FISICA 8° GUIA N°

Reconoce la diferencia entre calor y temperatura. Realiza conversiones entre las distintas escalas de temperatura. Defino capacidad calorífica y térmica y resuelvo problemas relacionados con estos conceptos. Reconocer diferentes efectos que produce el calor. Reconoce las diferentes formas de transferencia de calor que se presentan entre las sustancias..

AMBITO CONCEPTUAL CALOR Y TEMPERATURA

1. LA ENERGÍA TÉRMICAEl Universo está hecho de materia y energía. La materia está compuesta de átomos y moléculas (que son grupos de átomos) y la energía hace que los átomos y las moléculas estén en constante movimiento - rotando alrededor de sí mismas, vibrando o chocándose unas con otras. El movimiento de los átomos y moléculas crea una forma de energía llamada calor o energía térmica, que está presente en todo tipo de materia. Incluso en los vacíos más frío de espacio hay materia que posee calor, muy pequeño pero medibleLa energía puede presentarse de muy diferentes formas y pude cambiar de una a otra. Muchos tipos de energía pueden convertirse en calor. La energía electromagnética (luz), la electrostática (o eléctrica), la mecánica, la química, la nuclear, el sonido y la térmica, pueden calentar una sustancia haciendo que se incremente la velocidad de sus moléculas. Si ponemos energía en un sistema éste se calienta, si quitamos energía se enfría. Por ejemplo, si estamos fríos podríamos ponernos a saltar para entrar en calor.Estos son algunos ejemplos de los diferentes tipos de energía que pueden convertirse en energía térmica (calor).(1) La energía mecánica se convierte en energía térmica siempre que botamos una pelota. Cada vez que la pelota rebota en el suelo parte de la energía de su movimiento (energía cinética) se convierte en calor, haciendo que la pelota cada vez rebote menos(2) La energía térmica puede ser transferida de unos objetos a otros haciendo que se calienten. Cuando calentamos agua en una cazuela, el calor de la estufa hace que las moléculas de la cazuela empiecen a vibrar más deprisa, haciendo que la cazuela se caliente. El calor de la cazuela hace a su vez que las moléculas de agua se muevan más deprisa calentándose. Por lo tanto cuando calentamos algo no estamos más que incrementando la velocidad de sus moléculas.(3) La energía eléctrica se convierte en energía térmica cuando usamos estufas eléctricas, tostadores o bombillas.(4) Nuestros cuerpos convierten a energía química de los alimentos que comemos en calor.(5) La luz del Sol se convierte en calor y hace que la superficie de la Tierra esté caliente.La energía térmica es la energía cinética (relacionada con el movimiento) media de un conjunto muy grande de átomos o moléculas. Esta energía cinética media depende de la temperatura, que se relaciona con el movimiento de las partículas (átomos y moléculas) que constituyen las sustancias.

Ejemplo de trayectoria caótica seguida por una molécula de una sustancia gaseosa

2. LA TEMPERATURA

La temperatura es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia. Como lo que medimos en su movimiento medio, la temperatura no depende del número de partículas en un objeto y por lo tanto no depende de su tamaño. Por ejemplo, la temperatura de un vaso de agua hirviendo es la misma que la temperatura de una olla de agua hirviendo, a pesar de que la olla sea mucho más grande y tenga millones y millones de moléculas de agua más que el cazoNosotros experimentamos la temperatura todos los días. Cuando hace calor o cuando tenemos fiebre sentimos calor y cuando está nevando sentimos frío. Cuando estamos hirviendo agua, hacemos que la temperatura aumente y cuando estamos haciendo polos o paletas de helado esperamos que la temperatura baje.La temperatura se mide con un termómetro. Las escalas más empleadas para medir esta magnitud son la Escala Celsius (o centígrada) la Escala Fahrenheit y la Escala Kelvin. En la escala Celsius se asigna el valor 0 (0 ºC) a la temperatura de congelación del agua y el valor 100 (100 ºC) a la temperatura de ebullición del agua. El intervalo entre estas dos temperaturas se divide en 100 partes iguales, cada una de las cuales corresponde a 1 grado centígrado. Existe relación entre las escalas de temperatura, partiendo precisamente de los puntos de fusión y ebullición del agua, come se aprecia en la siguiente figura:

En la escala Fahrenheit se asigna el valor 32 (32 ºF) a la temperatura de congelación del agua y el valor 212 (212 ºF) a la temperatura de ebullición del agua. El intervalo entre estas dos temperaturas se divide en 180 partes iguales, cada una de las cuales corresponde a 1 grado Fahrenheit En la escala Kelvin se asignó el 0 a aquella temperatura a la cual las partículas no se mueven (temperatura más baja posible). Esta temperatura equivale a -273 ºC de la escala Celsius.Para realizar conversiones entre las escalas de temperaturas, tenemos que tener en cuenta lo siguiente:1. Para convertir de ºC a ºF use la fórmula:   ºF = ºC x 1.8 + 32.

2. Para convertir de ºF a ºC use la fórmula:   ºC = (ºF-32) ÷ 1.8.

3. Para convertir de K a ºC use la fórmula:   ºC = K – 273.15

4. Para convertir de ºC a K use la fórmula: K = ºC + 273.15.

5. Para convertir de ºF a K use la fórmula: K = 5/9 (ºF – 32) + 273.15.

6. Para convertir de K a ºF use la fórmula:   ºF = 1.8(K – 273.15) + 32.

3. CALOR Y EQUILIBRIO TÉRMICOCuando dos cuerpos a distintas temperaturas se ponen en contacto, terminan igualando sus temperaturas. Entonces se dice que se ha alcanzado el equilibrio térmico. Cuando dos sistemas entran en contacto, las partículas con mayor energía cinética transfieren, mediante choques, parte de su energía a las restantes partículas, de manera que al final la energía cinética media de todo el conjunto es la misma. Cuando dos sistemas en desequilibrio térmico entran en contacto, el de mayor temperatura transfiere energía térmica al de menor temperatura hasta conseguir el equilibrio térmico.El calor es la transferencia de energía desde un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura hasta otro de menor temperatura. Cuando ambos cuerpos igualan sus temperaturas se detiene la transmisión de energía. El calor siempre se transfiere desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura, independientemente de sus tamaños relativos.Unidades de medida del calorEl calor se mide en unidades de energía. Por tanto, en el Sistema Internacional su unidad es el julio (J). Sin embargo, la unidad tradicional para medir el calor es la caloría (cal). La equivalencia es: 1 cal = 4,184 J  ó  1 J = 0,24 cal (grupo 8e 7-04-2014)Resumen: El calor es la energía que tiene un objeto debida al movimiento de sus átomos y moléculas que están constantemente vibrando, moviéndose y chocando unas con otras. Cuando añadimos energía a un objeto, sus átomos y moléculas se mueven más deprisa, incrementando su energía de movimiento o calor. Incluso los objetos más fríos poseen algo de calor porque sus átomos se están moviendo.La temperatura es una medida de la energía media de las moléculas en una sustancia y no depende del tamaño o tipo del objeto. Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo este no es el caso. El calor y la temperatura están relacionadas entre si, pero son conceptos diferentes.El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de la energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo. Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua puede ser la misma que la temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene más calor porque tiene más agua y por lo tanto más energía térmica total

La temperatura no es energía sino una medida de ella, sin embargo el calor sí es energía.

1.1. TRANSFERENCIA DE CALORLa transmisión de calor siempre ocurre desde el cuerpo más caliente al más frío. Se puede dar por tres mecanismos: Conducción, convección y radiación.

I.1.1 ConducciónEl proceso por el que se transmite calor de un punto a otro de un sólido se llama Conducción.

En la conducción se transmite energía térmica, pero no materia. Los átomos del extremo que se calienta, empiezan a moverse más rápido y chocan con los átomos vecinos transmitiendo la energía térmica. Las sustancias tienen distinta conductividad térmica, existiendo materiales conductores térmicos y aislantes térmicos.

Conductores térmicos: Son aquéllas sustancias que transmiten rápidamente la energía térmica de un punto a otro. Por ejemplo, los metales.

Aislantes térmicos: Son aquéllas sustancias que transmiten lentamente la energía térmica de un punto a otro. Ejemplos: Vidrio, hielo, ladrillo rojo, madera, corcho, etc. Suelen ser materiales porosos o fibrosos que contienen aire en su interior.

I.1.2. ConvecciónLa convección es el proceso por el que se transfiere energía térmica de un punto a otro de un fluido (líquido o gas) por el movimiento del propio fluido.

Al calentar, por ejemplo, agua en un recipiente, la parte del fondo se calienta antes, se hace menos densa y sube, bajando el agua de la superficie que está más fría y así se genera un proceso cíclico. En la convección se transmite energía térmica mediante el transporte de materia. 

I.1.3. RadiaciónLa radiación es el proceso por el que los cuerpos emiten energía que puede propagarse por el vacío.La energía que los cuerpos emiten por este proceso se llama Energía radiante. Por ejemplo, la Tierra recibe energía radiante procedente del Sol, gracias a la cual la temperatura del planeta resulta idónea para la vida.

Todos los cuerpos radian energía en función de su temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la energía de la radiación que emiten.

Las radiaciones se clasifican, de menor a mayor energía en:

Las radiaciones de alta frecuencia son las que tienen más energía (rayos gamma, rayos X, ultravioleta).

Todos los cuerpos absorben radiación, pero también reflejan parte de ella. Los cuerpos que absorben las radiaciones, pero reflejan muy pocas, se perciben como oscuros o negros (si no reflejan ninguna). Por el contrario, los cuerpos que reflejan las radiaciones y absorben muy pocas, se perciben como claros o blancos (si las reflejan todas). 8c- 8-4-2014

2) DILATACIÓN TÉRMICACuando la temperatura de un cuerpo varia, se produce un cambio en sus dimensiones (dilata o contrae), y a menudo deforma, que se conoce como dilatación térmica. Cuando se recupera la temperatura inicial, se recuperan las dimensiones y la forma, y por tanto, el fenómeno es reversible. Un incremento de temperatura implica, normalmente, un aumento de las distancias interatómicas (y por tanto, una dilatación) debido al incremento de la vibración térmica de cada uno de los átomos. Si imaginamos un sistema sencillo formado por dos átomos enlazados, a 0ºK el sistema es estático, no hay vibración térmica y los centros de los átomos se encuentran a una distancia determinada do.

Al aumentar la temperatura, los átomos vibran alrededor de posiciones de equilibrio, y por tanto, la distancia promedio entre los dos centros (d1) es mayor y el sistema dilata. En la figura, para simplificación se ha representado una vibración esférica alrededor del centro, por bien que en realidad no tiene esta forma). Intuitivamente, es fácil imaginar que a mayor temperatura, más amplia es la vibración, y más grande la distancia entre los átomos, con el límite de estabilidad del sistema (transformación o fusión, en el caso de los cristales). La dilatación térmica se puede clasificar en Lineal, Superficial y Volumétrica.

La dilatación lineal se presenta en cuerpos donde la dimensión predominante es la longitud, por ejemplo en tubos, varillas, etc.

La dilatación superficial se presenta en cuerpos donde la dimensión predominante es el área, por ejemplo en láminas, placas, etc.

La dilatación volumétrica se presenta en cuerpos donde la dimensión predominante es el volumen, por ejemplo en esferas, cubos, etc.

ACTIVIDAD 1

I. Determina el valor de verdad de las siguientes afirmaciones, colocando (V) si es verdadera o (F) si es falsa

1) Calor y temperatura tienen las mismas unidades ( )2) Los cambios de fase ocurren a temperatura constante ( )3) El agua ebulle a los 100°F ( ) 4) Las unidades del calor en el S.I el Kelvin5) A mayor temperatura mayor es el calor que posee el cuerpo ( )6) En la transferencia de calor por convección, no hay transferencia de masa ( )7) El calor fluye de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura ( )8) El cambio de estado de sólido a gas se llama sublimación ( )9) La fusión es un cambio de estado exotérmico ( )10) La dilatación superficial se presenta en tubos y varillas ( )

1) ¿Cuál de las siguientes, es la temperatura de congelación del agua?

a. –273 °Cb. 0 °Fc. 32 °Cd. 32 °F

2) El calor es:

a. Lo mismo que temperaturab. La medida de la energía interna de un cuerpoc. Una forma de energía en tránsitod. La cantidad de temperatura de un cuerpo

3) El calor se transfiere más fácilmente por conducción a través de:

a. Metales.b. Líquidos.c. Gases.d. Espacio.

4.)El calor se transfiere en un cuarto debido principalmente a:

a. La convección.b. El intercambio de calor.c. La conducción.d. La absorción.

5.) El calor produce corriente de convección en:

a. Sólidos y líquidos.b. Líquido y gases.c. Varios y gases.d. Líquidos y varios.

6.)¿Cuál de los siguientes, es el peor conductor de calor?

a. Cobre.b. Hierro.c. Agua.d. Plata.

7.)Un aparato utilizado para medir la energía térmica se llama:

a. Termómetro.b. Máquina térmica.c. Calorímetro.d. Caloría.

8.)En una región nevada se observa los techos de dos casas, uno cubierto con nieve y el otra con su techo sin nieve. Si ambas casas tienen encendido el mismo sistema de calefacción se puede concluir que la casa con el techo cubierto con nieve:

a. posee una mala aislación térmicab. posee una buena aislación térmicac. posee igual aislación térmica que la que no tiene nieved. está tan fría adentro como afuera.

9.)Cuando un cuerpo está más caliente que otro, queremos decir que:a. Su temperatura es mayor.b. Contiene más calor.c. Su energía interna es mayor.d. Su energía térmica es mayor

II. Resuelve los siguientes problemas1) La temperatura normal de una persona es 36,5ºC expresa en grados Fahrenheit ésta temperatura.2) ¿A qué temperatura los termómetros con escalas Fahrenheit y Celsius marcan los mismo.3) Los puntos de fusión y ebullición, a la presión atmosférica, del alcohol etílico son - 117ºC y 78,5ºC

convertir estas temperaturas a la escala Fahrenheit y a Kelvin.4) Los puntos de fusión y ebullición a presión atmosférica del mercurio son 675ºF y - 38ºF convertir esas

temperaturas a grados centígrados5) La liberación de ______________ se presenta en los procesos _____________

III. Completa las siguientes oraciones1) El calor puede transferirse por _________________, por________________ y por ________________2) El caldo en el interior de una cacerola al fuego se va calentando en su totalidad por ________________3) El calor del interior de una vivienda puede transferirse al exterior a través de puertas, ventanas, paredes y techos por

__________________ 4) La energía térmica procedente del Sol llega hasta nosotros por ___________________.5) Cuando dos cuerpos a distintas ______________ se ponen en contacto, terminan igualando sus

______________, este proceso se conoce como ________________ _________________

IV. Responde las siguientes inquietudes

1) ¿Qué sucede cuando dos cuerpos de diferente temperatura se ponen en contacto? (de donde a donde fluye el calor) ¿influye el tamaño con la transferencia?2) Las moléculas de un cuerpo están en constante movimiento, ¿qué le pasa a dichas moléculas si aumenta o disminuye la temperatura?3) Explica que le sucede a las moléculas y a la energía, al pasar de un estado a otro.4) Explica y da ejemplos de la transferencia de calor por: inducción, convección y radiación.5) Por qué los cambios de fase ocurren a temperatura constante?

DE ACUERDO A LO APRENDIDO RESPONDE LAS SIGUIENTES PREGUNTAS

1. Explica físicamente si los ritmos musicales de cada región tiene que ver con el calor y la temperatura de estas.

2. Explica 5 ejemplos diferentes a los del texto, donde la energía se convierte en calor.3. Cuando una persona realiza una carrera atlética comienza a sudar, explica físicamente, que pasa con

su temperatura antes y después de sudar, que pasa con su energía calorífica y el movimiento de sus moléculas.

4. Depende la temperatura de una sustancia del tamaño de ésta.5. Explica la diferencia entre calor y temperatura.6. Realiza el siguiente experimento: tome dos recipientes transparentes de agua y un colorante

alimenticio (fresco royal) Llene un recipiente de agua caliente y otro de agua fría (con la misma cantidad de agua). Cuando el agua esté quieta ponga una gota de colorante alimenticio (fresco royal) en el centro del recipiente. A medida que las moléculas de agua chocan con las moléculas del colorante, el colorante se expandirá. En que recipiente se expande con mayor rapidez el colorante ¿por qué?

7. Tenemos un vaso de agua hirviendo y una olla de agua hirviendo ¿Qué objeto contiene más calor ¿por qué? ¿Qué objeto contiene mayor temperatura ¿por qué?

8. Si tomamos dos objetos que tienen la misma temperatura y los ponemos en contacto, habrá transferencia de energía entre ellos ¿por qué?

9. Si los objetos tienen diferente temperatura ¿Habrá transferencia de energía?10. Si en las dos preguntas anteriores son afirmativas de donde a donde se transfiere la energía?11. ¿Qué pasa con la energía de un cuerpo cuando está cambiando del estado sólido al estado líquido?12. ¿Qué pasa con la energía de un cuerpo cuando está cambiando del estado Líquido al estado sólido?13. Escoge la respuesta correcta ¿Es correcto pensar que la temperatura es la cantidad de calor que

almacena un cuerpo?a) No, la temperatura mide la energía total de agitación de las partículas de un cuerpo b) Sí, la temperatura mide el calor medio de las partículas de un cuerpo c) No, la temperatura mide la energía media de agitación de las partículas de un cuerpo d) Sí, la temperatura mide el calor total de las partículas de un cuerpo

Se define calor específico c como la cantidad de calor que hay que proporcionar a un gramo de sustancia para que eleve su temperatura en un grado centígrado. En el caso particular del aguac vale 1 cal/(g ºC) ó 4186 J(kg ºK).