Temperatura, Calor y sus Efectos

Definición de Temperatura

La temperatura es el grado de agitación que tienen las partículas en la materia. Cuanto mayor es la agitación, 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 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 su temperatura. Generalmente, consiste en un capilar de vidrio con un depósito 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 puntos fijos:

• La temperatura de fusión del hielo.
• La temperatura de ebullición del agua.

a) Escala Celsius (°C)

En esta escala, 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.

b) Escala Fahrenheit (°F)

En esta escala, la temperatura de fusión del hielo es 32 °F y la de ebullición del agua es 212 °F. Un grado Fahrenheit es la ciento ochentava parte de la distancia entre el punto de fusión y el punto de ebullición.

c) Escala Réaumur (°R)

En esta escala, un grado Réaumur es la octogésima parte de la distancia entre la temperatura de fusión del hielo y la de ebullición del agua.

d) Escala Kelvin (K)

Esta escala establece que no hay una temperatura inferior a -273.15 °C en el universo, y a esta temperatura se le llama cero absoluto (0 K).

Fórmulas de Conversión

°C/100 = (°F-32)/180 = °R/80
°R/80 = (°F-32)/180
K = °C + 273.15

Efectos del Cambio de Temperatura

a) 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 poder moverse más rápidamente. Dependiendo de la dimensión que predomine en el cuerpo, podemos hablar de dilatación lineal, superficial y cúbica.

La dilatación se expresa mediante la operación de restar la longitud inicial a la longitud final. Esta 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 número específico que lo caracteriza llamado coeficiente de dilatación lineal (α). La dilatación es mayor cuanto mayor es α.

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

b) Energía Cinético-Molecular

Esta teoría dice que la materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas moléculas, que están separadas entre sí, en continuo movimiento y sometidas a fuerzas de cohesión.

• Sólidos: Las moléculas están muy unidas y cohesionadas.
• Líquidos: Las moléculas están más separadas, pero sometidas a fuerzas de cohesión.
• Gases: No tienen cohesión entre sus moléculas y, por lo tanto, vagan libremente.

Cuando a un sólido se le comunica energía, sus moléculas se mueven más rápidamente, aumentando la temperatura y separándose más, hasta conseguir la condición de líquido. Si seguimos suministrando energía, haremos que la materia se convierta 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 y otro con menor temperatura. Como el calor es una energía, también se puede medir en julios (J) y en calorías (cal).

1 cal = 4.186 J
1 J = 0.24 cal

Cantidad de Calor

Es la energía calorífica necesaria para aumentar la temperatura de una masa determinada.

Fórmula: Q = m * (tf – ti) * c

• 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.
• Si calentamos agua líquida, vemos que se evapora.

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

Fusión

Si se calienta un sólido, llega un momento en que se transforma en líquido. Este proceso recibe el nombre de fusión. El punto de fusión es la temperatura que debe alcanzar una sustancia sólida para fundirse. Cada sustancia posee un punto de fusión característico.

Vaporización

Si calentamos un líquido, se transforma en gas. Este proceso recibe el nombre de 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 también es característica de cada sustancia y se denomina punto de ebullición.

Formas de Transmisión del Calor

a) 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.

b) Convección

Se da en los fluidos. El aumento de temperatura produce una disminución de la densidad de los fluidos, de forma que tienden a ascender. Cuando las partículas se enfrían, tienden a descender.

c) 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

Se alcanza el equilibrio térmico cuando dos sustancias que están a diferente temperatura se mezclan, la que está a mayor temperatura cede calor a la que está a menor temperatura hasta que ambas se igualan. Esta temperatura común se llama temperatura de equilibrio.

Por lo tanto, podemos decir que el calor que cede el cuerpo de mayor temperatura es igual al que absorbe el de menor temperatura.

Fórmula: M₁ * c₁ * (t₁ – t_eq) = m₂ * c₂ * (t_eq – t₂)

• M₁: masa del cuerpo 1
• c₁: calor específico del cuerpo 1
• t₁: temperatura inicial del cuerpo 1
• t_eq: temperatura de equilibrio
• m₂: masa del cuerpo 2
• c₂: calor específico del cuerpo 2
• t₂: temperatura inicial del cuerpo 2

Calor de Fusión y de Vaporización

Calor de Fusión

Es la cantidad de calor necesaria para pasar una sustancia de sólido a líquido a la misma temperatura. En el caso del agua, se necesitan 80 calorías por cada gramo de hielo a 0 °C que queramos pasar a agua a 0 °C.

Calor de Vaporización

Es la cantidad de calor necesaria para pasar una sustancia de líquido a gas a la misma temperatura.