Energía térmica y temperatura

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Energía térmica y temperatura

  1. 1. TEMA 6: ENERGÍA TÉRMICA1. ENERGÍA TÉRMICA Y TEMPERATURA En nuestra vida cotidiana empleamos con frecuencia términos como calor o temperatura.En este apartado vamos a aprender que en la Ciencia, a diferencia de lo que ocurre en el len-guaje cotidiano, ambos conceptos no significan lo mismo. También aprenderemos la relaciónque estos conceptos tienen con la energía. La energía térmica (o energía calorífica) es la que poseen los cuerpos de- bido al movimiento de las partículas que los forman. Por eso, este movimiento también se llama agitación térmica. La energía térmica que posee un cuerpo es parte de su energía interna y no se puede medir y tampoco calcular, puesto que es imposible conocer los detalles del movimiento de cada una de la inmensa cantidad de partículas que forman un cuerpo (por pequeño que éste sea). Sin embargo, la agitación térmica de las partículas que forman un cuerpo está relacionada con su temperatura. Cuanta mayor sea la temperatura de un cuerpo, mayor es la agitación térmica y la canti-dad de energía térmica que posee.1.1 CALOR Y TEMPERATURA Al poner en contacto dos cuerpos con diferente temperatu- ra, podremos comprobar como, al cabo de cierto tiempo (más o menos largo, según el caso) ambos cuerpos terminan por tener la misma temperatura. En ese momento, los físicos dicen que los cuerpos han al- canzado el equilibrio térmico. Para llegar al equilibrio térmico el cuerpo caliente transfiere calor al más frío. Ideas básicas: • El calor no es algo que posean los cuerpos. • El calor es energía que se transfiere de los cuerpos calientes a los fríos. • El calor y la temperatura NO son lo mismo.1.2. UNIDADES DE MEDIDA La unidad de calor en el Sistema Internacional, como del resto de las energías, es el julio(J). Sin embargo, es frecuente que el calor se mida en calorías (cal) o kilocalorías (kcal), comose puede ver en la información nutricional de la etiqueta de los alimentos. Algo más sobre las unidades de medida en el material complementario. Equivalencia entre el julio y la caloría 1 J = 0,24 cal 1 cal = 4,18 J La temperatura es sólo la magnitud que miden los termómetros y se mide en grados. * En nuestra vida cotidiana, usamos el grado centígrado o Celsius (ºC) (ver materialcomplementario). * En los países anglosajones emplean el grado Farenheit (ºF). * En el Sistema Internacional se emplea el kelvin (K). Ámbito Científico Tecnológico, Módulo IV, Bloque 7, Tema 6, Página 1 de 6
  2. 2. Autoevaluación El movimiento incesante de las partículas que forman un cuerpo se llama: a) Temperatura. b) Agitación térmica. c) Calor. Dos cuerpos están en equilibrio térmico cuando a) Están a la misma temperatura. b) Contienen la misma cantidad de calor. c) Contienen la misma cantidad de partículas. El calor, como energía que es, se mide en a) Kelvin. b) Vatios. c) Julios. Los termómetros se emplean para medir a) El calor. b) La energía térmica. c) La temperatura.1.3. CALOR INTERCAMBIADO Y VARIACIÓN DE TEMPERATURA Experimento 1: Se propone un experimento casero. Meta en el microondas dosrecipientes con agua (primero uno y luego el otro), de manera que uno de ellos con-tenga el doble de agua que el otro. Caliéntelos durante el mismo tiempo y a la mis-ma potencia ¿cuál de ellos se calentará más? Con esta experiencia ha podido comprobar que lo que un cuerpo se ca- liente (o se enfríe) no solo depende del calor que gane o pierda, sino también de la masa que tenga. Cuanto mayor sea la masa de un cuerpo, más calor debe ganar o perder para que su temperatura cambie una cantidad concreta. Por otro lado, no todos los cuerpos se calientan (o enfrían) lo mismo, aunque tengan lamisma masa. Si no está convencido/a de ello, pruebe a hacer la siguiente experiencia: Experimento 2: Ponga en el microondas, durante el mismo tiempo y a la mismapotencia (así se asegura de que suministra la misma energía), dos vasos, uno de Ámbito Científico Tecnológico, Módulo IV, Bloque 7, Tema 6, Página 2 de 6
  3. 3. agua y otro de aceite, pero que tengan el mismo peso. ¿Cuál de ellos se ha calentado más?... La distinta capacidad de los materiales para cambiar de temperatura cuando ganan opierden calor se llama calor específico. El calor específico de una sustancia nos indica cuánto calor debe ganar o perder 1 kg deuna sustancia para que su temperatura varíe 1 K (o 1 ºC).2. CALOR ABSORBIDO Y CALOR DESPRENDIDO De nuevo tiene que coger el material de matemáticas (calculadora, lápiz y papel) y po-nerse manos a la obra. Si lo va haciendo al mismo tiempo que lo ve lo comprenderá muchomejor. Variable Unidad Qabs es calor absorbido julios M es masa kilogramos Ce es calor específico Julio/ kg · kelvin tf es temperatura final kelvin ti es temperatura inicial kelvin Se ha comprobado experimentalmente que el calor absorbido o desprendido por un cuer-po se calcula con la fórmula: Qabs = m · Ce · (tf - ti) Recordemos que el calor específico dependerá de la materia a la que se le quiere calcular el Calor absorbido o desprendido, aquí tiene una tabla que recoge los datos sobre el calor específico de los materiales más comunes. Para saber más: En este enlace tiene los valores del calor específico de cada uno de los elementos de la tabla periódica: http://herramientas.educa.madrid.org/tabla/properiodicas/calorespecifico.h- tml Conversión .......a Fórmula de.... Kelvin Grados Celsius ºC = K -273 Grados Celsius Kelvin K = ºC+273 Ejemplo 1: Un trozo de hierro de 200 gramos de masa que se encuen- tra a 30 ºC, se calienta hasta alcanzar 80 ºC ¿Qué cantidad de calor ha ab- sorbido o desprendido? Convertimos los gramos en kg, y los ºC en K: 200 g equivalen a 0,2 kg , 30 ºC a 303 K y 80 ºC equivalen a 353 K El trozo de hierro ha absorbido 4500 J Observe que era indiferente el cambio de unidad de ºC a K ya que la diferencia de gra-dos es la misma: 50ºC ó 50K. Autoevaluación Ámbito Científico Tecnológico, Módulo IV, Bloque 7, Tema 6, Página 3 de 6
  4. 4. Calentamos un balín de plomo de masa 400 g desde 10 ºC hasta 90 ºC ¿Qué cantidad decalor absorberá el balín de plomo al calentarse?(Recuerde que la masa debe pasarse a kg. Elcalor específico del plomo es 129 J/kg). a) 4128 julios b) 4128000 julios c) 14400 julios ¿Qué cantidad de calor desprenderán 500 gramos de agua al enfriarse desde 100 ºChasta 0 ºC? (Hay que pasar la cantidad de masa a kg). a) 209000 julios b) - 209000 julios c) 209 millones de julios Ejemplo 2: Un trozo de hierro de 200 gramos de masa que se encontraba a 200 ºC, des-prende al enfriarse una cantidad de calor correspondiente a 3000 julios ¿Qué temperatura tie-ne ahora? El calor desprendido tendrá signo negativo, ya que representa una pérdida -3000 J = 0,2 kg · 450 J/(kg · K) ·(tf - 303 K) para no complicar los cálculos nos olvidamos por un momento de lasunidades: -3000 = 90 · (tf - 303) -3000 = 90 · tf - 27270 -3000 + 27270 = 90 · tf 24270 = 90 · tf tf = = 269.97 K Convertimos los K en ºC y así tenemos que la temperatura del trozo de hierro es de -3,33ºC. Autoevaluación ¿Qué temperatura en ºC alcanzan 100 gramos de oxígeno a 15 ºC al absorber 1804 juliosde calor? a) 20 ºC b) -20 ºC c) 35 ºC Si absorbe calor la temperatura aumenta. Despeje la variable “g” de la fórmula a) ; b) ; c) Seguimos rellenando tablas, en este caso referidas al calor desprendido o absorbido porun vaso de vidrio (calor específico del vidrio 800 J/(kg·K)). Tenga cuidado con las unidades. masa T. inicial T. final Calor (en julios) Desprendido o Absorbido 2 kg 40 ºC 150 ºC 300 g 60 ºC 240 K Desprendido Kg 349 K 234 K -368000 J 234 cg -35 ºC 30 ºC 1/2 kg ºC 90 ºC 12000 J Absorbido 10 g 36 ºC ºC 512 J Ámbito Científico Tecnológico, Módulo IV, Bloque 7, Tema 6, Página 4 de 6
  5. 5. Estos datos pueden repre- sentarse en una gráfica con lo que obtendremos una informa- ción visual de cómo se relacio- nan las variables. Consideramos la tabla asociada a la Temperatura al- canzada por una vasija de co- bre (calor específico del cobre 383 J/(kg·K) ) de 0,2 kg al que estamos calentando desde una temperatura ambiente de 10ºC hasta que alcanza los 100ºC. Podemos observar una re- lación afín entre el calor que absorbe la vasija y la tem- peratura que alcanza. El mínimo valor alcanzado es de 10ºC y a partir de ahí va aumentando proporcionalmen-te. Temp. final Qabs= m·Ce·(tf-ti) 10 ºC 20 ºC 50 ºC 100 ºC Esta relación se observa con la representación gráfica ya que siempre que ocurra esto el"dibujo" resultante será una recta que NO pasa por el origen de co-ordenadas. Autoevaluación Asocie cada fórmula con su gráficacorrespondiente. A continuación se presen-tan las fórmulas seguidas de las opcionesa la que corresponden: Opción 1: Opción 2: Opción 3: Opción 4: Justifique las elecciones que ha hecho. Ámbito Científico Tecnológico, Módulo IV, Bloque 7, Tema 6, Página 5 de 6
  6. 6. MATERIAL COMPLEMENTARIO Unidades de medida Al igual que cualquier en lengua castellana, el lenguaje científico tiene sus reglas de orto-grafía. Aquí le recordamos dos de ellas: • El prefijo “kilo”, delante de una unidad, significa “mil”, y se simboliza con una k minúscula. Así, se escribe 1 km y significa 1000 m, o 1 kg y significa 1000 g. • Cuando el nombre de una unidad hace honor a una persona (normalmente un científico) la unidad se escribe en minúscula y su símbolo se escribe con mayúscula. Así, debemos escribir N para la unidad newton, o J para la unidad julio. Busque en etiquetas de alimentos la información relativa a su contenido energético, y fí-jese cómo vienen expresadas las unidades. ¿Cree que debe ser igual de importante una faltade ortografía en el lenguaje científico que en el lenguaje “normal”? Los grados Celsius La escala Celsius de temperatura fue propuesta por el físico sueco An- ders Celsius a mediados del siglo XVIII. Desde sus inicios, se llamó escala cen- tígrada porque dividía el intervalo entre la temperatura a la que funde el hielo y la temperatura a la que hierve el agua en 100 partes iguales, a diferencia de la escala Farenheit, que lo hacía en 180 partes iguales (y por lo tanto no era una escala centígrada) El término “grados centígrados” para referirse a la temperatura medida con esta escala se mantuvo oficialmente hasta 1948. En esta fecha, se cambiópor el término “grados Celsius”, haciendo honor al inventor de esta escala y para evitar confu-siones con los grados centígrados empleados entonces en la medida de ángulos (ahora llama-dos grados centesimales). No obstante, coloquialmente sigue utilizándose la expresión “grados centígrados” Ámbito Científico Tecnológico, Módulo IV, Bloque 7, Tema 6, Página 6 de 6

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