Cibergrafía

Los siguientes enlaces pertenecen a los sitios web de los cuales se obtuvo la información, explicaciones e imágenes que han sido incluidas en este blog. Los canales de Youtube de los que se obtuvieron los vídeos ya han sido citados en las respectivas publicaciones donde se colocaron.

http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Calor_y_Temperatura.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Calor

http://www.how-to-study.com/metodos-de-estudio/escalas-de-temperatura.asp

http://es.wikipedia.org/wiki/Calor#Medida_experimental_del_calor

http://www.textoscientificos.com/fisica/termodinamica/dilatacion/liquidos

http://www.textoscientificos.com/fisica/termodinamica/dilatacion

http://www.profesorenlinea.cl/fisica/CalorTransferencia.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Teor%C3%ADa_cin%C3%A9tica

http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Calorenergiatermica.htm

Haz clic para acceder a historia%20calor.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Calorimetr%C3%ADa

http://www.portaleducativo.net/pais/co/cuarto-basico/641/Cambios-en-la-materia

http://www.salonhogar.net/Salones/Ciencias/1-3/La_Materia/Cambios.htm

https://sites.google.com/site/elrincondelafisicaylaquimica/maquinas-termicas

http://curiosidades.batanga.com/2010/12/21/%C2%BFcomo-funcionan-las-maquinas-de-vapor

http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/joule.html

http://definicion.de/calor/

http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_ccnn_2/tema3/tema3.htm

http://legacy.spitzer.caltech.edu/espanol/edu/thermal/measure_sp_06sep01.html

http://www.azc.uam.mx/publicaciones/miscelanea/num2/termome.htm

http://legacy.spitzer.caltech.edu/espanol/edu/thermal/differ_sp_06sep01.html

http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Calor_y_Temperatura.htm

http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_ccnn_2/tema3/tema3.htm

Haz clic para acceder a dilatacio-termica_es.pdf

http://fisica.laguia2000.com/conceptos-basicos/dilatacion-termica

https://sites.google.com/a/colegiocisneros.edu.co/fisica10y11/home/termodinamica/dilatacion-de-cuerpos

http://www.ipcontrol.com.ar/fisica/dilata.htm

http://www.fisimat.com.mx/leyes-de-la-termodinamica/

Ejercicios resueltos de Termodinámica

Ejercicios propuestos sobre termodinámica con sus respuestas

1) En un día cualquiera, cuando la temperatura alcanza los 50°F, ¿cuál será su temperatura en grados Celsius y Kelvin (Tk)?

°C= 5/9*(°F-32) –> °C= 5/9* (50 °F – 32) = 5/9 * 18 = 10 °C

Tk= °C + 273 = 10 °C + 273 = 373 Tk

Respuesta: La temperatura será de 10 °C en la escala Celsius y de 373 Tk en la escala Kelvin.

2) Una olla de agua se calienta de 25 °C a 80 °C, ¿cuál es su cambio de temperatura en la escala Kelvin y en la escala Fahrenheit?

Cambio de temperatura = Temperatura final – Temperatura inicial

Cambio de temperatura= 80 °C – 25 °C = 55 °C

Tk = °C + 273 = 55 °C + 273 = 328 Tk

°F = 9/5 * (°C+32) = 9/5 * (55 °C + 32) = 9/5 * 87° = 156,6 °F

Respuesta: El cambio de temperatura será de 328 Tk en la escala Kelvin y 156,6 °F en la escala Fahrenheit.

3) Dos bloques del mismo material de masa m y 2m tienen  temperaturas de 20°C y 80°C respectivamente. Al ponerse en contacto térmico y aislados del exterior, se encuentra que después de un tiempo los dos bloques alcanzan la misma temperatura. ¿Cuál es la temperatura de equilibrio de los bloques?

T1 = 20°C ;  T2= 80°C

T= T2- T1 = 80°C – 20°C = 60°C

Respuesta:  La temperatura de equilibrio de los bloques es de 60 °C.

4) Calcular la longitud que tendrá a 70°C una varilla de hierro cuya longitud a 20°C es de 40cm.

Coeficiente de dilatación lineal del hierro= 12* (10 elevado a -6)

Cambio de temperatura = Temperatura final – Temperatura inicial

Cambio de temperatura= 70 °C – 20 °C = 50 °C

Longitud= Longitud inicial* [1+ Coeficiente de dilatación lineal * Cambio de temperatura]

Longitud = 40 cm * [1+ 12* (10 elevado a -6) * 50 °C]

Longitud= 40 cm * [ 1+ 600 * (10 elevado a -6) ]

Longitud = 40 cm * [ 1 + 6 * (10 elevado a 2) * (10 elevado a -6) ] -> Potencias se suman

Longitud = 40 cm * [ 1 + 6 * (10 elevado a -4)]

Longitud= 40 cm * [ 1 + 0, 0006 ]

Longitud = 40 cm * 1, 0006

Longitud = 40, 0024 cm

Respuesta: La longitud sería de 40, 0024 cm.

5) Calcular el aumento de longitud de una barra de cobre de 500 cm de largo cuando se calienta desde 12 °C a 30°C.

Coeficiente de dilatación lineal del hierro= 17* (10 elevado a -6)

Cambio de temperatura = Temperatura final – Temperatura inicial

Cambio de temperatura= 30 °C – 12 °C = 18°C

Longitud= Longitud inicial* [1+ Coeficiente de dilatación lineal * Cambio de temperatura]

Longitud = 500 cm * [1+ 17* (10 elevado a -6) * 18 °C]

Longitud= 500 cm * [ 1+ 306 * (10 elevado a -6) ]

Longitud = 500 cm * [ 1 + 3,06 * (10 elevado a -2) * (10 elevado a -6) ] -> Potencias se suman

Longitud = 500 cm * [ 1 + 3,06 * (10 elevado a -8)]

Longitud= 500 cm * [ 1 + 0, 0000000306 ]

Longitud = 500 cm * 1, 000000031

Longitud = 500,153 cm

Respuesta: El aumento sería de 0,153 cm.

6) El punto de fusión del oro es 1064°C y el punto de ebullición es 2660 °C. Calcule la diferencia de temperaturas.

T1 = 1064°C ; T2= 2660 °C

T= T2 – T1 = 2660 °C – 1064°C = 1596 °C

Respuesta: La diferencia es de 1596 °C.

7) El nitrógeno líquido tiene un punto de ebullición de -195,81 °C. Exprese esta temperatura en grados Fahrenheit y en grados Kelvin.

°F = 9/5 * (°C +32) = 9/5 * (-195,81°C + 32) = 9/5 * -163,81  = -294,63 °F

Tk = °C + 273 = -195,81 °C + 273 = 77, 19 Tk

Respuesta: La temperatura en grados Fahrenheit es de  -294,63 °F y en grados Kelvin es de 77,19 Tk.

¿Cuáles son los cambios de estado de la materia?

Cuando un cuerpo, por acción del calor o del frío pasa de un estado a otro, decimos que ha cambiado de estado. En física y química se define cambio de estado como la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición.

Por ejemplo, en el caso del agua, cuando hace calor, el hielo (agua en estado sólido) se derrite y 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, también la presión influye en el estado en que se encuentran las sustancias.

Los cambios que se presentan en la materia son: fusión, vaporización, cristalización, solidificación, sublimación y condensación.

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. Por ejemplo, el punto de fusión del agua pura es 0 °C a la presión atmosférica normal.

 Vaporización:
Si calentamos un líquido, se transforma en gas. Este proceso recibe el nombre de vaporización o evaporación. Cuando la vaporización tiene lugar en toda la masa de líquido, formándose burbujas de vapor en su interior, se denomina ebullición. También la temperatura de ebullición es característica de cada sustancia y se denomina punto de ebullición. El punto de ebullición del agua es 100 °C a la presión atmosférica normal.

Cristalización:
La cristalización o sublimación inversa (regresiva) es el cambio de la materia del estado gaseoso al estado sólido de manera directa, es decir, sin pasar por el estado líquido.

Solidificación:
En la solidificación se produce el cambio de estado de la materia de líquido a sólido, debido a una disminución en la temperatura. Este proceso es inverso a la fusión. El mejor ejemplo de este cambio es cuando metes al congelador un vaso de agua. Al dejarlo por unas horas ahí el agua se transforma en hielo (líquido a sólido), debido a la baja temperatura.
Sublimación:
La sublimación o volatilización, es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Al proceso inverso se le denomina sublimación inversa; es decir, el paso directo del estado gaseoso al estado sólido. Un ejemplo clásico de sustancia capaz de sublimarse es el hielo seco.

Condensación:
La condensación, es el cambio de estado que se produce en una sustancia al pasar del estado gaseoso al estado líquido. La temperatura a la que ocurre esta transformación se llama punto de condensación.

A continuación, podrás ver un vídeo donde se explica de manera detallada cada uno de los cambios que puede sufrir la materia. (Tomado del canal de Youtube «ViendoViendo AprendoyAprendo»).

 

¿Qué es una máquina térmica?

Una máquina térmica es un dispositivo que realiza un trabajo mediante un proceso de paso de energía desde un foco claiente hasta un foco frío.

Las máquinas térmicas o motores térmicos aprovechan una fuente de energía para realizar un trabajo mecánico. La energía transferida como calor a la máquina no puede a su vez ser transferida íntegramente por ésta como trabajo: una parte de la energía debe ser transferida como calor. Por esta razón, las  máquinas térmicas constan de dos partes:

•  Un foco caliente que cede energía a la máquina mediante calor.
•  Un foco frío que recibe energía de le máquina también mediante calor.

Una máquina térmica posee un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía, generalmente a través de un eje, mediante la variación de energía de un fluido que varía su densidad significativamente al atravesar la máquina.

Una máquina térmica es una máquina de fluido en la que varía el volumen específico del fluido en tal magnitud que los efectos mecánicos y los efectos térmicos son interdependientes.

A continuación, podrás ver un vídeo donde se explica el concepto de máquina térmica así como sus partes, clases, ejemplos y funcionamiento. (Tomado del canal de Youtube «Termo Dinámica»).

 

 

 

¿Qué es una máquina de vapor?

Una máquina de vapor es un un dispositivo, equipo o una instalación destinada a la producción de trabajo en virtud de un aporte calórico. Las máquinas de vapor trabajan por medio de un motor de combustión externa que transforma la energía térmica de una cantidad de agua en energía mecánica.

El ciclo de trabajo se da en dos etapas:

1. Se genera vapor de agua en una caldera cerrada por calentamiento, lo cual produce la expansión del volumen de un cilindro empujando un pistón. Mediante un mecanismo de biela – manivela, el movimiento lineal alternativo del pistón del cilindro se transforma en un movimiento de rotación que acciona, por ejemplo, las ruedas de una locomotora o el rotor de un generador eléctrico. Una vez alcanzado el final de carrera el émbolo retorna a su posición inicial y expulsa el vapor de agua utilizando la energía cinética de un volante de inercia.
2. El vapor a presión se controla mediante una serie de válvulas de entrada y salida que regulan la renovación de la carga; es decir, los flujos del vapor hacia y desde el cilindro.

Las modernas máquinas de vapor utilizadas en la generación de energía eléctrica no son ya de émbolo o desplazamiento positivo como las descritas, sino que son turbomáquinas; es decir, son atravesadas por un flujo continuo de vapor y reciben la denominación genérica de turbinas de vapor.

El motor de vapor se utilizó extensamente durante la Revolución Industrial para mover máquinas y aparatos  como bombas, locomotoras, motores marinos, etc.

 

A continuación, podrás ver un vídeo donde se da una breve reseña histórica y el explicación del funcionamiento de una máquina de vapor. (Tomado del canal de Youtube «xavier velasco»).

 

¿Qué es el equivalente mecánico del calor?

En la historia de la ciencia, la definición de equivalente mecánico del calor hace referencia a que el movimiento y el calor son mutuamente intercambiables, y que en todos los casos, una determinada cantidad de trabajo podría generar la misma cantidad de calor siempre que el trabajo hecho se convirtiese totalmente en energía calorífica.

El equivalente mecánico del calor fue un concepto que tuvo un papel importante en el desarrollo y aceptación del principio de la conservación de la energía y en el establecimiento de la ciencia de la termodinámica en el siglo XIX.

A comienzos del siglo XIX la gente estaba interesada en mejorar la eficiencia de las máquinas de vapor y de los cañones. Un hecho evidente era que después de algunos disparos los cañones se recalentaban hasta tal punto que se volvían inservibles. Esto llevó a la observación que debía existir una conexión entre las fuerzas mecánicas y químicas involucradas en el disparo y el «calórico» como se llamaba el calor en esa época.

En aquel mismo siglo, un señor llamado Joule ideó un experimento para demostrar que el calor no era más que una forma de energía, y que se podía obtener a partir de la energía mecánica. Dicho experimento se conoce como experimento de Joule para determinar el equivalente mecánico del calor.

Antes del experimento de Joule se pensaba que calor y energía eran dos magnitudes diferentes, por lo que las unidades en que se medían ambas eran también distintas. La unidad de calor que se empleaba era la caloría.

Una caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua destilada desde 14.5ºC a 15.5ºC.

Con su experimento, Joule se propuso demostrar que se podía elevar la temperatura del agua transfiriéndole energía mecánica.

El experimento de Joule

Joule introdujo  1 kg de agua a 14.5 ºC en el interior de un recipiente.  A dicho recipiente, le acopló unas paletas conectadas mediante una cuerda con una masa que puede caer. Conforme la masa cae a velocidad constante, las paletas giran, por lo que se convierte la energía potencial gravitatoria de la masa en energía para hacer girar las paletas. Debido a este giro, el agua aumenta de temperatura (el giro de las paletas se transforma en calor).

Lo que Joule descubrió fue que, para elevar la temperatura del kilogramo de agua hasta 15.5ºC (es decir, para conseguir una energía de 1000 calorías), la energía potencial de la masa debía disminuir en 4180 Julios. Por tanto, la equivalencia entre unidades de calor y energía es:

 

El descubrimiento de Joule llevó a la teoría de la conservación de la energía lo que a su vez condujo al desarrollo del primer principio de la Termodinámica.

 

Las leyes de la termodinámica

Para empezar, ¿qué es termodinámica? La termodinámica es la rama de la Física que se interesa en la cantidad de transferencia de calor a medida que un sistema pasa por un proceso, sin indicar cuánto tiempo transcurrirá.

Un estudio termodinámico sencillamente nos dice cuánto calor debe transferirse para que se realice un cambio de estado específico, con el fin de cumplir con el principio de conservación de la energía. En la experiencia nos enfocamos más en la velocidad de la transferencia de calor que en la cantidad transferida.

La termodinámica trata de los estados en equilibrio y de los cambios que ocurren entre un estado de equilibrio y otro. Por otra parte, la transferencia de calor se ocupa de los sistemas en los que se presenta desequilibrio térmico y, por tanto, existe una condición de no equilibrio. En consecuencia, el estudio de la transferencia de calor no puede basarse sólo en los principios de la termodinámica; sin embargo, existen leyes de la termodinámica que constituyen la base científica de la transferencia de calor.

 

Principio o ley cero de la termodinámica

Este principio o ley cero, establece que existe una determinada propiedad denominada temperatura empírica θ, que es común para todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.

El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo en el cual las variables empíricas, conocidas como coordenadas térmicas  y dinámicas, usadas para definir o dar a conocer un estado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial, coordenadas en el plano x, y) no son dependientes del tiempo.

Lo anterior significa que si pones en contacto un objeto con menor temperatura con otro con mayor temperatura, ambos evolucionan hasta que sus temperaturas se igualan.

Primera ley de la termodinámica

También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará.

Además, esta ley también establece que la velocidad de transferencia de energía hacia un sistema es igual a la velocidad de incremento de la energía de dicho sistema.

La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:

Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma:

Donde U es la energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.

Segunda ley de la termodinámica

Esta ley marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen).

También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo a otro sin pérdidas.

Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.

La entropía (S) se define como es una magnitud física que, mediante cálculo, permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo.

Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico.

A continuación, podrás ver un vídeo donde se explica de manera detallada y mediante experimentos cada una de las leyes de la termodinámica. (Tomado del canal de Youtube «Francisco Gomez»).

¿Qué es la dilatación?¿Cuáles son sus tipos?

Llamamos dilatación al cambio de dimensiones que experimentan los sólidos, líquidos y gases cuando se varía la temperatura, permaneciendo la presión constante. La mayoría de los sistemas aumentan sus dimensiones cuando se aumenta la temperatura.

Dilatación térmica

Se denomina dilatación térmica al aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura que se provoca en él por cualquier medio. La contracción térmica es la disminución de propiedades métricas por disminución de la misma.

Dilatación lineal 

Es aquella en la cual predomina la variación en una única dimensión, o sea, en el ancho, largo o altura del cuerpo. El coeficiente de dilatación lineal, designado por α_L, para una dimensión lineal cualquiera, se puede medir experimentalmente comparando el valor de dicha magnitud antes y después:

Donde , es el incremento de su integridad física cuando se aplica un pequeño cambio global y uniforme de temperatura a todo el cuerpo. El cambio total de longitud de la dimensión lineal que se considere, puede despejarse de la ecuación anterior:

Donde:

α=coeficiente de dilatación lineal [°C^-1]

L₀ = Longitud inicial

L_f = Longitud final

T₀ = Temperatura inicial.

T_f = Temperatura final

Valores experimentales del coeficiente de dilatación lineal promedio de sólidos comunes

SUSTANCIA	α ºC-1	SUSTANCIA	α ºC-1
Plomo	29 x 10-6	Aluminio	23 x 10-6
Hielo	52 x 10-6	Bronce	19 x 10-6
Cuarzo	0,6 x 10-6	Cobre	17 x 10-6
Hule duro	80 x 10-6	Hierro	12 x 10-6
Acero	12 x 10-6	Latón	19 x 10-6
Mercurio	182 x 10-6	Vidrio (común)	9 x 10-6
Oro	14 x 10-6	Vidrio (pirex)	3.3 x 10-6

Dilatación volumétrica o cúbica

Es el coeficiente de dilatación volumétrico, designado por α_V, se mide experimentalmente comparando el valor del volumen total de un cuerpo antes y después de cierto cambio de temperatura como, y se encuentra que en primera aproximación viene dado por:

Experimentalmente se encuentra que un sólido isótropo tiene un coeficiente de dilatación volumétrico que es aproximadamente tres veces el coeficiente de dilatación lineal. Esto puede probarse a partir de la teoría de la elasticidad lineal. Por ejemplo si se considera un pequeño prisma rectangular (de dimensiones: L_x, L_y y L_z), y se somete a un incremento uniforme de temperatura, el cambio de volumen vendrá dado por el cambio de dimensiones lineales en cada dirección:

Esta última relación prueba que , es decir, el coeficiente de dilatación volumétrico es numéricamente unas 3 veces el coeficiente de dilatación lineal de una barra del mismo material.

Dilatación de área o superficial

Cuando un área o superficie se dilata, lo hace incrementando sus dimensiones en la misma proporción. Por ejemplo, una lámina metálica aumenta su largo y ancho, lo que significa un incremento de área. La dilatación de área se diferencia de la dilatación lineal porque implica un incremento de área.

El coeficiente de dilatación de área es el incremento de área que experimenta un cuerpo de determinada sustancia, de área igual a la unidad, al elevarse su temperatura un grado centígrado. Este coeficiente se representa con la letra griega gamma (γ). El coeficiente de dilatación de área se usa para los sólidos. Si se conoce el coeficiente de dilatación lineal de un sólido, su coeficiente de dilatación de área será dos veces mayor:

Al conocer el coeficiente de dilatación de área de un cuerpo sólido se puede calcular el área final que tendrá al variar su temperatura con la siguiente expresión:

Donde:

γ=coeficiente de dilatación de área [°C^-1]

A₀ = Área inicial

A_f = Área final

T₀ = Temperatura inicial.

T_f = Temperatura final

Dilatación en líquidos

Como la forma de un fluido no está definida, solamente tiene sentido hablar del cambio del volumen con la temperatura. La respuesta de los gases a los cambios de temperatura o de presión es muy notable, en tanto que el cambio en el volumen de un líquido, para cambios en la temperatura o la presión, es muy pequeño. β representa el coeficiente de dilatación volumétrica de un líquido,

Los líquidos se caracterizan por dilatarse al aumentar la temperatura, siendo su dilatación volumétrica unas diez veces mayor que la de los sólidos.

Para determinar la dilatación absoluta o verdadera de un líquido se deberá considerar la dilatación que experimenta el recipiente que lo contiene. Si Vo es el volumen que ocupa el fluido a la temperatura de 0 ºC, es evidente que deberá ser Vo o Vro, si se aumenta la temperatura en t ºC, el volumen verdadero del líquido a esa temperatura, será:

V_t = V_o ( 1 + β_r.t ), volumen verdadero del líquido

V_rt = V_ro ( 1 + β_r. t), volumen del recipiente dilatado

V_rt – V_t = V_ro.β_r. t = ΔV_r, diferencia de volumen

La propagación o transferencia del calor

Cuando se produce una transferencia de calor, se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura.

Debemos saber que el calor es la energía total del movimiento molecular en un cuerpo, mientras que la temperatura es la medida de dicha energía.

El calor se puede transferir mediante convección, radiación o conducción.

Aunque estos tres procesos pueden ocurrir al mismo tiempo, puede suceder que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos.

Por ejemplo, el calor  se trasmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.

Conducción térmica

La conducción es una transferencia de calor entre los  cuerpos sólidos.

Si una persona sostiene uno de los extremos de una barra metálica, y pone en contacto el otro extremo  con la llama de una vela, de forma que aumente su temperatura, el calor se trasmitirá hasta el extremo más frío por conducción.

Los átomos o moléculas del extremo calentado por la llama, adquieren una mayor energía de agitación, la cual se trasmite de un átomo a otro, sin que estas partículas sufran ningún cambio de posición, aumentando entonces, la temperatura de esta región.  Este proceso continúa a lo largo de la barra y después de cierto tiempo, la persona que sostiene el otro extremo percibirá una elevación de temperatura en ese lugar.

Existen conductores térmicos, como los metales, que son buenos conductores del calor, mientras que existen sustancias como corcho, aire, madera,  hielo, lana, papel, etc., que son malos conductores térmicos (aislantes).

Convección térmica

La convección se aplica a la propagación de calor de un lugar a otro por movimiento de materia a través de un medio líquido o gaseoso. Son ejemplos de ello la estufa de aire caliente y el sistema de calefacción por agua caliente.

Cuando un recipiente con agua se calienta, la capa de agua que está en el fondo recibe mayor calor (por el calor que se ha trasmitido por conducción a través de la cacerola); esto provoca que el volumen aumente y, por lo tanto, disminuya su densidad, provocando que esta capa de agua caliente se desplace hacia la parte superior del recipiente y parte del agua más fría baje hacia el fondo.

El proceso prosigue, con una circulación continua de masas de agua más caliente hacia arriba, y de masas de agua más fría hacia abajo, movimientos que se denominan corrientes de convección.  Así, el calor que se trasmite por conducción a las capas inferiores, se va distribuyendo por convección a toda la masa del líquido.

Ahora bien, si la sustancia caliente es obligada a moverse mediante un ventilador o bomba, el proceso se llama convección forzada, pero si la sustancia se mueve por diferencia de densidades, entonces al proceso se le llama convección natural o libre.

La convección también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde el interior del Sol hasta su superficie.

Radiación térmica

La radiación es una emisión continua de energía desde la superficie de todos los cuerpos. Esta energía se denomina radiante y es transportada por ondas electromagnéticas. Las radio-ondas, las ondas de luz visible, los infrarrojos y  los rayos ultravioletas son ondas que transportan energía radiante.

Los procesos de convección y de conducción sólo pueden ocurrir cuando hay un medio material a través del cual se pueda transferir el calor, mientras que la radiación puede ocurrir en el vacío.

Si se tiene un cuerpo caliente en el interior de una campana de vidrio sin aire, y se coloca un termómetro en el exterior de la campana, se observará una elevación de la temperatura, lo cual indica que existe una trasmisión de calor a través del vacío que hay entre el cuerpo caliente y el exterior.

La Tierra recibe calor del Sol a pesar por medio de la radiación a pesar del vacío que existe entre estos cuerpos celestes.

 

A continuación, podrás ver un vídeo en el cual se explica de una manera muy entretenida los tres procesos explicados anteriormente. (Tomado del canal de Youtube «Correo del Maestro»).

 

 

¿Cuáles son las teorías sobre la naturaleza del calor?

Todas las personas poseemos un sentido natural para calor y temperatura. Sin embargo, el desarrollo histórico de la termodinámica nos muestra lo extremadamente difícil que es sintetizar y entender dichos conceptos en términos físicos y matemáticos.  Esta situación  le ha producido dolores de cabeza a muchos grandes físicos. Por lo mismo, es interesante saber cómo se aclaró la naturaleza del calor.

Las ideas acerca de la naturaleza del calor han variado bastante en los dos últimos siglos.

Las experiencias de Joule (1818 – 1889) y Mayer (1814 – 1878) sobre la conservación de la energía, apuntaban hacia el calor como una forma más de energía. El calor no sólo era capaz de aumentar la temperatura o modificar el estado físico de los cuerpos, sino que además podía moverlos y realizar un trabajo.

James Joule

Julius von Mayer

 

 

 

 

 

 

Ya en el siglo XVIII había físicos que entendían al calor como un tipo de movimiento. Así fue como la Teoría Cinética de Daniel Bernoulli proporcionó una definición estadística de calor con la medida mv2. Desafortunadamente sus ideas fueron olvidadas rápidamente. Muchas interpretaciones del concepto de calor se toparon principalmente con el fenómeno de su generación por fricción. Por ejemplo, en 1798 B. Thomson, Conde de Rumford, mostró en Munich que al taladrar cañones con brocas romas se puede generar mucho calor y que este es proporcional al trabajo realizado por el taladro. Sin embargo, la hipótesis dominante, sugerida por los métodos calorimétricos de medición, era que existía una sustancia nombrada caloricum que se conservaba y que fluía de cuerpo en cuerpo. Distintos materiales tendrían distintas capacidades para esta sustancia de fricción, y al friccionar dos cuerpos el caloricum sería literalmente extraido.

J. T. Mayer intentó explicar la contradicción con las observaciones de B. Thomson sugiriendo que el caloricum extraido era sustituido por caloricum de los alrededores que se introducía al cañón.

La hipótesis de la sustancia calórica fue apoyada por la Teoría de la Conducción del Calor desarrollada por J. B. Fourier entre 1811 y 1822. Hasta entonces existía sólo para la Mecánica una teoría matemática, fundada por Newton, mientras que la enseñanza de los fenómenos calóricos era empírica y tan sólo contenía caracteres descriptivos. Fourier fue el primero en lograr construir una teoría matemática del calor con su ecuación de conducción ρc ∂T ∂t = ∂ ∂x (κ ∂T ∂x ) y el Método de Series de Fourier utilizado por primera vez al resolverla. Partió de la hipótesis de la sustancia calórica y demostró que su teoría cumplía con la condición de la conservación del caloricum.

Jean-Baptiste Fourier

Fourier, quien tomó parte activa durante la Revolución Francesa, por lo que fue encarcelado y estuvo en Egipto con Napoleón, le daba mucha importancia al haber convertido a la enseñanza de los fenómenos calóricos en una ciencia rigurosa. Además, todos los partidarios del caloricum veían es su teoría un poderoso argumento a favor de su tesis.

 

No sorprende por lo tanto que incluso Sadi Carnot incluyera la conservación del caloricum, además de la conservación del trabajo, en sus famosos experimentos pensados sobre procesos cíclicos (1824). Supuso que la temperatura era el nivel de la energía potencial de la sustancia calórica y que el trabajo mecánico se desarrollaba cuando el caloricum pasaba de una temperatura a otra más baja, de la misma forma en que una caida de agua hace girar la rueda de un molino. Bajo dicha suposición pudo mostrar que la eficiencia del ciclo llamado por su nombre es independiente del material y de condiciones secundarias (W Q = f(θf , θc)). Sus reflexiones habrían sido exáctas si en vez de calor hubiera usado entropía, o bien si hubiera advertido que su calor no era el mismo que se medía con un calorímetro. De hecho, parece ser que lo notó, pues en sus obras póstumas se encuentra la sugerencia de que el calor es equivalente al trabajo, así como una estimación del valor en trabajo de una caloría. Con el tiempo se impuso la idea de que el calor es una forma de energía, lo que condujo finalmente a la Primera Ley de la Termodinámica.

En la historia de la termodinámica, las explicaciones iniciales sobre la naturaleza del calor se confundían con las explicaciones sobre la combustión. Tras introducir en el siglo XVII Johann Joachim Becher y Georg Ernst Stahl una teoría sobre la combustión basada en la existencia de un fluido al que llamaron flogisto, se creía que ese flogisto era la sustancia del calor.

Antoine Lavoisier

Fue Antoine Lavoisier quien ideó una nueva explicación de la combustión en términos de la existencia del gas oxígeno en la década de 1770. En su artículo «Réflexions sur le phlogistique» (1783), Lavoisier argumentó que la teoría del flogisto era incompatible con sus resultados experimentales, y propuso la existencia de un ‘fluido sutil’, al que llamó calórico, que sería la sustancia del calor. De acuerdo con su teoría, la cantidad de esta sustancia era constante en todo el universo y fluía desde los cuerpos cálidos a los más fríos. De hecho, Lavoisier fue uno de los primeros en utilizar un calorímetro para medir los cambios de calor durante una reacción química.

En la década de 1780, algunos científicos también creyeron que el frío era un fluido, «frigórico» («frigoric»). Pierre Prévost argumentó que el frío era simplemente una falta de calórico.

Dado que el calor era una sustancia material en la teoría calórica y que, por lo tanto, no podría ser creada ni destruida, la conservación del calor era una suposición central.

La introducción de la teoría calórica fue también influenciada por los experimentos que realizó Joseph Black y que relacionaban las propiedades térmicas de los materiales. Además de la teoría del calórico, existía otra teoría a finales del siglo XVIII que podía explicar el fenómeno del calor: la teoría cinética. Ambas teorías se consideraron equivalentes en su época, pero la teoría cinética era más moderna, ya que utilizaba un par de ideas de la teoría atómica y podía explicar tanto la combustión como la calorimetría.

En la actualidad, el calor es considerado como energía en tránsito, que cumple las leyes de la termodinámica.