fusión es la temperatura a la que una sustancia sólida se funde. Cada sustancia posee un punto de fusión característico.

Vaporización

Si calentamos un líquido, se transforma en gas. Este proceso se llama vaporización. Cuando la vaporización tiene lugar en toda la masa del líquido, formándose burbujas de vapor en su interior, se denomina ebullición. La temperatura de ebullición es característica de cada sustancia y se denomina punto de ebullición.

Formas de Transmisión del Calor

1. Conducción: Ocurre en los sólidos. La parte de un objeto que recibe calor aumenta la energía cinética de sus partículas, y estas transfieren parte de su movimiento a las partículas vecinas. De este modo, el calor se transmite a lo largo de todo el objeto.
2. Convección: Se da en los fluidos (líquidos y gases). El aumento de temperatura produce una disminución de la densidad del fluido, de forma que tiende a ascender. Cuando las partículas se enfrían, tienden a descender.
3. Radiación: Es la única forma de transmisión de energía que no necesita materia para realizarse. Todos los cuerpos emiten calor por radiación en función de su temperatura: a mayor temperatura, mayor radiación. El Sol propaga calor a través del espacio vacío.

Equilibrio Térmico

El equilibrio térmico se alcanza cuando dos sustancias a diferentes temperaturas se mezclan. La sustancia que está a mayor temperatura cede calor a la que está a menor temperatura hasta que ambas igualan su temperatura, la cual se denomina temperatura de equilibrio.

Por lo tanto, el calor que cede la sustancia a mayor temperatura es igual al que absorbe la sustancia a menor temperatura.

Fórmula: M₁ · c₁ · (t₁ – t_equi) = m₂ · c₂ · (t_equi – t₂)

Calor de Fusión y de Vaporización

Calor de fusión: Es la cantidad de calor necesaria para que una sustancia pase de estado sólido a líquido a la misma temperatura. En el caso del agua, se necesitan 80 cal/g (o 80000 cal/kg) para que el hielo a 0 °C se transforme en agua a 0 °C.

Calor de vaporización: Es la cantidad de calor necesaria para que una sustancia pase de estado líquido a gaseoso a la misma temperatura. En el caso del agua, se necesitan 540 cal/g (o 540000 cal/kg) para que el agua a 100 °C se transforme en vapor a 100 °C.