140 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Conceptos como los de calor y temperatura forman parte de nuestro lenguaje cotidia-
no y estaacuten presentes en la explicacioacuten de muchos fenoacutemenos de la naturaleza Acercarse
a la construccioacuten de estos conceptos cientiacuteficos permitiraacute una mejor comprensioacuten del
funcionamiento de numerosos aparatos de uso habitual
Es posible explicar con ellos por ejemplo queacute ocurre con los cuerpos de distintas
temperaturas cuando se ponen en contacto por queacute los materiales generalmente
se dilatan al calentarse o coacutemo puede transmitirse el calor en soacutelidos liacutequidos y
gases entre otros conceptos
Cuando se habla de las condiciones teacutermicas de un sistema es habitual
utilizar indistintamente calor o temperatura Se suele decir por ejemplo que
el agua para preparar el cafeacute estaacute demasiado caliente o que el
helado que se saca del congelador estaacute friacuteo cuando lo
que realmente se intenta expresar es que la tem-
peratura del agua es elevada o que el helado del
congelador se encuentra a baja temperatura
Tambieacuten suele decirse que en verano
hace calor o en invierno friacuteo pero lo que
se percibe en realidad no es el calor sino la
sensacioacuten teacutermica
En este capiacutetulo se analizaraacuten las dife-
rencias entre los conceptos de temperatura
y calor
8 CALOR Y TEMPERATURA
CONTENIDOS
Temperatura
Escalas termomeacutetricas
Los termoacutemetros
Dilatacioacuten
Calor
Calor especiacutefico
Propagacioacuten del calor
Los cambios de estado
Calor de fusioacuten y calor latente
de vaporizacioacuten
El placer maacutes noble es el juacutebilo de comprender
Leonardo da Vinci
141
Temperatura
La palabra temperatura es muy familiar para todos pero es necesario precisar en teacuter-
minos cientiacuteficos este concepto para diferenciarlo del concepto de calor
A nuestro alrededor existen muchos cuerpos u objetos formados por distintos tipos de
materiales Cada uno de estos materiales puede caracterizarse si se analizan sus propieda-
des La madera el plaacutestico los metales el cemento el papel etc son distintos tipos de
materiales con diferentes caracteriacutesticas propias (densidad punto de fusioacuten resistencia
etc) En teacuterminos quiacutemicos los materiales puede clasificarse y estudiarse de acuerdo con
los elementos que los componen
Para analizar las caracteriacutesticas de un cuerpo o de una sustancia es necesario conocer
ciertos paraacutemetros o variables de estado que de alguna forma permiten determinar sus pro-
piedades
Un cuerpo o una sustancia estaacuten formados por materia Eacutesta a su vez estaacute formada por
partiacuteculas que estaacuten en permanente movimiento Cuanto maacutes raacutepido se muevan mayor
seraacute la temperatura del cuerpo o de la sustancia
La temperatura es entonces una variable de estado de la materia relacionada con la
energiacutea cineacutetica promedio de sus partiacuteculas
Conocer la temperatura de un cuerpo o una sustancia asiacute como tambieacuten otras varia-
bles de estado como la presioacuten la densidad el punto de ebullicioacuten la resistencia eleacutec-
trica la resistividad o la conductividad aporta mayor informacioacuten sobre sus propiedades
fiacutesicas Es importante remarcar entonces que los cuerpos no tienen calor ni friacuteo sino una
determinada temperatura que los caracteriza y que si este paraacutemetro variacutea pueden modi-
ficarse algunas de sus propiedades
El Glaciar Perito Moreno Provincia de
Santa Cruz
La temperatura es una magnitud que se relaciona
con la velocidad promedio del movimiento molecular de la materia Cuanto mayor es el movimiento de sus moleacuteculas mayor es la energiacutea cineacutetica (energiacutea de movimiento) ya que estas moleacuteculas se trasladan y rotan con mayor raacutepidez En este caso tambieacuten la temperatura es mayor
142 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
iquestQueacute es la sensacioacuten teacutermica
Se denomina sensacioacuten teacutermica a la temperatura detectada por la piel de cada perso-
na frente a determinadas condiciones climaacuteticas que no solo dependen de la temperatura
del aire sino tambieacuten de la velocidad del viento y de la humedad o vapor de agua que
contiene el aire Aunque la sensacioacuten teacutermica es una medida muy subjetiva es posible
calcularla y tabularla teniendo en cuenta los paraacutemetros sentildealados
La sensacioacuten de friacuteo estaacute relacionada con la velocidad de transferencia o intercambio
de energiacutea desde la piel expuesta al aire De esta manera si la temperatura es baja y hay
viento eacuteste aumenta la disipacioacuten de calor del cuerpo haciendo que la sensacioacuten sea la
que se experimentariacutea en un ambiente con una temperatura menor De igual modo si hace
calor y hay viento eacuteste contribuye a evaporar maacutes raacutepidamente la transpiracioacuten provo-
cando la sensacioacuten de una temperatura menor que la real Tambieacuten la humedad del aire es
un factor a tener en cuenta Asiacute por ejemplo si la temperatura del aire es 27 ordmC la sensa-
cioacuten teacutermica es igual a esa temperatura si la humedad relativa es 40 Sin embargo si la
humedad aumenta a 80 la persona se siente como si estuviera en un ambiente a 32 ordmC
Escalas termomeacutetricas
En la vida cotidiana resulta uacutetil conocer la temperatura del aire ya que brinda informacioacuten
sobre el estado del tiempo y las condiciones climaacuteticas Tambieacuten puede resultar uacutetil controlar
la temperatura corporal en los enfermos o la temperatura de conservacioacuten de algunos alimen-
tos Para medir la temperatura es necesario disponer de un instrumento llamado termoacuteme-
tro Los termoacutemetros pueden tener distintas escalas que permiten asignar un nuacutemero a cada
estado teacutermico Para calibrar un termoacutemetro se deben considerar dos puntos de referencia
llamados puntos fijos Algunas variantes en su determinacioacuten son las siguientes
Escala Fahrenheit
A principios del siglo XVIII Gabriel Fahrenheit (1686-1736) creoacute la escala que lleva su
nombre El punto fijo inferior de esta escala corresponde a la temperatura de fusioacuten de una
solucioacuten de cloruro de amonio en agua a la que asignoacute el valor 0 ordmF El punto fijo superior
corresponde a la temperatura de agua en ebullicioacuten a la que asignoacute el valor 212 ordmF Un ter-
moacutemetro asiacute graduado indica que la temperatura de fusioacuten del hielo a presioacuten normal es 32
ordmF Esta escala es muy utilizada en algunos paiacuteses como los Estados Unidos
Escala Celsius
En 1743 Anders Celsius (1701-1744) creoacute la escala Celsius En esta escala se asignoacute al punto
de fusioacuten del hielo a una temperatura de 0 ordmC y al punto de ebullicioacuten del agua 100 ordmC ambos
valores a presioacuten normal Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacuteses de Europa y Ameacuterica latina
Como en la escala Fahrenheit el punto de fusioacuten del hielo corresponde a 32 ordmF se tiene que
0 ordmC corresponde a 32ordmF Con lo cual mientras en la escala Celsius el intervalo entre los puntos
de fusioacuten y ebullicioacuten del agua queda divido en 100 partes iguales la escala Fahrenheit divide
al mismo intervalo en 180 partes iguales (de 32ordmF a 212ordmF) Puede deducirse entonces que
T C
_____ 100ordmC
= T F
ndash 32 degF _________ 180 degF rArr T C = 5 degC ____ 9 degF ( T F ndash 32 ordmF) y T F = 32 ordmF + 9 degF ____
5 degC T C
donde T C es la temperatura medida en la escala Celsius y T F es la temperatura medida
en la escala Fahrenheit
La sensacioacuten teacutermica
Materiales
Tres recipientes Agua friacutea tibia y caliente
Procedimiento
1 Tomen los tres recipientes y coloquen cantidades iguales de agua friacutea en uno de ellos tibia en otro y caliente en el tercero
2 Pongan una mano en el agua caliente y otra en el agua muy friacutea por 30 segundos
3 Pasen ambas manos al recipiente con agua templada
Contesten las siguientes
preguntas
1 iquestCoacutemo se siente el agua en la mano que estaba antes en el agua friacutea
2 iquestCoacutemo se siente el agua en la mano que estaba antes en el agua caliente
3 iquestQueacute pueden decir respecto de la temperatura del agua tibia
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
143
Escala Kelvin
Fue nombrada asiacute en honor a William Thomson el que maacutes tarde seriacutea Lord Kelvin (1824-
1907) quien a los 24 antildeos creoacute una escala termomeacutetrica de gran uso en muchos paiacuteses del
mundo Esta escala se calibra en teacuterminos de la energiacutea de los cuerpos de modo tal que
existe un liacutemite de la temperatura miacutenima posible que corresponde al menor estado teacuter-
mico que puede alcanzar la materia A este liacutemite se lo denominoacute 0 K o cero absoluto
Las unidades de la escala Kelvin se dimensionan de igual forma que los grados de la esca-
la Celsius esto significa que una variacioacuten de temperatura de diez grados Kelvin es lo mismo
que una variacioacuten de 10 grados Celsius Luego sobre la base de la escala Celsius se asigna
27315 K a la temperatura de fusioacuten del hielo es decir 0 ordmC y 37315 K para la temperatura de
ebullicioacuten del agua o sea 100 ordmC De este modo el 0 K coincide con el ndash27315 ordmC
Esta escala es la uacutenica utilizada por los cientiacuteficos para desarrollos teoacutericos y es la que
se toma como la unidad de temperatura en el Sistema Internacional de Unidades (SI) y en el
Sistema Meacutetrico Legal Argentino (SIMELA) Se representa con la letra K y no ordmK
Se tiene ademaacutes que
T K = 27315 degC + T C
donde T C es la temperatura medida en la escala Celsius y T K es la temperatura en la
escala Kelvin
Aplicaciones de las escalas termomeacutetricas
1 Un periodista del estado de California en EEUU anuncia el pronoacutestico del diacutea y dice
que la temperatura maacutexima seraacute de 50 ordmF iquestAconsejaraacute a los habitantes llevar abrigo
Para saber si haraacute friacuteo o no es necesario transformar la temperatura medida en la
escala Fahrenheit a la escala Celsius para ello como
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmF middot ( T F minus 32 ordmF) = 5 ordmC ____ 9 ordmF middot (50 ordmF minus 32 ordmF) = 10 ordmC
la temperatura es de 10 ordmC es decir hay que llevar algo de abrigo
2 La temperatura normal del cuerpo es de 37 ordmC iquestcuaacutel es esa temperatura medida en ordmF
Como T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
middot T C entonces T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
middot 37 ordmC = 986 ordmF
la temperatura normal del cuerpo es 986 ordmF
3 La temperatura ambiente del aula es 22 degC iquestCuaacutel seraacute la temperatura en la escala Kelvin
Como T K = 27315 ordmC + T C entonces T K = 27315 ordmC + 22 ordmC = 29515 K
William Thomson (Lord Kelvin 1824-1907) fue
uno de los grandes maestros de la termodinaacutemica del siglo XIX Nacioacute en Belfast y se hizo famoso por sus teoriacuteas y rico con sus inventos Como fiacutesico esbozoacute los fundamentos de la teoriacutea de las oscilaciones eleacutectricas propugnoacute la escala absoluta de temperaturas y repuso la doctrina de la disipacioacuten de la energiacutea
1 La temperatura de una habitacioacuten aumenta 6 ordmC iquestCuaacutel fue el aumento medido en las escalas absoluta y Fahrenheit
2 a iquestPuede haber alguacuten estado teacutermico para el que su temperatura en la escala Fahrenheit sea positiva y en Celsius negativa
biquestHay estados en los que ocurra lo contrario
3 iquestCuaacutel es el valor para el cual la temperatura medida en grados Celsius y en grados Fahrenheit estaacute representada por el mismo nuacutemero
aACTIVIDADES
144 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Los termoacutemetros
Existen diversos tipos de termoacutemetros que se construyen para fines especiacuteficos Tanto los
termoacutemetros cliacutenicos que sirven para medir la temperatura corporal como las termocuplas que
regulan la temperatura de algunos procesos industriales o los termoacutemetros de alcohol colorea-
do usados en meteorologiacutea basan su funcionamiento en distintas variables termomeacutetricas
Los termoacutemetros cliacutenicos
Constan de un tubo de vidrio que contiene mercurio (metal liacutequido de faacutecil dilatacioacuten)
con un estrangulamiento cerca del bulbo para impedir que el mercurio descienda a eacutel lue-
go de dilatarse lo cual facilita la lectura de la temperatura
La escala de los termoacutemetros cliacutenicos se extiende por
lo general desde 355 degC hasta 42 degC con una divisioacuten
miacutenima de la escala de 01 degC
Las termocuplas
Constan de dos alambres de diferentes materiales que estaacuten soldados en un extremo y
terminan en una ficha especial en el otro
Cuando aumenta la temperatura en la unioacuten de los
metales se produce una fuerza electromotriz que se
mide con instrumento llamado voltiacutemetro Si se cali-
bra adecuadamente la escala se puede establecer
una comparacioacuten entre el registro del instrumento y
la temperatura de la unioacuten entre estos metales
Los metales utilizados pueden ser aleaciones de niacutequel-cromo niacutequel-aluminio hierro
y cobre etc Estos termoacutemetros permiten medir temperaturas dentro de un rango aproxi-
mado de ndash150 ordmC a 1500 ordmC
Los termorresistores
Son termoacutemetros construidos con un material que presenta una significativa variacioacuten
de su resistencia eleacutectrica con la temperatura Los maacutes usuales son los termorresistores de
platino que son alambres finos o laacuteminas delgadas encapsuladas en un material ceraacutemico
Se trata de sensores de gran sensibilidad y especificidad
Los termoacutemetros de alcohol
Estos termoacutemetros se utilizan en meteorologiacutea para medir la temperatura del aire
Permiten medir temperaturas inferiores a los ndash39 ordmC
lo cual resulta ideal para los registros de bajas tempe-
raturas del aire En estos casos el mercurio se solidifica
y es por ello que se usa el alcohol
Los termoacutemetros
como el de la imagen
permiten medir la
temperatura en
grados Celsius y en
grados Farenheit
145
Dilatacioacuten
Generalmente la variacioacuten de temperatura de un cuerpo provoca un cambio en sus
dimensiones Si la temperatura aumenta se produce un aumento del volumen del cuerpo
En ese caso se dice que el cuerpo sufrioacute una dilatacioacuten
Las amplias variaciones de la temperatura ambiente pueden provocar cambios en casi
todos los cuerpos Eacutestos se dilatan o se contraen ante un aumento o disminucioacuten impor-
tante de la temperatura
Para evitar que estos fenoacutemenos produzcan dantildeos por ejemplo en las viacuteas de los ferro-
carriles en las grandes estructuras metaacutelicas o de concreto armado se dejan juntas de
dilatacioacuten que son simplemente espacios que permiten la expansioacuten de estos materiales
Los puentes las calles asfaltadas y otras grandes estructuras se construyen en bloques
que se unen entre siacute con alguacuten tipo de material como el alquitraacuten que se acomoda o adapta
a los espacios libres y no impide la expansioacuten teacutermica evitando asiacute una rotura importante
Los vidrios comunes pueden romperse faacutecilmente si se los somete a un aumento de
temperatura Por este motivo los elementos de un laboratorio o los que se usan en
hornos de cocina estaacuten compuestos por un vidrio especial conocido como Pyrex (marca
de este tipo especial de vidrios) que soporta maacutes las altas temperaturas Este material se
dilata casi tres veces menos que el vidrio comuacuten ante igual variacioacuten de temperatura
No solo los soacutelidos se dilatan tambieacuten este fenoacutemeno se da en los liacutequidos y gases
El aumento de la temperatura del aire hace que aumente su volumen y por lo tanto
disminuya su densidad Las masas de aire caliente tienden a elevarse desplazando las
masas de aire de menor temperatura
Dilatacioacuten de los gases
MaterialesMateriales
Vaso de precipitados Agua Mechero Bunsen Jeringa
Procedimiento
1 Coloquen el agua en el vaso de precipitados
2 Pongan el vaso en contacto con el mechero hasta que el agua llegue al punto de ebullicioacuten
3 Introduzcan la jeringa dentro del
recipiente dejando un poco de aire en su interior
Contesten las siguientes preguntas
1 iquestHacia doacutende se desplaza el eacutembolo de la jeringa luego de unos minutos
2 iquestPor queacute creen que ocurre esto
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
En esta imagen puede verse una junta de
dilatacioacuten de las viacuteas del ferrocarril
Dilatacioacuten anoacutemala del
agua Generalmente los liacutequidos se dilatan al aumentar su temperatura pero el agua se comporta de una manera anoacutemala Cuando su temperatura aumenta desde 0 degC a 4 degC se contrae y maacutes arriba de los 4 degC comienza a dilatarse hasta llegar al punto de ebullicioacutenEste comportamiento poco habitual del agua es muy importante en la naturaleza ya que si se comportara como los demaacutes liacutequidos la vida de las especies acuaacuteticas no seriacutea posible Por ejemplo el fondo de un lago se cubririacutea de gran cantidad de hielo lo cual dificultariacutea la vida de seres que habitan este ecosistema
ndash10 degC
0 degC
4 degC
146 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Algo maacutes sobre la dilatacioacuten
No todas las sustancias dilatan de igual forma frente a un mismo aumento de tempe-
ratura La mayor o menor dilatacioacuten depende de distintos factores como por ejemplo las
caracteriacutesticas de cada material su composicioacuten y su estructura molecular o cristalina
Iguales voluacutemenes de hierro y de vidrio sufren dilataciones distintas frente a un mismo
aumento de temperatura Ademaacutes la dilatacioacuten de un cuerpo es directamente proporcio-
nal a la variacioacuten de temperatura y al volumen inicial En dos cuerpos de distinto volumen
e igual material que sufren un mismo aumento de temperatura se observaraacute mayor dilata-
cioacuten en el cuerpo de mayor volumen inicial
Lo expuesto se puede resumir en la siguiente expresioacuten matemaacutetica que permite el
caacutelculo de la dilatacioacuten de un cuerpo
ΔV = V o γ ΔT
donde ΔV es la variacioacuten del volumen producida durante la dilatacioacuten V o es el volumen
inicial es decir el volumen del cuerpo antes de este fenoacutemeno γ es el coeficiente de dila-
tacioacuten que depende de cada material y ΔT variacioacuten de temperatura que sufre el cuerpo
Muchas veces se considera una sola dimensioacuten para los caacutelculos de dilatacioacuten Por ejem-
plo puede resultar necesario conocer las variaciones de la longitud del cuerpo que prevalece
sobre otras de sus dimensiones Por esto se habla de la dilatacioacuten lineal de los cuerpos
La expresioacuten matemaacutetica para el caacutelculo de la dilatacioacuten lineal es
ΔL = L o α ΔT
donde ΔL es la variacioacuten de longitud producida durante la dilatacioacuten L o es la longitud
inicial α es el coeficiente de dilatacioacuten lineal y ΔT es la variacioacuten de temperatura
La dilatacioacuten teacutermica de algunos materiales se aprovecha para fabricar termostatos
que son unos aparatos disentildeados para el control de variables o procesos dependientes de
la temperatura Pueden encontrarse en planchas caloventores radiadores etc
Los termostatos estaacuten construidos por bandas
o cintas bimetaacutelicas formadas por la unioacuten o
soldadura de dos laacuteminas de metales distintos
Cuando la cinta se calienta uno de los metales
dilata maacutes que el otro y esto hace que la banda
se flexione en forma de curva En cambio cuan-
do se enfriacutea vuelve a la posicioacuten inicial Este
movimiento de las bandas puede accionar por
ejemplo una vaacutelvula o cerrar un interruptor de
suministro de energiacutea eleacutectrica
El coeficiente de dilatacioacuten lineal de un soacutelido
indica cual es la variacioacuten de su longitud inicial por unidad de longitud y por unidad de temperatura Esto se puede expresar de la siguiente manera
α = ΔL ______ L 0 middot ΔT
donde ΔL es la variacioacuten de longitud luego de la dilatacioacuten L 0 es la longitud inicial del cuerpo y ΔT la variacioacuten de temperaturaLa unidad de α es m ______ mmiddotordmC = 1 ___ ordmC o bien ordmC ndash1 Si el coeficiente de dilatacioacuten lineal del hierro es 12 10 ndash5 ordmC ndash1 significa que por cada metro de hierro este material se dilata 12 10 ndash5 m cuando su temperatura variacutea en 1 ordmC
Tabla de coeficientes de
dilatacioacuten lineal de algunos
materiales
Material α ( deg C ndash1 )
Concreto 07 ndash 12 10 ndash5
Plata 20 10 ndash5
Oro 15 10 ndash5
Invar 004 10 ndash5
Plomo 30 10 ndash5
Zinc 26 10 ndash5
Hielo 51 10 ndash5
Aluminio 24 10 ndash5
Latoacuten 18 10 ndash5
Cobre 17 10 ndash5
Vidrio 04 ndash 09 10 ndash5
Hierro 12 10 ndash5
Cuarzo 004 10 ndash5
Acero 12 10 ndash5
147
Aplicaciones del coeficiente de dilatacioacuten lineal
iquestEn cuaacutento se incrementa la longitud de una barra de hierro de 100 m de largo cuan-
do su temperatura aumenta 15 ordmC
En el lateral de la paacutegina 146 se puede observar que el coeficiente de dilatacioacuten
lineal del hierro es de 12 middot 10 ndash5 ordm C ndash1 por lo tanto
ΔL = L o middot α middot ΔT = 100 m middot 12 middot 10 ndash5 ordm C ndash1 middot 15 ordmC = 0018 m = 18 middot 10 ndash2 m
Cuando la temperatura aumenta 15ordmC la barra de hierro de 100 m aumenta enton-
ces 0018 m
Calor
Las personas suelen decir frases como las siguientes iexclQueacute caliente que estaacute el agua iexclHoy hace
mucho calor hay maacutes de 30 grados Cerremos la ventana que entra friacuteo El calor hizo que la puerta de
hierro se hinchara El calor de la estufa subioacute a las habitaciones de la parte superior de la casa etc Si
bien forman parte de un lenguaje cotidiano estas expresiones tienen poca precisioacuten cientiacutefica
y es necesario aproximarse a una definicioacuten de los conceptos fiacutesicos que permita interpretar y
diferenciar el significado de cada teacutermino que se utiliza desde el lenguaje cientiacutefico
Cabe sentildealar que algunas de estas manifestaciones personales estaacuten muy proacuteximas a las
ideas cientiacuteficas que se manejaron sobre el calor entre mediados del siglo XVIII y las primeras
deacutecadas del siglo XIX bajo la teoriacutea del caloacuterico
El calor era considerado como un fluido material llamado caloacuterico que estaba en el interior
de los cuerpos Esta especie de sustancia capaz de pasar desde los cuerpos de mayor temperatura
a los de menor temperatura explicaba el enfriamiento de los cuerpos por peacuterdida del caloacuterico y
calentamiento por su ganancia
Las primeras criacuteticas de la teoriacutea del caloacuterico que ponen en duda la existencia de dicho
fluido surgen cuando en 1798 Benjamin Thompson (1753-1814) conde de Rumford y ministro
de Guerra de Baviera observoacute que al taladrar grandes piezas de metal para fabricar cantildeones se
desprendiacutean importantes cantidades de calor por frotamiento El conde dudoacute de la existencia del
caloacuterico pues si se trataba de una sustancia deberiacutea acabarse en alguacuten momento de ese proceso
de frotamiento sin embargo esto no ocurriacutea
Mucho tiempo despueacutes las ideas del caloacuterico como sustancia en movimiento fueron sustitui-
das por una nueva concepcioacuten cientiacutefica que planteariacutea la posibilidad de unificar los fenoacutemenos
mecaacutenicos luminosos eleacutectricos magneacuteticos teacutermicos y quiacutemicos bajo el concepto de energiacutea
El calor como intercambio de energiacutea
Todos los cuerpos o sistemas materiales tienen asociada una energiacutea interna que permite
conocer y caracterizar sus propiedades El calor es una forma de intercambio de energiacutea desde el
cuerpo de mayor temperatura hacia el de menor temperatura
Por ejemplo cuando se deja olvidada una taza con cafeacute recieacuten preparado sobre la mesa de la
cocina luego de un cierto tiempo se enfriacutea dado que entre el cafeacute y el aire que rodea la taza se
produjo un intercambio de energiacutea El cafeacute recieacuten preparado a mayor temperatura que el aire del
ambiente que rodea a la taza transfirioacute energiacutea (en forma de calor) al medio
Todos los cuerpos tienen asociada una
cierta energiacutea interna como consecuencia del movimiento de sus partiacuteculas Esta energiacutea interna puede variar cuando se intercambia energiacutea con el medio o con otros cuerpos Si dos o maacutes cuerpos a distintas temperaturas se ponen en contacto teacutermico intercambian espontaacuteneamente energiacutea en forma de calor Asiacute el calor es una forma de transferencia de energiacutea aunque existen otras maneras de intercambio de energiacutea no asociadas a las diferencias de temperaturas sino a las fuerzas y a las ondas electromagneacuteticas Estas dos formas se denominan respectivamente trabajo y radiacioacuten
148 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Radiacioacuten
En este fenoacutemeno
hay una transferencia
de energiacutea desde
un cuerpo a otro El
Sol es una fuente
natural de radiacioacuten
electromagneacutetica que
intercambia energiacutea con
el planeta Tierra
Gas de efecto
invernadero
Peacuterdida de calor y radiacioacuten
Radiacioacuten infrarroja
Absorcioacuten por la superficie
terrestre
Absorcioacuten
por las
nubes
Radiacioacuten solar
absorbida
Radiacioacuten
solar
Radiacioacuten solar
reflejada
Otras formas de intercambio de energiacutea
Ademaacutes del calor existen otras dos formas baacutesicas de transferencia de energiacutea
Por trabajo
Si una persona empuja una mesa ejerce una fuerza
sobre la mesa de tal manera que logra desplazarla
de su posicioacuten inicial Se produce un intercambio de
energiacutea entre la persona y la mesa La mesa aumen-
ta su energiacutea cineacutetica ya que la persona le transfiere
cierta cantidad de energiacutea como consecuencia de
ejercer una fuerza sobre dicha mesa Se dice que los
cuerpos intercambiaron energiacutea por trabajo cuan-
do interactuacutean entre siacute mediante fuerzas
Por radiacioacuten
Cuando una sentildeal que transporta informacioacuten llega
a una antena como por ejemplo la sentildeal satelital que
recepciona la antena de un celular se produce un inter-
cambio de energiacutea pero en este caso no hay accioacuten de
fuerzas ni calor
La radiacioacuten emitida por una fuente emisora es captada
por un receptor que decodifica la sentildeal seguacuten el tipo de
informacioacuten que se transmite En este caso la energiacutea se
transfiere desde la fuente al receptor por ondas electro-
magneacuteticas que se caracterizan porque no necesitan
un medio material de propagacioacuten A diferencia de las
ondas mecaacutenicas pueden hacerlo en el vaciacuteo
Una forma de intercambiar energiacutea entre dos cuerpos o sistemas materiales es por
calor Siempre que dos o maacutes cuerpos que se encuentran a distintas temperaturas se
ponen en contacto teacutermico se produce un intercambio de energiacutea en forma de calor En
los fenoacutemenos espontaacuteneos este proceso continuacutea hasta que dichos cuerpos alcanzan el
equilibrio teacutermico es decir igualan sus temperaturas
Los cuerpos no tienen friacuteo o calor sino que poseen cierta energiacutea interna que puede variar
por ejemplo cuando entran en contacto con otros cuerpos de diferentes temperaturas
La Tierra absorbe el 70 de la energiacutea que proviene
del Sol Parte de esta energiacutea es absorbida por el suelo y parte por los gases de la atmoacutesfera A su vez el suelo terrestre emite tambieacuten radiacioacuten que en parte es reflejada por algunos gases presentes en la atmoacutesfera lo que genera el efecto invernadero
149
Calor especiacutefico
Las sustancias tienen distintas capacidades de absorber energiacutea en forma de calor ya
que frente a la misma cantidad de calor sus temperaturas variacutean en formas diferentes
Por ejemplo si se entrega igual cantidad de calor a una cuchara de aluminio y a una
masa equivalente de agua al cabo de un cierto tiempo se podraacute observar que la cuchara
registra un mayor aumento de temperatura que el agua
Las sustancias tienen capacidades distintas de almacenamiento de energiacutea y esto es
muy evidente con los alimentos
Si se colocan en un horno al mismo tiempo una fuente de papas y una cantidad de
masa equivalente de pollo se advierte que las papas tardan maacutes tiempo en llegar a la
temperatura en equilibrio Esto ocurre porque diferentes sustancias requieren distintas
cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura Se dice que estos alimentos
tienen distintas capacidades caloriacuteficas especiacuteficas o calores especiacuteficos
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la can-
tidad de calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es 1 calg degC lo que significa que cada gramo
de agua necesita intercambiar una caloriacutea para variar su temperatura un grado Celsius El
agua tiene una mayor capacidad de almacenar energiacutea que muchas otras sustancias Por
tal razoacuten una pequentildea masa de agua absorbe una gran cantidad de calor con un aumento
relativo de temperatura bastante pequentildeo Por el mismo motivo se puede explicar que el
agua se enfriacutea maacutes lentamente que otras sustancias Es por esto que el agua se usa como
refrigerante en muchas maquinarias o sistemas como por ejemplo los automoacuteviles
Calorimetriacutea
Se denomina calorimetriacutea a la medicioacuten y el caacutelculo de las cantidades de calor que
intercambia un sistema
Intuitivamente se sabe que cuanto mayor sea la cantidad de calor suministrada el cuer-
po alcanzaraacute una mayor variacioacuten de la temperatura Es posible verificar experimentalmente
que entre el calor y la temperatura existe una relacioacuten de proporcionalidad directa La cons-
tante de proporcionalidad depende tanto de la sustancia que constituye el cuerpo como de
su masa y resulta el producto del calor especiacutefico por la masa del cuerpo
Por lo tanto la ecuacioacuten que permite calcular intercambios de calor es
Q = c middot m middot ΔT
donde Q es el calor intercambiado por un cuerpo de masa m constituido por una sustan-
cia cuyo calor especiacutefico es c siendo ΔT la variacioacuten de temperatura experimentada
Por convencioacuten se adopta el signo positivo para Q cuando la variacioacuten de tempe-
ratura es mayor que cero es decir cuando el cuerpo aumenta su temperatura En caso
contrario cuando la variacioacuten de temperatura es menor que cero el cuerpo disminuye su
temperatura y el signo de Q seraacute negativo
Es decir que la cantidad de calor que intercambian dos cuerpos del mismo material pero
de masas diferentes para variar de igual manera sus temperaturas depende de sus masas
Por ejemplo si se entrega la misma cantidad de calor a 500 g de agua y luego a 1000 g de
agua que inicialmente se encuentran a temperatura ambiente se espera que la variacioacuten de tem-
peratura de la masa menor de agua sea mayor que la correspondiente a la masa mayor de agua
La unidad elegida para medir la cantidad de energiacutea es el
joule J aunque existe otra unidad muy utilizada la caloriacutea (cal) que se define como la cantidad de calor necesario para que un gramo de agua pura pase de 145 degC a 155 degC En alimentacioacuten y nutricioacuten se suelen usar mucho las caloriacuteas para medir el valor energeacutetico de los alimentos Se utiliza la Cal (escrita con mayuacutescula) donde 1 Cal = 1 kcal = 1000 cal
La relacioacuten entre los joules y las caloriacuteas es la siguiente 1 cal = 418 J o bien 1 J = 024 cal
150 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Algunos caacutelculos de calorimetriacutea
Es importante tener en cuenta que en esta transferencia se cumple el Principio de
Conservacioacuten de la Energiacutea ya que se puede afirmar que
Si dos cuerpos o sistemas aislados intercambian energiacutea en forma de calor la cantidad
recibida por uno de ellos es igual a la cantidad cedida por el otro cuerpo
Es decir la energiacutea total intercambiada se conserva Esto se puede escribir matemaacuteti-
camente de la siguiente forma Σ Q = 0
Si se consideran dos cuerpos de masas diferentes m1 y m2 que se encuentran a diferen-
tes temperaturas T1 y T2 respectivamente y se colocan en contacto teacutermico al cabo de un
tiempo equipararaacuten sus temperaturas a una cierta temperatura final Tf es decir alcanza-
raacuten el equilibrio teacutermico En este intercambio se cumple el principio de conservacioacuten de
la energiacutea es decir la cantidad de energiacutea que absorbe un cuerpo es igual a la cantidad de
energiacutea que cede el otro por lo cual se puede escribir que
Q2 = ndash Q1 que es lo mismo que escribir que c2 middot m2 middot (Tf ndash T2) = ndash c1 middot m1 middot (Tf ndash T1)
La temperatura final alcanzada luego del intercambio es
Tf = m 1 middot c 1 middot T 1 + m 2 middot c 2 middot T 2
______________________ m 1 middot c 1 + m 2 middot c 2
Aplicacioacuten de caacutelculos caloriacutemetros
1 Se colocan 500 gramos de agua liacutequida a 10 ordmC en un caloriacutemetro ideal (se despre-
cia el intercambio de calor del caloriacutemetro) y se la mezcla con 1000 gramos de agua a
70 ordmC Calculen la temperatura de equilibrio de esta mezcla
Como
Tf = m 1 middot c 1 middot T 1 + m 2 middot c 2 middot T 2
______________________ m 1 middot c 1 + m 2 middot c 2
entonces
Tf = 500 g middot 1 calg ordmC middot10 ordmC + 1000 g middot 1 calg ordmC middot70 ordmC
______________________________________________ 1 calg ordmC middot (500 g + 1000 g)
Se obtiene como resultado
Tf = 50 ordmC
La temperatura de equilibro de la mezcla es de 50 ordmC
Un caloriacutemetro es un recipiente adiabaacutetico o
teacutermicamente aislado en el que se puede calcular la cantidad de energiacutea en forma de calor que se intercambia cuando se colocan en contacto teacutermico sustancias de diferentes masas y a diferentes temperaturasTambieacuten puede utilizarse para calcular el calor especiacutefico de una determinada sustancia
151
Tabla de calores especiacuteficos de
algunas sustancias
Sustancia c ( cal _____ g ordmC )
Agua 100
Agua de mar 0945
Aire 00000053
Alcohol 058
Aluminio 0212
Arena 020
Bronce 0092
Cobre 0093
Hielo 055
Hierro 0113
Lana de vidrio 000009
Latoacuten 0094
Mercurio 0033
Oro 0031
Plata 0060
Plomo 0031
Vidrio 0199
Zinc 0092
2 Calculen la cantidad de calor necesaria en kcal y J que deben ceder 1500 gramos
de agua que se encuentra en su punto de ebullicioacuten para disminuir su temperatura
hasta 20 degC
Como Q = c middot m middot ΔT entonces
Q = 1 cal ______ g middot ordmC
middot 1500 g middot (20 ordmC minus 100 ordmC) = minus120 000 cal = minus120 kcal
Como ademaacutes 1 cal = 418 J entonces ndash120 000 cal = ndash120 000 middot 418 J = ndash501600 J
Es decir la cantidad de calor necesaria es ndash120 kcal o ndash501600 J
3 iquestCuaacutel seraacute el aumento de temperatura de una barra de 3 kg de hierro si se coloca en un
horno industrial que le suministra 30 kcal Consulten la tabla de calores especiacuteficos
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja ΔT se obtiene que
ΔT = Q _____ c middot m = 30 000 cal ____________________ 0113 calg ordmC middot 3000 g
= 885 ordmC
porque Q = 30 kcal = 30 000 cal m = 3 kg = 3000 g y en la tabla de calores especiacuteficos
se observa que el calor especiacutefico del hierro es de 0113 cal g middot ordmC
Luego la variacioacuten de temperatura es aproximadamente ΔT = 885 ordmC
4 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia que constituye un cuerpo de 20 g de
masa sabiendo que para elevar su temperatura 6 ordmC se necesitan 96 cal
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja c se obtiene
c = Q ______ ΔT middot m = 96 cal __________
6 ordmC middot 20 g = 08 cal ____
gmiddotordmC
5 El sistema de refrigeracioacuten de un camioacuten contiene 20 litros de agua iquestCuaacutel es la
variacioacuten de la temperatura del agua si se debe extraer una cantidad de energiacutea en
forma de calor de 836 000 J
La energiacutea extraiacuteda en forma de calor por el sistema refrigerante pasa al agua
Como 1 J = 024 cal entonces 836 000 J = 836 000 middot 024 = 200 640 cal
Por otro lado Q = c middot m middot ΔT con lo cual si se despeja ΔT se obtiene
ΔT = Q _____ c middot m = 200 640 cal ___________________ 1 cal g ordmC middot 20 000 g
= 10 ordmC
La temperatura del agua aumenta en 10 ordmC
152 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
Materiales
Un termo o sistema aislado (como los recipientes para conservar la comida) con un termoacutemetro 200 g de agua a temperatura ambiente por ejemplo 20 ordmC 70 g de cobre o de alguacuten otro metal Un calentador eleacutectrico de inmersioacuten de 500 600 W Un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) Pinzas de madera Vasos de precipitado o probetas graduadas Una balanza
Procedimiento1 Midan con la balanza la masa de agua a temperatura ambiente necesaria para realizar este experimento
2 Coloquen el agua a temperatura ambiente dentro del termo
3 Midan usando la balanza la masa del trozo de cobre
4 Calienten el trozo de cobre dentro de un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) con agua hasta 100 ordmC en ese caso el cobre tendraacute la misma temperatura
5 Extraigan con las pinzas de madera raacutepidamente la masa de cobre y coloacutequenla dentro del termo con el agua a temperatura ambiente
6 Mezclen los contenidos del termo para asegurarse la obtencioacuten de una temperatura uniforme
7 Efectuacuteen la lectura de la temperatura de equilibrio
8 Realicen los caacutelculos necesarios para obtener el calor especiacutefico del cobre
Contesten las siguientes consignas
a Expliquen en teacuterminos fiacutesicos queacute sucedioacute en esta mezcla de sustancias dentro del termo
b iquestQueacute calor especiacutefico obtuvieron
c Comparen con la tabla de valores aportada en este capiacutetulo iquestCoincide con el registrado
d Si no coincide iquesta queacute factores atribuyen las diferencias entre los resultados obtenidos
e iquestCoacutemo podriacutean mejorar estos resultados Propongan algunas hipoacutetesis para optimizar el disentildeo experimental
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
4 En un caloriacutemetro hay 200 g de agua a 20 degC Se agregan 100 g de agua y se obtiene una temperatura de equilibrio de 30 degC Calculen la temperatura de la masa de agua agregada
5 Se toma un trozo de 50 g de un metal desconocido a 100 degC y se lo coloca en un caloriacutemetro en el que hay 150 g de agua a 20 degC El sistema llega a una temperatura de equilibrio de 253 degC A partir de los datos de la tabla de la paacutegina 151 determinen de queacute metal podriacutea ser el trozo analizado
6 Se colocan dentro de un horno de microondas dos vasos ideacutenticos Uno contiene 100 g de agua y el otro 100 g de alcohol ambos a una temperatura de 15 degC Al hacer fun-cionar el horno durante medio minuto suministra a cada uno de ellos 1500 caloriacuteas Determinen las temperaturas finales del agua y del alcohol
7 Se colocan en un horno dos cubos de iguales masas uno de aluminio y el otro de plomo a iguales temperaturas de 20 ordmC Al encenderse el horno iquestcuaacutel de ellos alcanzaraacute primero la temperatura de 150 ordmC Justifiquen su respuesta
aACTIVIDADES
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
153
Propagacioacuten del calor
La transmisioacuten de energiacutea por diferencia de temperatura entre cuerpos o sistemas que
interactuacutean entre siacute se produce a traveacutes de diferentes procesos como la conduccioacuten o la
conveccioacuten
Conduccioacuten
Si se coloca un extremo de una cuchara de aluminio en contacto con una hornalla
encendida de la cocina raacutepidamente se advierte que el calor se transmite hasta el otro
extremo
En el sector de la cuchara en contacto con el fuego se produce un aumento de la
temperatura que hace que las partiacuteculas comiencen a vibrar con mayor energiacutea cineacutetica
(energiacutea de movimiento) y esta energiacutea se transfiere a las restantes partiacuteculas de la
regioacuten de menor temperatura
Esta transferencia de energiacutea sin desplazamiento de materia desde zonas de un cuerpo que
se encuentra a mayor temperatura a las de menor temperatura se denomina conduccioacuten
Algunos materiales presentan la propiedad de ser mejores conductores del calor que
otros Los malos conductores del calor se denominan aislantes (aunque cabe aclarar que
la aislacioacuten nunca es perfecta)
Los metales en general son mejores conductores del calor que otros materiales como
la madera el vidrio el corcho el telgopor etc
Es por eso que por ejemplo se suele usar madera en los mangos de los utensilios de
cocina para minimizar la transferencia de calor y evitar quemaduras en la piel
El corcho el telgopor la lana de vidrio son utilizados en las construcciones de viviendas como aislantes del
calor y para mantener una temperatura ambiente agradable Algunos de estos materiales son bastante
porosos lo que implica que tienen espacios con mayor cantidad de aire que es un buen aislante
Se denomina conduccioacuten a la transferencia de
energiacutea sin desplazamiento de materia de un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura a otro que se encuentra a menor temperaturaSe llama aislantes a los materiales que son malos conductores de calor
Lana de vidrio Corcho
Tambieacuten algunas prendas de abrigo como las cam-
peras o los cubrecamas utilizan dos recubrimien-
tos entre los cuales se colocan algunos materiales
porosos como goma espuma plumas telas entra-
madas que contienen una buena cantidad de aire
que permite la aislacioacuten teacutermica del medio
Telgopor Vidrio
154 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
iquestDe queacute factores depende la transferencia de calor por conduccioacuten en los materiales soacuteli-
dos iquestSe puede calcular
No todos los materiales conducen el calor de igual forma La conductividad teacutermica es
una medida de a capacidad de conducir el calor de cada material
Cuando una persona se encuentra en una habitacioacuten cuya temperatura ambiente es
por ejemplo 20 degC y toca con una mano un cenicero de cobre y con la otra un mantel tie-
ne la sensacioacuten de que el cenicero estaacute maacutes friacuteo que el mantel Esto
ocurre dado que como el cobre es un buen conductor teacutermico el
calor entregado por la mano a la zona de contacto del material
se transmite raacutepidamente al resto del objeto En cambio como
el mantel no es un buen conductor teacutermico cuando se lo toca
la transferencia de calor al resto del material es muy lenta la
temperatura de la zona de contacto aumenta hasta equiparar-
se con la piel y esto da la sensacioacuten de estar maacutes caliente
El caacutelculo es por lo general complica-
do Pero si la transferencia de calor se
produce en una sola direccioacuten y la tem-
peratura variacutea solo en esa direccioacuten se
simplifica Por ejemplo si se considera
un vidrio plano (como el de una venta-
na) se puede conocer queacute cantidad de
energiacutea transferida a traveacutes del vidrio va desde la superficie o cara de mayor temperatura
hacia la de menor temperatura Para esto es necesario tener en cuenta el tipo de vidrio
ya que no todos tienen la misma conductividad teacutermica
La cantidad de calor que se transmite por unidad de tiempo en este caso se puede
simbolizar mediante la siguiente expresioacuten matemaacutetica
Q ___ Δ τ = K ∙ S∙ ΔT ___ Δx
donde τ es el tiempo (para no confundirlo con T de temperatura) Q ___ Δ τ es la cantidad
de calor transmitida a traveacutes del vidrio por unidad de tiempo K es el coeficiente de
conductividad teacutermica que depende del material en este caso del vidrio S es la
superficie perpendicular a la direccioacuten de propagacioacuten y ΔT ___ Δx la variacioacuten de tempera-
tura entre las caras dividida por el espesor del vidrio
Se puede decir entonces que
la cantidad de calor que atraviesa
por unidad de tiempo una placa
de vidrio es mayor cuanto mayor
sea la superficie considerada y la
variacioacuten de temperatura entre sus
caras y cuanto menor sea el espe-
sor o distancia entre dichas caras
Algunos materiales conducen el calor
con mayor facilidad que otros asiacute los metales tienen alta conductividad teacutermica compararada por ejemplo con la capacidad de transmitir el calor de la madera algunos plaacutesticos ceraacutemicas etcLa conductividad teacutermica del cobre es de 330 kcalm middot h middot K la de la madera es de 01 a 03 kcalm middot h middot K y la del telgopor 003 kcalm middot h middot K
155
Conveccioacuten
Se si desea colocar estufas en las habitaciones de una casa para calefaccionarla hay que deci-
dir cuaacutel es el lugar maacutes adecuado para que se aproveche la energiacutea de la mejor manera posible
Es necesario tener en cuenta no solo las dimensiones de las habitaciones que se
desean calefaccionar sino tambieacuten el fenoacutemeno fiacutesico que se denomina transmisioacuten de
calor por conveccioacuten
La masa de aire cercana a la estufa aumenta su
temperatura por lo cual el aire se torna menos denso
que el resto de aire alejado de la estufa
Se origina asiacute un movimiento ascendente y des-
cendente de la masa de aire y se generan las deno-
minadas corrientes convectivas con un permanente
desplazamiento de materia
Este fenoacutemeno se puede observar tambieacuten en las
capas de aire que rodean la Tierra que provocan cam-
bios climaacuteticos seguacuten sus caracteriacutesticas Estas masas
de aire pueden ser maacutes caacutelidas en ciertas zonas que en
otras maacutes huacutemedas (por contener mayor cantidad de
vapor de agua) maacutes secas de mayor o menor presioacuten
La temperatura del aire puede ser influida por la propiedad de la superficie terrestre
hecho que es muy relevante para algunos estudios metereoloacutegicos
Estas corrientes convectivas que naturalmente se forman en la
atmoacutesfera son factores que tienen en cuenta por ejemplo las aves los
aladeltistas y otros deportistas que aprovechan las condiciones del aire
para elevarse Esto ocurre dado que al encontrarse con una masa de aire
caliente ascienden con maacutes facilidad y de esta forma ldquoahorranrdquo energiacutea
y pueden mantenerse en vuelo planeando sin tanto esfuerzo
La conveccioacuten se produce tanto en los gases como en los liacutequidos
Es sencillo observar que cuando se calienta agua en alguacuten recipiente
de vidrio transparente se produce
un movimiento ascendente desde la
parte inferior en contacto con la lla-
ma de fuego hacia la parte superior del recipiente
La masa liacutequida de mayor temperatura se dilata
por lo que disminuye su densidad asciende dentro del
recipiente y tiende a desplazar hacia la parte inferior
a la masa de agua liacutequida de menor temperatura
iquestOtra forma de transmisioacuten del calor
Algunos cientiacuteficos consideran que maacutes que una forma de transmisioacuten del calor la
radiacioacuten a la que ya se ha hecho referencia anteriormente implica una manera de inter-
cambio de energiacutea maacutes general
Esta transferencia de energiacutea no se da por intercambio de calor entre cuerpos que se
encuentran a distintas temperaturas ni por trabajo Involucran transferencias de energiacutea
por medio de ondas electromagneacuteticas Asiacute por ejemplo entre dos antenas se transfiere
energiacutea por radiacioacuten
156 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
Materiales Tubo de ensayo Trocitos de hielo Una moneda Agua Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen en el tubo de ensayo los trocitos de hielo cubiertos por la moneda
2Agreguen un poco de agua
3 Acerquen la parte superior del tubo al mechero o calentador
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Corrientes convectivas en liacutequidos
Materiales Agua Recipiente Trocitos de tiza de color o yerba mate Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen agua en un recipiente
2 Agreguen trocitos de tiza de color o un poco de yerba mate
3 Coloquen el recipiente al fuego
hasta que hierva el agua
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Materiales Dos latitas de gaseosa vaciacuteas Un poco de agua Pintura o cartulina negra Mechero o calentador Termoacutemetro
Procedimiento1 Tomen una de las latas y piacutentenla de negro o foacuterrenla con la cartulina negra
2 Anoten la temperatura inicial del agua
3 Coloquen la misma cantidad de agua en las dos latas
4 Pongan a calentar las dos latas a igual distancia del fuego
5 Controlen la temperatura del agua en cada lata cada 10 minutos
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestCoinciden los registros de temperatura de ambas latas
b iquestPor queacute Justifiquen su respuesta
iquestEl agua es un buen conductor teacutermico
Transmisioacuten de energiacutea por radiacioacuten
157
Los cambios de estado
Los materiales se presentan baacutesicamente en tres estados soacutelido liacutequido y gaseoso
Estos estados no son una caracteriacutestica invariable de los cuerpos ya que pueden modifi-
carse por ejemplo si se variacutea la temperatura y la presioacuten a la que estaacuten sometidos dichos
cuerpos Por ejemplo se puede fundir hierro si se lleva su temperatura a maacutes de 1500 degC
Una caracteriacutestica de los liacutequidos es la relativa libertad de movimiento de sus moleacute-
culas Si se suministra calor a un liacutequido y se logra aumentar la temperatura tambieacuten
aumentaraacute el movimiento de sus moleacuteculas las que pueden escapar de la superficie liacutequi-
da Este proceso que se da en la superficie del liacutequido se llama evaporacioacuten y puede ocu-
rrir a cualquier temperatura
A medida que aumenta la temperatura se modifica la estructura de enlace entre las
moleacuteculas Ellas no pueden mantenerse lo suficientemente cerca entre siacute para que la sus-
tancia continuacutee liacutequida lo que provoca que las moleacuteculas escapen auacuten maacutes faacutecilmente al
aire Este es el fenoacutemeno de ebullicioacuten y es conveniente resaltar que la temperatura en
la que este proceso ocurre llamada temperatura de ebullicioacuten se mantendraacute estable en
determinadas condiciones de presioacuten
Todo este proceso corresponde al cambio de estado denominado vaporizacioacuten
Cada sustancia tiene su propio punto de ebullicioacuten punto de fusioacuten y punto de solidi-
ficacioacuten que corresponden a las temperaturas y presiones en que se producen los cambios
de estado
El ciclo del agua o ciclo hidroloacutegico
Es muy comuacuten ejemplificar los cambios de estado con el agua para lo que suele apro-
vecharse el llamado ciclo hidroloacutegico o ciclo del agua que se produce en la naturaleza y
en el que se diferencian los siguientes fenoacutemenos
El agua se evapora continuamente pasando de estado liacutequido a gaseoso
Las nubes estaacuten formadas por pequentildeas gotas de agua liacutequida que ascienden por las
corrientes de aire
La lluvia se produce cuando se forman gotas maacutes gran-
des que precipitan
La nieve y el granizo se for-
man cuando la temperatura es
muy baja y se solidifican las
gotas de agua liacutequida
La niebla se produce en
lugares con altos porcentajes de
humedad y trae aparejada una
disminucioacuten en las temperatu-
ras
El rociacuteo o la escarcha se
producen por la condensacioacuten o
solidificacioacuten del agua de la atmoacutes-
fera debido a las marcadas diferencias
de temperatura entre el diacutea y la noche
Las posibles transformaciones de un
estado a otro son las siguientes
FusioacutenVaporizacioacuten
Sublimacioacuten
Volatilizacioacuten
SolidificacioacutenCondensacioacuten
Soacutelido
Liacutequido
Gaseoso
Hielo
PrecipitacioacutenEvaporacioacuten
Corriente subterraacutenea
Infiltracioacuten
Radiacioacuten solar
Condensacioacuten
Accioacuten del viento
Evaporacioacuten
Corriente
superficial
Transpiracioacuten
158 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Calor de fusioacuten y calor latente de vaporizacioacuten
Cada cambio de estado se acompantildea de un intercambio de energiacutea entre el sistema y
el medio exterior Por ejemplo se necesita energiacutea para fundir el hielo De esta forma se
pueden contrarrestar los efectos de las fuerzas que mantienen las moleacuteculas de agua en
posicioacuten fija en el soacutelido
Si la moleacuteculas de un soacutelido absorben suficiente energiacutea es posible que las fuerzas de
atraccioacuten entre moleacuteculas ya no puedan mantener su unioacuten entonces se produce el pasaje
de estado soacutelido a liacutequido
La vaporizacioacuten tambieacuten necesita energiacutea y sucede algo similar con las fuerzas de
atraccioacuten que mantienen las moleacuteculas cercanas entre siacute en la superficie del liacutequido
Un aumento de energiacutea pude ocasionar que las moleacuteculas escapen del liacutequido para
transformarse en moleacuteculas de vapor
En la medida en que aumentan las fuerzas intermoleculares la cantidad de energiacutea
necesaria para generar un cambio de fase tambieacuten se incrementa
En otros casos para poder cambiar de estado el sistema tiene que ceder energiacutea al
medio Por ejemplo el agua liacutequida debe ceder calor al medio para solidificarse
Se denomina calor latente de vaporizacioacuten a la energiacutea intercambiada por unidad de
masa para producir ese cambio de estado
Por ejemplo cada gramo de agua liacutequida a 100 ordmC y presioacuten normal debe absorber 540 cal
para convertirse en un gramo de agua en estado de vapor a la misma temperatura
La evaporacioacuten se acompantildea de un efecto de enfriamiento en la medida que el agua se
evapora absorbe calor del cuerpo del cual se evapora
El alto calor latente de vaporizacioacuten del agua 540 calg permite el enfriamiento de
las plantas por evaporacioacuten desde la superficie foliar las que reciben gran cantidad de
calor por efecto de la radiacioacuten solar La transpiracioacuten es un importante fenoacutemeno en la
regulacioacuten de la temperatura de muchos seres vivos
El calor latente de fusioacuten del hielo es de 80 calg esto significa que cada gramo de
hielo a 0 ordmC debe absorber 80 cal para convertirse en un gramo de agua liacutequida a 0 ordmC
De manera anaacuteloga al ceder 80 cal cada gramo de agua liacutequida se transforma en hielo
sin modificarse la temperatura
Se puede decir que el calor latente l indica una medida de la cantidad de calor por uni-
dad de masa que se necesita para cambiar de estado sin modificar la temperatura
Esto puede expresarse mediante la siguiente foacutermula
l = Q __ m o lo que es equivalente Q = l middot m
donde l es el calor latente Q es el calor y m la masa del cuerpo
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Hidroacutegeno -2591 139 -2627 1067
Oxiacutegeno -2184 33 -1830 51
Agua 00 80 1000 3594
Mercurio -389 28 3599 697
Plomo 3274 59 1620 -
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Plata 9605 26 1950 552
Cobre 10380 489 2595 1145
Hierro 1535 637 3200 1110
Tungsteno 3390 457 5900 460
159
CIE
NCIA
HIS
TORIA
Y S
OCIE
DAD
La historia la tradicioacuten y las modas arquitectoacutenicas contribuyen a determinar la forma y el tipo de las construcciones iquestCon queacute materiales se construye una casa iquestPor queacute para un determinado uso y funcioacuten se requieren distintos tipos de materialesEn los uacuteltimos antildeos la preocupacioacuten de los arquitectos y tambieacuten de los cientiacuteficos a la hora de proyectar un edificio se manifiesta en la obtencioacuten y aprovechamiento de los materiales con el fin de optimizar el uso de energiacutea en las viviendasLa sociedad moderna requiere grandes cantidades de energiacutea para su funcionamiento normal pero es importante reflexionar sobre el uso oacuteptimo y racional de las fuentes de energiacutea como el carboacuten el gas natural el petroacuteleo y todos sus derivados ya que no son renovablesSe estima que el petroacuteleo y el gas natural alcanzaraacuten para unos 50 a 100 antildeos maacutes mientras que el carboacuten para unos 200 a 300 antildeos maacutesMantener las viviendas calefaccionadas durante el invierno forma parte del bienestar de las personas y optimizar la energiacutea disponible en una casa depende del
cuidado de los recursos utilizados para este finEs importante tener una adecuada aislacioacuten teacutermica en todos los lugares posibles de fuga o peacuterdida de calor sobre todo del techo dado que el aire caliente es maacutes liviano y tiende a subir Existen actualmente en el comercio variedades de aislantes teacutermicos que reducen esas peacuterdidas y permiten ahorrar energiacutea Entre ellos el telgopor
las maderas los plaacutesticos las planchas de corcho las fibras de vidrio los ladrillos huecos refractarios etciquestCuaacuteles son los intercambios de energiacutea en forma de calor que se dan en una casaiquestCuaacutenta energiacutea se transfiere al exteriorEn una casa tiacutepica se disipa calor al exterior seguacuten se muestra en el siguiente esquema
El intercambio de calor en una casaEl hombre puede vivir en diversas regiones de la Tierra desde los troacutepicos hasta los polos en los bosques y en el desierto en las llanuras o montantildeas Aun cuando las condiciones cli-maacuteticas resulten hostiles el ser humano disentildea y construye sus viviendas para protegerse de las inclemencias del tiempo aprovechando los materiales de la zona
Un 35 a traveacutes de las ventanas por
conduccioacuten y radiacioacuten
Un 15 por las
paredes por
conduccioacuten y
conveccioacuten
Un 25 se transfiere
a traveacutes del techo
por conduccioacuten
y conveccioacuten
Un 5 se escapa
de chimeneas y
otros conductos
Un 5 a traveacutes
de rendijas
Un 15 por conduccioacuten a
traveacutes del suelo
160 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
CIE
NCIA
H
ISTO
RIA
Y S
OCIE
DAD
El tipo de material empleado
La energiacutea en forma de calor que se transfiere por segundo desde cualquier habitacioacuten a otra se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten que es similar a la presentada en conductividad teacutermica
P = K middot S middot Δt donde P es la energiacutea en forma de calor transmitida por unidad de tiempo Δt es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la habitacioacuten S es la superficie de los materiales que componen la habitacioacuten y K es un coeficiente caracteriacutestico del material utilizadoLos profesionales utilizan tablas con los valores K de algunas estructuras utilizadas habitualmente en la construccioacuten de una casa como las de la tabla
Luego de la lectura del textoa Sugieran posibles soluciones para prevenir las transfe-rencias de energiacutea desde el interior de las viviendas hacia el exteriorb Confeccionen una lista de las partes de una casa que pueden llevar aislantes teacutermicos y averiguumlen con queacute materiales estaacuten fabricados
c Realicen un disentildeo experimental para calcular la ener-giacutea que se transfiere del interior al exterior de su casad Describan sus disentildeos y busquen informacioacuten sobre uso de materiales en la construccioacuten de viviendas seguacuten sus propiedades y usos
aACTIVIDADES
iquestDe queacute depende la mayor o menor cantidad de energiacutea transferida
Los arquitectos e ingenieros consideran que la transferencias de energiacutea desde el interior hacia el exterior dependen fundamentalmente de los siguientes factores
La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la habitacioacuten Cuanto mayor es esta diferencia mayor es el flujo de energiacutea y maacutes raacutepido se produce el intercambio
Las superficies de los distintos materiales que componen la habitacioacuten Cuanto mayor es la superficie mayor transferencia de energiacutea al exterior
Espuma aislante Muro de ladrillos Tejas para techo
Casa construida
Tipos de estructuraValores K
(w ( m 2 ordmC))
Techo de tejas sin aislamiento
22
Techo de tejas con aislamiento 045
Ventanas con vidrio de 6 mm 56
Ventanas con vidrios dobles con 20 mm de separacioacuten
28
Pared de ladrillos con yeso (114 mm) 1324
Doble pared de ladrillos con caacutemara de aire de 280 mm
17
Doble pared de ladrillos con aislamiento en el
06
Piso de ceraacutemica sobre viguetas 42
Piso de madera sobre viguetas 17
161
IDEAS BAacuteSICAS DE LA UNIDAD
La temperatura es una variable de estado del cuerpo relacionada con la energiacutea cineacutetica
del movimiento de sus partiacuteculas
Los cuerpos no tienen friacuteo ni calor tienen bajas o altas temperaturas
Un termoacutemetro es un instrumento que se utiliza para medir la temperatura
Generalmente los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuan-
do disminuye su temperatura
Se denomina calor a la forma de intercambio de energiacutea entre dos cuerpos de distintas
temperaturas que se ponen en contacto teacutermico
La transferencia de calor se da espontaacuteneamente desde el cuerpo de mayor temperatura al
de menor temperatura
Dos cuerpos de distintas temperaturas que intercambian energiacutea logran el equilibrio teacutermi-
co cuando equiparan sus temperaturas
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la cantidad de
calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
El calor se propaga por tres formas baacutesicas conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten
La conduccioacuten se produce cuando se transfiere energiacutea en forma de calor desde las moleacute-
culas o partiacuteculas que se encuentran en zonas de mayor temperatura a las que se encuentran
en zonas de menor de temperatura sin desplazamiento de materia
En los liacutequidos y gases se generan corrientes convectivas con desplazamiento de materia
A los malos conductores del calor se los llama aislantes teacutermicos
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmC
( T F ndash 32 ordmC) Escala Celcius
T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
T C Escala Farenheit
T K = 27315 + T C Escala termomeacutetrica
ΔL = L o ∙ α ∙ Δt Dilatacioacuten liacuteneal
Q = c ∙ m ∙Δt Calorimetriacutea
Q ___ Δt = K ∙ S ∙ Δt ___ Δx Cantidad de calor que se transfiere
por conduccioacuten de un soacutelido
Foacutermulas
162 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
ACTIVIDADES DE INTEGRACIOacuteN1 Si se colocan 1000 g de agua en un recipiente y 2000 g de agua
en otro ambos a 20 degC y se les entrega igual cantidad de calor en
iguales condiciones de presioacuten normal iquestalcanzaraacuten el mismo punto
de ebullicioacuten iquestPor queacute
2 iquestPor queacute algunos vidrios como los llamados Pyrex no se rompen
cuando se someten a elevadas temperaturas
3 iquestQueacute ocurririacutea si usamos un termoacutemetro de mercurio contenido en
un recipiente cuyo coeficiente de dilatacioacuten fuera similar al del mer-
curio
4 iquestPor queacute el agua no se emplea como sustancia termomeacutetrica
5 Si colocan en un horno dos cuerpos de igual masa pero diferente
calor especiacutefico iquestcuaacutel alcanzaraacute primero la temperatura del horno
iquestPor queacute
6 iquestPor queacute generalmente las estufas y radiadores se colocan en la
parte inferior de la pared
7 Los habitantes del desierto suelen cubrirse con varias capas de
telas a modo de tuacutenicas por lo general claras iquestPor queacute razoacuten se
cubren tanto
8 Si se saca un recipiente del horno con un trozo de tela mojado es
probable que se sienta maacutes ldquocalienterdquo que si lo tomamos con una tela
seca iquestQueacute explicacioacuten fiacutesica tiene este hecho
9 Algunos alimentos que compramos en los negocios de venta al
puacuteblico como restaurantes se colocan en recipientes aislantes iquestPor
queacute iquestDe queacute material estaacuten hechos estos recipientes
10 iquestQueacute funcioacuten cumple un termo Justifiquen sus respuestas en
teacuterminos fiacutesicos
11 La temperatura de un diacutea de invierno en la Antaacutertida puede ser
inferior a ndash50 ordmC iquestA cuaacutentos grados Fahrenheit corresponde
12 Un termoacutemetro estaacute graduado en una escala degX tal que 20 degC
corresponden a 30 degX y 120 degC corresponden a 300 degX iquestCuaacutel es el
valor en la escala degX que corresponde a 50 degC Justifiquen sus res-
puestas
13 iquestQueacute cantidad de calor absorbe un cuerpo de 50 g de hierro que
se encuentra a una temperatura de 25 ordmC cuando su temperatura
aumenta a 100 ordmC
14 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia sabiendo que una
masa de 10 g absorbe 250 caloriacuteas cuando su temperatura variacutea 200
ordmC
15 Una dieta normal para una persona adulta en actividad es de
aproximadamente 2500 kcal diarias iquestA cuaacutentos joule equivale este
valor energeacutetico
16 Se mezclan 50 g de agua a 30 ordmC con 25 g de agua a 20 ordmC en un
recipiente aislado iquestQueacute temperatura final tiene esa mezcla
17 La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 degC Determinen
su longitud en un diacutea en que la temperatura es de 34 degC Consulten
la tabla de coeficientes de dilatacioacuten lineal de la paacutegina 146
18 Una barra de metal de longitud L o a 0 degC sufre un aumento de
longitud de un centeacutesimo de su longitud inicial cuando su tempera-
tura es de 500 degC iquestCuaacutel es el coeficiente de dilatacioacuten del metal
19 iquestCoacutemo podriacutean comprobar que la cantidad de calor que inter-
cambia un cuerpo para modificar su temperatura depende de la
masa del cuerpo Disentildeen un experimento descriacutebanlo y justifiquen
sus hipoacutetesis
20 Seguacuten la teoriacutea del caloacuterico el calor era considerado como una
sustancialidad de los cuerpos Teniendo en cuenta esta teoriacutea dise-
ntildeen un experimento que permita comprobar o refutar la siguiente
hipoacutetesis ldquoEl calor que tienen los cuerpos pesardquo
21 El valor caloacuterico de una barra de 100 g de chocolate es 550 kcal Supongan que se utilizara toda esa energiacutea para elevar la tempera-tura del agua desde los 15 ordmC con que sale de la canilla hasta 100 ordmC iquestcuaacutenta agua se podriacutea calentar
22 Se le suministra a un cuerpo de masa m de cierto material energiacutea por valor de 100 joule y el cuerpo incrementa su tempe-ratura en Δt iquestCuaacutenta energiacutea habraacute que suministrarle a un cuerpo del miso material cuya masa es el triple de la del primero para que el aumento de temperatura sea la mitad que en el primer caso
163
AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
141
Temperatura
La palabra temperatura es muy familiar para todos pero es necesario precisar en teacuter-
minos cientiacuteficos este concepto para diferenciarlo del concepto de calor
A nuestro alrededor existen muchos cuerpos u objetos formados por distintos tipos de
materiales Cada uno de estos materiales puede caracterizarse si se analizan sus propieda-
des La madera el plaacutestico los metales el cemento el papel etc son distintos tipos de
materiales con diferentes caracteriacutesticas propias (densidad punto de fusioacuten resistencia
etc) En teacuterminos quiacutemicos los materiales puede clasificarse y estudiarse de acuerdo con
los elementos que los componen
Para analizar las caracteriacutesticas de un cuerpo o de una sustancia es necesario conocer
ciertos paraacutemetros o variables de estado que de alguna forma permiten determinar sus pro-
piedades
Un cuerpo o una sustancia estaacuten formados por materia Eacutesta a su vez estaacute formada por
partiacuteculas que estaacuten en permanente movimiento Cuanto maacutes raacutepido se muevan mayor
seraacute la temperatura del cuerpo o de la sustancia
La temperatura es entonces una variable de estado de la materia relacionada con la
energiacutea cineacutetica promedio de sus partiacuteculas
Conocer la temperatura de un cuerpo o una sustancia asiacute como tambieacuten otras varia-
bles de estado como la presioacuten la densidad el punto de ebullicioacuten la resistencia eleacutec-
trica la resistividad o la conductividad aporta mayor informacioacuten sobre sus propiedades
fiacutesicas Es importante remarcar entonces que los cuerpos no tienen calor ni friacuteo sino una
determinada temperatura que los caracteriza y que si este paraacutemetro variacutea pueden modi-
ficarse algunas de sus propiedades
El Glaciar Perito Moreno Provincia de
Santa Cruz
La temperatura es una magnitud que se relaciona
con la velocidad promedio del movimiento molecular de la materia Cuanto mayor es el movimiento de sus moleacuteculas mayor es la energiacutea cineacutetica (energiacutea de movimiento) ya que estas moleacuteculas se trasladan y rotan con mayor raacutepidez En este caso tambieacuten la temperatura es mayor
142 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
iquestQueacute es la sensacioacuten teacutermica
Se denomina sensacioacuten teacutermica a la temperatura detectada por la piel de cada perso-
na frente a determinadas condiciones climaacuteticas que no solo dependen de la temperatura
del aire sino tambieacuten de la velocidad del viento y de la humedad o vapor de agua que
contiene el aire Aunque la sensacioacuten teacutermica es una medida muy subjetiva es posible
calcularla y tabularla teniendo en cuenta los paraacutemetros sentildealados
La sensacioacuten de friacuteo estaacute relacionada con la velocidad de transferencia o intercambio
de energiacutea desde la piel expuesta al aire De esta manera si la temperatura es baja y hay
viento eacuteste aumenta la disipacioacuten de calor del cuerpo haciendo que la sensacioacuten sea la
que se experimentariacutea en un ambiente con una temperatura menor De igual modo si hace
calor y hay viento eacuteste contribuye a evaporar maacutes raacutepidamente la transpiracioacuten provo-
cando la sensacioacuten de una temperatura menor que la real Tambieacuten la humedad del aire es
un factor a tener en cuenta Asiacute por ejemplo si la temperatura del aire es 27 ordmC la sensa-
cioacuten teacutermica es igual a esa temperatura si la humedad relativa es 40 Sin embargo si la
humedad aumenta a 80 la persona se siente como si estuviera en un ambiente a 32 ordmC
Escalas termomeacutetricas
En la vida cotidiana resulta uacutetil conocer la temperatura del aire ya que brinda informacioacuten
sobre el estado del tiempo y las condiciones climaacuteticas Tambieacuten puede resultar uacutetil controlar
la temperatura corporal en los enfermos o la temperatura de conservacioacuten de algunos alimen-
tos Para medir la temperatura es necesario disponer de un instrumento llamado termoacuteme-
tro Los termoacutemetros pueden tener distintas escalas que permiten asignar un nuacutemero a cada
estado teacutermico Para calibrar un termoacutemetro se deben considerar dos puntos de referencia
llamados puntos fijos Algunas variantes en su determinacioacuten son las siguientes
Escala Fahrenheit
A principios del siglo XVIII Gabriel Fahrenheit (1686-1736) creoacute la escala que lleva su
nombre El punto fijo inferior de esta escala corresponde a la temperatura de fusioacuten de una
solucioacuten de cloruro de amonio en agua a la que asignoacute el valor 0 ordmF El punto fijo superior
corresponde a la temperatura de agua en ebullicioacuten a la que asignoacute el valor 212 ordmF Un ter-
moacutemetro asiacute graduado indica que la temperatura de fusioacuten del hielo a presioacuten normal es 32
ordmF Esta escala es muy utilizada en algunos paiacuteses como los Estados Unidos
Escala Celsius
En 1743 Anders Celsius (1701-1744) creoacute la escala Celsius En esta escala se asignoacute al punto
de fusioacuten del hielo a una temperatura de 0 ordmC y al punto de ebullicioacuten del agua 100 ordmC ambos
valores a presioacuten normal Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacuteses de Europa y Ameacuterica latina
Como en la escala Fahrenheit el punto de fusioacuten del hielo corresponde a 32 ordmF se tiene que
0 ordmC corresponde a 32ordmF Con lo cual mientras en la escala Celsius el intervalo entre los puntos
de fusioacuten y ebullicioacuten del agua queda divido en 100 partes iguales la escala Fahrenheit divide
al mismo intervalo en 180 partes iguales (de 32ordmF a 212ordmF) Puede deducirse entonces que
T C
_____ 100ordmC
= T F
ndash 32 degF _________ 180 degF rArr T C = 5 degC ____ 9 degF ( T F ndash 32 ordmF) y T F = 32 ordmF + 9 degF ____
5 degC T C
donde T C es la temperatura medida en la escala Celsius y T F es la temperatura medida
en la escala Fahrenheit
La sensacioacuten teacutermica
Materiales
Tres recipientes Agua friacutea tibia y caliente
Procedimiento
1 Tomen los tres recipientes y coloquen cantidades iguales de agua friacutea en uno de ellos tibia en otro y caliente en el tercero
2 Pongan una mano en el agua caliente y otra en el agua muy friacutea por 30 segundos
3 Pasen ambas manos al recipiente con agua templada
Contesten las siguientes
preguntas
1 iquestCoacutemo se siente el agua en la mano que estaba antes en el agua friacutea
2 iquestCoacutemo se siente el agua en la mano que estaba antes en el agua caliente
3 iquestQueacute pueden decir respecto de la temperatura del agua tibia
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
143
Escala Kelvin
Fue nombrada asiacute en honor a William Thomson el que maacutes tarde seriacutea Lord Kelvin (1824-
1907) quien a los 24 antildeos creoacute una escala termomeacutetrica de gran uso en muchos paiacuteses del
mundo Esta escala se calibra en teacuterminos de la energiacutea de los cuerpos de modo tal que
existe un liacutemite de la temperatura miacutenima posible que corresponde al menor estado teacuter-
mico que puede alcanzar la materia A este liacutemite se lo denominoacute 0 K o cero absoluto
Las unidades de la escala Kelvin se dimensionan de igual forma que los grados de la esca-
la Celsius esto significa que una variacioacuten de temperatura de diez grados Kelvin es lo mismo
que una variacioacuten de 10 grados Celsius Luego sobre la base de la escala Celsius se asigna
27315 K a la temperatura de fusioacuten del hielo es decir 0 ordmC y 37315 K para la temperatura de
ebullicioacuten del agua o sea 100 ordmC De este modo el 0 K coincide con el ndash27315 ordmC
Esta escala es la uacutenica utilizada por los cientiacuteficos para desarrollos teoacutericos y es la que
se toma como la unidad de temperatura en el Sistema Internacional de Unidades (SI) y en el
Sistema Meacutetrico Legal Argentino (SIMELA) Se representa con la letra K y no ordmK
Se tiene ademaacutes que
T K = 27315 degC + T C
donde T C es la temperatura medida en la escala Celsius y T K es la temperatura en la
escala Kelvin
Aplicaciones de las escalas termomeacutetricas
1 Un periodista del estado de California en EEUU anuncia el pronoacutestico del diacutea y dice
que la temperatura maacutexima seraacute de 50 ordmF iquestAconsejaraacute a los habitantes llevar abrigo
Para saber si haraacute friacuteo o no es necesario transformar la temperatura medida en la
escala Fahrenheit a la escala Celsius para ello como
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmF middot ( T F minus 32 ordmF) = 5 ordmC ____ 9 ordmF middot (50 ordmF minus 32 ordmF) = 10 ordmC
la temperatura es de 10 ordmC es decir hay que llevar algo de abrigo
2 La temperatura normal del cuerpo es de 37 ordmC iquestcuaacutel es esa temperatura medida en ordmF
Como T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
middot T C entonces T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
middot 37 ordmC = 986 ordmF
la temperatura normal del cuerpo es 986 ordmF
3 La temperatura ambiente del aula es 22 degC iquestCuaacutel seraacute la temperatura en la escala Kelvin
Como T K = 27315 ordmC + T C entonces T K = 27315 ordmC + 22 ordmC = 29515 K
William Thomson (Lord Kelvin 1824-1907) fue
uno de los grandes maestros de la termodinaacutemica del siglo XIX Nacioacute en Belfast y se hizo famoso por sus teoriacuteas y rico con sus inventos Como fiacutesico esbozoacute los fundamentos de la teoriacutea de las oscilaciones eleacutectricas propugnoacute la escala absoluta de temperaturas y repuso la doctrina de la disipacioacuten de la energiacutea
1 La temperatura de una habitacioacuten aumenta 6 ordmC iquestCuaacutel fue el aumento medido en las escalas absoluta y Fahrenheit
2 a iquestPuede haber alguacuten estado teacutermico para el que su temperatura en la escala Fahrenheit sea positiva y en Celsius negativa
biquestHay estados en los que ocurra lo contrario
3 iquestCuaacutel es el valor para el cual la temperatura medida en grados Celsius y en grados Fahrenheit estaacute representada por el mismo nuacutemero
aACTIVIDADES
144 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Los termoacutemetros
Existen diversos tipos de termoacutemetros que se construyen para fines especiacuteficos Tanto los
termoacutemetros cliacutenicos que sirven para medir la temperatura corporal como las termocuplas que
regulan la temperatura de algunos procesos industriales o los termoacutemetros de alcohol colorea-
do usados en meteorologiacutea basan su funcionamiento en distintas variables termomeacutetricas
Los termoacutemetros cliacutenicos
Constan de un tubo de vidrio que contiene mercurio (metal liacutequido de faacutecil dilatacioacuten)
con un estrangulamiento cerca del bulbo para impedir que el mercurio descienda a eacutel lue-
go de dilatarse lo cual facilita la lectura de la temperatura
La escala de los termoacutemetros cliacutenicos se extiende por
lo general desde 355 degC hasta 42 degC con una divisioacuten
miacutenima de la escala de 01 degC
Las termocuplas
Constan de dos alambres de diferentes materiales que estaacuten soldados en un extremo y
terminan en una ficha especial en el otro
Cuando aumenta la temperatura en la unioacuten de los
metales se produce una fuerza electromotriz que se
mide con instrumento llamado voltiacutemetro Si se cali-
bra adecuadamente la escala se puede establecer
una comparacioacuten entre el registro del instrumento y
la temperatura de la unioacuten entre estos metales
Los metales utilizados pueden ser aleaciones de niacutequel-cromo niacutequel-aluminio hierro
y cobre etc Estos termoacutemetros permiten medir temperaturas dentro de un rango aproxi-
mado de ndash150 ordmC a 1500 ordmC
Los termorresistores
Son termoacutemetros construidos con un material que presenta una significativa variacioacuten
de su resistencia eleacutectrica con la temperatura Los maacutes usuales son los termorresistores de
platino que son alambres finos o laacuteminas delgadas encapsuladas en un material ceraacutemico
Se trata de sensores de gran sensibilidad y especificidad
Los termoacutemetros de alcohol
Estos termoacutemetros se utilizan en meteorologiacutea para medir la temperatura del aire
Permiten medir temperaturas inferiores a los ndash39 ordmC
lo cual resulta ideal para los registros de bajas tempe-
raturas del aire En estos casos el mercurio se solidifica
y es por ello que se usa el alcohol
Los termoacutemetros
como el de la imagen
permiten medir la
temperatura en
grados Celsius y en
grados Farenheit
145
Dilatacioacuten
Generalmente la variacioacuten de temperatura de un cuerpo provoca un cambio en sus
dimensiones Si la temperatura aumenta se produce un aumento del volumen del cuerpo
En ese caso se dice que el cuerpo sufrioacute una dilatacioacuten
Las amplias variaciones de la temperatura ambiente pueden provocar cambios en casi
todos los cuerpos Eacutestos se dilatan o se contraen ante un aumento o disminucioacuten impor-
tante de la temperatura
Para evitar que estos fenoacutemenos produzcan dantildeos por ejemplo en las viacuteas de los ferro-
carriles en las grandes estructuras metaacutelicas o de concreto armado se dejan juntas de
dilatacioacuten que son simplemente espacios que permiten la expansioacuten de estos materiales
Los puentes las calles asfaltadas y otras grandes estructuras se construyen en bloques
que se unen entre siacute con alguacuten tipo de material como el alquitraacuten que se acomoda o adapta
a los espacios libres y no impide la expansioacuten teacutermica evitando asiacute una rotura importante
Los vidrios comunes pueden romperse faacutecilmente si se los somete a un aumento de
temperatura Por este motivo los elementos de un laboratorio o los que se usan en
hornos de cocina estaacuten compuestos por un vidrio especial conocido como Pyrex (marca
de este tipo especial de vidrios) que soporta maacutes las altas temperaturas Este material se
dilata casi tres veces menos que el vidrio comuacuten ante igual variacioacuten de temperatura
No solo los soacutelidos se dilatan tambieacuten este fenoacutemeno se da en los liacutequidos y gases
El aumento de la temperatura del aire hace que aumente su volumen y por lo tanto
disminuya su densidad Las masas de aire caliente tienden a elevarse desplazando las
masas de aire de menor temperatura
Dilatacioacuten de los gases
MaterialesMateriales
Vaso de precipitados Agua Mechero Bunsen Jeringa
Procedimiento
1 Coloquen el agua en el vaso de precipitados
2 Pongan el vaso en contacto con el mechero hasta que el agua llegue al punto de ebullicioacuten
3 Introduzcan la jeringa dentro del
recipiente dejando un poco de aire en su interior
Contesten las siguientes preguntas
1 iquestHacia doacutende se desplaza el eacutembolo de la jeringa luego de unos minutos
2 iquestPor queacute creen que ocurre esto
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
En esta imagen puede verse una junta de
dilatacioacuten de las viacuteas del ferrocarril
Dilatacioacuten anoacutemala del
agua Generalmente los liacutequidos se dilatan al aumentar su temperatura pero el agua se comporta de una manera anoacutemala Cuando su temperatura aumenta desde 0 degC a 4 degC se contrae y maacutes arriba de los 4 degC comienza a dilatarse hasta llegar al punto de ebullicioacutenEste comportamiento poco habitual del agua es muy importante en la naturaleza ya que si se comportara como los demaacutes liacutequidos la vida de las especies acuaacuteticas no seriacutea posible Por ejemplo el fondo de un lago se cubririacutea de gran cantidad de hielo lo cual dificultariacutea la vida de seres que habitan este ecosistema
ndash10 degC
0 degC
4 degC
146 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Algo maacutes sobre la dilatacioacuten
No todas las sustancias dilatan de igual forma frente a un mismo aumento de tempe-
ratura La mayor o menor dilatacioacuten depende de distintos factores como por ejemplo las
caracteriacutesticas de cada material su composicioacuten y su estructura molecular o cristalina
Iguales voluacutemenes de hierro y de vidrio sufren dilataciones distintas frente a un mismo
aumento de temperatura Ademaacutes la dilatacioacuten de un cuerpo es directamente proporcio-
nal a la variacioacuten de temperatura y al volumen inicial En dos cuerpos de distinto volumen
e igual material que sufren un mismo aumento de temperatura se observaraacute mayor dilata-
cioacuten en el cuerpo de mayor volumen inicial
Lo expuesto se puede resumir en la siguiente expresioacuten matemaacutetica que permite el
caacutelculo de la dilatacioacuten de un cuerpo
ΔV = V o γ ΔT
donde ΔV es la variacioacuten del volumen producida durante la dilatacioacuten V o es el volumen
inicial es decir el volumen del cuerpo antes de este fenoacutemeno γ es el coeficiente de dila-
tacioacuten que depende de cada material y ΔT variacioacuten de temperatura que sufre el cuerpo
Muchas veces se considera una sola dimensioacuten para los caacutelculos de dilatacioacuten Por ejem-
plo puede resultar necesario conocer las variaciones de la longitud del cuerpo que prevalece
sobre otras de sus dimensiones Por esto se habla de la dilatacioacuten lineal de los cuerpos
La expresioacuten matemaacutetica para el caacutelculo de la dilatacioacuten lineal es
ΔL = L o α ΔT
donde ΔL es la variacioacuten de longitud producida durante la dilatacioacuten L o es la longitud
inicial α es el coeficiente de dilatacioacuten lineal y ΔT es la variacioacuten de temperatura
La dilatacioacuten teacutermica de algunos materiales se aprovecha para fabricar termostatos
que son unos aparatos disentildeados para el control de variables o procesos dependientes de
la temperatura Pueden encontrarse en planchas caloventores radiadores etc
Los termostatos estaacuten construidos por bandas
o cintas bimetaacutelicas formadas por la unioacuten o
soldadura de dos laacuteminas de metales distintos
Cuando la cinta se calienta uno de los metales
dilata maacutes que el otro y esto hace que la banda
se flexione en forma de curva En cambio cuan-
do se enfriacutea vuelve a la posicioacuten inicial Este
movimiento de las bandas puede accionar por
ejemplo una vaacutelvula o cerrar un interruptor de
suministro de energiacutea eleacutectrica
El coeficiente de dilatacioacuten lineal de un soacutelido
indica cual es la variacioacuten de su longitud inicial por unidad de longitud y por unidad de temperatura Esto se puede expresar de la siguiente manera
α = ΔL ______ L 0 middot ΔT
donde ΔL es la variacioacuten de longitud luego de la dilatacioacuten L 0 es la longitud inicial del cuerpo y ΔT la variacioacuten de temperaturaLa unidad de α es m ______ mmiddotordmC = 1 ___ ordmC o bien ordmC ndash1 Si el coeficiente de dilatacioacuten lineal del hierro es 12 10 ndash5 ordmC ndash1 significa que por cada metro de hierro este material se dilata 12 10 ndash5 m cuando su temperatura variacutea en 1 ordmC
Tabla de coeficientes de
dilatacioacuten lineal de algunos
materiales
Material α ( deg C ndash1 )
Concreto 07 ndash 12 10 ndash5
Plata 20 10 ndash5
Oro 15 10 ndash5
Invar 004 10 ndash5
Plomo 30 10 ndash5
Zinc 26 10 ndash5
Hielo 51 10 ndash5
Aluminio 24 10 ndash5
Latoacuten 18 10 ndash5
Cobre 17 10 ndash5
Vidrio 04 ndash 09 10 ndash5
Hierro 12 10 ndash5
Cuarzo 004 10 ndash5
Acero 12 10 ndash5
147
Aplicaciones del coeficiente de dilatacioacuten lineal
iquestEn cuaacutento se incrementa la longitud de una barra de hierro de 100 m de largo cuan-
do su temperatura aumenta 15 ordmC
En el lateral de la paacutegina 146 se puede observar que el coeficiente de dilatacioacuten
lineal del hierro es de 12 middot 10 ndash5 ordm C ndash1 por lo tanto
ΔL = L o middot α middot ΔT = 100 m middot 12 middot 10 ndash5 ordm C ndash1 middot 15 ordmC = 0018 m = 18 middot 10 ndash2 m
Cuando la temperatura aumenta 15ordmC la barra de hierro de 100 m aumenta enton-
ces 0018 m
Calor
Las personas suelen decir frases como las siguientes iexclQueacute caliente que estaacute el agua iexclHoy hace
mucho calor hay maacutes de 30 grados Cerremos la ventana que entra friacuteo El calor hizo que la puerta de
hierro se hinchara El calor de la estufa subioacute a las habitaciones de la parte superior de la casa etc Si
bien forman parte de un lenguaje cotidiano estas expresiones tienen poca precisioacuten cientiacutefica
y es necesario aproximarse a una definicioacuten de los conceptos fiacutesicos que permita interpretar y
diferenciar el significado de cada teacutermino que se utiliza desde el lenguaje cientiacutefico
Cabe sentildealar que algunas de estas manifestaciones personales estaacuten muy proacuteximas a las
ideas cientiacuteficas que se manejaron sobre el calor entre mediados del siglo XVIII y las primeras
deacutecadas del siglo XIX bajo la teoriacutea del caloacuterico
El calor era considerado como un fluido material llamado caloacuterico que estaba en el interior
de los cuerpos Esta especie de sustancia capaz de pasar desde los cuerpos de mayor temperatura
a los de menor temperatura explicaba el enfriamiento de los cuerpos por peacuterdida del caloacuterico y
calentamiento por su ganancia
Las primeras criacuteticas de la teoriacutea del caloacuterico que ponen en duda la existencia de dicho
fluido surgen cuando en 1798 Benjamin Thompson (1753-1814) conde de Rumford y ministro
de Guerra de Baviera observoacute que al taladrar grandes piezas de metal para fabricar cantildeones se
desprendiacutean importantes cantidades de calor por frotamiento El conde dudoacute de la existencia del
caloacuterico pues si se trataba de una sustancia deberiacutea acabarse en alguacuten momento de ese proceso
de frotamiento sin embargo esto no ocurriacutea
Mucho tiempo despueacutes las ideas del caloacuterico como sustancia en movimiento fueron sustitui-
das por una nueva concepcioacuten cientiacutefica que planteariacutea la posibilidad de unificar los fenoacutemenos
mecaacutenicos luminosos eleacutectricos magneacuteticos teacutermicos y quiacutemicos bajo el concepto de energiacutea
El calor como intercambio de energiacutea
Todos los cuerpos o sistemas materiales tienen asociada una energiacutea interna que permite
conocer y caracterizar sus propiedades El calor es una forma de intercambio de energiacutea desde el
cuerpo de mayor temperatura hacia el de menor temperatura
Por ejemplo cuando se deja olvidada una taza con cafeacute recieacuten preparado sobre la mesa de la
cocina luego de un cierto tiempo se enfriacutea dado que entre el cafeacute y el aire que rodea la taza se
produjo un intercambio de energiacutea El cafeacute recieacuten preparado a mayor temperatura que el aire del
ambiente que rodea a la taza transfirioacute energiacutea (en forma de calor) al medio
Todos los cuerpos tienen asociada una
cierta energiacutea interna como consecuencia del movimiento de sus partiacuteculas Esta energiacutea interna puede variar cuando se intercambia energiacutea con el medio o con otros cuerpos Si dos o maacutes cuerpos a distintas temperaturas se ponen en contacto teacutermico intercambian espontaacuteneamente energiacutea en forma de calor Asiacute el calor es una forma de transferencia de energiacutea aunque existen otras maneras de intercambio de energiacutea no asociadas a las diferencias de temperaturas sino a las fuerzas y a las ondas electromagneacuteticas Estas dos formas se denominan respectivamente trabajo y radiacioacuten
148 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Radiacioacuten
En este fenoacutemeno
hay una transferencia
de energiacutea desde
un cuerpo a otro El
Sol es una fuente
natural de radiacioacuten
electromagneacutetica que
intercambia energiacutea con
el planeta Tierra
Gas de efecto
invernadero
Peacuterdida de calor y radiacioacuten
Radiacioacuten infrarroja
Absorcioacuten por la superficie
terrestre
Absorcioacuten
por las
nubes
Radiacioacuten solar
absorbida
Radiacioacuten
solar
Radiacioacuten solar
reflejada
Otras formas de intercambio de energiacutea
Ademaacutes del calor existen otras dos formas baacutesicas de transferencia de energiacutea
Por trabajo
Si una persona empuja una mesa ejerce una fuerza
sobre la mesa de tal manera que logra desplazarla
de su posicioacuten inicial Se produce un intercambio de
energiacutea entre la persona y la mesa La mesa aumen-
ta su energiacutea cineacutetica ya que la persona le transfiere
cierta cantidad de energiacutea como consecuencia de
ejercer una fuerza sobre dicha mesa Se dice que los
cuerpos intercambiaron energiacutea por trabajo cuan-
do interactuacutean entre siacute mediante fuerzas
Por radiacioacuten
Cuando una sentildeal que transporta informacioacuten llega
a una antena como por ejemplo la sentildeal satelital que
recepciona la antena de un celular se produce un inter-
cambio de energiacutea pero en este caso no hay accioacuten de
fuerzas ni calor
La radiacioacuten emitida por una fuente emisora es captada
por un receptor que decodifica la sentildeal seguacuten el tipo de
informacioacuten que se transmite En este caso la energiacutea se
transfiere desde la fuente al receptor por ondas electro-
magneacuteticas que se caracterizan porque no necesitan
un medio material de propagacioacuten A diferencia de las
ondas mecaacutenicas pueden hacerlo en el vaciacuteo
Una forma de intercambiar energiacutea entre dos cuerpos o sistemas materiales es por
calor Siempre que dos o maacutes cuerpos que se encuentran a distintas temperaturas se
ponen en contacto teacutermico se produce un intercambio de energiacutea en forma de calor En
los fenoacutemenos espontaacuteneos este proceso continuacutea hasta que dichos cuerpos alcanzan el
equilibrio teacutermico es decir igualan sus temperaturas
Los cuerpos no tienen friacuteo o calor sino que poseen cierta energiacutea interna que puede variar
por ejemplo cuando entran en contacto con otros cuerpos de diferentes temperaturas
La Tierra absorbe el 70 de la energiacutea que proviene
del Sol Parte de esta energiacutea es absorbida por el suelo y parte por los gases de la atmoacutesfera A su vez el suelo terrestre emite tambieacuten radiacioacuten que en parte es reflejada por algunos gases presentes en la atmoacutesfera lo que genera el efecto invernadero
149
Calor especiacutefico
Las sustancias tienen distintas capacidades de absorber energiacutea en forma de calor ya
que frente a la misma cantidad de calor sus temperaturas variacutean en formas diferentes
Por ejemplo si se entrega igual cantidad de calor a una cuchara de aluminio y a una
masa equivalente de agua al cabo de un cierto tiempo se podraacute observar que la cuchara
registra un mayor aumento de temperatura que el agua
Las sustancias tienen capacidades distintas de almacenamiento de energiacutea y esto es
muy evidente con los alimentos
Si se colocan en un horno al mismo tiempo una fuente de papas y una cantidad de
masa equivalente de pollo se advierte que las papas tardan maacutes tiempo en llegar a la
temperatura en equilibrio Esto ocurre porque diferentes sustancias requieren distintas
cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura Se dice que estos alimentos
tienen distintas capacidades caloriacuteficas especiacuteficas o calores especiacuteficos
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la can-
tidad de calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es 1 calg degC lo que significa que cada gramo
de agua necesita intercambiar una caloriacutea para variar su temperatura un grado Celsius El
agua tiene una mayor capacidad de almacenar energiacutea que muchas otras sustancias Por
tal razoacuten una pequentildea masa de agua absorbe una gran cantidad de calor con un aumento
relativo de temperatura bastante pequentildeo Por el mismo motivo se puede explicar que el
agua se enfriacutea maacutes lentamente que otras sustancias Es por esto que el agua se usa como
refrigerante en muchas maquinarias o sistemas como por ejemplo los automoacuteviles
Calorimetriacutea
Se denomina calorimetriacutea a la medicioacuten y el caacutelculo de las cantidades de calor que
intercambia un sistema
Intuitivamente se sabe que cuanto mayor sea la cantidad de calor suministrada el cuer-
po alcanzaraacute una mayor variacioacuten de la temperatura Es posible verificar experimentalmente
que entre el calor y la temperatura existe una relacioacuten de proporcionalidad directa La cons-
tante de proporcionalidad depende tanto de la sustancia que constituye el cuerpo como de
su masa y resulta el producto del calor especiacutefico por la masa del cuerpo
Por lo tanto la ecuacioacuten que permite calcular intercambios de calor es
Q = c middot m middot ΔT
donde Q es el calor intercambiado por un cuerpo de masa m constituido por una sustan-
cia cuyo calor especiacutefico es c siendo ΔT la variacioacuten de temperatura experimentada
Por convencioacuten se adopta el signo positivo para Q cuando la variacioacuten de tempe-
ratura es mayor que cero es decir cuando el cuerpo aumenta su temperatura En caso
contrario cuando la variacioacuten de temperatura es menor que cero el cuerpo disminuye su
temperatura y el signo de Q seraacute negativo
Es decir que la cantidad de calor que intercambian dos cuerpos del mismo material pero
de masas diferentes para variar de igual manera sus temperaturas depende de sus masas
Por ejemplo si se entrega la misma cantidad de calor a 500 g de agua y luego a 1000 g de
agua que inicialmente se encuentran a temperatura ambiente se espera que la variacioacuten de tem-
peratura de la masa menor de agua sea mayor que la correspondiente a la masa mayor de agua
La unidad elegida para medir la cantidad de energiacutea es el
joule J aunque existe otra unidad muy utilizada la caloriacutea (cal) que se define como la cantidad de calor necesario para que un gramo de agua pura pase de 145 degC a 155 degC En alimentacioacuten y nutricioacuten se suelen usar mucho las caloriacuteas para medir el valor energeacutetico de los alimentos Se utiliza la Cal (escrita con mayuacutescula) donde 1 Cal = 1 kcal = 1000 cal
La relacioacuten entre los joules y las caloriacuteas es la siguiente 1 cal = 418 J o bien 1 J = 024 cal
150 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Algunos caacutelculos de calorimetriacutea
Es importante tener en cuenta que en esta transferencia se cumple el Principio de
Conservacioacuten de la Energiacutea ya que se puede afirmar que
Si dos cuerpos o sistemas aislados intercambian energiacutea en forma de calor la cantidad
recibida por uno de ellos es igual a la cantidad cedida por el otro cuerpo
Es decir la energiacutea total intercambiada se conserva Esto se puede escribir matemaacuteti-
camente de la siguiente forma Σ Q = 0
Si se consideran dos cuerpos de masas diferentes m1 y m2 que se encuentran a diferen-
tes temperaturas T1 y T2 respectivamente y se colocan en contacto teacutermico al cabo de un
tiempo equipararaacuten sus temperaturas a una cierta temperatura final Tf es decir alcanza-
raacuten el equilibrio teacutermico En este intercambio se cumple el principio de conservacioacuten de
la energiacutea es decir la cantidad de energiacutea que absorbe un cuerpo es igual a la cantidad de
energiacutea que cede el otro por lo cual se puede escribir que
Q2 = ndash Q1 que es lo mismo que escribir que c2 middot m2 middot (Tf ndash T2) = ndash c1 middot m1 middot (Tf ndash T1)
La temperatura final alcanzada luego del intercambio es
Tf = m 1 middot c 1 middot T 1 + m 2 middot c 2 middot T 2
______________________ m 1 middot c 1 + m 2 middot c 2
Aplicacioacuten de caacutelculos caloriacutemetros
1 Se colocan 500 gramos de agua liacutequida a 10 ordmC en un caloriacutemetro ideal (se despre-
cia el intercambio de calor del caloriacutemetro) y se la mezcla con 1000 gramos de agua a
70 ordmC Calculen la temperatura de equilibrio de esta mezcla
Como
Tf = m 1 middot c 1 middot T 1 + m 2 middot c 2 middot T 2
______________________ m 1 middot c 1 + m 2 middot c 2
entonces
Tf = 500 g middot 1 calg ordmC middot10 ordmC + 1000 g middot 1 calg ordmC middot70 ordmC
______________________________________________ 1 calg ordmC middot (500 g + 1000 g)
Se obtiene como resultado
Tf = 50 ordmC
La temperatura de equilibro de la mezcla es de 50 ordmC
Un caloriacutemetro es un recipiente adiabaacutetico o
teacutermicamente aislado en el que se puede calcular la cantidad de energiacutea en forma de calor que se intercambia cuando se colocan en contacto teacutermico sustancias de diferentes masas y a diferentes temperaturasTambieacuten puede utilizarse para calcular el calor especiacutefico de una determinada sustancia
151
Tabla de calores especiacuteficos de
algunas sustancias
Sustancia c ( cal _____ g ordmC )
Agua 100
Agua de mar 0945
Aire 00000053
Alcohol 058
Aluminio 0212
Arena 020
Bronce 0092
Cobre 0093
Hielo 055
Hierro 0113
Lana de vidrio 000009
Latoacuten 0094
Mercurio 0033
Oro 0031
Plata 0060
Plomo 0031
Vidrio 0199
Zinc 0092
2 Calculen la cantidad de calor necesaria en kcal y J que deben ceder 1500 gramos
de agua que se encuentra en su punto de ebullicioacuten para disminuir su temperatura
hasta 20 degC
Como Q = c middot m middot ΔT entonces
Q = 1 cal ______ g middot ordmC
middot 1500 g middot (20 ordmC minus 100 ordmC) = minus120 000 cal = minus120 kcal
Como ademaacutes 1 cal = 418 J entonces ndash120 000 cal = ndash120 000 middot 418 J = ndash501600 J
Es decir la cantidad de calor necesaria es ndash120 kcal o ndash501600 J
3 iquestCuaacutel seraacute el aumento de temperatura de una barra de 3 kg de hierro si se coloca en un
horno industrial que le suministra 30 kcal Consulten la tabla de calores especiacuteficos
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja ΔT se obtiene que
ΔT = Q _____ c middot m = 30 000 cal ____________________ 0113 calg ordmC middot 3000 g
= 885 ordmC
porque Q = 30 kcal = 30 000 cal m = 3 kg = 3000 g y en la tabla de calores especiacuteficos
se observa que el calor especiacutefico del hierro es de 0113 cal g middot ordmC
Luego la variacioacuten de temperatura es aproximadamente ΔT = 885 ordmC
4 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia que constituye un cuerpo de 20 g de
masa sabiendo que para elevar su temperatura 6 ordmC se necesitan 96 cal
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja c se obtiene
c = Q ______ ΔT middot m = 96 cal __________
6 ordmC middot 20 g = 08 cal ____
gmiddotordmC
5 El sistema de refrigeracioacuten de un camioacuten contiene 20 litros de agua iquestCuaacutel es la
variacioacuten de la temperatura del agua si se debe extraer una cantidad de energiacutea en
forma de calor de 836 000 J
La energiacutea extraiacuteda en forma de calor por el sistema refrigerante pasa al agua
Como 1 J = 024 cal entonces 836 000 J = 836 000 middot 024 = 200 640 cal
Por otro lado Q = c middot m middot ΔT con lo cual si se despeja ΔT se obtiene
ΔT = Q _____ c middot m = 200 640 cal ___________________ 1 cal g ordmC middot 20 000 g
= 10 ordmC
La temperatura del agua aumenta en 10 ordmC
152 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
Materiales
Un termo o sistema aislado (como los recipientes para conservar la comida) con un termoacutemetro 200 g de agua a temperatura ambiente por ejemplo 20 ordmC 70 g de cobre o de alguacuten otro metal Un calentador eleacutectrico de inmersioacuten de 500 600 W Un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) Pinzas de madera Vasos de precipitado o probetas graduadas Una balanza
Procedimiento1 Midan con la balanza la masa de agua a temperatura ambiente necesaria para realizar este experimento
2 Coloquen el agua a temperatura ambiente dentro del termo
3 Midan usando la balanza la masa del trozo de cobre
4 Calienten el trozo de cobre dentro de un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) con agua hasta 100 ordmC en ese caso el cobre tendraacute la misma temperatura
5 Extraigan con las pinzas de madera raacutepidamente la masa de cobre y coloacutequenla dentro del termo con el agua a temperatura ambiente
6 Mezclen los contenidos del termo para asegurarse la obtencioacuten de una temperatura uniforme
7 Efectuacuteen la lectura de la temperatura de equilibrio
8 Realicen los caacutelculos necesarios para obtener el calor especiacutefico del cobre
Contesten las siguientes consignas
a Expliquen en teacuterminos fiacutesicos queacute sucedioacute en esta mezcla de sustancias dentro del termo
b iquestQueacute calor especiacutefico obtuvieron
c Comparen con la tabla de valores aportada en este capiacutetulo iquestCoincide con el registrado
d Si no coincide iquesta queacute factores atribuyen las diferencias entre los resultados obtenidos
e iquestCoacutemo podriacutean mejorar estos resultados Propongan algunas hipoacutetesis para optimizar el disentildeo experimental
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
4 En un caloriacutemetro hay 200 g de agua a 20 degC Se agregan 100 g de agua y se obtiene una temperatura de equilibrio de 30 degC Calculen la temperatura de la masa de agua agregada
5 Se toma un trozo de 50 g de un metal desconocido a 100 degC y se lo coloca en un caloriacutemetro en el que hay 150 g de agua a 20 degC El sistema llega a una temperatura de equilibrio de 253 degC A partir de los datos de la tabla de la paacutegina 151 determinen de queacute metal podriacutea ser el trozo analizado
6 Se colocan dentro de un horno de microondas dos vasos ideacutenticos Uno contiene 100 g de agua y el otro 100 g de alcohol ambos a una temperatura de 15 degC Al hacer fun-cionar el horno durante medio minuto suministra a cada uno de ellos 1500 caloriacuteas Determinen las temperaturas finales del agua y del alcohol
7 Se colocan en un horno dos cubos de iguales masas uno de aluminio y el otro de plomo a iguales temperaturas de 20 ordmC Al encenderse el horno iquestcuaacutel de ellos alcanzaraacute primero la temperatura de 150 ordmC Justifiquen su respuesta
aACTIVIDADES
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
153
Propagacioacuten del calor
La transmisioacuten de energiacutea por diferencia de temperatura entre cuerpos o sistemas que
interactuacutean entre siacute se produce a traveacutes de diferentes procesos como la conduccioacuten o la
conveccioacuten
Conduccioacuten
Si se coloca un extremo de una cuchara de aluminio en contacto con una hornalla
encendida de la cocina raacutepidamente se advierte que el calor se transmite hasta el otro
extremo
En el sector de la cuchara en contacto con el fuego se produce un aumento de la
temperatura que hace que las partiacuteculas comiencen a vibrar con mayor energiacutea cineacutetica
(energiacutea de movimiento) y esta energiacutea se transfiere a las restantes partiacuteculas de la
regioacuten de menor temperatura
Esta transferencia de energiacutea sin desplazamiento de materia desde zonas de un cuerpo que
se encuentra a mayor temperatura a las de menor temperatura se denomina conduccioacuten
Algunos materiales presentan la propiedad de ser mejores conductores del calor que
otros Los malos conductores del calor se denominan aislantes (aunque cabe aclarar que
la aislacioacuten nunca es perfecta)
Los metales en general son mejores conductores del calor que otros materiales como
la madera el vidrio el corcho el telgopor etc
Es por eso que por ejemplo se suele usar madera en los mangos de los utensilios de
cocina para minimizar la transferencia de calor y evitar quemaduras en la piel
El corcho el telgopor la lana de vidrio son utilizados en las construcciones de viviendas como aislantes del
calor y para mantener una temperatura ambiente agradable Algunos de estos materiales son bastante
porosos lo que implica que tienen espacios con mayor cantidad de aire que es un buen aislante
Se denomina conduccioacuten a la transferencia de
energiacutea sin desplazamiento de materia de un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura a otro que se encuentra a menor temperaturaSe llama aislantes a los materiales que son malos conductores de calor
Lana de vidrio Corcho
Tambieacuten algunas prendas de abrigo como las cam-
peras o los cubrecamas utilizan dos recubrimien-
tos entre los cuales se colocan algunos materiales
porosos como goma espuma plumas telas entra-
madas que contienen una buena cantidad de aire
que permite la aislacioacuten teacutermica del medio
Telgopor Vidrio
154 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
iquestDe queacute factores depende la transferencia de calor por conduccioacuten en los materiales soacuteli-
dos iquestSe puede calcular
No todos los materiales conducen el calor de igual forma La conductividad teacutermica es
una medida de a capacidad de conducir el calor de cada material
Cuando una persona se encuentra en una habitacioacuten cuya temperatura ambiente es
por ejemplo 20 degC y toca con una mano un cenicero de cobre y con la otra un mantel tie-
ne la sensacioacuten de que el cenicero estaacute maacutes friacuteo que el mantel Esto
ocurre dado que como el cobre es un buen conductor teacutermico el
calor entregado por la mano a la zona de contacto del material
se transmite raacutepidamente al resto del objeto En cambio como
el mantel no es un buen conductor teacutermico cuando se lo toca
la transferencia de calor al resto del material es muy lenta la
temperatura de la zona de contacto aumenta hasta equiparar-
se con la piel y esto da la sensacioacuten de estar maacutes caliente
El caacutelculo es por lo general complica-
do Pero si la transferencia de calor se
produce en una sola direccioacuten y la tem-
peratura variacutea solo en esa direccioacuten se
simplifica Por ejemplo si se considera
un vidrio plano (como el de una venta-
na) se puede conocer queacute cantidad de
energiacutea transferida a traveacutes del vidrio va desde la superficie o cara de mayor temperatura
hacia la de menor temperatura Para esto es necesario tener en cuenta el tipo de vidrio
ya que no todos tienen la misma conductividad teacutermica
La cantidad de calor que se transmite por unidad de tiempo en este caso se puede
simbolizar mediante la siguiente expresioacuten matemaacutetica
Q ___ Δ τ = K ∙ S∙ ΔT ___ Δx
donde τ es el tiempo (para no confundirlo con T de temperatura) Q ___ Δ τ es la cantidad
de calor transmitida a traveacutes del vidrio por unidad de tiempo K es el coeficiente de
conductividad teacutermica que depende del material en este caso del vidrio S es la
superficie perpendicular a la direccioacuten de propagacioacuten y ΔT ___ Δx la variacioacuten de tempera-
tura entre las caras dividida por el espesor del vidrio
Se puede decir entonces que
la cantidad de calor que atraviesa
por unidad de tiempo una placa
de vidrio es mayor cuanto mayor
sea la superficie considerada y la
variacioacuten de temperatura entre sus
caras y cuanto menor sea el espe-
sor o distancia entre dichas caras
Algunos materiales conducen el calor
con mayor facilidad que otros asiacute los metales tienen alta conductividad teacutermica compararada por ejemplo con la capacidad de transmitir el calor de la madera algunos plaacutesticos ceraacutemicas etcLa conductividad teacutermica del cobre es de 330 kcalm middot h middot K la de la madera es de 01 a 03 kcalm middot h middot K y la del telgopor 003 kcalm middot h middot K
155
Conveccioacuten
Se si desea colocar estufas en las habitaciones de una casa para calefaccionarla hay que deci-
dir cuaacutel es el lugar maacutes adecuado para que se aproveche la energiacutea de la mejor manera posible
Es necesario tener en cuenta no solo las dimensiones de las habitaciones que se
desean calefaccionar sino tambieacuten el fenoacutemeno fiacutesico que se denomina transmisioacuten de
calor por conveccioacuten
La masa de aire cercana a la estufa aumenta su
temperatura por lo cual el aire se torna menos denso
que el resto de aire alejado de la estufa
Se origina asiacute un movimiento ascendente y des-
cendente de la masa de aire y se generan las deno-
minadas corrientes convectivas con un permanente
desplazamiento de materia
Este fenoacutemeno se puede observar tambieacuten en las
capas de aire que rodean la Tierra que provocan cam-
bios climaacuteticos seguacuten sus caracteriacutesticas Estas masas
de aire pueden ser maacutes caacutelidas en ciertas zonas que en
otras maacutes huacutemedas (por contener mayor cantidad de
vapor de agua) maacutes secas de mayor o menor presioacuten
La temperatura del aire puede ser influida por la propiedad de la superficie terrestre
hecho que es muy relevante para algunos estudios metereoloacutegicos
Estas corrientes convectivas que naturalmente se forman en la
atmoacutesfera son factores que tienen en cuenta por ejemplo las aves los
aladeltistas y otros deportistas que aprovechan las condiciones del aire
para elevarse Esto ocurre dado que al encontrarse con una masa de aire
caliente ascienden con maacutes facilidad y de esta forma ldquoahorranrdquo energiacutea
y pueden mantenerse en vuelo planeando sin tanto esfuerzo
La conveccioacuten se produce tanto en los gases como en los liacutequidos
Es sencillo observar que cuando se calienta agua en alguacuten recipiente
de vidrio transparente se produce
un movimiento ascendente desde la
parte inferior en contacto con la lla-
ma de fuego hacia la parte superior del recipiente
La masa liacutequida de mayor temperatura se dilata
por lo que disminuye su densidad asciende dentro del
recipiente y tiende a desplazar hacia la parte inferior
a la masa de agua liacutequida de menor temperatura
iquestOtra forma de transmisioacuten del calor
Algunos cientiacuteficos consideran que maacutes que una forma de transmisioacuten del calor la
radiacioacuten a la que ya se ha hecho referencia anteriormente implica una manera de inter-
cambio de energiacutea maacutes general
Esta transferencia de energiacutea no se da por intercambio de calor entre cuerpos que se
encuentran a distintas temperaturas ni por trabajo Involucran transferencias de energiacutea
por medio de ondas electromagneacuteticas Asiacute por ejemplo entre dos antenas se transfiere
energiacutea por radiacioacuten
156 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
Materiales Tubo de ensayo Trocitos de hielo Una moneda Agua Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen en el tubo de ensayo los trocitos de hielo cubiertos por la moneda
2Agreguen un poco de agua
3 Acerquen la parte superior del tubo al mechero o calentador
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Corrientes convectivas en liacutequidos
Materiales Agua Recipiente Trocitos de tiza de color o yerba mate Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen agua en un recipiente
2 Agreguen trocitos de tiza de color o un poco de yerba mate
3 Coloquen el recipiente al fuego
hasta que hierva el agua
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Materiales Dos latitas de gaseosa vaciacuteas Un poco de agua Pintura o cartulina negra Mechero o calentador Termoacutemetro
Procedimiento1 Tomen una de las latas y piacutentenla de negro o foacuterrenla con la cartulina negra
2 Anoten la temperatura inicial del agua
3 Coloquen la misma cantidad de agua en las dos latas
4 Pongan a calentar las dos latas a igual distancia del fuego
5 Controlen la temperatura del agua en cada lata cada 10 minutos
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestCoinciden los registros de temperatura de ambas latas
b iquestPor queacute Justifiquen su respuesta
iquestEl agua es un buen conductor teacutermico
Transmisioacuten de energiacutea por radiacioacuten
157
Los cambios de estado
Los materiales se presentan baacutesicamente en tres estados soacutelido liacutequido y gaseoso
Estos estados no son una caracteriacutestica invariable de los cuerpos ya que pueden modifi-
carse por ejemplo si se variacutea la temperatura y la presioacuten a la que estaacuten sometidos dichos
cuerpos Por ejemplo se puede fundir hierro si se lleva su temperatura a maacutes de 1500 degC
Una caracteriacutestica de los liacutequidos es la relativa libertad de movimiento de sus moleacute-
culas Si se suministra calor a un liacutequido y se logra aumentar la temperatura tambieacuten
aumentaraacute el movimiento de sus moleacuteculas las que pueden escapar de la superficie liacutequi-
da Este proceso que se da en la superficie del liacutequido se llama evaporacioacuten y puede ocu-
rrir a cualquier temperatura
A medida que aumenta la temperatura se modifica la estructura de enlace entre las
moleacuteculas Ellas no pueden mantenerse lo suficientemente cerca entre siacute para que la sus-
tancia continuacutee liacutequida lo que provoca que las moleacuteculas escapen auacuten maacutes faacutecilmente al
aire Este es el fenoacutemeno de ebullicioacuten y es conveniente resaltar que la temperatura en
la que este proceso ocurre llamada temperatura de ebullicioacuten se mantendraacute estable en
determinadas condiciones de presioacuten
Todo este proceso corresponde al cambio de estado denominado vaporizacioacuten
Cada sustancia tiene su propio punto de ebullicioacuten punto de fusioacuten y punto de solidi-
ficacioacuten que corresponden a las temperaturas y presiones en que se producen los cambios
de estado
El ciclo del agua o ciclo hidroloacutegico
Es muy comuacuten ejemplificar los cambios de estado con el agua para lo que suele apro-
vecharse el llamado ciclo hidroloacutegico o ciclo del agua que se produce en la naturaleza y
en el que se diferencian los siguientes fenoacutemenos
El agua se evapora continuamente pasando de estado liacutequido a gaseoso
Las nubes estaacuten formadas por pequentildeas gotas de agua liacutequida que ascienden por las
corrientes de aire
La lluvia se produce cuando se forman gotas maacutes gran-
des que precipitan
La nieve y el granizo se for-
man cuando la temperatura es
muy baja y se solidifican las
gotas de agua liacutequida
La niebla se produce en
lugares con altos porcentajes de
humedad y trae aparejada una
disminucioacuten en las temperatu-
ras
El rociacuteo o la escarcha se
producen por la condensacioacuten o
solidificacioacuten del agua de la atmoacutes-
fera debido a las marcadas diferencias
de temperatura entre el diacutea y la noche
Las posibles transformaciones de un
estado a otro son las siguientes
FusioacutenVaporizacioacuten
Sublimacioacuten
Volatilizacioacuten
SolidificacioacutenCondensacioacuten
Soacutelido
Liacutequido
Gaseoso
Hielo
PrecipitacioacutenEvaporacioacuten
Corriente subterraacutenea
Infiltracioacuten
Radiacioacuten solar
Condensacioacuten
Accioacuten del viento
Evaporacioacuten
Corriente
superficial
Transpiracioacuten
158 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Calor de fusioacuten y calor latente de vaporizacioacuten
Cada cambio de estado se acompantildea de un intercambio de energiacutea entre el sistema y
el medio exterior Por ejemplo se necesita energiacutea para fundir el hielo De esta forma se
pueden contrarrestar los efectos de las fuerzas que mantienen las moleacuteculas de agua en
posicioacuten fija en el soacutelido
Si la moleacuteculas de un soacutelido absorben suficiente energiacutea es posible que las fuerzas de
atraccioacuten entre moleacuteculas ya no puedan mantener su unioacuten entonces se produce el pasaje
de estado soacutelido a liacutequido
La vaporizacioacuten tambieacuten necesita energiacutea y sucede algo similar con las fuerzas de
atraccioacuten que mantienen las moleacuteculas cercanas entre siacute en la superficie del liacutequido
Un aumento de energiacutea pude ocasionar que las moleacuteculas escapen del liacutequido para
transformarse en moleacuteculas de vapor
En la medida en que aumentan las fuerzas intermoleculares la cantidad de energiacutea
necesaria para generar un cambio de fase tambieacuten se incrementa
En otros casos para poder cambiar de estado el sistema tiene que ceder energiacutea al
medio Por ejemplo el agua liacutequida debe ceder calor al medio para solidificarse
Se denomina calor latente de vaporizacioacuten a la energiacutea intercambiada por unidad de
masa para producir ese cambio de estado
Por ejemplo cada gramo de agua liacutequida a 100 ordmC y presioacuten normal debe absorber 540 cal
para convertirse en un gramo de agua en estado de vapor a la misma temperatura
La evaporacioacuten se acompantildea de un efecto de enfriamiento en la medida que el agua se
evapora absorbe calor del cuerpo del cual se evapora
El alto calor latente de vaporizacioacuten del agua 540 calg permite el enfriamiento de
las plantas por evaporacioacuten desde la superficie foliar las que reciben gran cantidad de
calor por efecto de la radiacioacuten solar La transpiracioacuten es un importante fenoacutemeno en la
regulacioacuten de la temperatura de muchos seres vivos
El calor latente de fusioacuten del hielo es de 80 calg esto significa que cada gramo de
hielo a 0 ordmC debe absorber 80 cal para convertirse en un gramo de agua liacutequida a 0 ordmC
De manera anaacuteloga al ceder 80 cal cada gramo de agua liacutequida se transforma en hielo
sin modificarse la temperatura
Se puede decir que el calor latente l indica una medida de la cantidad de calor por uni-
dad de masa que se necesita para cambiar de estado sin modificar la temperatura
Esto puede expresarse mediante la siguiente foacutermula
l = Q __ m o lo que es equivalente Q = l middot m
donde l es el calor latente Q es el calor y m la masa del cuerpo
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Hidroacutegeno -2591 139 -2627 1067
Oxiacutegeno -2184 33 -1830 51
Agua 00 80 1000 3594
Mercurio -389 28 3599 697
Plomo 3274 59 1620 -
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Plata 9605 26 1950 552
Cobre 10380 489 2595 1145
Hierro 1535 637 3200 1110
Tungsteno 3390 457 5900 460
159
CIE
NCIA
HIS
TORIA
Y S
OCIE
DAD
La historia la tradicioacuten y las modas arquitectoacutenicas contribuyen a determinar la forma y el tipo de las construcciones iquestCon queacute materiales se construye una casa iquestPor queacute para un determinado uso y funcioacuten se requieren distintos tipos de materialesEn los uacuteltimos antildeos la preocupacioacuten de los arquitectos y tambieacuten de los cientiacuteficos a la hora de proyectar un edificio se manifiesta en la obtencioacuten y aprovechamiento de los materiales con el fin de optimizar el uso de energiacutea en las viviendasLa sociedad moderna requiere grandes cantidades de energiacutea para su funcionamiento normal pero es importante reflexionar sobre el uso oacuteptimo y racional de las fuentes de energiacutea como el carboacuten el gas natural el petroacuteleo y todos sus derivados ya que no son renovablesSe estima que el petroacuteleo y el gas natural alcanzaraacuten para unos 50 a 100 antildeos maacutes mientras que el carboacuten para unos 200 a 300 antildeos maacutesMantener las viviendas calefaccionadas durante el invierno forma parte del bienestar de las personas y optimizar la energiacutea disponible en una casa depende del
cuidado de los recursos utilizados para este finEs importante tener una adecuada aislacioacuten teacutermica en todos los lugares posibles de fuga o peacuterdida de calor sobre todo del techo dado que el aire caliente es maacutes liviano y tiende a subir Existen actualmente en el comercio variedades de aislantes teacutermicos que reducen esas peacuterdidas y permiten ahorrar energiacutea Entre ellos el telgopor
las maderas los plaacutesticos las planchas de corcho las fibras de vidrio los ladrillos huecos refractarios etciquestCuaacuteles son los intercambios de energiacutea en forma de calor que se dan en una casaiquestCuaacutenta energiacutea se transfiere al exteriorEn una casa tiacutepica se disipa calor al exterior seguacuten se muestra en el siguiente esquema
El intercambio de calor en una casaEl hombre puede vivir en diversas regiones de la Tierra desde los troacutepicos hasta los polos en los bosques y en el desierto en las llanuras o montantildeas Aun cuando las condiciones cli-maacuteticas resulten hostiles el ser humano disentildea y construye sus viviendas para protegerse de las inclemencias del tiempo aprovechando los materiales de la zona
Un 35 a traveacutes de las ventanas por
conduccioacuten y radiacioacuten
Un 15 por las
paredes por
conduccioacuten y
conveccioacuten
Un 25 se transfiere
a traveacutes del techo
por conduccioacuten
y conveccioacuten
Un 5 se escapa
de chimeneas y
otros conductos
Un 5 a traveacutes
de rendijas
Un 15 por conduccioacuten a
traveacutes del suelo
160 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
CIE
NCIA
H
ISTO
RIA
Y S
OCIE
DAD
El tipo de material empleado
La energiacutea en forma de calor que se transfiere por segundo desde cualquier habitacioacuten a otra se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten que es similar a la presentada en conductividad teacutermica
P = K middot S middot Δt donde P es la energiacutea en forma de calor transmitida por unidad de tiempo Δt es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la habitacioacuten S es la superficie de los materiales que componen la habitacioacuten y K es un coeficiente caracteriacutestico del material utilizadoLos profesionales utilizan tablas con los valores K de algunas estructuras utilizadas habitualmente en la construccioacuten de una casa como las de la tabla
Luego de la lectura del textoa Sugieran posibles soluciones para prevenir las transfe-rencias de energiacutea desde el interior de las viviendas hacia el exteriorb Confeccionen una lista de las partes de una casa que pueden llevar aislantes teacutermicos y averiguumlen con queacute materiales estaacuten fabricados
c Realicen un disentildeo experimental para calcular la ener-giacutea que se transfiere del interior al exterior de su casad Describan sus disentildeos y busquen informacioacuten sobre uso de materiales en la construccioacuten de viviendas seguacuten sus propiedades y usos
aACTIVIDADES
iquestDe queacute depende la mayor o menor cantidad de energiacutea transferida
Los arquitectos e ingenieros consideran que la transferencias de energiacutea desde el interior hacia el exterior dependen fundamentalmente de los siguientes factores
La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la habitacioacuten Cuanto mayor es esta diferencia mayor es el flujo de energiacutea y maacutes raacutepido se produce el intercambio
Las superficies de los distintos materiales que componen la habitacioacuten Cuanto mayor es la superficie mayor transferencia de energiacutea al exterior
Espuma aislante Muro de ladrillos Tejas para techo
Casa construida
Tipos de estructuraValores K
(w ( m 2 ordmC))
Techo de tejas sin aislamiento
22
Techo de tejas con aislamiento 045
Ventanas con vidrio de 6 mm 56
Ventanas con vidrios dobles con 20 mm de separacioacuten
28
Pared de ladrillos con yeso (114 mm) 1324
Doble pared de ladrillos con caacutemara de aire de 280 mm
17
Doble pared de ladrillos con aislamiento en el
06
Piso de ceraacutemica sobre viguetas 42
Piso de madera sobre viguetas 17
161
IDEAS BAacuteSICAS DE LA UNIDAD
La temperatura es una variable de estado del cuerpo relacionada con la energiacutea cineacutetica
del movimiento de sus partiacuteculas
Los cuerpos no tienen friacuteo ni calor tienen bajas o altas temperaturas
Un termoacutemetro es un instrumento que se utiliza para medir la temperatura
Generalmente los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuan-
do disminuye su temperatura
Se denomina calor a la forma de intercambio de energiacutea entre dos cuerpos de distintas
temperaturas que se ponen en contacto teacutermico
La transferencia de calor se da espontaacuteneamente desde el cuerpo de mayor temperatura al
de menor temperatura
Dos cuerpos de distintas temperaturas que intercambian energiacutea logran el equilibrio teacutermi-
co cuando equiparan sus temperaturas
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la cantidad de
calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
El calor se propaga por tres formas baacutesicas conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten
La conduccioacuten se produce cuando se transfiere energiacutea en forma de calor desde las moleacute-
culas o partiacuteculas que se encuentran en zonas de mayor temperatura a las que se encuentran
en zonas de menor de temperatura sin desplazamiento de materia
En los liacutequidos y gases se generan corrientes convectivas con desplazamiento de materia
A los malos conductores del calor se los llama aislantes teacutermicos
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmC
( T F ndash 32 ordmC) Escala Celcius
T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
T C Escala Farenheit
T K = 27315 + T C Escala termomeacutetrica
ΔL = L o ∙ α ∙ Δt Dilatacioacuten liacuteneal
Q = c ∙ m ∙Δt Calorimetriacutea
Q ___ Δt = K ∙ S ∙ Δt ___ Δx Cantidad de calor que se transfiere
por conduccioacuten de un soacutelido
Foacutermulas
162 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
ACTIVIDADES DE INTEGRACIOacuteN1 Si se colocan 1000 g de agua en un recipiente y 2000 g de agua
en otro ambos a 20 degC y se les entrega igual cantidad de calor en
iguales condiciones de presioacuten normal iquestalcanzaraacuten el mismo punto
de ebullicioacuten iquestPor queacute
2 iquestPor queacute algunos vidrios como los llamados Pyrex no se rompen
cuando se someten a elevadas temperaturas
3 iquestQueacute ocurririacutea si usamos un termoacutemetro de mercurio contenido en
un recipiente cuyo coeficiente de dilatacioacuten fuera similar al del mer-
curio
4 iquestPor queacute el agua no se emplea como sustancia termomeacutetrica
5 Si colocan en un horno dos cuerpos de igual masa pero diferente
calor especiacutefico iquestcuaacutel alcanzaraacute primero la temperatura del horno
iquestPor queacute
6 iquestPor queacute generalmente las estufas y radiadores se colocan en la
parte inferior de la pared
7 Los habitantes del desierto suelen cubrirse con varias capas de
telas a modo de tuacutenicas por lo general claras iquestPor queacute razoacuten se
cubren tanto
8 Si se saca un recipiente del horno con un trozo de tela mojado es
probable que se sienta maacutes ldquocalienterdquo que si lo tomamos con una tela
seca iquestQueacute explicacioacuten fiacutesica tiene este hecho
9 Algunos alimentos que compramos en los negocios de venta al
puacuteblico como restaurantes se colocan en recipientes aislantes iquestPor
queacute iquestDe queacute material estaacuten hechos estos recipientes
10 iquestQueacute funcioacuten cumple un termo Justifiquen sus respuestas en
teacuterminos fiacutesicos
11 La temperatura de un diacutea de invierno en la Antaacutertida puede ser
inferior a ndash50 ordmC iquestA cuaacutentos grados Fahrenheit corresponde
12 Un termoacutemetro estaacute graduado en una escala degX tal que 20 degC
corresponden a 30 degX y 120 degC corresponden a 300 degX iquestCuaacutel es el
valor en la escala degX que corresponde a 50 degC Justifiquen sus res-
puestas
13 iquestQueacute cantidad de calor absorbe un cuerpo de 50 g de hierro que
se encuentra a una temperatura de 25 ordmC cuando su temperatura
aumenta a 100 ordmC
14 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia sabiendo que una
masa de 10 g absorbe 250 caloriacuteas cuando su temperatura variacutea 200
ordmC
15 Una dieta normal para una persona adulta en actividad es de
aproximadamente 2500 kcal diarias iquestA cuaacutentos joule equivale este
valor energeacutetico
16 Se mezclan 50 g de agua a 30 ordmC con 25 g de agua a 20 ordmC en un
recipiente aislado iquestQueacute temperatura final tiene esa mezcla
17 La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 degC Determinen
su longitud en un diacutea en que la temperatura es de 34 degC Consulten
la tabla de coeficientes de dilatacioacuten lineal de la paacutegina 146
18 Una barra de metal de longitud L o a 0 degC sufre un aumento de
longitud de un centeacutesimo de su longitud inicial cuando su tempera-
tura es de 500 degC iquestCuaacutel es el coeficiente de dilatacioacuten del metal
19 iquestCoacutemo podriacutean comprobar que la cantidad de calor que inter-
cambia un cuerpo para modificar su temperatura depende de la
masa del cuerpo Disentildeen un experimento descriacutebanlo y justifiquen
sus hipoacutetesis
20 Seguacuten la teoriacutea del caloacuterico el calor era considerado como una
sustancialidad de los cuerpos Teniendo en cuenta esta teoriacutea dise-
ntildeen un experimento que permita comprobar o refutar la siguiente
hipoacutetesis ldquoEl calor que tienen los cuerpos pesardquo
21 El valor caloacuterico de una barra de 100 g de chocolate es 550 kcal Supongan que se utilizara toda esa energiacutea para elevar la tempera-tura del agua desde los 15 ordmC con que sale de la canilla hasta 100 ordmC iquestcuaacutenta agua se podriacutea calentar
22 Se le suministra a un cuerpo de masa m de cierto material energiacutea por valor de 100 joule y el cuerpo incrementa su tempe-ratura en Δt iquestCuaacutenta energiacutea habraacute que suministrarle a un cuerpo del miso material cuya masa es el triple de la del primero para que el aumento de temperatura sea la mitad que en el primer caso
163
AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
142 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
iquestQueacute es la sensacioacuten teacutermica
Se denomina sensacioacuten teacutermica a la temperatura detectada por la piel de cada perso-
na frente a determinadas condiciones climaacuteticas que no solo dependen de la temperatura
del aire sino tambieacuten de la velocidad del viento y de la humedad o vapor de agua que
contiene el aire Aunque la sensacioacuten teacutermica es una medida muy subjetiva es posible
calcularla y tabularla teniendo en cuenta los paraacutemetros sentildealados
La sensacioacuten de friacuteo estaacute relacionada con la velocidad de transferencia o intercambio
de energiacutea desde la piel expuesta al aire De esta manera si la temperatura es baja y hay
viento eacuteste aumenta la disipacioacuten de calor del cuerpo haciendo que la sensacioacuten sea la
que se experimentariacutea en un ambiente con una temperatura menor De igual modo si hace
calor y hay viento eacuteste contribuye a evaporar maacutes raacutepidamente la transpiracioacuten provo-
cando la sensacioacuten de una temperatura menor que la real Tambieacuten la humedad del aire es
un factor a tener en cuenta Asiacute por ejemplo si la temperatura del aire es 27 ordmC la sensa-
cioacuten teacutermica es igual a esa temperatura si la humedad relativa es 40 Sin embargo si la
humedad aumenta a 80 la persona se siente como si estuviera en un ambiente a 32 ordmC
Escalas termomeacutetricas
En la vida cotidiana resulta uacutetil conocer la temperatura del aire ya que brinda informacioacuten
sobre el estado del tiempo y las condiciones climaacuteticas Tambieacuten puede resultar uacutetil controlar
la temperatura corporal en los enfermos o la temperatura de conservacioacuten de algunos alimen-
tos Para medir la temperatura es necesario disponer de un instrumento llamado termoacuteme-
tro Los termoacutemetros pueden tener distintas escalas que permiten asignar un nuacutemero a cada
estado teacutermico Para calibrar un termoacutemetro se deben considerar dos puntos de referencia
llamados puntos fijos Algunas variantes en su determinacioacuten son las siguientes
Escala Fahrenheit
A principios del siglo XVIII Gabriel Fahrenheit (1686-1736) creoacute la escala que lleva su
nombre El punto fijo inferior de esta escala corresponde a la temperatura de fusioacuten de una
solucioacuten de cloruro de amonio en agua a la que asignoacute el valor 0 ordmF El punto fijo superior
corresponde a la temperatura de agua en ebullicioacuten a la que asignoacute el valor 212 ordmF Un ter-
moacutemetro asiacute graduado indica que la temperatura de fusioacuten del hielo a presioacuten normal es 32
ordmF Esta escala es muy utilizada en algunos paiacuteses como los Estados Unidos
Escala Celsius
En 1743 Anders Celsius (1701-1744) creoacute la escala Celsius En esta escala se asignoacute al punto
de fusioacuten del hielo a una temperatura de 0 ordmC y al punto de ebullicioacuten del agua 100 ordmC ambos
valores a presioacuten normal Es utilizada en la mayoriacutea de los paiacuteses de Europa y Ameacuterica latina
Como en la escala Fahrenheit el punto de fusioacuten del hielo corresponde a 32 ordmF se tiene que
0 ordmC corresponde a 32ordmF Con lo cual mientras en la escala Celsius el intervalo entre los puntos
de fusioacuten y ebullicioacuten del agua queda divido en 100 partes iguales la escala Fahrenheit divide
al mismo intervalo en 180 partes iguales (de 32ordmF a 212ordmF) Puede deducirse entonces que
T C
_____ 100ordmC
= T F
ndash 32 degF _________ 180 degF rArr T C = 5 degC ____ 9 degF ( T F ndash 32 ordmF) y T F = 32 ordmF + 9 degF ____
5 degC T C
donde T C es la temperatura medida en la escala Celsius y T F es la temperatura medida
en la escala Fahrenheit
La sensacioacuten teacutermica
Materiales
Tres recipientes Agua friacutea tibia y caliente
Procedimiento
1 Tomen los tres recipientes y coloquen cantidades iguales de agua friacutea en uno de ellos tibia en otro y caliente en el tercero
2 Pongan una mano en el agua caliente y otra en el agua muy friacutea por 30 segundos
3 Pasen ambas manos al recipiente con agua templada
Contesten las siguientes
preguntas
1 iquestCoacutemo se siente el agua en la mano que estaba antes en el agua friacutea
2 iquestCoacutemo se siente el agua en la mano que estaba antes en el agua caliente
3 iquestQueacute pueden decir respecto de la temperatura del agua tibia
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
143
Escala Kelvin
Fue nombrada asiacute en honor a William Thomson el que maacutes tarde seriacutea Lord Kelvin (1824-
1907) quien a los 24 antildeos creoacute una escala termomeacutetrica de gran uso en muchos paiacuteses del
mundo Esta escala se calibra en teacuterminos de la energiacutea de los cuerpos de modo tal que
existe un liacutemite de la temperatura miacutenima posible que corresponde al menor estado teacuter-
mico que puede alcanzar la materia A este liacutemite se lo denominoacute 0 K o cero absoluto
Las unidades de la escala Kelvin se dimensionan de igual forma que los grados de la esca-
la Celsius esto significa que una variacioacuten de temperatura de diez grados Kelvin es lo mismo
que una variacioacuten de 10 grados Celsius Luego sobre la base de la escala Celsius se asigna
27315 K a la temperatura de fusioacuten del hielo es decir 0 ordmC y 37315 K para la temperatura de
ebullicioacuten del agua o sea 100 ordmC De este modo el 0 K coincide con el ndash27315 ordmC
Esta escala es la uacutenica utilizada por los cientiacuteficos para desarrollos teoacutericos y es la que
se toma como la unidad de temperatura en el Sistema Internacional de Unidades (SI) y en el
Sistema Meacutetrico Legal Argentino (SIMELA) Se representa con la letra K y no ordmK
Se tiene ademaacutes que
T K = 27315 degC + T C
donde T C es la temperatura medida en la escala Celsius y T K es la temperatura en la
escala Kelvin
Aplicaciones de las escalas termomeacutetricas
1 Un periodista del estado de California en EEUU anuncia el pronoacutestico del diacutea y dice
que la temperatura maacutexima seraacute de 50 ordmF iquestAconsejaraacute a los habitantes llevar abrigo
Para saber si haraacute friacuteo o no es necesario transformar la temperatura medida en la
escala Fahrenheit a la escala Celsius para ello como
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmF middot ( T F minus 32 ordmF) = 5 ordmC ____ 9 ordmF middot (50 ordmF minus 32 ordmF) = 10 ordmC
la temperatura es de 10 ordmC es decir hay que llevar algo de abrigo
2 La temperatura normal del cuerpo es de 37 ordmC iquestcuaacutel es esa temperatura medida en ordmF
Como T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
middot T C entonces T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
middot 37 ordmC = 986 ordmF
la temperatura normal del cuerpo es 986 ordmF
3 La temperatura ambiente del aula es 22 degC iquestCuaacutel seraacute la temperatura en la escala Kelvin
Como T K = 27315 ordmC + T C entonces T K = 27315 ordmC + 22 ordmC = 29515 K
William Thomson (Lord Kelvin 1824-1907) fue
uno de los grandes maestros de la termodinaacutemica del siglo XIX Nacioacute en Belfast y se hizo famoso por sus teoriacuteas y rico con sus inventos Como fiacutesico esbozoacute los fundamentos de la teoriacutea de las oscilaciones eleacutectricas propugnoacute la escala absoluta de temperaturas y repuso la doctrina de la disipacioacuten de la energiacutea
1 La temperatura de una habitacioacuten aumenta 6 ordmC iquestCuaacutel fue el aumento medido en las escalas absoluta y Fahrenheit
2 a iquestPuede haber alguacuten estado teacutermico para el que su temperatura en la escala Fahrenheit sea positiva y en Celsius negativa
biquestHay estados en los que ocurra lo contrario
3 iquestCuaacutel es el valor para el cual la temperatura medida en grados Celsius y en grados Fahrenheit estaacute representada por el mismo nuacutemero
aACTIVIDADES
144 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Los termoacutemetros
Existen diversos tipos de termoacutemetros que se construyen para fines especiacuteficos Tanto los
termoacutemetros cliacutenicos que sirven para medir la temperatura corporal como las termocuplas que
regulan la temperatura de algunos procesos industriales o los termoacutemetros de alcohol colorea-
do usados en meteorologiacutea basan su funcionamiento en distintas variables termomeacutetricas
Los termoacutemetros cliacutenicos
Constan de un tubo de vidrio que contiene mercurio (metal liacutequido de faacutecil dilatacioacuten)
con un estrangulamiento cerca del bulbo para impedir que el mercurio descienda a eacutel lue-
go de dilatarse lo cual facilita la lectura de la temperatura
La escala de los termoacutemetros cliacutenicos se extiende por
lo general desde 355 degC hasta 42 degC con una divisioacuten
miacutenima de la escala de 01 degC
Las termocuplas
Constan de dos alambres de diferentes materiales que estaacuten soldados en un extremo y
terminan en una ficha especial en el otro
Cuando aumenta la temperatura en la unioacuten de los
metales se produce una fuerza electromotriz que se
mide con instrumento llamado voltiacutemetro Si se cali-
bra adecuadamente la escala se puede establecer
una comparacioacuten entre el registro del instrumento y
la temperatura de la unioacuten entre estos metales
Los metales utilizados pueden ser aleaciones de niacutequel-cromo niacutequel-aluminio hierro
y cobre etc Estos termoacutemetros permiten medir temperaturas dentro de un rango aproxi-
mado de ndash150 ordmC a 1500 ordmC
Los termorresistores
Son termoacutemetros construidos con un material que presenta una significativa variacioacuten
de su resistencia eleacutectrica con la temperatura Los maacutes usuales son los termorresistores de
platino que son alambres finos o laacuteminas delgadas encapsuladas en un material ceraacutemico
Se trata de sensores de gran sensibilidad y especificidad
Los termoacutemetros de alcohol
Estos termoacutemetros se utilizan en meteorologiacutea para medir la temperatura del aire
Permiten medir temperaturas inferiores a los ndash39 ordmC
lo cual resulta ideal para los registros de bajas tempe-
raturas del aire En estos casos el mercurio se solidifica
y es por ello que se usa el alcohol
Los termoacutemetros
como el de la imagen
permiten medir la
temperatura en
grados Celsius y en
grados Farenheit
145
Dilatacioacuten
Generalmente la variacioacuten de temperatura de un cuerpo provoca un cambio en sus
dimensiones Si la temperatura aumenta se produce un aumento del volumen del cuerpo
En ese caso se dice que el cuerpo sufrioacute una dilatacioacuten
Las amplias variaciones de la temperatura ambiente pueden provocar cambios en casi
todos los cuerpos Eacutestos se dilatan o se contraen ante un aumento o disminucioacuten impor-
tante de la temperatura
Para evitar que estos fenoacutemenos produzcan dantildeos por ejemplo en las viacuteas de los ferro-
carriles en las grandes estructuras metaacutelicas o de concreto armado se dejan juntas de
dilatacioacuten que son simplemente espacios que permiten la expansioacuten de estos materiales
Los puentes las calles asfaltadas y otras grandes estructuras se construyen en bloques
que se unen entre siacute con alguacuten tipo de material como el alquitraacuten que se acomoda o adapta
a los espacios libres y no impide la expansioacuten teacutermica evitando asiacute una rotura importante
Los vidrios comunes pueden romperse faacutecilmente si se los somete a un aumento de
temperatura Por este motivo los elementos de un laboratorio o los que se usan en
hornos de cocina estaacuten compuestos por un vidrio especial conocido como Pyrex (marca
de este tipo especial de vidrios) que soporta maacutes las altas temperaturas Este material se
dilata casi tres veces menos que el vidrio comuacuten ante igual variacioacuten de temperatura
No solo los soacutelidos se dilatan tambieacuten este fenoacutemeno se da en los liacutequidos y gases
El aumento de la temperatura del aire hace que aumente su volumen y por lo tanto
disminuya su densidad Las masas de aire caliente tienden a elevarse desplazando las
masas de aire de menor temperatura
Dilatacioacuten de los gases
MaterialesMateriales
Vaso de precipitados Agua Mechero Bunsen Jeringa
Procedimiento
1 Coloquen el agua en el vaso de precipitados
2 Pongan el vaso en contacto con el mechero hasta que el agua llegue al punto de ebullicioacuten
3 Introduzcan la jeringa dentro del
recipiente dejando un poco de aire en su interior
Contesten las siguientes preguntas
1 iquestHacia doacutende se desplaza el eacutembolo de la jeringa luego de unos minutos
2 iquestPor queacute creen que ocurre esto
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
En esta imagen puede verse una junta de
dilatacioacuten de las viacuteas del ferrocarril
Dilatacioacuten anoacutemala del
agua Generalmente los liacutequidos se dilatan al aumentar su temperatura pero el agua se comporta de una manera anoacutemala Cuando su temperatura aumenta desde 0 degC a 4 degC se contrae y maacutes arriba de los 4 degC comienza a dilatarse hasta llegar al punto de ebullicioacutenEste comportamiento poco habitual del agua es muy importante en la naturaleza ya que si se comportara como los demaacutes liacutequidos la vida de las especies acuaacuteticas no seriacutea posible Por ejemplo el fondo de un lago se cubririacutea de gran cantidad de hielo lo cual dificultariacutea la vida de seres que habitan este ecosistema
ndash10 degC
0 degC
4 degC
146 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Algo maacutes sobre la dilatacioacuten
No todas las sustancias dilatan de igual forma frente a un mismo aumento de tempe-
ratura La mayor o menor dilatacioacuten depende de distintos factores como por ejemplo las
caracteriacutesticas de cada material su composicioacuten y su estructura molecular o cristalina
Iguales voluacutemenes de hierro y de vidrio sufren dilataciones distintas frente a un mismo
aumento de temperatura Ademaacutes la dilatacioacuten de un cuerpo es directamente proporcio-
nal a la variacioacuten de temperatura y al volumen inicial En dos cuerpos de distinto volumen
e igual material que sufren un mismo aumento de temperatura se observaraacute mayor dilata-
cioacuten en el cuerpo de mayor volumen inicial
Lo expuesto se puede resumir en la siguiente expresioacuten matemaacutetica que permite el
caacutelculo de la dilatacioacuten de un cuerpo
ΔV = V o γ ΔT
donde ΔV es la variacioacuten del volumen producida durante la dilatacioacuten V o es el volumen
inicial es decir el volumen del cuerpo antes de este fenoacutemeno γ es el coeficiente de dila-
tacioacuten que depende de cada material y ΔT variacioacuten de temperatura que sufre el cuerpo
Muchas veces se considera una sola dimensioacuten para los caacutelculos de dilatacioacuten Por ejem-
plo puede resultar necesario conocer las variaciones de la longitud del cuerpo que prevalece
sobre otras de sus dimensiones Por esto se habla de la dilatacioacuten lineal de los cuerpos
La expresioacuten matemaacutetica para el caacutelculo de la dilatacioacuten lineal es
ΔL = L o α ΔT
donde ΔL es la variacioacuten de longitud producida durante la dilatacioacuten L o es la longitud
inicial α es el coeficiente de dilatacioacuten lineal y ΔT es la variacioacuten de temperatura
La dilatacioacuten teacutermica de algunos materiales se aprovecha para fabricar termostatos
que son unos aparatos disentildeados para el control de variables o procesos dependientes de
la temperatura Pueden encontrarse en planchas caloventores radiadores etc
Los termostatos estaacuten construidos por bandas
o cintas bimetaacutelicas formadas por la unioacuten o
soldadura de dos laacuteminas de metales distintos
Cuando la cinta se calienta uno de los metales
dilata maacutes que el otro y esto hace que la banda
se flexione en forma de curva En cambio cuan-
do se enfriacutea vuelve a la posicioacuten inicial Este
movimiento de las bandas puede accionar por
ejemplo una vaacutelvula o cerrar un interruptor de
suministro de energiacutea eleacutectrica
El coeficiente de dilatacioacuten lineal de un soacutelido
indica cual es la variacioacuten de su longitud inicial por unidad de longitud y por unidad de temperatura Esto se puede expresar de la siguiente manera
α = ΔL ______ L 0 middot ΔT
donde ΔL es la variacioacuten de longitud luego de la dilatacioacuten L 0 es la longitud inicial del cuerpo y ΔT la variacioacuten de temperaturaLa unidad de α es m ______ mmiddotordmC = 1 ___ ordmC o bien ordmC ndash1 Si el coeficiente de dilatacioacuten lineal del hierro es 12 10 ndash5 ordmC ndash1 significa que por cada metro de hierro este material se dilata 12 10 ndash5 m cuando su temperatura variacutea en 1 ordmC
Tabla de coeficientes de
dilatacioacuten lineal de algunos
materiales
Material α ( deg C ndash1 )
Concreto 07 ndash 12 10 ndash5
Plata 20 10 ndash5
Oro 15 10 ndash5
Invar 004 10 ndash5
Plomo 30 10 ndash5
Zinc 26 10 ndash5
Hielo 51 10 ndash5
Aluminio 24 10 ndash5
Latoacuten 18 10 ndash5
Cobre 17 10 ndash5
Vidrio 04 ndash 09 10 ndash5
Hierro 12 10 ndash5
Cuarzo 004 10 ndash5
Acero 12 10 ndash5
147
Aplicaciones del coeficiente de dilatacioacuten lineal
iquestEn cuaacutento se incrementa la longitud de una barra de hierro de 100 m de largo cuan-
do su temperatura aumenta 15 ordmC
En el lateral de la paacutegina 146 se puede observar que el coeficiente de dilatacioacuten
lineal del hierro es de 12 middot 10 ndash5 ordm C ndash1 por lo tanto
ΔL = L o middot α middot ΔT = 100 m middot 12 middot 10 ndash5 ordm C ndash1 middot 15 ordmC = 0018 m = 18 middot 10 ndash2 m
Cuando la temperatura aumenta 15ordmC la barra de hierro de 100 m aumenta enton-
ces 0018 m
Calor
Las personas suelen decir frases como las siguientes iexclQueacute caliente que estaacute el agua iexclHoy hace
mucho calor hay maacutes de 30 grados Cerremos la ventana que entra friacuteo El calor hizo que la puerta de
hierro se hinchara El calor de la estufa subioacute a las habitaciones de la parte superior de la casa etc Si
bien forman parte de un lenguaje cotidiano estas expresiones tienen poca precisioacuten cientiacutefica
y es necesario aproximarse a una definicioacuten de los conceptos fiacutesicos que permita interpretar y
diferenciar el significado de cada teacutermino que se utiliza desde el lenguaje cientiacutefico
Cabe sentildealar que algunas de estas manifestaciones personales estaacuten muy proacuteximas a las
ideas cientiacuteficas que se manejaron sobre el calor entre mediados del siglo XVIII y las primeras
deacutecadas del siglo XIX bajo la teoriacutea del caloacuterico
El calor era considerado como un fluido material llamado caloacuterico que estaba en el interior
de los cuerpos Esta especie de sustancia capaz de pasar desde los cuerpos de mayor temperatura
a los de menor temperatura explicaba el enfriamiento de los cuerpos por peacuterdida del caloacuterico y
calentamiento por su ganancia
Las primeras criacuteticas de la teoriacutea del caloacuterico que ponen en duda la existencia de dicho
fluido surgen cuando en 1798 Benjamin Thompson (1753-1814) conde de Rumford y ministro
de Guerra de Baviera observoacute que al taladrar grandes piezas de metal para fabricar cantildeones se
desprendiacutean importantes cantidades de calor por frotamiento El conde dudoacute de la existencia del
caloacuterico pues si se trataba de una sustancia deberiacutea acabarse en alguacuten momento de ese proceso
de frotamiento sin embargo esto no ocurriacutea
Mucho tiempo despueacutes las ideas del caloacuterico como sustancia en movimiento fueron sustitui-
das por una nueva concepcioacuten cientiacutefica que planteariacutea la posibilidad de unificar los fenoacutemenos
mecaacutenicos luminosos eleacutectricos magneacuteticos teacutermicos y quiacutemicos bajo el concepto de energiacutea
El calor como intercambio de energiacutea
Todos los cuerpos o sistemas materiales tienen asociada una energiacutea interna que permite
conocer y caracterizar sus propiedades El calor es una forma de intercambio de energiacutea desde el
cuerpo de mayor temperatura hacia el de menor temperatura
Por ejemplo cuando se deja olvidada una taza con cafeacute recieacuten preparado sobre la mesa de la
cocina luego de un cierto tiempo se enfriacutea dado que entre el cafeacute y el aire que rodea la taza se
produjo un intercambio de energiacutea El cafeacute recieacuten preparado a mayor temperatura que el aire del
ambiente que rodea a la taza transfirioacute energiacutea (en forma de calor) al medio
Todos los cuerpos tienen asociada una
cierta energiacutea interna como consecuencia del movimiento de sus partiacuteculas Esta energiacutea interna puede variar cuando se intercambia energiacutea con el medio o con otros cuerpos Si dos o maacutes cuerpos a distintas temperaturas se ponen en contacto teacutermico intercambian espontaacuteneamente energiacutea en forma de calor Asiacute el calor es una forma de transferencia de energiacutea aunque existen otras maneras de intercambio de energiacutea no asociadas a las diferencias de temperaturas sino a las fuerzas y a las ondas electromagneacuteticas Estas dos formas se denominan respectivamente trabajo y radiacioacuten
148 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Radiacioacuten
En este fenoacutemeno
hay una transferencia
de energiacutea desde
un cuerpo a otro El
Sol es una fuente
natural de radiacioacuten
electromagneacutetica que
intercambia energiacutea con
el planeta Tierra
Gas de efecto
invernadero
Peacuterdida de calor y radiacioacuten
Radiacioacuten infrarroja
Absorcioacuten por la superficie
terrestre
Absorcioacuten
por las
nubes
Radiacioacuten solar
absorbida
Radiacioacuten
solar
Radiacioacuten solar
reflejada
Otras formas de intercambio de energiacutea
Ademaacutes del calor existen otras dos formas baacutesicas de transferencia de energiacutea
Por trabajo
Si una persona empuja una mesa ejerce una fuerza
sobre la mesa de tal manera que logra desplazarla
de su posicioacuten inicial Se produce un intercambio de
energiacutea entre la persona y la mesa La mesa aumen-
ta su energiacutea cineacutetica ya que la persona le transfiere
cierta cantidad de energiacutea como consecuencia de
ejercer una fuerza sobre dicha mesa Se dice que los
cuerpos intercambiaron energiacutea por trabajo cuan-
do interactuacutean entre siacute mediante fuerzas
Por radiacioacuten
Cuando una sentildeal que transporta informacioacuten llega
a una antena como por ejemplo la sentildeal satelital que
recepciona la antena de un celular se produce un inter-
cambio de energiacutea pero en este caso no hay accioacuten de
fuerzas ni calor
La radiacioacuten emitida por una fuente emisora es captada
por un receptor que decodifica la sentildeal seguacuten el tipo de
informacioacuten que se transmite En este caso la energiacutea se
transfiere desde la fuente al receptor por ondas electro-
magneacuteticas que se caracterizan porque no necesitan
un medio material de propagacioacuten A diferencia de las
ondas mecaacutenicas pueden hacerlo en el vaciacuteo
Una forma de intercambiar energiacutea entre dos cuerpos o sistemas materiales es por
calor Siempre que dos o maacutes cuerpos que se encuentran a distintas temperaturas se
ponen en contacto teacutermico se produce un intercambio de energiacutea en forma de calor En
los fenoacutemenos espontaacuteneos este proceso continuacutea hasta que dichos cuerpos alcanzan el
equilibrio teacutermico es decir igualan sus temperaturas
Los cuerpos no tienen friacuteo o calor sino que poseen cierta energiacutea interna que puede variar
por ejemplo cuando entran en contacto con otros cuerpos de diferentes temperaturas
La Tierra absorbe el 70 de la energiacutea que proviene
del Sol Parte de esta energiacutea es absorbida por el suelo y parte por los gases de la atmoacutesfera A su vez el suelo terrestre emite tambieacuten radiacioacuten que en parte es reflejada por algunos gases presentes en la atmoacutesfera lo que genera el efecto invernadero
149
Calor especiacutefico
Las sustancias tienen distintas capacidades de absorber energiacutea en forma de calor ya
que frente a la misma cantidad de calor sus temperaturas variacutean en formas diferentes
Por ejemplo si se entrega igual cantidad de calor a una cuchara de aluminio y a una
masa equivalente de agua al cabo de un cierto tiempo se podraacute observar que la cuchara
registra un mayor aumento de temperatura que el agua
Las sustancias tienen capacidades distintas de almacenamiento de energiacutea y esto es
muy evidente con los alimentos
Si se colocan en un horno al mismo tiempo una fuente de papas y una cantidad de
masa equivalente de pollo se advierte que las papas tardan maacutes tiempo en llegar a la
temperatura en equilibrio Esto ocurre porque diferentes sustancias requieren distintas
cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura Se dice que estos alimentos
tienen distintas capacidades caloriacuteficas especiacuteficas o calores especiacuteficos
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la can-
tidad de calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es 1 calg degC lo que significa que cada gramo
de agua necesita intercambiar una caloriacutea para variar su temperatura un grado Celsius El
agua tiene una mayor capacidad de almacenar energiacutea que muchas otras sustancias Por
tal razoacuten una pequentildea masa de agua absorbe una gran cantidad de calor con un aumento
relativo de temperatura bastante pequentildeo Por el mismo motivo se puede explicar que el
agua se enfriacutea maacutes lentamente que otras sustancias Es por esto que el agua se usa como
refrigerante en muchas maquinarias o sistemas como por ejemplo los automoacuteviles
Calorimetriacutea
Se denomina calorimetriacutea a la medicioacuten y el caacutelculo de las cantidades de calor que
intercambia un sistema
Intuitivamente se sabe que cuanto mayor sea la cantidad de calor suministrada el cuer-
po alcanzaraacute una mayor variacioacuten de la temperatura Es posible verificar experimentalmente
que entre el calor y la temperatura existe una relacioacuten de proporcionalidad directa La cons-
tante de proporcionalidad depende tanto de la sustancia que constituye el cuerpo como de
su masa y resulta el producto del calor especiacutefico por la masa del cuerpo
Por lo tanto la ecuacioacuten que permite calcular intercambios de calor es
Q = c middot m middot ΔT
donde Q es el calor intercambiado por un cuerpo de masa m constituido por una sustan-
cia cuyo calor especiacutefico es c siendo ΔT la variacioacuten de temperatura experimentada
Por convencioacuten se adopta el signo positivo para Q cuando la variacioacuten de tempe-
ratura es mayor que cero es decir cuando el cuerpo aumenta su temperatura En caso
contrario cuando la variacioacuten de temperatura es menor que cero el cuerpo disminuye su
temperatura y el signo de Q seraacute negativo
Es decir que la cantidad de calor que intercambian dos cuerpos del mismo material pero
de masas diferentes para variar de igual manera sus temperaturas depende de sus masas
Por ejemplo si se entrega la misma cantidad de calor a 500 g de agua y luego a 1000 g de
agua que inicialmente se encuentran a temperatura ambiente se espera que la variacioacuten de tem-
peratura de la masa menor de agua sea mayor que la correspondiente a la masa mayor de agua
La unidad elegida para medir la cantidad de energiacutea es el
joule J aunque existe otra unidad muy utilizada la caloriacutea (cal) que se define como la cantidad de calor necesario para que un gramo de agua pura pase de 145 degC a 155 degC En alimentacioacuten y nutricioacuten se suelen usar mucho las caloriacuteas para medir el valor energeacutetico de los alimentos Se utiliza la Cal (escrita con mayuacutescula) donde 1 Cal = 1 kcal = 1000 cal
La relacioacuten entre los joules y las caloriacuteas es la siguiente 1 cal = 418 J o bien 1 J = 024 cal
150 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Algunos caacutelculos de calorimetriacutea
Es importante tener en cuenta que en esta transferencia se cumple el Principio de
Conservacioacuten de la Energiacutea ya que se puede afirmar que
Si dos cuerpos o sistemas aislados intercambian energiacutea en forma de calor la cantidad
recibida por uno de ellos es igual a la cantidad cedida por el otro cuerpo
Es decir la energiacutea total intercambiada se conserva Esto se puede escribir matemaacuteti-
camente de la siguiente forma Σ Q = 0
Si se consideran dos cuerpos de masas diferentes m1 y m2 que se encuentran a diferen-
tes temperaturas T1 y T2 respectivamente y se colocan en contacto teacutermico al cabo de un
tiempo equipararaacuten sus temperaturas a una cierta temperatura final Tf es decir alcanza-
raacuten el equilibrio teacutermico En este intercambio se cumple el principio de conservacioacuten de
la energiacutea es decir la cantidad de energiacutea que absorbe un cuerpo es igual a la cantidad de
energiacutea que cede el otro por lo cual se puede escribir que
Q2 = ndash Q1 que es lo mismo que escribir que c2 middot m2 middot (Tf ndash T2) = ndash c1 middot m1 middot (Tf ndash T1)
La temperatura final alcanzada luego del intercambio es
Tf = m 1 middot c 1 middot T 1 + m 2 middot c 2 middot T 2
______________________ m 1 middot c 1 + m 2 middot c 2
Aplicacioacuten de caacutelculos caloriacutemetros
1 Se colocan 500 gramos de agua liacutequida a 10 ordmC en un caloriacutemetro ideal (se despre-
cia el intercambio de calor del caloriacutemetro) y se la mezcla con 1000 gramos de agua a
70 ordmC Calculen la temperatura de equilibrio de esta mezcla
Como
Tf = m 1 middot c 1 middot T 1 + m 2 middot c 2 middot T 2
______________________ m 1 middot c 1 + m 2 middot c 2
entonces
Tf = 500 g middot 1 calg ordmC middot10 ordmC + 1000 g middot 1 calg ordmC middot70 ordmC
______________________________________________ 1 calg ordmC middot (500 g + 1000 g)
Se obtiene como resultado
Tf = 50 ordmC
La temperatura de equilibro de la mezcla es de 50 ordmC
Un caloriacutemetro es un recipiente adiabaacutetico o
teacutermicamente aislado en el que se puede calcular la cantidad de energiacutea en forma de calor que se intercambia cuando se colocan en contacto teacutermico sustancias de diferentes masas y a diferentes temperaturasTambieacuten puede utilizarse para calcular el calor especiacutefico de una determinada sustancia
151
Tabla de calores especiacuteficos de
algunas sustancias
Sustancia c ( cal _____ g ordmC )
Agua 100
Agua de mar 0945
Aire 00000053
Alcohol 058
Aluminio 0212
Arena 020
Bronce 0092
Cobre 0093
Hielo 055
Hierro 0113
Lana de vidrio 000009
Latoacuten 0094
Mercurio 0033
Oro 0031
Plata 0060
Plomo 0031
Vidrio 0199
Zinc 0092
2 Calculen la cantidad de calor necesaria en kcal y J que deben ceder 1500 gramos
de agua que se encuentra en su punto de ebullicioacuten para disminuir su temperatura
hasta 20 degC
Como Q = c middot m middot ΔT entonces
Q = 1 cal ______ g middot ordmC
middot 1500 g middot (20 ordmC minus 100 ordmC) = minus120 000 cal = minus120 kcal
Como ademaacutes 1 cal = 418 J entonces ndash120 000 cal = ndash120 000 middot 418 J = ndash501600 J
Es decir la cantidad de calor necesaria es ndash120 kcal o ndash501600 J
3 iquestCuaacutel seraacute el aumento de temperatura de una barra de 3 kg de hierro si se coloca en un
horno industrial que le suministra 30 kcal Consulten la tabla de calores especiacuteficos
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja ΔT se obtiene que
ΔT = Q _____ c middot m = 30 000 cal ____________________ 0113 calg ordmC middot 3000 g
= 885 ordmC
porque Q = 30 kcal = 30 000 cal m = 3 kg = 3000 g y en la tabla de calores especiacuteficos
se observa que el calor especiacutefico del hierro es de 0113 cal g middot ordmC
Luego la variacioacuten de temperatura es aproximadamente ΔT = 885 ordmC
4 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia que constituye un cuerpo de 20 g de
masa sabiendo que para elevar su temperatura 6 ordmC se necesitan 96 cal
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja c se obtiene
c = Q ______ ΔT middot m = 96 cal __________
6 ordmC middot 20 g = 08 cal ____
gmiddotordmC
5 El sistema de refrigeracioacuten de un camioacuten contiene 20 litros de agua iquestCuaacutel es la
variacioacuten de la temperatura del agua si se debe extraer una cantidad de energiacutea en
forma de calor de 836 000 J
La energiacutea extraiacuteda en forma de calor por el sistema refrigerante pasa al agua
Como 1 J = 024 cal entonces 836 000 J = 836 000 middot 024 = 200 640 cal
Por otro lado Q = c middot m middot ΔT con lo cual si se despeja ΔT se obtiene
ΔT = Q _____ c middot m = 200 640 cal ___________________ 1 cal g ordmC middot 20 000 g
= 10 ordmC
La temperatura del agua aumenta en 10 ordmC
152 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
Materiales
Un termo o sistema aislado (como los recipientes para conservar la comida) con un termoacutemetro 200 g de agua a temperatura ambiente por ejemplo 20 ordmC 70 g de cobre o de alguacuten otro metal Un calentador eleacutectrico de inmersioacuten de 500 600 W Un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) Pinzas de madera Vasos de precipitado o probetas graduadas Una balanza
Procedimiento1 Midan con la balanza la masa de agua a temperatura ambiente necesaria para realizar este experimento
2 Coloquen el agua a temperatura ambiente dentro del termo
3 Midan usando la balanza la masa del trozo de cobre
4 Calienten el trozo de cobre dentro de un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) con agua hasta 100 ordmC en ese caso el cobre tendraacute la misma temperatura
5 Extraigan con las pinzas de madera raacutepidamente la masa de cobre y coloacutequenla dentro del termo con el agua a temperatura ambiente
6 Mezclen los contenidos del termo para asegurarse la obtencioacuten de una temperatura uniforme
7 Efectuacuteen la lectura de la temperatura de equilibrio
8 Realicen los caacutelculos necesarios para obtener el calor especiacutefico del cobre
Contesten las siguientes consignas
a Expliquen en teacuterminos fiacutesicos queacute sucedioacute en esta mezcla de sustancias dentro del termo
b iquestQueacute calor especiacutefico obtuvieron
c Comparen con la tabla de valores aportada en este capiacutetulo iquestCoincide con el registrado
d Si no coincide iquesta queacute factores atribuyen las diferencias entre los resultados obtenidos
e iquestCoacutemo podriacutean mejorar estos resultados Propongan algunas hipoacutetesis para optimizar el disentildeo experimental
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
4 En un caloriacutemetro hay 200 g de agua a 20 degC Se agregan 100 g de agua y se obtiene una temperatura de equilibrio de 30 degC Calculen la temperatura de la masa de agua agregada
5 Se toma un trozo de 50 g de un metal desconocido a 100 degC y se lo coloca en un caloriacutemetro en el que hay 150 g de agua a 20 degC El sistema llega a una temperatura de equilibrio de 253 degC A partir de los datos de la tabla de la paacutegina 151 determinen de queacute metal podriacutea ser el trozo analizado
6 Se colocan dentro de un horno de microondas dos vasos ideacutenticos Uno contiene 100 g de agua y el otro 100 g de alcohol ambos a una temperatura de 15 degC Al hacer fun-cionar el horno durante medio minuto suministra a cada uno de ellos 1500 caloriacuteas Determinen las temperaturas finales del agua y del alcohol
7 Se colocan en un horno dos cubos de iguales masas uno de aluminio y el otro de plomo a iguales temperaturas de 20 ordmC Al encenderse el horno iquestcuaacutel de ellos alcanzaraacute primero la temperatura de 150 ordmC Justifiquen su respuesta
aACTIVIDADES
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
153
Propagacioacuten del calor
La transmisioacuten de energiacutea por diferencia de temperatura entre cuerpos o sistemas que
interactuacutean entre siacute se produce a traveacutes de diferentes procesos como la conduccioacuten o la
conveccioacuten
Conduccioacuten
Si se coloca un extremo de una cuchara de aluminio en contacto con una hornalla
encendida de la cocina raacutepidamente se advierte que el calor se transmite hasta el otro
extremo
En el sector de la cuchara en contacto con el fuego se produce un aumento de la
temperatura que hace que las partiacuteculas comiencen a vibrar con mayor energiacutea cineacutetica
(energiacutea de movimiento) y esta energiacutea se transfiere a las restantes partiacuteculas de la
regioacuten de menor temperatura
Esta transferencia de energiacutea sin desplazamiento de materia desde zonas de un cuerpo que
se encuentra a mayor temperatura a las de menor temperatura se denomina conduccioacuten
Algunos materiales presentan la propiedad de ser mejores conductores del calor que
otros Los malos conductores del calor se denominan aislantes (aunque cabe aclarar que
la aislacioacuten nunca es perfecta)
Los metales en general son mejores conductores del calor que otros materiales como
la madera el vidrio el corcho el telgopor etc
Es por eso que por ejemplo se suele usar madera en los mangos de los utensilios de
cocina para minimizar la transferencia de calor y evitar quemaduras en la piel
El corcho el telgopor la lana de vidrio son utilizados en las construcciones de viviendas como aislantes del
calor y para mantener una temperatura ambiente agradable Algunos de estos materiales son bastante
porosos lo que implica que tienen espacios con mayor cantidad de aire que es un buen aislante
Se denomina conduccioacuten a la transferencia de
energiacutea sin desplazamiento de materia de un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura a otro que se encuentra a menor temperaturaSe llama aislantes a los materiales que son malos conductores de calor
Lana de vidrio Corcho
Tambieacuten algunas prendas de abrigo como las cam-
peras o los cubrecamas utilizan dos recubrimien-
tos entre los cuales se colocan algunos materiales
porosos como goma espuma plumas telas entra-
madas que contienen una buena cantidad de aire
que permite la aislacioacuten teacutermica del medio
Telgopor Vidrio
154 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
iquestDe queacute factores depende la transferencia de calor por conduccioacuten en los materiales soacuteli-
dos iquestSe puede calcular
No todos los materiales conducen el calor de igual forma La conductividad teacutermica es
una medida de a capacidad de conducir el calor de cada material
Cuando una persona se encuentra en una habitacioacuten cuya temperatura ambiente es
por ejemplo 20 degC y toca con una mano un cenicero de cobre y con la otra un mantel tie-
ne la sensacioacuten de que el cenicero estaacute maacutes friacuteo que el mantel Esto
ocurre dado que como el cobre es un buen conductor teacutermico el
calor entregado por la mano a la zona de contacto del material
se transmite raacutepidamente al resto del objeto En cambio como
el mantel no es un buen conductor teacutermico cuando se lo toca
la transferencia de calor al resto del material es muy lenta la
temperatura de la zona de contacto aumenta hasta equiparar-
se con la piel y esto da la sensacioacuten de estar maacutes caliente
El caacutelculo es por lo general complica-
do Pero si la transferencia de calor se
produce en una sola direccioacuten y la tem-
peratura variacutea solo en esa direccioacuten se
simplifica Por ejemplo si se considera
un vidrio plano (como el de una venta-
na) se puede conocer queacute cantidad de
energiacutea transferida a traveacutes del vidrio va desde la superficie o cara de mayor temperatura
hacia la de menor temperatura Para esto es necesario tener en cuenta el tipo de vidrio
ya que no todos tienen la misma conductividad teacutermica
La cantidad de calor que se transmite por unidad de tiempo en este caso se puede
simbolizar mediante la siguiente expresioacuten matemaacutetica
Q ___ Δ τ = K ∙ S∙ ΔT ___ Δx
donde τ es el tiempo (para no confundirlo con T de temperatura) Q ___ Δ τ es la cantidad
de calor transmitida a traveacutes del vidrio por unidad de tiempo K es el coeficiente de
conductividad teacutermica que depende del material en este caso del vidrio S es la
superficie perpendicular a la direccioacuten de propagacioacuten y ΔT ___ Δx la variacioacuten de tempera-
tura entre las caras dividida por el espesor del vidrio
Se puede decir entonces que
la cantidad de calor que atraviesa
por unidad de tiempo una placa
de vidrio es mayor cuanto mayor
sea la superficie considerada y la
variacioacuten de temperatura entre sus
caras y cuanto menor sea el espe-
sor o distancia entre dichas caras
Algunos materiales conducen el calor
con mayor facilidad que otros asiacute los metales tienen alta conductividad teacutermica compararada por ejemplo con la capacidad de transmitir el calor de la madera algunos plaacutesticos ceraacutemicas etcLa conductividad teacutermica del cobre es de 330 kcalm middot h middot K la de la madera es de 01 a 03 kcalm middot h middot K y la del telgopor 003 kcalm middot h middot K
155
Conveccioacuten
Se si desea colocar estufas en las habitaciones de una casa para calefaccionarla hay que deci-
dir cuaacutel es el lugar maacutes adecuado para que se aproveche la energiacutea de la mejor manera posible
Es necesario tener en cuenta no solo las dimensiones de las habitaciones que se
desean calefaccionar sino tambieacuten el fenoacutemeno fiacutesico que se denomina transmisioacuten de
calor por conveccioacuten
La masa de aire cercana a la estufa aumenta su
temperatura por lo cual el aire se torna menos denso
que el resto de aire alejado de la estufa
Se origina asiacute un movimiento ascendente y des-
cendente de la masa de aire y se generan las deno-
minadas corrientes convectivas con un permanente
desplazamiento de materia
Este fenoacutemeno se puede observar tambieacuten en las
capas de aire que rodean la Tierra que provocan cam-
bios climaacuteticos seguacuten sus caracteriacutesticas Estas masas
de aire pueden ser maacutes caacutelidas en ciertas zonas que en
otras maacutes huacutemedas (por contener mayor cantidad de
vapor de agua) maacutes secas de mayor o menor presioacuten
La temperatura del aire puede ser influida por la propiedad de la superficie terrestre
hecho que es muy relevante para algunos estudios metereoloacutegicos
Estas corrientes convectivas que naturalmente se forman en la
atmoacutesfera son factores que tienen en cuenta por ejemplo las aves los
aladeltistas y otros deportistas que aprovechan las condiciones del aire
para elevarse Esto ocurre dado que al encontrarse con una masa de aire
caliente ascienden con maacutes facilidad y de esta forma ldquoahorranrdquo energiacutea
y pueden mantenerse en vuelo planeando sin tanto esfuerzo
La conveccioacuten se produce tanto en los gases como en los liacutequidos
Es sencillo observar que cuando se calienta agua en alguacuten recipiente
de vidrio transparente se produce
un movimiento ascendente desde la
parte inferior en contacto con la lla-
ma de fuego hacia la parte superior del recipiente
La masa liacutequida de mayor temperatura se dilata
por lo que disminuye su densidad asciende dentro del
recipiente y tiende a desplazar hacia la parte inferior
a la masa de agua liacutequida de menor temperatura
iquestOtra forma de transmisioacuten del calor
Algunos cientiacuteficos consideran que maacutes que una forma de transmisioacuten del calor la
radiacioacuten a la que ya se ha hecho referencia anteriormente implica una manera de inter-
cambio de energiacutea maacutes general
Esta transferencia de energiacutea no se da por intercambio de calor entre cuerpos que se
encuentran a distintas temperaturas ni por trabajo Involucran transferencias de energiacutea
por medio de ondas electromagneacuteticas Asiacute por ejemplo entre dos antenas se transfiere
energiacutea por radiacioacuten
156 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
Materiales Tubo de ensayo Trocitos de hielo Una moneda Agua Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen en el tubo de ensayo los trocitos de hielo cubiertos por la moneda
2Agreguen un poco de agua
3 Acerquen la parte superior del tubo al mechero o calentador
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Corrientes convectivas en liacutequidos
Materiales Agua Recipiente Trocitos de tiza de color o yerba mate Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen agua en un recipiente
2 Agreguen trocitos de tiza de color o un poco de yerba mate
3 Coloquen el recipiente al fuego
hasta que hierva el agua
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Materiales Dos latitas de gaseosa vaciacuteas Un poco de agua Pintura o cartulina negra Mechero o calentador Termoacutemetro
Procedimiento1 Tomen una de las latas y piacutentenla de negro o foacuterrenla con la cartulina negra
2 Anoten la temperatura inicial del agua
3 Coloquen la misma cantidad de agua en las dos latas
4 Pongan a calentar las dos latas a igual distancia del fuego
5 Controlen la temperatura del agua en cada lata cada 10 minutos
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestCoinciden los registros de temperatura de ambas latas
b iquestPor queacute Justifiquen su respuesta
iquestEl agua es un buen conductor teacutermico
Transmisioacuten de energiacutea por radiacioacuten
157
Los cambios de estado
Los materiales se presentan baacutesicamente en tres estados soacutelido liacutequido y gaseoso
Estos estados no son una caracteriacutestica invariable de los cuerpos ya que pueden modifi-
carse por ejemplo si se variacutea la temperatura y la presioacuten a la que estaacuten sometidos dichos
cuerpos Por ejemplo se puede fundir hierro si se lleva su temperatura a maacutes de 1500 degC
Una caracteriacutestica de los liacutequidos es la relativa libertad de movimiento de sus moleacute-
culas Si se suministra calor a un liacutequido y se logra aumentar la temperatura tambieacuten
aumentaraacute el movimiento de sus moleacuteculas las que pueden escapar de la superficie liacutequi-
da Este proceso que se da en la superficie del liacutequido se llama evaporacioacuten y puede ocu-
rrir a cualquier temperatura
A medida que aumenta la temperatura se modifica la estructura de enlace entre las
moleacuteculas Ellas no pueden mantenerse lo suficientemente cerca entre siacute para que la sus-
tancia continuacutee liacutequida lo que provoca que las moleacuteculas escapen auacuten maacutes faacutecilmente al
aire Este es el fenoacutemeno de ebullicioacuten y es conveniente resaltar que la temperatura en
la que este proceso ocurre llamada temperatura de ebullicioacuten se mantendraacute estable en
determinadas condiciones de presioacuten
Todo este proceso corresponde al cambio de estado denominado vaporizacioacuten
Cada sustancia tiene su propio punto de ebullicioacuten punto de fusioacuten y punto de solidi-
ficacioacuten que corresponden a las temperaturas y presiones en que se producen los cambios
de estado
El ciclo del agua o ciclo hidroloacutegico
Es muy comuacuten ejemplificar los cambios de estado con el agua para lo que suele apro-
vecharse el llamado ciclo hidroloacutegico o ciclo del agua que se produce en la naturaleza y
en el que se diferencian los siguientes fenoacutemenos
El agua se evapora continuamente pasando de estado liacutequido a gaseoso
Las nubes estaacuten formadas por pequentildeas gotas de agua liacutequida que ascienden por las
corrientes de aire
La lluvia se produce cuando se forman gotas maacutes gran-
des que precipitan
La nieve y el granizo se for-
man cuando la temperatura es
muy baja y se solidifican las
gotas de agua liacutequida
La niebla se produce en
lugares con altos porcentajes de
humedad y trae aparejada una
disminucioacuten en las temperatu-
ras
El rociacuteo o la escarcha se
producen por la condensacioacuten o
solidificacioacuten del agua de la atmoacutes-
fera debido a las marcadas diferencias
de temperatura entre el diacutea y la noche
Las posibles transformaciones de un
estado a otro son las siguientes
FusioacutenVaporizacioacuten
Sublimacioacuten
Volatilizacioacuten
SolidificacioacutenCondensacioacuten
Soacutelido
Liacutequido
Gaseoso
Hielo
PrecipitacioacutenEvaporacioacuten
Corriente subterraacutenea
Infiltracioacuten
Radiacioacuten solar
Condensacioacuten
Accioacuten del viento
Evaporacioacuten
Corriente
superficial
Transpiracioacuten
158 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Calor de fusioacuten y calor latente de vaporizacioacuten
Cada cambio de estado se acompantildea de un intercambio de energiacutea entre el sistema y
el medio exterior Por ejemplo se necesita energiacutea para fundir el hielo De esta forma se
pueden contrarrestar los efectos de las fuerzas que mantienen las moleacuteculas de agua en
posicioacuten fija en el soacutelido
Si la moleacuteculas de un soacutelido absorben suficiente energiacutea es posible que las fuerzas de
atraccioacuten entre moleacuteculas ya no puedan mantener su unioacuten entonces se produce el pasaje
de estado soacutelido a liacutequido
La vaporizacioacuten tambieacuten necesita energiacutea y sucede algo similar con las fuerzas de
atraccioacuten que mantienen las moleacuteculas cercanas entre siacute en la superficie del liacutequido
Un aumento de energiacutea pude ocasionar que las moleacuteculas escapen del liacutequido para
transformarse en moleacuteculas de vapor
En la medida en que aumentan las fuerzas intermoleculares la cantidad de energiacutea
necesaria para generar un cambio de fase tambieacuten se incrementa
En otros casos para poder cambiar de estado el sistema tiene que ceder energiacutea al
medio Por ejemplo el agua liacutequida debe ceder calor al medio para solidificarse
Se denomina calor latente de vaporizacioacuten a la energiacutea intercambiada por unidad de
masa para producir ese cambio de estado
Por ejemplo cada gramo de agua liacutequida a 100 ordmC y presioacuten normal debe absorber 540 cal
para convertirse en un gramo de agua en estado de vapor a la misma temperatura
La evaporacioacuten se acompantildea de un efecto de enfriamiento en la medida que el agua se
evapora absorbe calor del cuerpo del cual se evapora
El alto calor latente de vaporizacioacuten del agua 540 calg permite el enfriamiento de
las plantas por evaporacioacuten desde la superficie foliar las que reciben gran cantidad de
calor por efecto de la radiacioacuten solar La transpiracioacuten es un importante fenoacutemeno en la
regulacioacuten de la temperatura de muchos seres vivos
El calor latente de fusioacuten del hielo es de 80 calg esto significa que cada gramo de
hielo a 0 ordmC debe absorber 80 cal para convertirse en un gramo de agua liacutequida a 0 ordmC
De manera anaacuteloga al ceder 80 cal cada gramo de agua liacutequida se transforma en hielo
sin modificarse la temperatura
Se puede decir que el calor latente l indica una medida de la cantidad de calor por uni-
dad de masa que se necesita para cambiar de estado sin modificar la temperatura
Esto puede expresarse mediante la siguiente foacutermula
l = Q __ m o lo que es equivalente Q = l middot m
donde l es el calor latente Q es el calor y m la masa del cuerpo
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Hidroacutegeno -2591 139 -2627 1067
Oxiacutegeno -2184 33 -1830 51
Agua 00 80 1000 3594
Mercurio -389 28 3599 697
Plomo 3274 59 1620 -
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Plata 9605 26 1950 552
Cobre 10380 489 2595 1145
Hierro 1535 637 3200 1110
Tungsteno 3390 457 5900 460
159
CIE
NCIA
HIS
TORIA
Y S
OCIE
DAD
La historia la tradicioacuten y las modas arquitectoacutenicas contribuyen a determinar la forma y el tipo de las construcciones iquestCon queacute materiales se construye una casa iquestPor queacute para un determinado uso y funcioacuten se requieren distintos tipos de materialesEn los uacuteltimos antildeos la preocupacioacuten de los arquitectos y tambieacuten de los cientiacuteficos a la hora de proyectar un edificio se manifiesta en la obtencioacuten y aprovechamiento de los materiales con el fin de optimizar el uso de energiacutea en las viviendasLa sociedad moderna requiere grandes cantidades de energiacutea para su funcionamiento normal pero es importante reflexionar sobre el uso oacuteptimo y racional de las fuentes de energiacutea como el carboacuten el gas natural el petroacuteleo y todos sus derivados ya que no son renovablesSe estima que el petroacuteleo y el gas natural alcanzaraacuten para unos 50 a 100 antildeos maacutes mientras que el carboacuten para unos 200 a 300 antildeos maacutesMantener las viviendas calefaccionadas durante el invierno forma parte del bienestar de las personas y optimizar la energiacutea disponible en una casa depende del
cuidado de los recursos utilizados para este finEs importante tener una adecuada aislacioacuten teacutermica en todos los lugares posibles de fuga o peacuterdida de calor sobre todo del techo dado que el aire caliente es maacutes liviano y tiende a subir Existen actualmente en el comercio variedades de aislantes teacutermicos que reducen esas peacuterdidas y permiten ahorrar energiacutea Entre ellos el telgopor
las maderas los plaacutesticos las planchas de corcho las fibras de vidrio los ladrillos huecos refractarios etciquestCuaacuteles son los intercambios de energiacutea en forma de calor que se dan en una casaiquestCuaacutenta energiacutea se transfiere al exteriorEn una casa tiacutepica se disipa calor al exterior seguacuten se muestra en el siguiente esquema
El intercambio de calor en una casaEl hombre puede vivir en diversas regiones de la Tierra desde los troacutepicos hasta los polos en los bosques y en el desierto en las llanuras o montantildeas Aun cuando las condiciones cli-maacuteticas resulten hostiles el ser humano disentildea y construye sus viviendas para protegerse de las inclemencias del tiempo aprovechando los materiales de la zona
Un 35 a traveacutes de las ventanas por
conduccioacuten y radiacioacuten
Un 15 por las
paredes por
conduccioacuten y
conveccioacuten
Un 25 se transfiere
a traveacutes del techo
por conduccioacuten
y conveccioacuten
Un 5 se escapa
de chimeneas y
otros conductos
Un 5 a traveacutes
de rendijas
Un 15 por conduccioacuten a
traveacutes del suelo
160 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
CIE
NCIA
H
ISTO
RIA
Y S
OCIE
DAD
El tipo de material empleado
La energiacutea en forma de calor que se transfiere por segundo desde cualquier habitacioacuten a otra se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten que es similar a la presentada en conductividad teacutermica
P = K middot S middot Δt donde P es la energiacutea en forma de calor transmitida por unidad de tiempo Δt es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la habitacioacuten S es la superficie de los materiales que componen la habitacioacuten y K es un coeficiente caracteriacutestico del material utilizadoLos profesionales utilizan tablas con los valores K de algunas estructuras utilizadas habitualmente en la construccioacuten de una casa como las de la tabla
Luego de la lectura del textoa Sugieran posibles soluciones para prevenir las transfe-rencias de energiacutea desde el interior de las viviendas hacia el exteriorb Confeccionen una lista de las partes de una casa que pueden llevar aislantes teacutermicos y averiguumlen con queacute materiales estaacuten fabricados
c Realicen un disentildeo experimental para calcular la ener-giacutea que se transfiere del interior al exterior de su casad Describan sus disentildeos y busquen informacioacuten sobre uso de materiales en la construccioacuten de viviendas seguacuten sus propiedades y usos
aACTIVIDADES
iquestDe queacute depende la mayor o menor cantidad de energiacutea transferida
Los arquitectos e ingenieros consideran que la transferencias de energiacutea desde el interior hacia el exterior dependen fundamentalmente de los siguientes factores
La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la habitacioacuten Cuanto mayor es esta diferencia mayor es el flujo de energiacutea y maacutes raacutepido se produce el intercambio
Las superficies de los distintos materiales que componen la habitacioacuten Cuanto mayor es la superficie mayor transferencia de energiacutea al exterior
Espuma aislante Muro de ladrillos Tejas para techo
Casa construida
Tipos de estructuraValores K
(w ( m 2 ordmC))
Techo de tejas sin aislamiento
22
Techo de tejas con aislamiento 045
Ventanas con vidrio de 6 mm 56
Ventanas con vidrios dobles con 20 mm de separacioacuten
28
Pared de ladrillos con yeso (114 mm) 1324
Doble pared de ladrillos con caacutemara de aire de 280 mm
17
Doble pared de ladrillos con aislamiento en el
06
Piso de ceraacutemica sobre viguetas 42
Piso de madera sobre viguetas 17
161
IDEAS BAacuteSICAS DE LA UNIDAD
La temperatura es una variable de estado del cuerpo relacionada con la energiacutea cineacutetica
del movimiento de sus partiacuteculas
Los cuerpos no tienen friacuteo ni calor tienen bajas o altas temperaturas
Un termoacutemetro es un instrumento que se utiliza para medir la temperatura
Generalmente los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuan-
do disminuye su temperatura
Se denomina calor a la forma de intercambio de energiacutea entre dos cuerpos de distintas
temperaturas que se ponen en contacto teacutermico
La transferencia de calor se da espontaacuteneamente desde el cuerpo de mayor temperatura al
de menor temperatura
Dos cuerpos de distintas temperaturas que intercambian energiacutea logran el equilibrio teacutermi-
co cuando equiparan sus temperaturas
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la cantidad de
calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
El calor se propaga por tres formas baacutesicas conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten
La conduccioacuten se produce cuando se transfiere energiacutea en forma de calor desde las moleacute-
culas o partiacuteculas que se encuentran en zonas de mayor temperatura a las que se encuentran
en zonas de menor de temperatura sin desplazamiento de materia
En los liacutequidos y gases se generan corrientes convectivas con desplazamiento de materia
A los malos conductores del calor se los llama aislantes teacutermicos
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmC
( T F ndash 32 ordmC) Escala Celcius
T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
T C Escala Farenheit
T K = 27315 + T C Escala termomeacutetrica
ΔL = L o ∙ α ∙ Δt Dilatacioacuten liacuteneal
Q = c ∙ m ∙Δt Calorimetriacutea
Q ___ Δt = K ∙ S ∙ Δt ___ Δx Cantidad de calor que se transfiere
por conduccioacuten de un soacutelido
Foacutermulas
162 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
ACTIVIDADES DE INTEGRACIOacuteN1 Si se colocan 1000 g de agua en un recipiente y 2000 g de agua
en otro ambos a 20 degC y se les entrega igual cantidad de calor en
iguales condiciones de presioacuten normal iquestalcanzaraacuten el mismo punto
de ebullicioacuten iquestPor queacute
2 iquestPor queacute algunos vidrios como los llamados Pyrex no se rompen
cuando se someten a elevadas temperaturas
3 iquestQueacute ocurririacutea si usamos un termoacutemetro de mercurio contenido en
un recipiente cuyo coeficiente de dilatacioacuten fuera similar al del mer-
curio
4 iquestPor queacute el agua no se emplea como sustancia termomeacutetrica
5 Si colocan en un horno dos cuerpos de igual masa pero diferente
calor especiacutefico iquestcuaacutel alcanzaraacute primero la temperatura del horno
iquestPor queacute
6 iquestPor queacute generalmente las estufas y radiadores se colocan en la
parte inferior de la pared
7 Los habitantes del desierto suelen cubrirse con varias capas de
telas a modo de tuacutenicas por lo general claras iquestPor queacute razoacuten se
cubren tanto
8 Si se saca un recipiente del horno con un trozo de tela mojado es
probable que se sienta maacutes ldquocalienterdquo que si lo tomamos con una tela
seca iquestQueacute explicacioacuten fiacutesica tiene este hecho
9 Algunos alimentos que compramos en los negocios de venta al
puacuteblico como restaurantes se colocan en recipientes aislantes iquestPor
queacute iquestDe queacute material estaacuten hechos estos recipientes
10 iquestQueacute funcioacuten cumple un termo Justifiquen sus respuestas en
teacuterminos fiacutesicos
11 La temperatura de un diacutea de invierno en la Antaacutertida puede ser
inferior a ndash50 ordmC iquestA cuaacutentos grados Fahrenheit corresponde
12 Un termoacutemetro estaacute graduado en una escala degX tal que 20 degC
corresponden a 30 degX y 120 degC corresponden a 300 degX iquestCuaacutel es el
valor en la escala degX que corresponde a 50 degC Justifiquen sus res-
puestas
13 iquestQueacute cantidad de calor absorbe un cuerpo de 50 g de hierro que
se encuentra a una temperatura de 25 ordmC cuando su temperatura
aumenta a 100 ordmC
14 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia sabiendo que una
masa de 10 g absorbe 250 caloriacuteas cuando su temperatura variacutea 200
ordmC
15 Una dieta normal para una persona adulta en actividad es de
aproximadamente 2500 kcal diarias iquestA cuaacutentos joule equivale este
valor energeacutetico
16 Se mezclan 50 g de agua a 30 ordmC con 25 g de agua a 20 ordmC en un
recipiente aislado iquestQueacute temperatura final tiene esa mezcla
17 La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 degC Determinen
su longitud en un diacutea en que la temperatura es de 34 degC Consulten
la tabla de coeficientes de dilatacioacuten lineal de la paacutegina 146
18 Una barra de metal de longitud L o a 0 degC sufre un aumento de
longitud de un centeacutesimo de su longitud inicial cuando su tempera-
tura es de 500 degC iquestCuaacutel es el coeficiente de dilatacioacuten del metal
19 iquestCoacutemo podriacutean comprobar que la cantidad de calor que inter-
cambia un cuerpo para modificar su temperatura depende de la
masa del cuerpo Disentildeen un experimento descriacutebanlo y justifiquen
sus hipoacutetesis
20 Seguacuten la teoriacutea del caloacuterico el calor era considerado como una
sustancialidad de los cuerpos Teniendo en cuenta esta teoriacutea dise-
ntildeen un experimento que permita comprobar o refutar la siguiente
hipoacutetesis ldquoEl calor que tienen los cuerpos pesardquo
21 El valor caloacuterico de una barra de 100 g de chocolate es 550 kcal Supongan que se utilizara toda esa energiacutea para elevar la tempera-tura del agua desde los 15 ordmC con que sale de la canilla hasta 100 ordmC iquestcuaacutenta agua se podriacutea calentar
22 Se le suministra a un cuerpo de masa m de cierto material energiacutea por valor de 100 joule y el cuerpo incrementa su tempe-ratura en Δt iquestCuaacutenta energiacutea habraacute que suministrarle a un cuerpo del miso material cuya masa es el triple de la del primero para que el aumento de temperatura sea la mitad que en el primer caso
163
AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
143
Escala Kelvin
Fue nombrada asiacute en honor a William Thomson el que maacutes tarde seriacutea Lord Kelvin (1824-
1907) quien a los 24 antildeos creoacute una escala termomeacutetrica de gran uso en muchos paiacuteses del
mundo Esta escala se calibra en teacuterminos de la energiacutea de los cuerpos de modo tal que
existe un liacutemite de la temperatura miacutenima posible que corresponde al menor estado teacuter-
mico que puede alcanzar la materia A este liacutemite se lo denominoacute 0 K o cero absoluto
Las unidades de la escala Kelvin se dimensionan de igual forma que los grados de la esca-
la Celsius esto significa que una variacioacuten de temperatura de diez grados Kelvin es lo mismo
que una variacioacuten de 10 grados Celsius Luego sobre la base de la escala Celsius se asigna
27315 K a la temperatura de fusioacuten del hielo es decir 0 ordmC y 37315 K para la temperatura de
ebullicioacuten del agua o sea 100 ordmC De este modo el 0 K coincide con el ndash27315 ordmC
Esta escala es la uacutenica utilizada por los cientiacuteficos para desarrollos teoacutericos y es la que
se toma como la unidad de temperatura en el Sistema Internacional de Unidades (SI) y en el
Sistema Meacutetrico Legal Argentino (SIMELA) Se representa con la letra K y no ordmK
Se tiene ademaacutes que
T K = 27315 degC + T C
donde T C es la temperatura medida en la escala Celsius y T K es la temperatura en la
escala Kelvin
Aplicaciones de las escalas termomeacutetricas
1 Un periodista del estado de California en EEUU anuncia el pronoacutestico del diacutea y dice
que la temperatura maacutexima seraacute de 50 ordmF iquestAconsejaraacute a los habitantes llevar abrigo
Para saber si haraacute friacuteo o no es necesario transformar la temperatura medida en la
escala Fahrenheit a la escala Celsius para ello como
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmF middot ( T F minus 32 ordmF) = 5 ordmC ____ 9 ordmF middot (50 ordmF minus 32 ordmF) = 10 ordmC
la temperatura es de 10 ordmC es decir hay que llevar algo de abrigo
2 La temperatura normal del cuerpo es de 37 ordmC iquestcuaacutel es esa temperatura medida en ordmF
Como T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
middot T C entonces T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
middot 37 ordmC = 986 ordmF
la temperatura normal del cuerpo es 986 ordmF
3 La temperatura ambiente del aula es 22 degC iquestCuaacutel seraacute la temperatura en la escala Kelvin
Como T K = 27315 ordmC + T C entonces T K = 27315 ordmC + 22 ordmC = 29515 K
William Thomson (Lord Kelvin 1824-1907) fue
uno de los grandes maestros de la termodinaacutemica del siglo XIX Nacioacute en Belfast y se hizo famoso por sus teoriacuteas y rico con sus inventos Como fiacutesico esbozoacute los fundamentos de la teoriacutea de las oscilaciones eleacutectricas propugnoacute la escala absoluta de temperaturas y repuso la doctrina de la disipacioacuten de la energiacutea
1 La temperatura de una habitacioacuten aumenta 6 ordmC iquestCuaacutel fue el aumento medido en las escalas absoluta y Fahrenheit
2 a iquestPuede haber alguacuten estado teacutermico para el que su temperatura en la escala Fahrenheit sea positiva y en Celsius negativa
biquestHay estados en los que ocurra lo contrario
3 iquestCuaacutel es el valor para el cual la temperatura medida en grados Celsius y en grados Fahrenheit estaacute representada por el mismo nuacutemero
aACTIVIDADES
144 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Los termoacutemetros
Existen diversos tipos de termoacutemetros que se construyen para fines especiacuteficos Tanto los
termoacutemetros cliacutenicos que sirven para medir la temperatura corporal como las termocuplas que
regulan la temperatura de algunos procesos industriales o los termoacutemetros de alcohol colorea-
do usados en meteorologiacutea basan su funcionamiento en distintas variables termomeacutetricas
Los termoacutemetros cliacutenicos
Constan de un tubo de vidrio que contiene mercurio (metal liacutequido de faacutecil dilatacioacuten)
con un estrangulamiento cerca del bulbo para impedir que el mercurio descienda a eacutel lue-
go de dilatarse lo cual facilita la lectura de la temperatura
La escala de los termoacutemetros cliacutenicos se extiende por
lo general desde 355 degC hasta 42 degC con una divisioacuten
miacutenima de la escala de 01 degC
Las termocuplas
Constan de dos alambres de diferentes materiales que estaacuten soldados en un extremo y
terminan en una ficha especial en el otro
Cuando aumenta la temperatura en la unioacuten de los
metales se produce una fuerza electromotriz que se
mide con instrumento llamado voltiacutemetro Si se cali-
bra adecuadamente la escala se puede establecer
una comparacioacuten entre el registro del instrumento y
la temperatura de la unioacuten entre estos metales
Los metales utilizados pueden ser aleaciones de niacutequel-cromo niacutequel-aluminio hierro
y cobre etc Estos termoacutemetros permiten medir temperaturas dentro de un rango aproxi-
mado de ndash150 ordmC a 1500 ordmC
Los termorresistores
Son termoacutemetros construidos con un material que presenta una significativa variacioacuten
de su resistencia eleacutectrica con la temperatura Los maacutes usuales son los termorresistores de
platino que son alambres finos o laacuteminas delgadas encapsuladas en un material ceraacutemico
Se trata de sensores de gran sensibilidad y especificidad
Los termoacutemetros de alcohol
Estos termoacutemetros se utilizan en meteorologiacutea para medir la temperatura del aire
Permiten medir temperaturas inferiores a los ndash39 ordmC
lo cual resulta ideal para los registros de bajas tempe-
raturas del aire En estos casos el mercurio se solidifica
y es por ello que se usa el alcohol
Los termoacutemetros
como el de la imagen
permiten medir la
temperatura en
grados Celsius y en
grados Farenheit
145
Dilatacioacuten
Generalmente la variacioacuten de temperatura de un cuerpo provoca un cambio en sus
dimensiones Si la temperatura aumenta se produce un aumento del volumen del cuerpo
En ese caso se dice que el cuerpo sufrioacute una dilatacioacuten
Las amplias variaciones de la temperatura ambiente pueden provocar cambios en casi
todos los cuerpos Eacutestos se dilatan o se contraen ante un aumento o disminucioacuten impor-
tante de la temperatura
Para evitar que estos fenoacutemenos produzcan dantildeos por ejemplo en las viacuteas de los ferro-
carriles en las grandes estructuras metaacutelicas o de concreto armado se dejan juntas de
dilatacioacuten que son simplemente espacios que permiten la expansioacuten de estos materiales
Los puentes las calles asfaltadas y otras grandes estructuras se construyen en bloques
que se unen entre siacute con alguacuten tipo de material como el alquitraacuten que se acomoda o adapta
a los espacios libres y no impide la expansioacuten teacutermica evitando asiacute una rotura importante
Los vidrios comunes pueden romperse faacutecilmente si se los somete a un aumento de
temperatura Por este motivo los elementos de un laboratorio o los que se usan en
hornos de cocina estaacuten compuestos por un vidrio especial conocido como Pyrex (marca
de este tipo especial de vidrios) que soporta maacutes las altas temperaturas Este material se
dilata casi tres veces menos que el vidrio comuacuten ante igual variacioacuten de temperatura
No solo los soacutelidos se dilatan tambieacuten este fenoacutemeno se da en los liacutequidos y gases
El aumento de la temperatura del aire hace que aumente su volumen y por lo tanto
disminuya su densidad Las masas de aire caliente tienden a elevarse desplazando las
masas de aire de menor temperatura
Dilatacioacuten de los gases
MaterialesMateriales
Vaso de precipitados Agua Mechero Bunsen Jeringa
Procedimiento
1 Coloquen el agua en el vaso de precipitados
2 Pongan el vaso en contacto con el mechero hasta que el agua llegue al punto de ebullicioacuten
3 Introduzcan la jeringa dentro del
recipiente dejando un poco de aire en su interior
Contesten las siguientes preguntas
1 iquestHacia doacutende se desplaza el eacutembolo de la jeringa luego de unos minutos
2 iquestPor queacute creen que ocurre esto
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
En esta imagen puede verse una junta de
dilatacioacuten de las viacuteas del ferrocarril
Dilatacioacuten anoacutemala del
agua Generalmente los liacutequidos se dilatan al aumentar su temperatura pero el agua se comporta de una manera anoacutemala Cuando su temperatura aumenta desde 0 degC a 4 degC se contrae y maacutes arriba de los 4 degC comienza a dilatarse hasta llegar al punto de ebullicioacutenEste comportamiento poco habitual del agua es muy importante en la naturaleza ya que si se comportara como los demaacutes liacutequidos la vida de las especies acuaacuteticas no seriacutea posible Por ejemplo el fondo de un lago se cubririacutea de gran cantidad de hielo lo cual dificultariacutea la vida de seres que habitan este ecosistema
ndash10 degC
0 degC
4 degC
146 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Algo maacutes sobre la dilatacioacuten
No todas las sustancias dilatan de igual forma frente a un mismo aumento de tempe-
ratura La mayor o menor dilatacioacuten depende de distintos factores como por ejemplo las
caracteriacutesticas de cada material su composicioacuten y su estructura molecular o cristalina
Iguales voluacutemenes de hierro y de vidrio sufren dilataciones distintas frente a un mismo
aumento de temperatura Ademaacutes la dilatacioacuten de un cuerpo es directamente proporcio-
nal a la variacioacuten de temperatura y al volumen inicial En dos cuerpos de distinto volumen
e igual material que sufren un mismo aumento de temperatura se observaraacute mayor dilata-
cioacuten en el cuerpo de mayor volumen inicial
Lo expuesto se puede resumir en la siguiente expresioacuten matemaacutetica que permite el
caacutelculo de la dilatacioacuten de un cuerpo
ΔV = V o γ ΔT
donde ΔV es la variacioacuten del volumen producida durante la dilatacioacuten V o es el volumen
inicial es decir el volumen del cuerpo antes de este fenoacutemeno γ es el coeficiente de dila-
tacioacuten que depende de cada material y ΔT variacioacuten de temperatura que sufre el cuerpo
Muchas veces se considera una sola dimensioacuten para los caacutelculos de dilatacioacuten Por ejem-
plo puede resultar necesario conocer las variaciones de la longitud del cuerpo que prevalece
sobre otras de sus dimensiones Por esto se habla de la dilatacioacuten lineal de los cuerpos
La expresioacuten matemaacutetica para el caacutelculo de la dilatacioacuten lineal es
ΔL = L o α ΔT
donde ΔL es la variacioacuten de longitud producida durante la dilatacioacuten L o es la longitud
inicial α es el coeficiente de dilatacioacuten lineal y ΔT es la variacioacuten de temperatura
La dilatacioacuten teacutermica de algunos materiales se aprovecha para fabricar termostatos
que son unos aparatos disentildeados para el control de variables o procesos dependientes de
la temperatura Pueden encontrarse en planchas caloventores radiadores etc
Los termostatos estaacuten construidos por bandas
o cintas bimetaacutelicas formadas por la unioacuten o
soldadura de dos laacuteminas de metales distintos
Cuando la cinta se calienta uno de los metales
dilata maacutes que el otro y esto hace que la banda
se flexione en forma de curva En cambio cuan-
do se enfriacutea vuelve a la posicioacuten inicial Este
movimiento de las bandas puede accionar por
ejemplo una vaacutelvula o cerrar un interruptor de
suministro de energiacutea eleacutectrica
El coeficiente de dilatacioacuten lineal de un soacutelido
indica cual es la variacioacuten de su longitud inicial por unidad de longitud y por unidad de temperatura Esto se puede expresar de la siguiente manera
α = ΔL ______ L 0 middot ΔT
donde ΔL es la variacioacuten de longitud luego de la dilatacioacuten L 0 es la longitud inicial del cuerpo y ΔT la variacioacuten de temperaturaLa unidad de α es m ______ mmiddotordmC = 1 ___ ordmC o bien ordmC ndash1 Si el coeficiente de dilatacioacuten lineal del hierro es 12 10 ndash5 ordmC ndash1 significa que por cada metro de hierro este material se dilata 12 10 ndash5 m cuando su temperatura variacutea en 1 ordmC
Tabla de coeficientes de
dilatacioacuten lineal de algunos
materiales
Material α ( deg C ndash1 )
Concreto 07 ndash 12 10 ndash5
Plata 20 10 ndash5
Oro 15 10 ndash5
Invar 004 10 ndash5
Plomo 30 10 ndash5
Zinc 26 10 ndash5
Hielo 51 10 ndash5
Aluminio 24 10 ndash5
Latoacuten 18 10 ndash5
Cobre 17 10 ndash5
Vidrio 04 ndash 09 10 ndash5
Hierro 12 10 ndash5
Cuarzo 004 10 ndash5
Acero 12 10 ndash5
147
Aplicaciones del coeficiente de dilatacioacuten lineal
iquestEn cuaacutento se incrementa la longitud de una barra de hierro de 100 m de largo cuan-
do su temperatura aumenta 15 ordmC
En el lateral de la paacutegina 146 se puede observar que el coeficiente de dilatacioacuten
lineal del hierro es de 12 middot 10 ndash5 ordm C ndash1 por lo tanto
ΔL = L o middot α middot ΔT = 100 m middot 12 middot 10 ndash5 ordm C ndash1 middot 15 ordmC = 0018 m = 18 middot 10 ndash2 m
Cuando la temperatura aumenta 15ordmC la barra de hierro de 100 m aumenta enton-
ces 0018 m
Calor
Las personas suelen decir frases como las siguientes iexclQueacute caliente que estaacute el agua iexclHoy hace
mucho calor hay maacutes de 30 grados Cerremos la ventana que entra friacuteo El calor hizo que la puerta de
hierro se hinchara El calor de la estufa subioacute a las habitaciones de la parte superior de la casa etc Si
bien forman parte de un lenguaje cotidiano estas expresiones tienen poca precisioacuten cientiacutefica
y es necesario aproximarse a una definicioacuten de los conceptos fiacutesicos que permita interpretar y
diferenciar el significado de cada teacutermino que se utiliza desde el lenguaje cientiacutefico
Cabe sentildealar que algunas de estas manifestaciones personales estaacuten muy proacuteximas a las
ideas cientiacuteficas que se manejaron sobre el calor entre mediados del siglo XVIII y las primeras
deacutecadas del siglo XIX bajo la teoriacutea del caloacuterico
El calor era considerado como un fluido material llamado caloacuterico que estaba en el interior
de los cuerpos Esta especie de sustancia capaz de pasar desde los cuerpos de mayor temperatura
a los de menor temperatura explicaba el enfriamiento de los cuerpos por peacuterdida del caloacuterico y
calentamiento por su ganancia
Las primeras criacuteticas de la teoriacutea del caloacuterico que ponen en duda la existencia de dicho
fluido surgen cuando en 1798 Benjamin Thompson (1753-1814) conde de Rumford y ministro
de Guerra de Baviera observoacute que al taladrar grandes piezas de metal para fabricar cantildeones se
desprendiacutean importantes cantidades de calor por frotamiento El conde dudoacute de la existencia del
caloacuterico pues si se trataba de una sustancia deberiacutea acabarse en alguacuten momento de ese proceso
de frotamiento sin embargo esto no ocurriacutea
Mucho tiempo despueacutes las ideas del caloacuterico como sustancia en movimiento fueron sustitui-
das por una nueva concepcioacuten cientiacutefica que planteariacutea la posibilidad de unificar los fenoacutemenos
mecaacutenicos luminosos eleacutectricos magneacuteticos teacutermicos y quiacutemicos bajo el concepto de energiacutea
El calor como intercambio de energiacutea
Todos los cuerpos o sistemas materiales tienen asociada una energiacutea interna que permite
conocer y caracterizar sus propiedades El calor es una forma de intercambio de energiacutea desde el
cuerpo de mayor temperatura hacia el de menor temperatura
Por ejemplo cuando se deja olvidada una taza con cafeacute recieacuten preparado sobre la mesa de la
cocina luego de un cierto tiempo se enfriacutea dado que entre el cafeacute y el aire que rodea la taza se
produjo un intercambio de energiacutea El cafeacute recieacuten preparado a mayor temperatura que el aire del
ambiente que rodea a la taza transfirioacute energiacutea (en forma de calor) al medio
Todos los cuerpos tienen asociada una
cierta energiacutea interna como consecuencia del movimiento de sus partiacuteculas Esta energiacutea interna puede variar cuando se intercambia energiacutea con el medio o con otros cuerpos Si dos o maacutes cuerpos a distintas temperaturas se ponen en contacto teacutermico intercambian espontaacuteneamente energiacutea en forma de calor Asiacute el calor es una forma de transferencia de energiacutea aunque existen otras maneras de intercambio de energiacutea no asociadas a las diferencias de temperaturas sino a las fuerzas y a las ondas electromagneacuteticas Estas dos formas se denominan respectivamente trabajo y radiacioacuten
148 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Radiacioacuten
En este fenoacutemeno
hay una transferencia
de energiacutea desde
un cuerpo a otro El
Sol es una fuente
natural de radiacioacuten
electromagneacutetica que
intercambia energiacutea con
el planeta Tierra
Gas de efecto
invernadero
Peacuterdida de calor y radiacioacuten
Radiacioacuten infrarroja
Absorcioacuten por la superficie
terrestre
Absorcioacuten
por las
nubes
Radiacioacuten solar
absorbida
Radiacioacuten
solar
Radiacioacuten solar
reflejada
Otras formas de intercambio de energiacutea
Ademaacutes del calor existen otras dos formas baacutesicas de transferencia de energiacutea
Por trabajo
Si una persona empuja una mesa ejerce una fuerza
sobre la mesa de tal manera que logra desplazarla
de su posicioacuten inicial Se produce un intercambio de
energiacutea entre la persona y la mesa La mesa aumen-
ta su energiacutea cineacutetica ya que la persona le transfiere
cierta cantidad de energiacutea como consecuencia de
ejercer una fuerza sobre dicha mesa Se dice que los
cuerpos intercambiaron energiacutea por trabajo cuan-
do interactuacutean entre siacute mediante fuerzas
Por radiacioacuten
Cuando una sentildeal que transporta informacioacuten llega
a una antena como por ejemplo la sentildeal satelital que
recepciona la antena de un celular se produce un inter-
cambio de energiacutea pero en este caso no hay accioacuten de
fuerzas ni calor
La radiacioacuten emitida por una fuente emisora es captada
por un receptor que decodifica la sentildeal seguacuten el tipo de
informacioacuten que se transmite En este caso la energiacutea se
transfiere desde la fuente al receptor por ondas electro-
magneacuteticas que se caracterizan porque no necesitan
un medio material de propagacioacuten A diferencia de las
ondas mecaacutenicas pueden hacerlo en el vaciacuteo
Una forma de intercambiar energiacutea entre dos cuerpos o sistemas materiales es por
calor Siempre que dos o maacutes cuerpos que se encuentran a distintas temperaturas se
ponen en contacto teacutermico se produce un intercambio de energiacutea en forma de calor En
los fenoacutemenos espontaacuteneos este proceso continuacutea hasta que dichos cuerpos alcanzan el
equilibrio teacutermico es decir igualan sus temperaturas
Los cuerpos no tienen friacuteo o calor sino que poseen cierta energiacutea interna que puede variar
por ejemplo cuando entran en contacto con otros cuerpos de diferentes temperaturas
La Tierra absorbe el 70 de la energiacutea que proviene
del Sol Parte de esta energiacutea es absorbida por el suelo y parte por los gases de la atmoacutesfera A su vez el suelo terrestre emite tambieacuten radiacioacuten que en parte es reflejada por algunos gases presentes en la atmoacutesfera lo que genera el efecto invernadero
149
Calor especiacutefico
Las sustancias tienen distintas capacidades de absorber energiacutea en forma de calor ya
que frente a la misma cantidad de calor sus temperaturas variacutean en formas diferentes
Por ejemplo si se entrega igual cantidad de calor a una cuchara de aluminio y a una
masa equivalente de agua al cabo de un cierto tiempo se podraacute observar que la cuchara
registra un mayor aumento de temperatura que el agua
Las sustancias tienen capacidades distintas de almacenamiento de energiacutea y esto es
muy evidente con los alimentos
Si se colocan en un horno al mismo tiempo una fuente de papas y una cantidad de
masa equivalente de pollo se advierte que las papas tardan maacutes tiempo en llegar a la
temperatura en equilibrio Esto ocurre porque diferentes sustancias requieren distintas
cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura Se dice que estos alimentos
tienen distintas capacidades caloriacuteficas especiacuteficas o calores especiacuteficos
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la can-
tidad de calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es 1 calg degC lo que significa que cada gramo
de agua necesita intercambiar una caloriacutea para variar su temperatura un grado Celsius El
agua tiene una mayor capacidad de almacenar energiacutea que muchas otras sustancias Por
tal razoacuten una pequentildea masa de agua absorbe una gran cantidad de calor con un aumento
relativo de temperatura bastante pequentildeo Por el mismo motivo se puede explicar que el
agua se enfriacutea maacutes lentamente que otras sustancias Es por esto que el agua se usa como
refrigerante en muchas maquinarias o sistemas como por ejemplo los automoacuteviles
Calorimetriacutea
Se denomina calorimetriacutea a la medicioacuten y el caacutelculo de las cantidades de calor que
intercambia un sistema
Intuitivamente se sabe que cuanto mayor sea la cantidad de calor suministrada el cuer-
po alcanzaraacute una mayor variacioacuten de la temperatura Es posible verificar experimentalmente
que entre el calor y la temperatura existe una relacioacuten de proporcionalidad directa La cons-
tante de proporcionalidad depende tanto de la sustancia que constituye el cuerpo como de
su masa y resulta el producto del calor especiacutefico por la masa del cuerpo
Por lo tanto la ecuacioacuten que permite calcular intercambios de calor es
Q = c middot m middot ΔT
donde Q es el calor intercambiado por un cuerpo de masa m constituido por una sustan-
cia cuyo calor especiacutefico es c siendo ΔT la variacioacuten de temperatura experimentada
Por convencioacuten se adopta el signo positivo para Q cuando la variacioacuten de tempe-
ratura es mayor que cero es decir cuando el cuerpo aumenta su temperatura En caso
contrario cuando la variacioacuten de temperatura es menor que cero el cuerpo disminuye su
temperatura y el signo de Q seraacute negativo
Es decir que la cantidad de calor que intercambian dos cuerpos del mismo material pero
de masas diferentes para variar de igual manera sus temperaturas depende de sus masas
Por ejemplo si se entrega la misma cantidad de calor a 500 g de agua y luego a 1000 g de
agua que inicialmente se encuentran a temperatura ambiente se espera que la variacioacuten de tem-
peratura de la masa menor de agua sea mayor que la correspondiente a la masa mayor de agua
La unidad elegida para medir la cantidad de energiacutea es el
joule J aunque existe otra unidad muy utilizada la caloriacutea (cal) que se define como la cantidad de calor necesario para que un gramo de agua pura pase de 145 degC a 155 degC En alimentacioacuten y nutricioacuten se suelen usar mucho las caloriacuteas para medir el valor energeacutetico de los alimentos Se utiliza la Cal (escrita con mayuacutescula) donde 1 Cal = 1 kcal = 1000 cal
La relacioacuten entre los joules y las caloriacuteas es la siguiente 1 cal = 418 J o bien 1 J = 024 cal
150 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Algunos caacutelculos de calorimetriacutea
Es importante tener en cuenta que en esta transferencia se cumple el Principio de
Conservacioacuten de la Energiacutea ya que se puede afirmar que
Si dos cuerpos o sistemas aislados intercambian energiacutea en forma de calor la cantidad
recibida por uno de ellos es igual a la cantidad cedida por el otro cuerpo
Es decir la energiacutea total intercambiada se conserva Esto se puede escribir matemaacuteti-
camente de la siguiente forma Σ Q = 0
Si se consideran dos cuerpos de masas diferentes m1 y m2 que se encuentran a diferen-
tes temperaturas T1 y T2 respectivamente y se colocan en contacto teacutermico al cabo de un
tiempo equipararaacuten sus temperaturas a una cierta temperatura final Tf es decir alcanza-
raacuten el equilibrio teacutermico En este intercambio se cumple el principio de conservacioacuten de
la energiacutea es decir la cantidad de energiacutea que absorbe un cuerpo es igual a la cantidad de
energiacutea que cede el otro por lo cual se puede escribir que
Q2 = ndash Q1 que es lo mismo que escribir que c2 middot m2 middot (Tf ndash T2) = ndash c1 middot m1 middot (Tf ndash T1)
La temperatura final alcanzada luego del intercambio es
Tf = m 1 middot c 1 middot T 1 + m 2 middot c 2 middot T 2
______________________ m 1 middot c 1 + m 2 middot c 2
Aplicacioacuten de caacutelculos caloriacutemetros
1 Se colocan 500 gramos de agua liacutequida a 10 ordmC en un caloriacutemetro ideal (se despre-
cia el intercambio de calor del caloriacutemetro) y se la mezcla con 1000 gramos de agua a
70 ordmC Calculen la temperatura de equilibrio de esta mezcla
Como
Tf = m 1 middot c 1 middot T 1 + m 2 middot c 2 middot T 2
______________________ m 1 middot c 1 + m 2 middot c 2
entonces
Tf = 500 g middot 1 calg ordmC middot10 ordmC + 1000 g middot 1 calg ordmC middot70 ordmC
______________________________________________ 1 calg ordmC middot (500 g + 1000 g)
Se obtiene como resultado
Tf = 50 ordmC
La temperatura de equilibro de la mezcla es de 50 ordmC
Un caloriacutemetro es un recipiente adiabaacutetico o
teacutermicamente aislado en el que se puede calcular la cantidad de energiacutea en forma de calor que se intercambia cuando se colocan en contacto teacutermico sustancias de diferentes masas y a diferentes temperaturasTambieacuten puede utilizarse para calcular el calor especiacutefico de una determinada sustancia
151
Tabla de calores especiacuteficos de
algunas sustancias
Sustancia c ( cal _____ g ordmC )
Agua 100
Agua de mar 0945
Aire 00000053
Alcohol 058
Aluminio 0212
Arena 020
Bronce 0092
Cobre 0093
Hielo 055
Hierro 0113
Lana de vidrio 000009
Latoacuten 0094
Mercurio 0033
Oro 0031
Plata 0060
Plomo 0031
Vidrio 0199
Zinc 0092
2 Calculen la cantidad de calor necesaria en kcal y J que deben ceder 1500 gramos
de agua que se encuentra en su punto de ebullicioacuten para disminuir su temperatura
hasta 20 degC
Como Q = c middot m middot ΔT entonces
Q = 1 cal ______ g middot ordmC
middot 1500 g middot (20 ordmC minus 100 ordmC) = minus120 000 cal = minus120 kcal
Como ademaacutes 1 cal = 418 J entonces ndash120 000 cal = ndash120 000 middot 418 J = ndash501600 J
Es decir la cantidad de calor necesaria es ndash120 kcal o ndash501600 J
3 iquestCuaacutel seraacute el aumento de temperatura de una barra de 3 kg de hierro si se coloca en un
horno industrial que le suministra 30 kcal Consulten la tabla de calores especiacuteficos
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja ΔT se obtiene que
ΔT = Q _____ c middot m = 30 000 cal ____________________ 0113 calg ordmC middot 3000 g
= 885 ordmC
porque Q = 30 kcal = 30 000 cal m = 3 kg = 3000 g y en la tabla de calores especiacuteficos
se observa que el calor especiacutefico del hierro es de 0113 cal g middot ordmC
Luego la variacioacuten de temperatura es aproximadamente ΔT = 885 ordmC
4 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia que constituye un cuerpo de 20 g de
masa sabiendo que para elevar su temperatura 6 ordmC se necesitan 96 cal
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja c se obtiene
c = Q ______ ΔT middot m = 96 cal __________
6 ordmC middot 20 g = 08 cal ____
gmiddotordmC
5 El sistema de refrigeracioacuten de un camioacuten contiene 20 litros de agua iquestCuaacutel es la
variacioacuten de la temperatura del agua si se debe extraer una cantidad de energiacutea en
forma de calor de 836 000 J
La energiacutea extraiacuteda en forma de calor por el sistema refrigerante pasa al agua
Como 1 J = 024 cal entonces 836 000 J = 836 000 middot 024 = 200 640 cal
Por otro lado Q = c middot m middot ΔT con lo cual si se despeja ΔT se obtiene
ΔT = Q _____ c middot m = 200 640 cal ___________________ 1 cal g ordmC middot 20 000 g
= 10 ordmC
La temperatura del agua aumenta en 10 ordmC
152 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
Materiales
Un termo o sistema aislado (como los recipientes para conservar la comida) con un termoacutemetro 200 g de agua a temperatura ambiente por ejemplo 20 ordmC 70 g de cobre o de alguacuten otro metal Un calentador eleacutectrico de inmersioacuten de 500 600 W Un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) Pinzas de madera Vasos de precipitado o probetas graduadas Una balanza
Procedimiento1 Midan con la balanza la masa de agua a temperatura ambiente necesaria para realizar este experimento
2 Coloquen el agua a temperatura ambiente dentro del termo
3 Midan usando la balanza la masa del trozo de cobre
4 Calienten el trozo de cobre dentro de un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) con agua hasta 100 ordmC en ese caso el cobre tendraacute la misma temperatura
5 Extraigan con las pinzas de madera raacutepidamente la masa de cobre y coloacutequenla dentro del termo con el agua a temperatura ambiente
6 Mezclen los contenidos del termo para asegurarse la obtencioacuten de una temperatura uniforme
7 Efectuacuteen la lectura de la temperatura de equilibrio
8 Realicen los caacutelculos necesarios para obtener el calor especiacutefico del cobre
Contesten las siguientes consignas
a Expliquen en teacuterminos fiacutesicos queacute sucedioacute en esta mezcla de sustancias dentro del termo
b iquestQueacute calor especiacutefico obtuvieron
c Comparen con la tabla de valores aportada en este capiacutetulo iquestCoincide con el registrado
d Si no coincide iquesta queacute factores atribuyen las diferencias entre los resultados obtenidos
e iquestCoacutemo podriacutean mejorar estos resultados Propongan algunas hipoacutetesis para optimizar el disentildeo experimental
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
4 En un caloriacutemetro hay 200 g de agua a 20 degC Se agregan 100 g de agua y se obtiene una temperatura de equilibrio de 30 degC Calculen la temperatura de la masa de agua agregada
5 Se toma un trozo de 50 g de un metal desconocido a 100 degC y se lo coloca en un caloriacutemetro en el que hay 150 g de agua a 20 degC El sistema llega a una temperatura de equilibrio de 253 degC A partir de los datos de la tabla de la paacutegina 151 determinen de queacute metal podriacutea ser el trozo analizado
6 Se colocan dentro de un horno de microondas dos vasos ideacutenticos Uno contiene 100 g de agua y el otro 100 g de alcohol ambos a una temperatura de 15 degC Al hacer fun-cionar el horno durante medio minuto suministra a cada uno de ellos 1500 caloriacuteas Determinen las temperaturas finales del agua y del alcohol
7 Se colocan en un horno dos cubos de iguales masas uno de aluminio y el otro de plomo a iguales temperaturas de 20 ordmC Al encenderse el horno iquestcuaacutel de ellos alcanzaraacute primero la temperatura de 150 ordmC Justifiquen su respuesta
aACTIVIDADES
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
153
Propagacioacuten del calor
La transmisioacuten de energiacutea por diferencia de temperatura entre cuerpos o sistemas que
interactuacutean entre siacute se produce a traveacutes de diferentes procesos como la conduccioacuten o la
conveccioacuten
Conduccioacuten
Si se coloca un extremo de una cuchara de aluminio en contacto con una hornalla
encendida de la cocina raacutepidamente se advierte que el calor se transmite hasta el otro
extremo
En el sector de la cuchara en contacto con el fuego se produce un aumento de la
temperatura que hace que las partiacuteculas comiencen a vibrar con mayor energiacutea cineacutetica
(energiacutea de movimiento) y esta energiacutea se transfiere a las restantes partiacuteculas de la
regioacuten de menor temperatura
Esta transferencia de energiacutea sin desplazamiento de materia desde zonas de un cuerpo que
se encuentra a mayor temperatura a las de menor temperatura se denomina conduccioacuten
Algunos materiales presentan la propiedad de ser mejores conductores del calor que
otros Los malos conductores del calor se denominan aislantes (aunque cabe aclarar que
la aislacioacuten nunca es perfecta)
Los metales en general son mejores conductores del calor que otros materiales como
la madera el vidrio el corcho el telgopor etc
Es por eso que por ejemplo se suele usar madera en los mangos de los utensilios de
cocina para minimizar la transferencia de calor y evitar quemaduras en la piel
El corcho el telgopor la lana de vidrio son utilizados en las construcciones de viviendas como aislantes del
calor y para mantener una temperatura ambiente agradable Algunos de estos materiales son bastante
porosos lo que implica que tienen espacios con mayor cantidad de aire que es un buen aislante
Se denomina conduccioacuten a la transferencia de
energiacutea sin desplazamiento de materia de un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura a otro que se encuentra a menor temperaturaSe llama aislantes a los materiales que son malos conductores de calor
Lana de vidrio Corcho
Tambieacuten algunas prendas de abrigo como las cam-
peras o los cubrecamas utilizan dos recubrimien-
tos entre los cuales se colocan algunos materiales
porosos como goma espuma plumas telas entra-
madas que contienen una buena cantidad de aire
que permite la aislacioacuten teacutermica del medio
Telgopor Vidrio
154 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
iquestDe queacute factores depende la transferencia de calor por conduccioacuten en los materiales soacuteli-
dos iquestSe puede calcular
No todos los materiales conducen el calor de igual forma La conductividad teacutermica es
una medida de a capacidad de conducir el calor de cada material
Cuando una persona se encuentra en una habitacioacuten cuya temperatura ambiente es
por ejemplo 20 degC y toca con una mano un cenicero de cobre y con la otra un mantel tie-
ne la sensacioacuten de que el cenicero estaacute maacutes friacuteo que el mantel Esto
ocurre dado que como el cobre es un buen conductor teacutermico el
calor entregado por la mano a la zona de contacto del material
se transmite raacutepidamente al resto del objeto En cambio como
el mantel no es un buen conductor teacutermico cuando se lo toca
la transferencia de calor al resto del material es muy lenta la
temperatura de la zona de contacto aumenta hasta equiparar-
se con la piel y esto da la sensacioacuten de estar maacutes caliente
El caacutelculo es por lo general complica-
do Pero si la transferencia de calor se
produce en una sola direccioacuten y la tem-
peratura variacutea solo en esa direccioacuten se
simplifica Por ejemplo si se considera
un vidrio plano (como el de una venta-
na) se puede conocer queacute cantidad de
energiacutea transferida a traveacutes del vidrio va desde la superficie o cara de mayor temperatura
hacia la de menor temperatura Para esto es necesario tener en cuenta el tipo de vidrio
ya que no todos tienen la misma conductividad teacutermica
La cantidad de calor que se transmite por unidad de tiempo en este caso se puede
simbolizar mediante la siguiente expresioacuten matemaacutetica
Q ___ Δ τ = K ∙ S∙ ΔT ___ Δx
donde τ es el tiempo (para no confundirlo con T de temperatura) Q ___ Δ τ es la cantidad
de calor transmitida a traveacutes del vidrio por unidad de tiempo K es el coeficiente de
conductividad teacutermica que depende del material en este caso del vidrio S es la
superficie perpendicular a la direccioacuten de propagacioacuten y ΔT ___ Δx la variacioacuten de tempera-
tura entre las caras dividida por el espesor del vidrio
Se puede decir entonces que
la cantidad de calor que atraviesa
por unidad de tiempo una placa
de vidrio es mayor cuanto mayor
sea la superficie considerada y la
variacioacuten de temperatura entre sus
caras y cuanto menor sea el espe-
sor o distancia entre dichas caras
Algunos materiales conducen el calor
con mayor facilidad que otros asiacute los metales tienen alta conductividad teacutermica compararada por ejemplo con la capacidad de transmitir el calor de la madera algunos plaacutesticos ceraacutemicas etcLa conductividad teacutermica del cobre es de 330 kcalm middot h middot K la de la madera es de 01 a 03 kcalm middot h middot K y la del telgopor 003 kcalm middot h middot K
155
Conveccioacuten
Se si desea colocar estufas en las habitaciones de una casa para calefaccionarla hay que deci-
dir cuaacutel es el lugar maacutes adecuado para que se aproveche la energiacutea de la mejor manera posible
Es necesario tener en cuenta no solo las dimensiones de las habitaciones que se
desean calefaccionar sino tambieacuten el fenoacutemeno fiacutesico que se denomina transmisioacuten de
calor por conveccioacuten
La masa de aire cercana a la estufa aumenta su
temperatura por lo cual el aire se torna menos denso
que el resto de aire alejado de la estufa
Se origina asiacute un movimiento ascendente y des-
cendente de la masa de aire y se generan las deno-
minadas corrientes convectivas con un permanente
desplazamiento de materia
Este fenoacutemeno se puede observar tambieacuten en las
capas de aire que rodean la Tierra que provocan cam-
bios climaacuteticos seguacuten sus caracteriacutesticas Estas masas
de aire pueden ser maacutes caacutelidas en ciertas zonas que en
otras maacutes huacutemedas (por contener mayor cantidad de
vapor de agua) maacutes secas de mayor o menor presioacuten
La temperatura del aire puede ser influida por la propiedad de la superficie terrestre
hecho que es muy relevante para algunos estudios metereoloacutegicos
Estas corrientes convectivas que naturalmente se forman en la
atmoacutesfera son factores que tienen en cuenta por ejemplo las aves los
aladeltistas y otros deportistas que aprovechan las condiciones del aire
para elevarse Esto ocurre dado que al encontrarse con una masa de aire
caliente ascienden con maacutes facilidad y de esta forma ldquoahorranrdquo energiacutea
y pueden mantenerse en vuelo planeando sin tanto esfuerzo
La conveccioacuten se produce tanto en los gases como en los liacutequidos
Es sencillo observar que cuando se calienta agua en alguacuten recipiente
de vidrio transparente se produce
un movimiento ascendente desde la
parte inferior en contacto con la lla-
ma de fuego hacia la parte superior del recipiente
La masa liacutequida de mayor temperatura se dilata
por lo que disminuye su densidad asciende dentro del
recipiente y tiende a desplazar hacia la parte inferior
a la masa de agua liacutequida de menor temperatura
iquestOtra forma de transmisioacuten del calor
Algunos cientiacuteficos consideran que maacutes que una forma de transmisioacuten del calor la
radiacioacuten a la que ya se ha hecho referencia anteriormente implica una manera de inter-
cambio de energiacutea maacutes general
Esta transferencia de energiacutea no se da por intercambio de calor entre cuerpos que se
encuentran a distintas temperaturas ni por trabajo Involucran transferencias de energiacutea
por medio de ondas electromagneacuteticas Asiacute por ejemplo entre dos antenas se transfiere
energiacutea por radiacioacuten
156 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
Materiales Tubo de ensayo Trocitos de hielo Una moneda Agua Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen en el tubo de ensayo los trocitos de hielo cubiertos por la moneda
2Agreguen un poco de agua
3 Acerquen la parte superior del tubo al mechero o calentador
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Corrientes convectivas en liacutequidos
Materiales Agua Recipiente Trocitos de tiza de color o yerba mate Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen agua en un recipiente
2 Agreguen trocitos de tiza de color o un poco de yerba mate
3 Coloquen el recipiente al fuego
hasta que hierva el agua
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Materiales Dos latitas de gaseosa vaciacuteas Un poco de agua Pintura o cartulina negra Mechero o calentador Termoacutemetro
Procedimiento1 Tomen una de las latas y piacutentenla de negro o foacuterrenla con la cartulina negra
2 Anoten la temperatura inicial del agua
3 Coloquen la misma cantidad de agua en las dos latas
4 Pongan a calentar las dos latas a igual distancia del fuego
5 Controlen la temperatura del agua en cada lata cada 10 minutos
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestCoinciden los registros de temperatura de ambas latas
b iquestPor queacute Justifiquen su respuesta
iquestEl agua es un buen conductor teacutermico
Transmisioacuten de energiacutea por radiacioacuten
157
Los cambios de estado
Los materiales se presentan baacutesicamente en tres estados soacutelido liacutequido y gaseoso
Estos estados no son una caracteriacutestica invariable de los cuerpos ya que pueden modifi-
carse por ejemplo si se variacutea la temperatura y la presioacuten a la que estaacuten sometidos dichos
cuerpos Por ejemplo se puede fundir hierro si se lleva su temperatura a maacutes de 1500 degC
Una caracteriacutestica de los liacutequidos es la relativa libertad de movimiento de sus moleacute-
culas Si se suministra calor a un liacutequido y se logra aumentar la temperatura tambieacuten
aumentaraacute el movimiento de sus moleacuteculas las que pueden escapar de la superficie liacutequi-
da Este proceso que se da en la superficie del liacutequido se llama evaporacioacuten y puede ocu-
rrir a cualquier temperatura
A medida que aumenta la temperatura se modifica la estructura de enlace entre las
moleacuteculas Ellas no pueden mantenerse lo suficientemente cerca entre siacute para que la sus-
tancia continuacutee liacutequida lo que provoca que las moleacuteculas escapen auacuten maacutes faacutecilmente al
aire Este es el fenoacutemeno de ebullicioacuten y es conveniente resaltar que la temperatura en
la que este proceso ocurre llamada temperatura de ebullicioacuten se mantendraacute estable en
determinadas condiciones de presioacuten
Todo este proceso corresponde al cambio de estado denominado vaporizacioacuten
Cada sustancia tiene su propio punto de ebullicioacuten punto de fusioacuten y punto de solidi-
ficacioacuten que corresponden a las temperaturas y presiones en que se producen los cambios
de estado
El ciclo del agua o ciclo hidroloacutegico
Es muy comuacuten ejemplificar los cambios de estado con el agua para lo que suele apro-
vecharse el llamado ciclo hidroloacutegico o ciclo del agua que se produce en la naturaleza y
en el que se diferencian los siguientes fenoacutemenos
El agua se evapora continuamente pasando de estado liacutequido a gaseoso
Las nubes estaacuten formadas por pequentildeas gotas de agua liacutequida que ascienden por las
corrientes de aire
La lluvia se produce cuando se forman gotas maacutes gran-
des que precipitan
La nieve y el granizo se for-
man cuando la temperatura es
muy baja y se solidifican las
gotas de agua liacutequida
La niebla se produce en
lugares con altos porcentajes de
humedad y trae aparejada una
disminucioacuten en las temperatu-
ras
El rociacuteo o la escarcha se
producen por la condensacioacuten o
solidificacioacuten del agua de la atmoacutes-
fera debido a las marcadas diferencias
de temperatura entre el diacutea y la noche
Las posibles transformaciones de un
estado a otro son las siguientes
FusioacutenVaporizacioacuten
Sublimacioacuten
Volatilizacioacuten
SolidificacioacutenCondensacioacuten
Soacutelido
Liacutequido
Gaseoso
Hielo
PrecipitacioacutenEvaporacioacuten
Corriente subterraacutenea
Infiltracioacuten
Radiacioacuten solar
Condensacioacuten
Accioacuten del viento
Evaporacioacuten
Corriente
superficial
Transpiracioacuten
158 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Calor de fusioacuten y calor latente de vaporizacioacuten
Cada cambio de estado se acompantildea de un intercambio de energiacutea entre el sistema y
el medio exterior Por ejemplo se necesita energiacutea para fundir el hielo De esta forma se
pueden contrarrestar los efectos de las fuerzas que mantienen las moleacuteculas de agua en
posicioacuten fija en el soacutelido
Si la moleacuteculas de un soacutelido absorben suficiente energiacutea es posible que las fuerzas de
atraccioacuten entre moleacuteculas ya no puedan mantener su unioacuten entonces se produce el pasaje
de estado soacutelido a liacutequido
La vaporizacioacuten tambieacuten necesita energiacutea y sucede algo similar con las fuerzas de
atraccioacuten que mantienen las moleacuteculas cercanas entre siacute en la superficie del liacutequido
Un aumento de energiacutea pude ocasionar que las moleacuteculas escapen del liacutequido para
transformarse en moleacuteculas de vapor
En la medida en que aumentan las fuerzas intermoleculares la cantidad de energiacutea
necesaria para generar un cambio de fase tambieacuten se incrementa
En otros casos para poder cambiar de estado el sistema tiene que ceder energiacutea al
medio Por ejemplo el agua liacutequida debe ceder calor al medio para solidificarse
Se denomina calor latente de vaporizacioacuten a la energiacutea intercambiada por unidad de
masa para producir ese cambio de estado
Por ejemplo cada gramo de agua liacutequida a 100 ordmC y presioacuten normal debe absorber 540 cal
para convertirse en un gramo de agua en estado de vapor a la misma temperatura
La evaporacioacuten se acompantildea de un efecto de enfriamiento en la medida que el agua se
evapora absorbe calor del cuerpo del cual se evapora
El alto calor latente de vaporizacioacuten del agua 540 calg permite el enfriamiento de
las plantas por evaporacioacuten desde la superficie foliar las que reciben gran cantidad de
calor por efecto de la radiacioacuten solar La transpiracioacuten es un importante fenoacutemeno en la
regulacioacuten de la temperatura de muchos seres vivos
El calor latente de fusioacuten del hielo es de 80 calg esto significa que cada gramo de
hielo a 0 ordmC debe absorber 80 cal para convertirse en un gramo de agua liacutequida a 0 ordmC
De manera anaacuteloga al ceder 80 cal cada gramo de agua liacutequida se transforma en hielo
sin modificarse la temperatura
Se puede decir que el calor latente l indica una medida de la cantidad de calor por uni-
dad de masa que se necesita para cambiar de estado sin modificar la temperatura
Esto puede expresarse mediante la siguiente foacutermula
l = Q __ m o lo que es equivalente Q = l middot m
donde l es el calor latente Q es el calor y m la masa del cuerpo
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Hidroacutegeno -2591 139 -2627 1067
Oxiacutegeno -2184 33 -1830 51
Agua 00 80 1000 3594
Mercurio -389 28 3599 697
Plomo 3274 59 1620 -
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Plata 9605 26 1950 552
Cobre 10380 489 2595 1145
Hierro 1535 637 3200 1110
Tungsteno 3390 457 5900 460
159
CIE
NCIA
HIS
TORIA
Y S
OCIE
DAD
La historia la tradicioacuten y las modas arquitectoacutenicas contribuyen a determinar la forma y el tipo de las construcciones iquestCon queacute materiales se construye una casa iquestPor queacute para un determinado uso y funcioacuten se requieren distintos tipos de materialesEn los uacuteltimos antildeos la preocupacioacuten de los arquitectos y tambieacuten de los cientiacuteficos a la hora de proyectar un edificio se manifiesta en la obtencioacuten y aprovechamiento de los materiales con el fin de optimizar el uso de energiacutea en las viviendasLa sociedad moderna requiere grandes cantidades de energiacutea para su funcionamiento normal pero es importante reflexionar sobre el uso oacuteptimo y racional de las fuentes de energiacutea como el carboacuten el gas natural el petroacuteleo y todos sus derivados ya que no son renovablesSe estima que el petroacuteleo y el gas natural alcanzaraacuten para unos 50 a 100 antildeos maacutes mientras que el carboacuten para unos 200 a 300 antildeos maacutesMantener las viviendas calefaccionadas durante el invierno forma parte del bienestar de las personas y optimizar la energiacutea disponible en una casa depende del
cuidado de los recursos utilizados para este finEs importante tener una adecuada aislacioacuten teacutermica en todos los lugares posibles de fuga o peacuterdida de calor sobre todo del techo dado que el aire caliente es maacutes liviano y tiende a subir Existen actualmente en el comercio variedades de aislantes teacutermicos que reducen esas peacuterdidas y permiten ahorrar energiacutea Entre ellos el telgopor
las maderas los plaacutesticos las planchas de corcho las fibras de vidrio los ladrillos huecos refractarios etciquestCuaacuteles son los intercambios de energiacutea en forma de calor que se dan en una casaiquestCuaacutenta energiacutea se transfiere al exteriorEn una casa tiacutepica se disipa calor al exterior seguacuten se muestra en el siguiente esquema
El intercambio de calor en una casaEl hombre puede vivir en diversas regiones de la Tierra desde los troacutepicos hasta los polos en los bosques y en el desierto en las llanuras o montantildeas Aun cuando las condiciones cli-maacuteticas resulten hostiles el ser humano disentildea y construye sus viviendas para protegerse de las inclemencias del tiempo aprovechando los materiales de la zona
Un 35 a traveacutes de las ventanas por
conduccioacuten y radiacioacuten
Un 15 por las
paredes por
conduccioacuten y
conveccioacuten
Un 25 se transfiere
a traveacutes del techo
por conduccioacuten
y conveccioacuten
Un 5 se escapa
de chimeneas y
otros conductos
Un 5 a traveacutes
de rendijas
Un 15 por conduccioacuten a
traveacutes del suelo
160 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
CIE
NCIA
H
ISTO
RIA
Y S
OCIE
DAD
El tipo de material empleado
La energiacutea en forma de calor que se transfiere por segundo desde cualquier habitacioacuten a otra se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten que es similar a la presentada en conductividad teacutermica
P = K middot S middot Δt donde P es la energiacutea en forma de calor transmitida por unidad de tiempo Δt es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la habitacioacuten S es la superficie de los materiales que componen la habitacioacuten y K es un coeficiente caracteriacutestico del material utilizadoLos profesionales utilizan tablas con los valores K de algunas estructuras utilizadas habitualmente en la construccioacuten de una casa como las de la tabla
Luego de la lectura del textoa Sugieran posibles soluciones para prevenir las transfe-rencias de energiacutea desde el interior de las viviendas hacia el exteriorb Confeccionen una lista de las partes de una casa que pueden llevar aislantes teacutermicos y averiguumlen con queacute materiales estaacuten fabricados
c Realicen un disentildeo experimental para calcular la ener-giacutea que se transfiere del interior al exterior de su casad Describan sus disentildeos y busquen informacioacuten sobre uso de materiales en la construccioacuten de viviendas seguacuten sus propiedades y usos
aACTIVIDADES
iquestDe queacute depende la mayor o menor cantidad de energiacutea transferida
Los arquitectos e ingenieros consideran que la transferencias de energiacutea desde el interior hacia el exterior dependen fundamentalmente de los siguientes factores
La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la habitacioacuten Cuanto mayor es esta diferencia mayor es el flujo de energiacutea y maacutes raacutepido se produce el intercambio
Las superficies de los distintos materiales que componen la habitacioacuten Cuanto mayor es la superficie mayor transferencia de energiacutea al exterior
Espuma aislante Muro de ladrillos Tejas para techo
Casa construida
Tipos de estructuraValores K
(w ( m 2 ordmC))
Techo de tejas sin aislamiento
22
Techo de tejas con aislamiento 045
Ventanas con vidrio de 6 mm 56
Ventanas con vidrios dobles con 20 mm de separacioacuten
28
Pared de ladrillos con yeso (114 mm) 1324
Doble pared de ladrillos con caacutemara de aire de 280 mm
17
Doble pared de ladrillos con aislamiento en el
06
Piso de ceraacutemica sobre viguetas 42
Piso de madera sobre viguetas 17
161
IDEAS BAacuteSICAS DE LA UNIDAD
La temperatura es una variable de estado del cuerpo relacionada con la energiacutea cineacutetica
del movimiento de sus partiacuteculas
Los cuerpos no tienen friacuteo ni calor tienen bajas o altas temperaturas
Un termoacutemetro es un instrumento que se utiliza para medir la temperatura
Generalmente los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuan-
do disminuye su temperatura
Se denomina calor a la forma de intercambio de energiacutea entre dos cuerpos de distintas
temperaturas que se ponen en contacto teacutermico
La transferencia de calor se da espontaacuteneamente desde el cuerpo de mayor temperatura al
de menor temperatura
Dos cuerpos de distintas temperaturas que intercambian energiacutea logran el equilibrio teacutermi-
co cuando equiparan sus temperaturas
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la cantidad de
calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
El calor se propaga por tres formas baacutesicas conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten
La conduccioacuten se produce cuando se transfiere energiacutea en forma de calor desde las moleacute-
culas o partiacuteculas que se encuentran en zonas de mayor temperatura a las que se encuentran
en zonas de menor de temperatura sin desplazamiento de materia
En los liacutequidos y gases se generan corrientes convectivas con desplazamiento de materia
A los malos conductores del calor se los llama aislantes teacutermicos
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmC
( T F ndash 32 ordmC) Escala Celcius
T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
T C Escala Farenheit
T K = 27315 + T C Escala termomeacutetrica
ΔL = L o ∙ α ∙ Δt Dilatacioacuten liacuteneal
Q = c ∙ m ∙Δt Calorimetriacutea
Q ___ Δt = K ∙ S ∙ Δt ___ Δx Cantidad de calor que se transfiere
por conduccioacuten de un soacutelido
Foacutermulas
162 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
ACTIVIDADES DE INTEGRACIOacuteN1 Si se colocan 1000 g de agua en un recipiente y 2000 g de agua
en otro ambos a 20 degC y se les entrega igual cantidad de calor en
iguales condiciones de presioacuten normal iquestalcanzaraacuten el mismo punto
de ebullicioacuten iquestPor queacute
2 iquestPor queacute algunos vidrios como los llamados Pyrex no se rompen
cuando se someten a elevadas temperaturas
3 iquestQueacute ocurririacutea si usamos un termoacutemetro de mercurio contenido en
un recipiente cuyo coeficiente de dilatacioacuten fuera similar al del mer-
curio
4 iquestPor queacute el agua no se emplea como sustancia termomeacutetrica
5 Si colocan en un horno dos cuerpos de igual masa pero diferente
calor especiacutefico iquestcuaacutel alcanzaraacute primero la temperatura del horno
iquestPor queacute
6 iquestPor queacute generalmente las estufas y radiadores se colocan en la
parte inferior de la pared
7 Los habitantes del desierto suelen cubrirse con varias capas de
telas a modo de tuacutenicas por lo general claras iquestPor queacute razoacuten se
cubren tanto
8 Si se saca un recipiente del horno con un trozo de tela mojado es
probable que se sienta maacutes ldquocalienterdquo que si lo tomamos con una tela
seca iquestQueacute explicacioacuten fiacutesica tiene este hecho
9 Algunos alimentos que compramos en los negocios de venta al
puacuteblico como restaurantes se colocan en recipientes aislantes iquestPor
queacute iquestDe queacute material estaacuten hechos estos recipientes
10 iquestQueacute funcioacuten cumple un termo Justifiquen sus respuestas en
teacuterminos fiacutesicos
11 La temperatura de un diacutea de invierno en la Antaacutertida puede ser
inferior a ndash50 ordmC iquestA cuaacutentos grados Fahrenheit corresponde
12 Un termoacutemetro estaacute graduado en una escala degX tal que 20 degC
corresponden a 30 degX y 120 degC corresponden a 300 degX iquestCuaacutel es el
valor en la escala degX que corresponde a 50 degC Justifiquen sus res-
puestas
13 iquestQueacute cantidad de calor absorbe un cuerpo de 50 g de hierro que
se encuentra a una temperatura de 25 ordmC cuando su temperatura
aumenta a 100 ordmC
14 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia sabiendo que una
masa de 10 g absorbe 250 caloriacuteas cuando su temperatura variacutea 200
ordmC
15 Una dieta normal para una persona adulta en actividad es de
aproximadamente 2500 kcal diarias iquestA cuaacutentos joule equivale este
valor energeacutetico
16 Se mezclan 50 g de agua a 30 ordmC con 25 g de agua a 20 ordmC en un
recipiente aislado iquestQueacute temperatura final tiene esa mezcla
17 La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 degC Determinen
su longitud en un diacutea en que la temperatura es de 34 degC Consulten
la tabla de coeficientes de dilatacioacuten lineal de la paacutegina 146
18 Una barra de metal de longitud L o a 0 degC sufre un aumento de
longitud de un centeacutesimo de su longitud inicial cuando su tempera-
tura es de 500 degC iquestCuaacutel es el coeficiente de dilatacioacuten del metal
19 iquestCoacutemo podriacutean comprobar que la cantidad de calor que inter-
cambia un cuerpo para modificar su temperatura depende de la
masa del cuerpo Disentildeen un experimento descriacutebanlo y justifiquen
sus hipoacutetesis
20 Seguacuten la teoriacutea del caloacuterico el calor era considerado como una
sustancialidad de los cuerpos Teniendo en cuenta esta teoriacutea dise-
ntildeen un experimento que permita comprobar o refutar la siguiente
hipoacutetesis ldquoEl calor que tienen los cuerpos pesardquo
21 El valor caloacuterico de una barra de 100 g de chocolate es 550 kcal Supongan que se utilizara toda esa energiacutea para elevar la tempera-tura del agua desde los 15 ordmC con que sale de la canilla hasta 100 ordmC iquestcuaacutenta agua se podriacutea calentar
22 Se le suministra a un cuerpo de masa m de cierto material energiacutea por valor de 100 joule y el cuerpo incrementa su tempe-ratura en Δt iquestCuaacutenta energiacutea habraacute que suministrarle a un cuerpo del miso material cuya masa es el triple de la del primero para que el aumento de temperatura sea la mitad que en el primer caso
163
AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
144 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Los termoacutemetros
Existen diversos tipos de termoacutemetros que se construyen para fines especiacuteficos Tanto los
termoacutemetros cliacutenicos que sirven para medir la temperatura corporal como las termocuplas que
regulan la temperatura de algunos procesos industriales o los termoacutemetros de alcohol colorea-
do usados en meteorologiacutea basan su funcionamiento en distintas variables termomeacutetricas
Los termoacutemetros cliacutenicos
Constan de un tubo de vidrio que contiene mercurio (metal liacutequido de faacutecil dilatacioacuten)
con un estrangulamiento cerca del bulbo para impedir que el mercurio descienda a eacutel lue-
go de dilatarse lo cual facilita la lectura de la temperatura
La escala de los termoacutemetros cliacutenicos se extiende por
lo general desde 355 degC hasta 42 degC con una divisioacuten
miacutenima de la escala de 01 degC
Las termocuplas
Constan de dos alambres de diferentes materiales que estaacuten soldados en un extremo y
terminan en una ficha especial en el otro
Cuando aumenta la temperatura en la unioacuten de los
metales se produce una fuerza electromotriz que se
mide con instrumento llamado voltiacutemetro Si se cali-
bra adecuadamente la escala se puede establecer
una comparacioacuten entre el registro del instrumento y
la temperatura de la unioacuten entre estos metales
Los metales utilizados pueden ser aleaciones de niacutequel-cromo niacutequel-aluminio hierro
y cobre etc Estos termoacutemetros permiten medir temperaturas dentro de un rango aproxi-
mado de ndash150 ordmC a 1500 ordmC
Los termorresistores
Son termoacutemetros construidos con un material que presenta una significativa variacioacuten
de su resistencia eleacutectrica con la temperatura Los maacutes usuales son los termorresistores de
platino que son alambres finos o laacuteminas delgadas encapsuladas en un material ceraacutemico
Se trata de sensores de gran sensibilidad y especificidad
Los termoacutemetros de alcohol
Estos termoacutemetros se utilizan en meteorologiacutea para medir la temperatura del aire
Permiten medir temperaturas inferiores a los ndash39 ordmC
lo cual resulta ideal para los registros de bajas tempe-
raturas del aire En estos casos el mercurio se solidifica
y es por ello que se usa el alcohol
Los termoacutemetros
como el de la imagen
permiten medir la
temperatura en
grados Celsius y en
grados Farenheit
145
Dilatacioacuten
Generalmente la variacioacuten de temperatura de un cuerpo provoca un cambio en sus
dimensiones Si la temperatura aumenta se produce un aumento del volumen del cuerpo
En ese caso se dice que el cuerpo sufrioacute una dilatacioacuten
Las amplias variaciones de la temperatura ambiente pueden provocar cambios en casi
todos los cuerpos Eacutestos se dilatan o se contraen ante un aumento o disminucioacuten impor-
tante de la temperatura
Para evitar que estos fenoacutemenos produzcan dantildeos por ejemplo en las viacuteas de los ferro-
carriles en las grandes estructuras metaacutelicas o de concreto armado se dejan juntas de
dilatacioacuten que son simplemente espacios que permiten la expansioacuten de estos materiales
Los puentes las calles asfaltadas y otras grandes estructuras se construyen en bloques
que se unen entre siacute con alguacuten tipo de material como el alquitraacuten que se acomoda o adapta
a los espacios libres y no impide la expansioacuten teacutermica evitando asiacute una rotura importante
Los vidrios comunes pueden romperse faacutecilmente si se los somete a un aumento de
temperatura Por este motivo los elementos de un laboratorio o los que se usan en
hornos de cocina estaacuten compuestos por un vidrio especial conocido como Pyrex (marca
de este tipo especial de vidrios) que soporta maacutes las altas temperaturas Este material se
dilata casi tres veces menos que el vidrio comuacuten ante igual variacioacuten de temperatura
No solo los soacutelidos se dilatan tambieacuten este fenoacutemeno se da en los liacutequidos y gases
El aumento de la temperatura del aire hace que aumente su volumen y por lo tanto
disminuya su densidad Las masas de aire caliente tienden a elevarse desplazando las
masas de aire de menor temperatura
Dilatacioacuten de los gases
MaterialesMateriales
Vaso de precipitados Agua Mechero Bunsen Jeringa
Procedimiento
1 Coloquen el agua en el vaso de precipitados
2 Pongan el vaso en contacto con el mechero hasta que el agua llegue al punto de ebullicioacuten
3 Introduzcan la jeringa dentro del
recipiente dejando un poco de aire en su interior
Contesten las siguientes preguntas
1 iquestHacia doacutende se desplaza el eacutembolo de la jeringa luego de unos minutos
2 iquestPor queacute creen que ocurre esto
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
En esta imagen puede verse una junta de
dilatacioacuten de las viacuteas del ferrocarril
Dilatacioacuten anoacutemala del
agua Generalmente los liacutequidos se dilatan al aumentar su temperatura pero el agua se comporta de una manera anoacutemala Cuando su temperatura aumenta desde 0 degC a 4 degC se contrae y maacutes arriba de los 4 degC comienza a dilatarse hasta llegar al punto de ebullicioacutenEste comportamiento poco habitual del agua es muy importante en la naturaleza ya que si se comportara como los demaacutes liacutequidos la vida de las especies acuaacuteticas no seriacutea posible Por ejemplo el fondo de un lago se cubririacutea de gran cantidad de hielo lo cual dificultariacutea la vida de seres que habitan este ecosistema
ndash10 degC
0 degC
4 degC
146 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Algo maacutes sobre la dilatacioacuten
No todas las sustancias dilatan de igual forma frente a un mismo aumento de tempe-
ratura La mayor o menor dilatacioacuten depende de distintos factores como por ejemplo las
caracteriacutesticas de cada material su composicioacuten y su estructura molecular o cristalina
Iguales voluacutemenes de hierro y de vidrio sufren dilataciones distintas frente a un mismo
aumento de temperatura Ademaacutes la dilatacioacuten de un cuerpo es directamente proporcio-
nal a la variacioacuten de temperatura y al volumen inicial En dos cuerpos de distinto volumen
e igual material que sufren un mismo aumento de temperatura se observaraacute mayor dilata-
cioacuten en el cuerpo de mayor volumen inicial
Lo expuesto se puede resumir en la siguiente expresioacuten matemaacutetica que permite el
caacutelculo de la dilatacioacuten de un cuerpo
ΔV = V o γ ΔT
donde ΔV es la variacioacuten del volumen producida durante la dilatacioacuten V o es el volumen
inicial es decir el volumen del cuerpo antes de este fenoacutemeno γ es el coeficiente de dila-
tacioacuten que depende de cada material y ΔT variacioacuten de temperatura que sufre el cuerpo
Muchas veces se considera una sola dimensioacuten para los caacutelculos de dilatacioacuten Por ejem-
plo puede resultar necesario conocer las variaciones de la longitud del cuerpo que prevalece
sobre otras de sus dimensiones Por esto se habla de la dilatacioacuten lineal de los cuerpos
La expresioacuten matemaacutetica para el caacutelculo de la dilatacioacuten lineal es
ΔL = L o α ΔT
donde ΔL es la variacioacuten de longitud producida durante la dilatacioacuten L o es la longitud
inicial α es el coeficiente de dilatacioacuten lineal y ΔT es la variacioacuten de temperatura
La dilatacioacuten teacutermica de algunos materiales se aprovecha para fabricar termostatos
que son unos aparatos disentildeados para el control de variables o procesos dependientes de
la temperatura Pueden encontrarse en planchas caloventores radiadores etc
Los termostatos estaacuten construidos por bandas
o cintas bimetaacutelicas formadas por la unioacuten o
soldadura de dos laacuteminas de metales distintos
Cuando la cinta se calienta uno de los metales
dilata maacutes que el otro y esto hace que la banda
se flexione en forma de curva En cambio cuan-
do se enfriacutea vuelve a la posicioacuten inicial Este
movimiento de las bandas puede accionar por
ejemplo una vaacutelvula o cerrar un interruptor de
suministro de energiacutea eleacutectrica
El coeficiente de dilatacioacuten lineal de un soacutelido
indica cual es la variacioacuten de su longitud inicial por unidad de longitud y por unidad de temperatura Esto se puede expresar de la siguiente manera
α = ΔL ______ L 0 middot ΔT
donde ΔL es la variacioacuten de longitud luego de la dilatacioacuten L 0 es la longitud inicial del cuerpo y ΔT la variacioacuten de temperaturaLa unidad de α es m ______ mmiddotordmC = 1 ___ ordmC o bien ordmC ndash1 Si el coeficiente de dilatacioacuten lineal del hierro es 12 10 ndash5 ordmC ndash1 significa que por cada metro de hierro este material se dilata 12 10 ndash5 m cuando su temperatura variacutea en 1 ordmC
Tabla de coeficientes de
dilatacioacuten lineal de algunos
materiales
Material α ( deg C ndash1 )
Concreto 07 ndash 12 10 ndash5
Plata 20 10 ndash5
Oro 15 10 ndash5
Invar 004 10 ndash5
Plomo 30 10 ndash5
Zinc 26 10 ndash5
Hielo 51 10 ndash5
Aluminio 24 10 ndash5
Latoacuten 18 10 ndash5
Cobre 17 10 ndash5
Vidrio 04 ndash 09 10 ndash5
Hierro 12 10 ndash5
Cuarzo 004 10 ndash5
Acero 12 10 ndash5
147
Aplicaciones del coeficiente de dilatacioacuten lineal
iquestEn cuaacutento se incrementa la longitud de una barra de hierro de 100 m de largo cuan-
do su temperatura aumenta 15 ordmC
En el lateral de la paacutegina 146 se puede observar que el coeficiente de dilatacioacuten
lineal del hierro es de 12 middot 10 ndash5 ordm C ndash1 por lo tanto
ΔL = L o middot α middot ΔT = 100 m middot 12 middot 10 ndash5 ordm C ndash1 middot 15 ordmC = 0018 m = 18 middot 10 ndash2 m
Cuando la temperatura aumenta 15ordmC la barra de hierro de 100 m aumenta enton-
ces 0018 m
Calor
Las personas suelen decir frases como las siguientes iexclQueacute caliente que estaacute el agua iexclHoy hace
mucho calor hay maacutes de 30 grados Cerremos la ventana que entra friacuteo El calor hizo que la puerta de
hierro se hinchara El calor de la estufa subioacute a las habitaciones de la parte superior de la casa etc Si
bien forman parte de un lenguaje cotidiano estas expresiones tienen poca precisioacuten cientiacutefica
y es necesario aproximarse a una definicioacuten de los conceptos fiacutesicos que permita interpretar y
diferenciar el significado de cada teacutermino que se utiliza desde el lenguaje cientiacutefico
Cabe sentildealar que algunas de estas manifestaciones personales estaacuten muy proacuteximas a las
ideas cientiacuteficas que se manejaron sobre el calor entre mediados del siglo XVIII y las primeras
deacutecadas del siglo XIX bajo la teoriacutea del caloacuterico
El calor era considerado como un fluido material llamado caloacuterico que estaba en el interior
de los cuerpos Esta especie de sustancia capaz de pasar desde los cuerpos de mayor temperatura
a los de menor temperatura explicaba el enfriamiento de los cuerpos por peacuterdida del caloacuterico y
calentamiento por su ganancia
Las primeras criacuteticas de la teoriacutea del caloacuterico que ponen en duda la existencia de dicho
fluido surgen cuando en 1798 Benjamin Thompson (1753-1814) conde de Rumford y ministro
de Guerra de Baviera observoacute que al taladrar grandes piezas de metal para fabricar cantildeones se
desprendiacutean importantes cantidades de calor por frotamiento El conde dudoacute de la existencia del
caloacuterico pues si se trataba de una sustancia deberiacutea acabarse en alguacuten momento de ese proceso
de frotamiento sin embargo esto no ocurriacutea
Mucho tiempo despueacutes las ideas del caloacuterico como sustancia en movimiento fueron sustitui-
das por una nueva concepcioacuten cientiacutefica que planteariacutea la posibilidad de unificar los fenoacutemenos
mecaacutenicos luminosos eleacutectricos magneacuteticos teacutermicos y quiacutemicos bajo el concepto de energiacutea
El calor como intercambio de energiacutea
Todos los cuerpos o sistemas materiales tienen asociada una energiacutea interna que permite
conocer y caracterizar sus propiedades El calor es una forma de intercambio de energiacutea desde el
cuerpo de mayor temperatura hacia el de menor temperatura
Por ejemplo cuando se deja olvidada una taza con cafeacute recieacuten preparado sobre la mesa de la
cocina luego de un cierto tiempo se enfriacutea dado que entre el cafeacute y el aire que rodea la taza se
produjo un intercambio de energiacutea El cafeacute recieacuten preparado a mayor temperatura que el aire del
ambiente que rodea a la taza transfirioacute energiacutea (en forma de calor) al medio
Todos los cuerpos tienen asociada una
cierta energiacutea interna como consecuencia del movimiento de sus partiacuteculas Esta energiacutea interna puede variar cuando se intercambia energiacutea con el medio o con otros cuerpos Si dos o maacutes cuerpos a distintas temperaturas se ponen en contacto teacutermico intercambian espontaacuteneamente energiacutea en forma de calor Asiacute el calor es una forma de transferencia de energiacutea aunque existen otras maneras de intercambio de energiacutea no asociadas a las diferencias de temperaturas sino a las fuerzas y a las ondas electromagneacuteticas Estas dos formas se denominan respectivamente trabajo y radiacioacuten
148 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Radiacioacuten
En este fenoacutemeno
hay una transferencia
de energiacutea desde
un cuerpo a otro El
Sol es una fuente
natural de radiacioacuten
electromagneacutetica que
intercambia energiacutea con
el planeta Tierra
Gas de efecto
invernadero
Peacuterdida de calor y radiacioacuten
Radiacioacuten infrarroja
Absorcioacuten por la superficie
terrestre
Absorcioacuten
por las
nubes
Radiacioacuten solar
absorbida
Radiacioacuten
solar
Radiacioacuten solar
reflejada
Otras formas de intercambio de energiacutea
Ademaacutes del calor existen otras dos formas baacutesicas de transferencia de energiacutea
Por trabajo
Si una persona empuja una mesa ejerce una fuerza
sobre la mesa de tal manera que logra desplazarla
de su posicioacuten inicial Se produce un intercambio de
energiacutea entre la persona y la mesa La mesa aumen-
ta su energiacutea cineacutetica ya que la persona le transfiere
cierta cantidad de energiacutea como consecuencia de
ejercer una fuerza sobre dicha mesa Se dice que los
cuerpos intercambiaron energiacutea por trabajo cuan-
do interactuacutean entre siacute mediante fuerzas
Por radiacioacuten
Cuando una sentildeal que transporta informacioacuten llega
a una antena como por ejemplo la sentildeal satelital que
recepciona la antena de un celular se produce un inter-
cambio de energiacutea pero en este caso no hay accioacuten de
fuerzas ni calor
La radiacioacuten emitida por una fuente emisora es captada
por un receptor que decodifica la sentildeal seguacuten el tipo de
informacioacuten que se transmite En este caso la energiacutea se
transfiere desde la fuente al receptor por ondas electro-
magneacuteticas que se caracterizan porque no necesitan
un medio material de propagacioacuten A diferencia de las
ondas mecaacutenicas pueden hacerlo en el vaciacuteo
Una forma de intercambiar energiacutea entre dos cuerpos o sistemas materiales es por
calor Siempre que dos o maacutes cuerpos que se encuentran a distintas temperaturas se
ponen en contacto teacutermico se produce un intercambio de energiacutea en forma de calor En
los fenoacutemenos espontaacuteneos este proceso continuacutea hasta que dichos cuerpos alcanzan el
equilibrio teacutermico es decir igualan sus temperaturas
Los cuerpos no tienen friacuteo o calor sino que poseen cierta energiacutea interna que puede variar
por ejemplo cuando entran en contacto con otros cuerpos de diferentes temperaturas
La Tierra absorbe el 70 de la energiacutea que proviene
del Sol Parte de esta energiacutea es absorbida por el suelo y parte por los gases de la atmoacutesfera A su vez el suelo terrestre emite tambieacuten radiacioacuten que en parte es reflejada por algunos gases presentes en la atmoacutesfera lo que genera el efecto invernadero
149
Calor especiacutefico
Las sustancias tienen distintas capacidades de absorber energiacutea en forma de calor ya
que frente a la misma cantidad de calor sus temperaturas variacutean en formas diferentes
Por ejemplo si se entrega igual cantidad de calor a una cuchara de aluminio y a una
masa equivalente de agua al cabo de un cierto tiempo se podraacute observar que la cuchara
registra un mayor aumento de temperatura que el agua
Las sustancias tienen capacidades distintas de almacenamiento de energiacutea y esto es
muy evidente con los alimentos
Si se colocan en un horno al mismo tiempo una fuente de papas y una cantidad de
masa equivalente de pollo se advierte que las papas tardan maacutes tiempo en llegar a la
temperatura en equilibrio Esto ocurre porque diferentes sustancias requieren distintas
cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura Se dice que estos alimentos
tienen distintas capacidades caloriacuteficas especiacuteficas o calores especiacuteficos
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la can-
tidad de calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es 1 calg degC lo que significa que cada gramo
de agua necesita intercambiar una caloriacutea para variar su temperatura un grado Celsius El
agua tiene una mayor capacidad de almacenar energiacutea que muchas otras sustancias Por
tal razoacuten una pequentildea masa de agua absorbe una gran cantidad de calor con un aumento
relativo de temperatura bastante pequentildeo Por el mismo motivo se puede explicar que el
agua se enfriacutea maacutes lentamente que otras sustancias Es por esto que el agua se usa como
refrigerante en muchas maquinarias o sistemas como por ejemplo los automoacuteviles
Calorimetriacutea
Se denomina calorimetriacutea a la medicioacuten y el caacutelculo de las cantidades de calor que
intercambia un sistema
Intuitivamente se sabe que cuanto mayor sea la cantidad de calor suministrada el cuer-
po alcanzaraacute una mayor variacioacuten de la temperatura Es posible verificar experimentalmente
que entre el calor y la temperatura existe una relacioacuten de proporcionalidad directa La cons-
tante de proporcionalidad depende tanto de la sustancia que constituye el cuerpo como de
su masa y resulta el producto del calor especiacutefico por la masa del cuerpo
Por lo tanto la ecuacioacuten que permite calcular intercambios de calor es
Q = c middot m middot ΔT
donde Q es el calor intercambiado por un cuerpo de masa m constituido por una sustan-
cia cuyo calor especiacutefico es c siendo ΔT la variacioacuten de temperatura experimentada
Por convencioacuten se adopta el signo positivo para Q cuando la variacioacuten de tempe-
ratura es mayor que cero es decir cuando el cuerpo aumenta su temperatura En caso
contrario cuando la variacioacuten de temperatura es menor que cero el cuerpo disminuye su
temperatura y el signo de Q seraacute negativo
Es decir que la cantidad de calor que intercambian dos cuerpos del mismo material pero
de masas diferentes para variar de igual manera sus temperaturas depende de sus masas
Por ejemplo si se entrega la misma cantidad de calor a 500 g de agua y luego a 1000 g de
agua que inicialmente se encuentran a temperatura ambiente se espera que la variacioacuten de tem-
peratura de la masa menor de agua sea mayor que la correspondiente a la masa mayor de agua
La unidad elegida para medir la cantidad de energiacutea es el
joule J aunque existe otra unidad muy utilizada la caloriacutea (cal) que se define como la cantidad de calor necesario para que un gramo de agua pura pase de 145 degC a 155 degC En alimentacioacuten y nutricioacuten se suelen usar mucho las caloriacuteas para medir el valor energeacutetico de los alimentos Se utiliza la Cal (escrita con mayuacutescula) donde 1 Cal = 1 kcal = 1000 cal
La relacioacuten entre los joules y las caloriacuteas es la siguiente 1 cal = 418 J o bien 1 J = 024 cal
150 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Algunos caacutelculos de calorimetriacutea
Es importante tener en cuenta que en esta transferencia se cumple el Principio de
Conservacioacuten de la Energiacutea ya que se puede afirmar que
Si dos cuerpos o sistemas aislados intercambian energiacutea en forma de calor la cantidad
recibida por uno de ellos es igual a la cantidad cedida por el otro cuerpo
Es decir la energiacutea total intercambiada se conserva Esto se puede escribir matemaacuteti-
camente de la siguiente forma Σ Q = 0
Si se consideran dos cuerpos de masas diferentes m1 y m2 que se encuentran a diferen-
tes temperaturas T1 y T2 respectivamente y se colocan en contacto teacutermico al cabo de un
tiempo equipararaacuten sus temperaturas a una cierta temperatura final Tf es decir alcanza-
raacuten el equilibrio teacutermico En este intercambio se cumple el principio de conservacioacuten de
la energiacutea es decir la cantidad de energiacutea que absorbe un cuerpo es igual a la cantidad de
energiacutea que cede el otro por lo cual se puede escribir que
Q2 = ndash Q1 que es lo mismo que escribir que c2 middot m2 middot (Tf ndash T2) = ndash c1 middot m1 middot (Tf ndash T1)
La temperatura final alcanzada luego del intercambio es
Tf = m 1 middot c 1 middot T 1 + m 2 middot c 2 middot T 2
______________________ m 1 middot c 1 + m 2 middot c 2
Aplicacioacuten de caacutelculos caloriacutemetros
1 Se colocan 500 gramos de agua liacutequida a 10 ordmC en un caloriacutemetro ideal (se despre-
cia el intercambio de calor del caloriacutemetro) y se la mezcla con 1000 gramos de agua a
70 ordmC Calculen la temperatura de equilibrio de esta mezcla
Como
Tf = m 1 middot c 1 middot T 1 + m 2 middot c 2 middot T 2
______________________ m 1 middot c 1 + m 2 middot c 2
entonces
Tf = 500 g middot 1 calg ordmC middot10 ordmC + 1000 g middot 1 calg ordmC middot70 ordmC
______________________________________________ 1 calg ordmC middot (500 g + 1000 g)
Se obtiene como resultado
Tf = 50 ordmC
La temperatura de equilibro de la mezcla es de 50 ordmC
Un caloriacutemetro es un recipiente adiabaacutetico o
teacutermicamente aislado en el que se puede calcular la cantidad de energiacutea en forma de calor que se intercambia cuando se colocan en contacto teacutermico sustancias de diferentes masas y a diferentes temperaturasTambieacuten puede utilizarse para calcular el calor especiacutefico de una determinada sustancia
151
Tabla de calores especiacuteficos de
algunas sustancias
Sustancia c ( cal _____ g ordmC )
Agua 100
Agua de mar 0945
Aire 00000053
Alcohol 058
Aluminio 0212
Arena 020
Bronce 0092
Cobre 0093
Hielo 055
Hierro 0113
Lana de vidrio 000009
Latoacuten 0094
Mercurio 0033
Oro 0031
Plata 0060
Plomo 0031
Vidrio 0199
Zinc 0092
2 Calculen la cantidad de calor necesaria en kcal y J que deben ceder 1500 gramos
de agua que se encuentra en su punto de ebullicioacuten para disminuir su temperatura
hasta 20 degC
Como Q = c middot m middot ΔT entonces
Q = 1 cal ______ g middot ordmC
middot 1500 g middot (20 ordmC minus 100 ordmC) = minus120 000 cal = minus120 kcal
Como ademaacutes 1 cal = 418 J entonces ndash120 000 cal = ndash120 000 middot 418 J = ndash501600 J
Es decir la cantidad de calor necesaria es ndash120 kcal o ndash501600 J
3 iquestCuaacutel seraacute el aumento de temperatura de una barra de 3 kg de hierro si se coloca en un
horno industrial que le suministra 30 kcal Consulten la tabla de calores especiacuteficos
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja ΔT se obtiene que
ΔT = Q _____ c middot m = 30 000 cal ____________________ 0113 calg ordmC middot 3000 g
= 885 ordmC
porque Q = 30 kcal = 30 000 cal m = 3 kg = 3000 g y en la tabla de calores especiacuteficos
se observa que el calor especiacutefico del hierro es de 0113 cal g middot ordmC
Luego la variacioacuten de temperatura es aproximadamente ΔT = 885 ordmC
4 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia que constituye un cuerpo de 20 g de
masa sabiendo que para elevar su temperatura 6 ordmC se necesitan 96 cal
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja c se obtiene
c = Q ______ ΔT middot m = 96 cal __________
6 ordmC middot 20 g = 08 cal ____
gmiddotordmC
5 El sistema de refrigeracioacuten de un camioacuten contiene 20 litros de agua iquestCuaacutel es la
variacioacuten de la temperatura del agua si se debe extraer una cantidad de energiacutea en
forma de calor de 836 000 J
La energiacutea extraiacuteda en forma de calor por el sistema refrigerante pasa al agua
Como 1 J = 024 cal entonces 836 000 J = 836 000 middot 024 = 200 640 cal
Por otro lado Q = c middot m middot ΔT con lo cual si se despeja ΔT se obtiene
ΔT = Q _____ c middot m = 200 640 cal ___________________ 1 cal g ordmC middot 20 000 g
= 10 ordmC
La temperatura del agua aumenta en 10 ordmC
152 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
Materiales
Un termo o sistema aislado (como los recipientes para conservar la comida) con un termoacutemetro 200 g de agua a temperatura ambiente por ejemplo 20 ordmC 70 g de cobre o de alguacuten otro metal Un calentador eleacutectrico de inmersioacuten de 500 600 W Un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) Pinzas de madera Vasos de precipitado o probetas graduadas Una balanza
Procedimiento1 Midan con la balanza la masa de agua a temperatura ambiente necesaria para realizar este experimento
2 Coloquen el agua a temperatura ambiente dentro del termo
3 Midan usando la balanza la masa del trozo de cobre
4 Calienten el trozo de cobre dentro de un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) con agua hasta 100 ordmC en ese caso el cobre tendraacute la misma temperatura
5 Extraigan con las pinzas de madera raacutepidamente la masa de cobre y coloacutequenla dentro del termo con el agua a temperatura ambiente
6 Mezclen los contenidos del termo para asegurarse la obtencioacuten de una temperatura uniforme
7 Efectuacuteen la lectura de la temperatura de equilibrio
8 Realicen los caacutelculos necesarios para obtener el calor especiacutefico del cobre
Contesten las siguientes consignas
a Expliquen en teacuterminos fiacutesicos queacute sucedioacute en esta mezcla de sustancias dentro del termo
b iquestQueacute calor especiacutefico obtuvieron
c Comparen con la tabla de valores aportada en este capiacutetulo iquestCoincide con el registrado
d Si no coincide iquesta queacute factores atribuyen las diferencias entre los resultados obtenidos
e iquestCoacutemo podriacutean mejorar estos resultados Propongan algunas hipoacutetesis para optimizar el disentildeo experimental
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
4 En un caloriacutemetro hay 200 g de agua a 20 degC Se agregan 100 g de agua y se obtiene una temperatura de equilibrio de 30 degC Calculen la temperatura de la masa de agua agregada
5 Se toma un trozo de 50 g de un metal desconocido a 100 degC y se lo coloca en un caloriacutemetro en el que hay 150 g de agua a 20 degC El sistema llega a una temperatura de equilibrio de 253 degC A partir de los datos de la tabla de la paacutegina 151 determinen de queacute metal podriacutea ser el trozo analizado
6 Se colocan dentro de un horno de microondas dos vasos ideacutenticos Uno contiene 100 g de agua y el otro 100 g de alcohol ambos a una temperatura de 15 degC Al hacer fun-cionar el horno durante medio minuto suministra a cada uno de ellos 1500 caloriacuteas Determinen las temperaturas finales del agua y del alcohol
7 Se colocan en un horno dos cubos de iguales masas uno de aluminio y el otro de plomo a iguales temperaturas de 20 ordmC Al encenderse el horno iquestcuaacutel de ellos alcanzaraacute primero la temperatura de 150 ordmC Justifiquen su respuesta
aACTIVIDADES
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
153
Propagacioacuten del calor
La transmisioacuten de energiacutea por diferencia de temperatura entre cuerpos o sistemas que
interactuacutean entre siacute se produce a traveacutes de diferentes procesos como la conduccioacuten o la
conveccioacuten
Conduccioacuten
Si se coloca un extremo de una cuchara de aluminio en contacto con una hornalla
encendida de la cocina raacutepidamente se advierte que el calor se transmite hasta el otro
extremo
En el sector de la cuchara en contacto con el fuego se produce un aumento de la
temperatura que hace que las partiacuteculas comiencen a vibrar con mayor energiacutea cineacutetica
(energiacutea de movimiento) y esta energiacutea se transfiere a las restantes partiacuteculas de la
regioacuten de menor temperatura
Esta transferencia de energiacutea sin desplazamiento de materia desde zonas de un cuerpo que
se encuentra a mayor temperatura a las de menor temperatura se denomina conduccioacuten
Algunos materiales presentan la propiedad de ser mejores conductores del calor que
otros Los malos conductores del calor se denominan aislantes (aunque cabe aclarar que
la aislacioacuten nunca es perfecta)
Los metales en general son mejores conductores del calor que otros materiales como
la madera el vidrio el corcho el telgopor etc
Es por eso que por ejemplo se suele usar madera en los mangos de los utensilios de
cocina para minimizar la transferencia de calor y evitar quemaduras en la piel
El corcho el telgopor la lana de vidrio son utilizados en las construcciones de viviendas como aislantes del
calor y para mantener una temperatura ambiente agradable Algunos de estos materiales son bastante
porosos lo que implica que tienen espacios con mayor cantidad de aire que es un buen aislante
Se denomina conduccioacuten a la transferencia de
energiacutea sin desplazamiento de materia de un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura a otro que se encuentra a menor temperaturaSe llama aislantes a los materiales que son malos conductores de calor
Lana de vidrio Corcho
Tambieacuten algunas prendas de abrigo como las cam-
peras o los cubrecamas utilizan dos recubrimien-
tos entre los cuales se colocan algunos materiales
porosos como goma espuma plumas telas entra-
madas que contienen una buena cantidad de aire
que permite la aislacioacuten teacutermica del medio
Telgopor Vidrio
154 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
iquestDe queacute factores depende la transferencia de calor por conduccioacuten en los materiales soacuteli-
dos iquestSe puede calcular
No todos los materiales conducen el calor de igual forma La conductividad teacutermica es
una medida de a capacidad de conducir el calor de cada material
Cuando una persona se encuentra en una habitacioacuten cuya temperatura ambiente es
por ejemplo 20 degC y toca con una mano un cenicero de cobre y con la otra un mantel tie-
ne la sensacioacuten de que el cenicero estaacute maacutes friacuteo que el mantel Esto
ocurre dado que como el cobre es un buen conductor teacutermico el
calor entregado por la mano a la zona de contacto del material
se transmite raacutepidamente al resto del objeto En cambio como
el mantel no es un buen conductor teacutermico cuando se lo toca
la transferencia de calor al resto del material es muy lenta la
temperatura de la zona de contacto aumenta hasta equiparar-
se con la piel y esto da la sensacioacuten de estar maacutes caliente
El caacutelculo es por lo general complica-
do Pero si la transferencia de calor se
produce en una sola direccioacuten y la tem-
peratura variacutea solo en esa direccioacuten se
simplifica Por ejemplo si se considera
un vidrio plano (como el de una venta-
na) se puede conocer queacute cantidad de
energiacutea transferida a traveacutes del vidrio va desde la superficie o cara de mayor temperatura
hacia la de menor temperatura Para esto es necesario tener en cuenta el tipo de vidrio
ya que no todos tienen la misma conductividad teacutermica
La cantidad de calor que se transmite por unidad de tiempo en este caso se puede
simbolizar mediante la siguiente expresioacuten matemaacutetica
Q ___ Δ τ = K ∙ S∙ ΔT ___ Δx
donde τ es el tiempo (para no confundirlo con T de temperatura) Q ___ Δ τ es la cantidad
de calor transmitida a traveacutes del vidrio por unidad de tiempo K es el coeficiente de
conductividad teacutermica que depende del material en este caso del vidrio S es la
superficie perpendicular a la direccioacuten de propagacioacuten y ΔT ___ Δx la variacioacuten de tempera-
tura entre las caras dividida por el espesor del vidrio
Se puede decir entonces que
la cantidad de calor que atraviesa
por unidad de tiempo una placa
de vidrio es mayor cuanto mayor
sea la superficie considerada y la
variacioacuten de temperatura entre sus
caras y cuanto menor sea el espe-
sor o distancia entre dichas caras
Algunos materiales conducen el calor
con mayor facilidad que otros asiacute los metales tienen alta conductividad teacutermica compararada por ejemplo con la capacidad de transmitir el calor de la madera algunos plaacutesticos ceraacutemicas etcLa conductividad teacutermica del cobre es de 330 kcalm middot h middot K la de la madera es de 01 a 03 kcalm middot h middot K y la del telgopor 003 kcalm middot h middot K
155
Conveccioacuten
Se si desea colocar estufas en las habitaciones de una casa para calefaccionarla hay que deci-
dir cuaacutel es el lugar maacutes adecuado para que se aproveche la energiacutea de la mejor manera posible
Es necesario tener en cuenta no solo las dimensiones de las habitaciones que se
desean calefaccionar sino tambieacuten el fenoacutemeno fiacutesico que se denomina transmisioacuten de
calor por conveccioacuten
La masa de aire cercana a la estufa aumenta su
temperatura por lo cual el aire se torna menos denso
que el resto de aire alejado de la estufa
Se origina asiacute un movimiento ascendente y des-
cendente de la masa de aire y se generan las deno-
minadas corrientes convectivas con un permanente
desplazamiento de materia
Este fenoacutemeno se puede observar tambieacuten en las
capas de aire que rodean la Tierra que provocan cam-
bios climaacuteticos seguacuten sus caracteriacutesticas Estas masas
de aire pueden ser maacutes caacutelidas en ciertas zonas que en
otras maacutes huacutemedas (por contener mayor cantidad de
vapor de agua) maacutes secas de mayor o menor presioacuten
La temperatura del aire puede ser influida por la propiedad de la superficie terrestre
hecho que es muy relevante para algunos estudios metereoloacutegicos
Estas corrientes convectivas que naturalmente se forman en la
atmoacutesfera son factores que tienen en cuenta por ejemplo las aves los
aladeltistas y otros deportistas que aprovechan las condiciones del aire
para elevarse Esto ocurre dado que al encontrarse con una masa de aire
caliente ascienden con maacutes facilidad y de esta forma ldquoahorranrdquo energiacutea
y pueden mantenerse en vuelo planeando sin tanto esfuerzo
La conveccioacuten se produce tanto en los gases como en los liacutequidos
Es sencillo observar que cuando se calienta agua en alguacuten recipiente
de vidrio transparente se produce
un movimiento ascendente desde la
parte inferior en contacto con la lla-
ma de fuego hacia la parte superior del recipiente
La masa liacutequida de mayor temperatura se dilata
por lo que disminuye su densidad asciende dentro del
recipiente y tiende a desplazar hacia la parte inferior
a la masa de agua liacutequida de menor temperatura
iquestOtra forma de transmisioacuten del calor
Algunos cientiacuteficos consideran que maacutes que una forma de transmisioacuten del calor la
radiacioacuten a la que ya se ha hecho referencia anteriormente implica una manera de inter-
cambio de energiacutea maacutes general
Esta transferencia de energiacutea no se da por intercambio de calor entre cuerpos que se
encuentran a distintas temperaturas ni por trabajo Involucran transferencias de energiacutea
por medio de ondas electromagneacuteticas Asiacute por ejemplo entre dos antenas se transfiere
energiacutea por radiacioacuten
156 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
Materiales Tubo de ensayo Trocitos de hielo Una moneda Agua Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen en el tubo de ensayo los trocitos de hielo cubiertos por la moneda
2Agreguen un poco de agua
3 Acerquen la parte superior del tubo al mechero o calentador
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Corrientes convectivas en liacutequidos
Materiales Agua Recipiente Trocitos de tiza de color o yerba mate Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen agua en un recipiente
2 Agreguen trocitos de tiza de color o un poco de yerba mate
3 Coloquen el recipiente al fuego
hasta que hierva el agua
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Materiales Dos latitas de gaseosa vaciacuteas Un poco de agua Pintura o cartulina negra Mechero o calentador Termoacutemetro
Procedimiento1 Tomen una de las latas y piacutentenla de negro o foacuterrenla con la cartulina negra
2 Anoten la temperatura inicial del agua
3 Coloquen la misma cantidad de agua en las dos latas
4 Pongan a calentar las dos latas a igual distancia del fuego
5 Controlen la temperatura del agua en cada lata cada 10 minutos
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestCoinciden los registros de temperatura de ambas latas
b iquestPor queacute Justifiquen su respuesta
iquestEl agua es un buen conductor teacutermico
Transmisioacuten de energiacutea por radiacioacuten
157
Los cambios de estado
Los materiales se presentan baacutesicamente en tres estados soacutelido liacutequido y gaseoso
Estos estados no son una caracteriacutestica invariable de los cuerpos ya que pueden modifi-
carse por ejemplo si se variacutea la temperatura y la presioacuten a la que estaacuten sometidos dichos
cuerpos Por ejemplo se puede fundir hierro si se lleva su temperatura a maacutes de 1500 degC
Una caracteriacutestica de los liacutequidos es la relativa libertad de movimiento de sus moleacute-
culas Si se suministra calor a un liacutequido y se logra aumentar la temperatura tambieacuten
aumentaraacute el movimiento de sus moleacuteculas las que pueden escapar de la superficie liacutequi-
da Este proceso que se da en la superficie del liacutequido se llama evaporacioacuten y puede ocu-
rrir a cualquier temperatura
A medida que aumenta la temperatura se modifica la estructura de enlace entre las
moleacuteculas Ellas no pueden mantenerse lo suficientemente cerca entre siacute para que la sus-
tancia continuacutee liacutequida lo que provoca que las moleacuteculas escapen auacuten maacutes faacutecilmente al
aire Este es el fenoacutemeno de ebullicioacuten y es conveniente resaltar que la temperatura en
la que este proceso ocurre llamada temperatura de ebullicioacuten se mantendraacute estable en
determinadas condiciones de presioacuten
Todo este proceso corresponde al cambio de estado denominado vaporizacioacuten
Cada sustancia tiene su propio punto de ebullicioacuten punto de fusioacuten y punto de solidi-
ficacioacuten que corresponden a las temperaturas y presiones en que se producen los cambios
de estado
El ciclo del agua o ciclo hidroloacutegico
Es muy comuacuten ejemplificar los cambios de estado con el agua para lo que suele apro-
vecharse el llamado ciclo hidroloacutegico o ciclo del agua que se produce en la naturaleza y
en el que se diferencian los siguientes fenoacutemenos
El agua se evapora continuamente pasando de estado liacutequido a gaseoso
Las nubes estaacuten formadas por pequentildeas gotas de agua liacutequida que ascienden por las
corrientes de aire
La lluvia se produce cuando se forman gotas maacutes gran-
des que precipitan
La nieve y el granizo se for-
man cuando la temperatura es
muy baja y se solidifican las
gotas de agua liacutequida
La niebla se produce en
lugares con altos porcentajes de
humedad y trae aparejada una
disminucioacuten en las temperatu-
ras
El rociacuteo o la escarcha se
producen por la condensacioacuten o
solidificacioacuten del agua de la atmoacutes-
fera debido a las marcadas diferencias
de temperatura entre el diacutea y la noche
Las posibles transformaciones de un
estado a otro son las siguientes
FusioacutenVaporizacioacuten
Sublimacioacuten
Volatilizacioacuten
SolidificacioacutenCondensacioacuten
Soacutelido
Liacutequido
Gaseoso
Hielo
PrecipitacioacutenEvaporacioacuten
Corriente subterraacutenea
Infiltracioacuten
Radiacioacuten solar
Condensacioacuten
Accioacuten del viento
Evaporacioacuten
Corriente
superficial
Transpiracioacuten
158 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Calor de fusioacuten y calor latente de vaporizacioacuten
Cada cambio de estado se acompantildea de un intercambio de energiacutea entre el sistema y
el medio exterior Por ejemplo se necesita energiacutea para fundir el hielo De esta forma se
pueden contrarrestar los efectos de las fuerzas que mantienen las moleacuteculas de agua en
posicioacuten fija en el soacutelido
Si la moleacuteculas de un soacutelido absorben suficiente energiacutea es posible que las fuerzas de
atraccioacuten entre moleacuteculas ya no puedan mantener su unioacuten entonces se produce el pasaje
de estado soacutelido a liacutequido
La vaporizacioacuten tambieacuten necesita energiacutea y sucede algo similar con las fuerzas de
atraccioacuten que mantienen las moleacuteculas cercanas entre siacute en la superficie del liacutequido
Un aumento de energiacutea pude ocasionar que las moleacuteculas escapen del liacutequido para
transformarse en moleacuteculas de vapor
En la medida en que aumentan las fuerzas intermoleculares la cantidad de energiacutea
necesaria para generar un cambio de fase tambieacuten se incrementa
En otros casos para poder cambiar de estado el sistema tiene que ceder energiacutea al
medio Por ejemplo el agua liacutequida debe ceder calor al medio para solidificarse
Se denomina calor latente de vaporizacioacuten a la energiacutea intercambiada por unidad de
masa para producir ese cambio de estado
Por ejemplo cada gramo de agua liacutequida a 100 ordmC y presioacuten normal debe absorber 540 cal
para convertirse en un gramo de agua en estado de vapor a la misma temperatura
La evaporacioacuten se acompantildea de un efecto de enfriamiento en la medida que el agua se
evapora absorbe calor del cuerpo del cual se evapora
El alto calor latente de vaporizacioacuten del agua 540 calg permite el enfriamiento de
las plantas por evaporacioacuten desde la superficie foliar las que reciben gran cantidad de
calor por efecto de la radiacioacuten solar La transpiracioacuten es un importante fenoacutemeno en la
regulacioacuten de la temperatura de muchos seres vivos
El calor latente de fusioacuten del hielo es de 80 calg esto significa que cada gramo de
hielo a 0 ordmC debe absorber 80 cal para convertirse en un gramo de agua liacutequida a 0 ordmC
De manera anaacuteloga al ceder 80 cal cada gramo de agua liacutequida se transforma en hielo
sin modificarse la temperatura
Se puede decir que el calor latente l indica una medida de la cantidad de calor por uni-
dad de masa que se necesita para cambiar de estado sin modificar la temperatura
Esto puede expresarse mediante la siguiente foacutermula
l = Q __ m o lo que es equivalente Q = l middot m
donde l es el calor latente Q es el calor y m la masa del cuerpo
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Hidroacutegeno -2591 139 -2627 1067
Oxiacutegeno -2184 33 -1830 51
Agua 00 80 1000 3594
Mercurio -389 28 3599 697
Plomo 3274 59 1620 -
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Plata 9605 26 1950 552
Cobre 10380 489 2595 1145
Hierro 1535 637 3200 1110
Tungsteno 3390 457 5900 460
159
CIE
NCIA
HIS
TORIA
Y S
OCIE
DAD
La historia la tradicioacuten y las modas arquitectoacutenicas contribuyen a determinar la forma y el tipo de las construcciones iquestCon queacute materiales se construye una casa iquestPor queacute para un determinado uso y funcioacuten se requieren distintos tipos de materialesEn los uacuteltimos antildeos la preocupacioacuten de los arquitectos y tambieacuten de los cientiacuteficos a la hora de proyectar un edificio se manifiesta en la obtencioacuten y aprovechamiento de los materiales con el fin de optimizar el uso de energiacutea en las viviendasLa sociedad moderna requiere grandes cantidades de energiacutea para su funcionamiento normal pero es importante reflexionar sobre el uso oacuteptimo y racional de las fuentes de energiacutea como el carboacuten el gas natural el petroacuteleo y todos sus derivados ya que no son renovablesSe estima que el petroacuteleo y el gas natural alcanzaraacuten para unos 50 a 100 antildeos maacutes mientras que el carboacuten para unos 200 a 300 antildeos maacutesMantener las viviendas calefaccionadas durante el invierno forma parte del bienestar de las personas y optimizar la energiacutea disponible en una casa depende del
cuidado de los recursos utilizados para este finEs importante tener una adecuada aislacioacuten teacutermica en todos los lugares posibles de fuga o peacuterdida de calor sobre todo del techo dado que el aire caliente es maacutes liviano y tiende a subir Existen actualmente en el comercio variedades de aislantes teacutermicos que reducen esas peacuterdidas y permiten ahorrar energiacutea Entre ellos el telgopor
las maderas los plaacutesticos las planchas de corcho las fibras de vidrio los ladrillos huecos refractarios etciquestCuaacuteles son los intercambios de energiacutea en forma de calor que se dan en una casaiquestCuaacutenta energiacutea se transfiere al exteriorEn una casa tiacutepica se disipa calor al exterior seguacuten se muestra en el siguiente esquema
El intercambio de calor en una casaEl hombre puede vivir en diversas regiones de la Tierra desde los troacutepicos hasta los polos en los bosques y en el desierto en las llanuras o montantildeas Aun cuando las condiciones cli-maacuteticas resulten hostiles el ser humano disentildea y construye sus viviendas para protegerse de las inclemencias del tiempo aprovechando los materiales de la zona
Un 35 a traveacutes de las ventanas por
conduccioacuten y radiacioacuten
Un 15 por las
paredes por
conduccioacuten y
conveccioacuten
Un 25 se transfiere
a traveacutes del techo
por conduccioacuten
y conveccioacuten
Un 5 se escapa
de chimeneas y
otros conductos
Un 5 a traveacutes
de rendijas
Un 15 por conduccioacuten a
traveacutes del suelo
160 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
CIE
NCIA
H
ISTO
RIA
Y S
OCIE
DAD
El tipo de material empleado
La energiacutea en forma de calor que se transfiere por segundo desde cualquier habitacioacuten a otra se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten que es similar a la presentada en conductividad teacutermica
P = K middot S middot Δt donde P es la energiacutea en forma de calor transmitida por unidad de tiempo Δt es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la habitacioacuten S es la superficie de los materiales que componen la habitacioacuten y K es un coeficiente caracteriacutestico del material utilizadoLos profesionales utilizan tablas con los valores K de algunas estructuras utilizadas habitualmente en la construccioacuten de una casa como las de la tabla
Luego de la lectura del textoa Sugieran posibles soluciones para prevenir las transfe-rencias de energiacutea desde el interior de las viviendas hacia el exteriorb Confeccionen una lista de las partes de una casa que pueden llevar aislantes teacutermicos y averiguumlen con queacute materiales estaacuten fabricados
c Realicen un disentildeo experimental para calcular la ener-giacutea que se transfiere del interior al exterior de su casad Describan sus disentildeos y busquen informacioacuten sobre uso de materiales en la construccioacuten de viviendas seguacuten sus propiedades y usos
aACTIVIDADES
iquestDe queacute depende la mayor o menor cantidad de energiacutea transferida
Los arquitectos e ingenieros consideran que la transferencias de energiacutea desde el interior hacia el exterior dependen fundamentalmente de los siguientes factores
La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la habitacioacuten Cuanto mayor es esta diferencia mayor es el flujo de energiacutea y maacutes raacutepido se produce el intercambio
Las superficies de los distintos materiales que componen la habitacioacuten Cuanto mayor es la superficie mayor transferencia de energiacutea al exterior
Espuma aislante Muro de ladrillos Tejas para techo
Casa construida
Tipos de estructuraValores K
(w ( m 2 ordmC))
Techo de tejas sin aislamiento
22
Techo de tejas con aislamiento 045
Ventanas con vidrio de 6 mm 56
Ventanas con vidrios dobles con 20 mm de separacioacuten
28
Pared de ladrillos con yeso (114 mm) 1324
Doble pared de ladrillos con caacutemara de aire de 280 mm
17
Doble pared de ladrillos con aislamiento en el
06
Piso de ceraacutemica sobre viguetas 42
Piso de madera sobre viguetas 17
161
IDEAS BAacuteSICAS DE LA UNIDAD
La temperatura es una variable de estado del cuerpo relacionada con la energiacutea cineacutetica
del movimiento de sus partiacuteculas
Los cuerpos no tienen friacuteo ni calor tienen bajas o altas temperaturas
Un termoacutemetro es un instrumento que se utiliza para medir la temperatura
Generalmente los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuan-
do disminuye su temperatura
Se denomina calor a la forma de intercambio de energiacutea entre dos cuerpos de distintas
temperaturas que se ponen en contacto teacutermico
La transferencia de calor se da espontaacuteneamente desde el cuerpo de mayor temperatura al
de menor temperatura
Dos cuerpos de distintas temperaturas que intercambian energiacutea logran el equilibrio teacutermi-
co cuando equiparan sus temperaturas
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la cantidad de
calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
El calor se propaga por tres formas baacutesicas conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten
La conduccioacuten se produce cuando se transfiere energiacutea en forma de calor desde las moleacute-
culas o partiacuteculas que se encuentran en zonas de mayor temperatura a las que se encuentran
en zonas de menor de temperatura sin desplazamiento de materia
En los liacutequidos y gases se generan corrientes convectivas con desplazamiento de materia
A los malos conductores del calor se los llama aislantes teacutermicos
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmC
( T F ndash 32 ordmC) Escala Celcius
T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
T C Escala Farenheit
T K = 27315 + T C Escala termomeacutetrica
ΔL = L o ∙ α ∙ Δt Dilatacioacuten liacuteneal
Q = c ∙ m ∙Δt Calorimetriacutea
Q ___ Δt = K ∙ S ∙ Δt ___ Δx Cantidad de calor que se transfiere
por conduccioacuten de un soacutelido
Foacutermulas
162 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
ACTIVIDADES DE INTEGRACIOacuteN1 Si se colocan 1000 g de agua en un recipiente y 2000 g de agua
en otro ambos a 20 degC y se les entrega igual cantidad de calor en
iguales condiciones de presioacuten normal iquestalcanzaraacuten el mismo punto
de ebullicioacuten iquestPor queacute
2 iquestPor queacute algunos vidrios como los llamados Pyrex no se rompen
cuando se someten a elevadas temperaturas
3 iquestQueacute ocurririacutea si usamos un termoacutemetro de mercurio contenido en
un recipiente cuyo coeficiente de dilatacioacuten fuera similar al del mer-
curio
4 iquestPor queacute el agua no se emplea como sustancia termomeacutetrica
5 Si colocan en un horno dos cuerpos de igual masa pero diferente
calor especiacutefico iquestcuaacutel alcanzaraacute primero la temperatura del horno
iquestPor queacute
6 iquestPor queacute generalmente las estufas y radiadores se colocan en la
parte inferior de la pared
7 Los habitantes del desierto suelen cubrirse con varias capas de
telas a modo de tuacutenicas por lo general claras iquestPor queacute razoacuten se
cubren tanto
8 Si se saca un recipiente del horno con un trozo de tela mojado es
probable que se sienta maacutes ldquocalienterdquo que si lo tomamos con una tela
seca iquestQueacute explicacioacuten fiacutesica tiene este hecho
9 Algunos alimentos que compramos en los negocios de venta al
puacuteblico como restaurantes se colocan en recipientes aislantes iquestPor
queacute iquestDe queacute material estaacuten hechos estos recipientes
10 iquestQueacute funcioacuten cumple un termo Justifiquen sus respuestas en
teacuterminos fiacutesicos
11 La temperatura de un diacutea de invierno en la Antaacutertida puede ser
inferior a ndash50 ordmC iquestA cuaacutentos grados Fahrenheit corresponde
12 Un termoacutemetro estaacute graduado en una escala degX tal que 20 degC
corresponden a 30 degX y 120 degC corresponden a 300 degX iquestCuaacutel es el
valor en la escala degX que corresponde a 50 degC Justifiquen sus res-
puestas
13 iquestQueacute cantidad de calor absorbe un cuerpo de 50 g de hierro que
se encuentra a una temperatura de 25 ordmC cuando su temperatura
aumenta a 100 ordmC
14 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia sabiendo que una
masa de 10 g absorbe 250 caloriacuteas cuando su temperatura variacutea 200
ordmC
15 Una dieta normal para una persona adulta en actividad es de
aproximadamente 2500 kcal diarias iquestA cuaacutentos joule equivale este
valor energeacutetico
16 Se mezclan 50 g de agua a 30 ordmC con 25 g de agua a 20 ordmC en un
recipiente aislado iquestQueacute temperatura final tiene esa mezcla
17 La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 degC Determinen
su longitud en un diacutea en que la temperatura es de 34 degC Consulten
la tabla de coeficientes de dilatacioacuten lineal de la paacutegina 146
18 Una barra de metal de longitud L o a 0 degC sufre un aumento de
longitud de un centeacutesimo de su longitud inicial cuando su tempera-
tura es de 500 degC iquestCuaacutel es el coeficiente de dilatacioacuten del metal
19 iquestCoacutemo podriacutean comprobar que la cantidad de calor que inter-
cambia un cuerpo para modificar su temperatura depende de la
masa del cuerpo Disentildeen un experimento descriacutebanlo y justifiquen
sus hipoacutetesis
20 Seguacuten la teoriacutea del caloacuterico el calor era considerado como una
sustancialidad de los cuerpos Teniendo en cuenta esta teoriacutea dise-
ntildeen un experimento que permita comprobar o refutar la siguiente
hipoacutetesis ldquoEl calor que tienen los cuerpos pesardquo
21 El valor caloacuterico de una barra de 100 g de chocolate es 550 kcal Supongan que se utilizara toda esa energiacutea para elevar la tempera-tura del agua desde los 15 ordmC con que sale de la canilla hasta 100 ordmC iquestcuaacutenta agua se podriacutea calentar
22 Se le suministra a un cuerpo de masa m de cierto material energiacutea por valor de 100 joule y el cuerpo incrementa su tempe-ratura en Δt iquestCuaacutenta energiacutea habraacute que suministrarle a un cuerpo del miso material cuya masa es el triple de la del primero para que el aumento de temperatura sea la mitad que en el primer caso
163
AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
145
Dilatacioacuten
Generalmente la variacioacuten de temperatura de un cuerpo provoca un cambio en sus
dimensiones Si la temperatura aumenta se produce un aumento del volumen del cuerpo
En ese caso se dice que el cuerpo sufrioacute una dilatacioacuten
Las amplias variaciones de la temperatura ambiente pueden provocar cambios en casi
todos los cuerpos Eacutestos se dilatan o se contraen ante un aumento o disminucioacuten impor-
tante de la temperatura
Para evitar que estos fenoacutemenos produzcan dantildeos por ejemplo en las viacuteas de los ferro-
carriles en las grandes estructuras metaacutelicas o de concreto armado se dejan juntas de
dilatacioacuten que son simplemente espacios que permiten la expansioacuten de estos materiales
Los puentes las calles asfaltadas y otras grandes estructuras se construyen en bloques
que se unen entre siacute con alguacuten tipo de material como el alquitraacuten que se acomoda o adapta
a los espacios libres y no impide la expansioacuten teacutermica evitando asiacute una rotura importante
Los vidrios comunes pueden romperse faacutecilmente si se los somete a un aumento de
temperatura Por este motivo los elementos de un laboratorio o los que se usan en
hornos de cocina estaacuten compuestos por un vidrio especial conocido como Pyrex (marca
de este tipo especial de vidrios) que soporta maacutes las altas temperaturas Este material se
dilata casi tres veces menos que el vidrio comuacuten ante igual variacioacuten de temperatura
No solo los soacutelidos se dilatan tambieacuten este fenoacutemeno se da en los liacutequidos y gases
El aumento de la temperatura del aire hace que aumente su volumen y por lo tanto
disminuya su densidad Las masas de aire caliente tienden a elevarse desplazando las
masas de aire de menor temperatura
Dilatacioacuten de los gases
MaterialesMateriales
Vaso de precipitados Agua Mechero Bunsen Jeringa
Procedimiento
1 Coloquen el agua en el vaso de precipitados
2 Pongan el vaso en contacto con el mechero hasta que el agua llegue al punto de ebullicioacuten
3 Introduzcan la jeringa dentro del
recipiente dejando un poco de aire en su interior
Contesten las siguientes preguntas
1 iquestHacia doacutende se desplaza el eacutembolo de la jeringa luego de unos minutos
2 iquestPor queacute creen que ocurre esto
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
En esta imagen puede verse una junta de
dilatacioacuten de las viacuteas del ferrocarril
Dilatacioacuten anoacutemala del
agua Generalmente los liacutequidos se dilatan al aumentar su temperatura pero el agua se comporta de una manera anoacutemala Cuando su temperatura aumenta desde 0 degC a 4 degC se contrae y maacutes arriba de los 4 degC comienza a dilatarse hasta llegar al punto de ebullicioacutenEste comportamiento poco habitual del agua es muy importante en la naturaleza ya que si se comportara como los demaacutes liacutequidos la vida de las especies acuaacuteticas no seriacutea posible Por ejemplo el fondo de un lago se cubririacutea de gran cantidad de hielo lo cual dificultariacutea la vida de seres que habitan este ecosistema
ndash10 degC
0 degC
4 degC
146 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Algo maacutes sobre la dilatacioacuten
No todas las sustancias dilatan de igual forma frente a un mismo aumento de tempe-
ratura La mayor o menor dilatacioacuten depende de distintos factores como por ejemplo las
caracteriacutesticas de cada material su composicioacuten y su estructura molecular o cristalina
Iguales voluacutemenes de hierro y de vidrio sufren dilataciones distintas frente a un mismo
aumento de temperatura Ademaacutes la dilatacioacuten de un cuerpo es directamente proporcio-
nal a la variacioacuten de temperatura y al volumen inicial En dos cuerpos de distinto volumen
e igual material que sufren un mismo aumento de temperatura se observaraacute mayor dilata-
cioacuten en el cuerpo de mayor volumen inicial
Lo expuesto se puede resumir en la siguiente expresioacuten matemaacutetica que permite el
caacutelculo de la dilatacioacuten de un cuerpo
ΔV = V o γ ΔT
donde ΔV es la variacioacuten del volumen producida durante la dilatacioacuten V o es el volumen
inicial es decir el volumen del cuerpo antes de este fenoacutemeno γ es el coeficiente de dila-
tacioacuten que depende de cada material y ΔT variacioacuten de temperatura que sufre el cuerpo
Muchas veces se considera una sola dimensioacuten para los caacutelculos de dilatacioacuten Por ejem-
plo puede resultar necesario conocer las variaciones de la longitud del cuerpo que prevalece
sobre otras de sus dimensiones Por esto se habla de la dilatacioacuten lineal de los cuerpos
La expresioacuten matemaacutetica para el caacutelculo de la dilatacioacuten lineal es
ΔL = L o α ΔT
donde ΔL es la variacioacuten de longitud producida durante la dilatacioacuten L o es la longitud
inicial α es el coeficiente de dilatacioacuten lineal y ΔT es la variacioacuten de temperatura
La dilatacioacuten teacutermica de algunos materiales se aprovecha para fabricar termostatos
que son unos aparatos disentildeados para el control de variables o procesos dependientes de
la temperatura Pueden encontrarse en planchas caloventores radiadores etc
Los termostatos estaacuten construidos por bandas
o cintas bimetaacutelicas formadas por la unioacuten o
soldadura de dos laacuteminas de metales distintos
Cuando la cinta se calienta uno de los metales
dilata maacutes que el otro y esto hace que la banda
se flexione en forma de curva En cambio cuan-
do se enfriacutea vuelve a la posicioacuten inicial Este
movimiento de las bandas puede accionar por
ejemplo una vaacutelvula o cerrar un interruptor de
suministro de energiacutea eleacutectrica
El coeficiente de dilatacioacuten lineal de un soacutelido
indica cual es la variacioacuten de su longitud inicial por unidad de longitud y por unidad de temperatura Esto se puede expresar de la siguiente manera
α = ΔL ______ L 0 middot ΔT
donde ΔL es la variacioacuten de longitud luego de la dilatacioacuten L 0 es la longitud inicial del cuerpo y ΔT la variacioacuten de temperaturaLa unidad de α es m ______ mmiddotordmC = 1 ___ ordmC o bien ordmC ndash1 Si el coeficiente de dilatacioacuten lineal del hierro es 12 10 ndash5 ordmC ndash1 significa que por cada metro de hierro este material se dilata 12 10 ndash5 m cuando su temperatura variacutea en 1 ordmC
Tabla de coeficientes de
dilatacioacuten lineal de algunos
materiales
Material α ( deg C ndash1 )
Concreto 07 ndash 12 10 ndash5
Plata 20 10 ndash5
Oro 15 10 ndash5
Invar 004 10 ndash5
Plomo 30 10 ndash5
Zinc 26 10 ndash5
Hielo 51 10 ndash5
Aluminio 24 10 ndash5
Latoacuten 18 10 ndash5
Cobre 17 10 ndash5
Vidrio 04 ndash 09 10 ndash5
Hierro 12 10 ndash5
Cuarzo 004 10 ndash5
Acero 12 10 ndash5
147
Aplicaciones del coeficiente de dilatacioacuten lineal
iquestEn cuaacutento se incrementa la longitud de una barra de hierro de 100 m de largo cuan-
do su temperatura aumenta 15 ordmC
En el lateral de la paacutegina 146 se puede observar que el coeficiente de dilatacioacuten
lineal del hierro es de 12 middot 10 ndash5 ordm C ndash1 por lo tanto
ΔL = L o middot α middot ΔT = 100 m middot 12 middot 10 ndash5 ordm C ndash1 middot 15 ordmC = 0018 m = 18 middot 10 ndash2 m
Cuando la temperatura aumenta 15ordmC la barra de hierro de 100 m aumenta enton-
ces 0018 m
Calor
Las personas suelen decir frases como las siguientes iexclQueacute caliente que estaacute el agua iexclHoy hace
mucho calor hay maacutes de 30 grados Cerremos la ventana que entra friacuteo El calor hizo que la puerta de
hierro se hinchara El calor de la estufa subioacute a las habitaciones de la parte superior de la casa etc Si
bien forman parte de un lenguaje cotidiano estas expresiones tienen poca precisioacuten cientiacutefica
y es necesario aproximarse a una definicioacuten de los conceptos fiacutesicos que permita interpretar y
diferenciar el significado de cada teacutermino que se utiliza desde el lenguaje cientiacutefico
Cabe sentildealar que algunas de estas manifestaciones personales estaacuten muy proacuteximas a las
ideas cientiacuteficas que se manejaron sobre el calor entre mediados del siglo XVIII y las primeras
deacutecadas del siglo XIX bajo la teoriacutea del caloacuterico
El calor era considerado como un fluido material llamado caloacuterico que estaba en el interior
de los cuerpos Esta especie de sustancia capaz de pasar desde los cuerpos de mayor temperatura
a los de menor temperatura explicaba el enfriamiento de los cuerpos por peacuterdida del caloacuterico y
calentamiento por su ganancia
Las primeras criacuteticas de la teoriacutea del caloacuterico que ponen en duda la existencia de dicho
fluido surgen cuando en 1798 Benjamin Thompson (1753-1814) conde de Rumford y ministro
de Guerra de Baviera observoacute que al taladrar grandes piezas de metal para fabricar cantildeones se
desprendiacutean importantes cantidades de calor por frotamiento El conde dudoacute de la existencia del
caloacuterico pues si se trataba de una sustancia deberiacutea acabarse en alguacuten momento de ese proceso
de frotamiento sin embargo esto no ocurriacutea
Mucho tiempo despueacutes las ideas del caloacuterico como sustancia en movimiento fueron sustitui-
das por una nueva concepcioacuten cientiacutefica que planteariacutea la posibilidad de unificar los fenoacutemenos
mecaacutenicos luminosos eleacutectricos magneacuteticos teacutermicos y quiacutemicos bajo el concepto de energiacutea
El calor como intercambio de energiacutea
Todos los cuerpos o sistemas materiales tienen asociada una energiacutea interna que permite
conocer y caracterizar sus propiedades El calor es una forma de intercambio de energiacutea desde el
cuerpo de mayor temperatura hacia el de menor temperatura
Por ejemplo cuando se deja olvidada una taza con cafeacute recieacuten preparado sobre la mesa de la
cocina luego de un cierto tiempo se enfriacutea dado que entre el cafeacute y el aire que rodea la taza se
produjo un intercambio de energiacutea El cafeacute recieacuten preparado a mayor temperatura que el aire del
ambiente que rodea a la taza transfirioacute energiacutea (en forma de calor) al medio
Todos los cuerpos tienen asociada una
cierta energiacutea interna como consecuencia del movimiento de sus partiacuteculas Esta energiacutea interna puede variar cuando se intercambia energiacutea con el medio o con otros cuerpos Si dos o maacutes cuerpos a distintas temperaturas se ponen en contacto teacutermico intercambian espontaacuteneamente energiacutea en forma de calor Asiacute el calor es una forma de transferencia de energiacutea aunque existen otras maneras de intercambio de energiacutea no asociadas a las diferencias de temperaturas sino a las fuerzas y a las ondas electromagneacuteticas Estas dos formas se denominan respectivamente trabajo y radiacioacuten
148 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Radiacioacuten
En este fenoacutemeno
hay una transferencia
de energiacutea desde
un cuerpo a otro El
Sol es una fuente
natural de radiacioacuten
electromagneacutetica que
intercambia energiacutea con
el planeta Tierra
Gas de efecto
invernadero
Peacuterdida de calor y radiacioacuten
Radiacioacuten infrarroja
Absorcioacuten por la superficie
terrestre
Absorcioacuten
por las
nubes
Radiacioacuten solar
absorbida
Radiacioacuten
solar
Radiacioacuten solar
reflejada
Otras formas de intercambio de energiacutea
Ademaacutes del calor existen otras dos formas baacutesicas de transferencia de energiacutea
Por trabajo
Si una persona empuja una mesa ejerce una fuerza
sobre la mesa de tal manera que logra desplazarla
de su posicioacuten inicial Se produce un intercambio de
energiacutea entre la persona y la mesa La mesa aumen-
ta su energiacutea cineacutetica ya que la persona le transfiere
cierta cantidad de energiacutea como consecuencia de
ejercer una fuerza sobre dicha mesa Se dice que los
cuerpos intercambiaron energiacutea por trabajo cuan-
do interactuacutean entre siacute mediante fuerzas
Por radiacioacuten
Cuando una sentildeal que transporta informacioacuten llega
a una antena como por ejemplo la sentildeal satelital que
recepciona la antena de un celular se produce un inter-
cambio de energiacutea pero en este caso no hay accioacuten de
fuerzas ni calor
La radiacioacuten emitida por una fuente emisora es captada
por un receptor que decodifica la sentildeal seguacuten el tipo de
informacioacuten que se transmite En este caso la energiacutea se
transfiere desde la fuente al receptor por ondas electro-
magneacuteticas que se caracterizan porque no necesitan
un medio material de propagacioacuten A diferencia de las
ondas mecaacutenicas pueden hacerlo en el vaciacuteo
Una forma de intercambiar energiacutea entre dos cuerpos o sistemas materiales es por
calor Siempre que dos o maacutes cuerpos que se encuentran a distintas temperaturas se
ponen en contacto teacutermico se produce un intercambio de energiacutea en forma de calor En
los fenoacutemenos espontaacuteneos este proceso continuacutea hasta que dichos cuerpos alcanzan el
equilibrio teacutermico es decir igualan sus temperaturas
Los cuerpos no tienen friacuteo o calor sino que poseen cierta energiacutea interna que puede variar
por ejemplo cuando entran en contacto con otros cuerpos de diferentes temperaturas
La Tierra absorbe el 70 de la energiacutea que proviene
del Sol Parte de esta energiacutea es absorbida por el suelo y parte por los gases de la atmoacutesfera A su vez el suelo terrestre emite tambieacuten radiacioacuten que en parte es reflejada por algunos gases presentes en la atmoacutesfera lo que genera el efecto invernadero
149
Calor especiacutefico
Las sustancias tienen distintas capacidades de absorber energiacutea en forma de calor ya
que frente a la misma cantidad de calor sus temperaturas variacutean en formas diferentes
Por ejemplo si se entrega igual cantidad de calor a una cuchara de aluminio y a una
masa equivalente de agua al cabo de un cierto tiempo se podraacute observar que la cuchara
registra un mayor aumento de temperatura que el agua
Las sustancias tienen capacidades distintas de almacenamiento de energiacutea y esto es
muy evidente con los alimentos
Si se colocan en un horno al mismo tiempo una fuente de papas y una cantidad de
masa equivalente de pollo se advierte que las papas tardan maacutes tiempo en llegar a la
temperatura en equilibrio Esto ocurre porque diferentes sustancias requieren distintas
cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura Se dice que estos alimentos
tienen distintas capacidades caloriacuteficas especiacuteficas o calores especiacuteficos
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la can-
tidad de calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es 1 calg degC lo que significa que cada gramo
de agua necesita intercambiar una caloriacutea para variar su temperatura un grado Celsius El
agua tiene una mayor capacidad de almacenar energiacutea que muchas otras sustancias Por
tal razoacuten una pequentildea masa de agua absorbe una gran cantidad de calor con un aumento
relativo de temperatura bastante pequentildeo Por el mismo motivo se puede explicar que el
agua se enfriacutea maacutes lentamente que otras sustancias Es por esto que el agua se usa como
refrigerante en muchas maquinarias o sistemas como por ejemplo los automoacuteviles
Calorimetriacutea
Se denomina calorimetriacutea a la medicioacuten y el caacutelculo de las cantidades de calor que
intercambia un sistema
Intuitivamente se sabe que cuanto mayor sea la cantidad de calor suministrada el cuer-
po alcanzaraacute una mayor variacioacuten de la temperatura Es posible verificar experimentalmente
que entre el calor y la temperatura existe una relacioacuten de proporcionalidad directa La cons-
tante de proporcionalidad depende tanto de la sustancia que constituye el cuerpo como de
su masa y resulta el producto del calor especiacutefico por la masa del cuerpo
Por lo tanto la ecuacioacuten que permite calcular intercambios de calor es
Q = c middot m middot ΔT
donde Q es el calor intercambiado por un cuerpo de masa m constituido por una sustan-
cia cuyo calor especiacutefico es c siendo ΔT la variacioacuten de temperatura experimentada
Por convencioacuten se adopta el signo positivo para Q cuando la variacioacuten de tempe-
ratura es mayor que cero es decir cuando el cuerpo aumenta su temperatura En caso
contrario cuando la variacioacuten de temperatura es menor que cero el cuerpo disminuye su
temperatura y el signo de Q seraacute negativo
Es decir que la cantidad de calor que intercambian dos cuerpos del mismo material pero
de masas diferentes para variar de igual manera sus temperaturas depende de sus masas
Por ejemplo si se entrega la misma cantidad de calor a 500 g de agua y luego a 1000 g de
agua que inicialmente se encuentran a temperatura ambiente se espera que la variacioacuten de tem-
peratura de la masa menor de agua sea mayor que la correspondiente a la masa mayor de agua
La unidad elegida para medir la cantidad de energiacutea es el
joule J aunque existe otra unidad muy utilizada la caloriacutea (cal) que se define como la cantidad de calor necesario para que un gramo de agua pura pase de 145 degC a 155 degC En alimentacioacuten y nutricioacuten se suelen usar mucho las caloriacuteas para medir el valor energeacutetico de los alimentos Se utiliza la Cal (escrita con mayuacutescula) donde 1 Cal = 1 kcal = 1000 cal
La relacioacuten entre los joules y las caloriacuteas es la siguiente 1 cal = 418 J o bien 1 J = 024 cal
150 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Algunos caacutelculos de calorimetriacutea
Es importante tener en cuenta que en esta transferencia se cumple el Principio de
Conservacioacuten de la Energiacutea ya que se puede afirmar que
Si dos cuerpos o sistemas aislados intercambian energiacutea en forma de calor la cantidad
recibida por uno de ellos es igual a la cantidad cedida por el otro cuerpo
Es decir la energiacutea total intercambiada se conserva Esto se puede escribir matemaacuteti-
camente de la siguiente forma Σ Q = 0
Si se consideran dos cuerpos de masas diferentes m1 y m2 que se encuentran a diferen-
tes temperaturas T1 y T2 respectivamente y se colocan en contacto teacutermico al cabo de un
tiempo equipararaacuten sus temperaturas a una cierta temperatura final Tf es decir alcanza-
raacuten el equilibrio teacutermico En este intercambio se cumple el principio de conservacioacuten de
la energiacutea es decir la cantidad de energiacutea que absorbe un cuerpo es igual a la cantidad de
energiacutea que cede el otro por lo cual se puede escribir que
Q2 = ndash Q1 que es lo mismo que escribir que c2 middot m2 middot (Tf ndash T2) = ndash c1 middot m1 middot (Tf ndash T1)
La temperatura final alcanzada luego del intercambio es
Tf = m 1 middot c 1 middot T 1 + m 2 middot c 2 middot T 2
______________________ m 1 middot c 1 + m 2 middot c 2
Aplicacioacuten de caacutelculos caloriacutemetros
1 Se colocan 500 gramos de agua liacutequida a 10 ordmC en un caloriacutemetro ideal (se despre-
cia el intercambio de calor del caloriacutemetro) y se la mezcla con 1000 gramos de agua a
70 ordmC Calculen la temperatura de equilibrio de esta mezcla
Como
Tf = m 1 middot c 1 middot T 1 + m 2 middot c 2 middot T 2
______________________ m 1 middot c 1 + m 2 middot c 2
entonces
Tf = 500 g middot 1 calg ordmC middot10 ordmC + 1000 g middot 1 calg ordmC middot70 ordmC
______________________________________________ 1 calg ordmC middot (500 g + 1000 g)
Se obtiene como resultado
Tf = 50 ordmC
La temperatura de equilibro de la mezcla es de 50 ordmC
Un caloriacutemetro es un recipiente adiabaacutetico o
teacutermicamente aislado en el que se puede calcular la cantidad de energiacutea en forma de calor que se intercambia cuando se colocan en contacto teacutermico sustancias de diferentes masas y a diferentes temperaturasTambieacuten puede utilizarse para calcular el calor especiacutefico de una determinada sustancia
151
Tabla de calores especiacuteficos de
algunas sustancias
Sustancia c ( cal _____ g ordmC )
Agua 100
Agua de mar 0945
Aire 00000053
Alcohol 058
Aluminio 0212
Arena 020
Bronce 0092
Cobre 0093
Hielo 055
Hierro 0113
Lana de vidrio 000009
Latoacuten 0094
Mercurio 0033
Oro 0031
Plata 0060
Plomo 0031
Vidrio 0199
Zinc 0092
2 Calculen la cantidad de calor necesaria en kcal y J que deben ceder 1500 gramos
de agua que se encuentra en su punto de ebullicioacuten para disminuir su temperatura
hasta 20 degC
Como Q = c middot m middot ΔT entonces
Q = 1 cal ______ g middot ordmC
middot 1500 g middot (20 ordmC minus 100 ordmC) = minus120 000 cal = minus120 kcal
Como ademaacutes 1 cal = 418 J entonces ndash120 000 cal = ndash120 000 middot 418 J = ndash501600 J
Es decir la cantidad de calor necesaria es ndash120 kcal o ndash501600 J
3 iquestCuaacutel seraacute el aumento de temperatura de una barra de 3 kg de hierro si se coloca en un
horno industrial que le suministra 30 kcal Consulten la tabla de calores especiacuteficos
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja ΔT se obtiene que
ΔT = Q _____ c middot m = 30 000 cal ____________________ 0113 calg ordmC middot 3000 g
= 885 ordmC
porque Q = 30 kcal = 30 000 cal m = 3 kg = 3000 g y en la tabla de calores especiacuteficos
se observa que el calor especiacutefico del hierro es de 0113 cal g middot ordmC
Luego la variacioacuten de temperatura es aproximadamente ΔT = 885 ordmC
4 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia que constituye un cuerpo de 20 g de
masa sabiendo que para elevar su temperatura 6 ordmC se necesitan 96 cal
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja c se obtiene
c = Q ______ ΔT middot m = 96 cal __________
6 ordmC middot 20 g = 08 cal ____
gmiddotordmC
5 El sistema de refrigeracioacuten de un camioacuten contiene 20 litros de agua iquestCuaacutel es la
variacioacuten de la temperatura del agua si se debe extraer una cantidad de energiacutea en
forma de calor de 836 000 J
La energiacutea extraiacuteda en forma de calor por el sistema refrigerante pasa al agua
Como 1 J = 024 cal entonces 836 000 J = 836 000 middot 024 = 200 640 cal
Por otro lado Q = c middot m middot ΔT con lo cual si se despeja ΔT se obtiene
ΔT = Q _____ c middot m = 200 640 cal ___________________ 1 cal g ordmC middot 20 000 g
= 10 ordmC
La temperatura del agua aumenta en 10 ordmC
152 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
Materiales
Un termo o sistema aislado (como los recipientes para conservar la comida) con un termoacutemetro 200 g de agua a temperatura ambiente por ejemplo 20 ordmC 70 g de cobre o de alguacuten otro metal Un calentador eleacutectrico de inmersioacuten de 500 600 W Un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) Pinzas de madera Vasos de precipitado o probetas graduadas Una balanza
Procedimiento1 Midan con la balanza la masa de agua a temperatura ambiente necesaria para realizar este experimento
2 Coloquen el agua a temperatura ambiente dentro del termo
3 Midan usando la balanza la masa del trozo de cobre
4 Calienten el trozo de cobre dentro de un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) con agua hasta 100 ordmC en ese caso el cobre tendraacute la misma temperatura
5 Extraigan con las pinzas de madera raacutepidamente la masa de cobre y coloacutequenla dentro del termo con el agua a temperatura ambiente
6 Mezclen los contenidos del termo para asegurarse la obtencioacuten de una temperatura uniforme
7 Efectuacuteen la lectura de la temperatura de equilibrio
8 Realicen los caacutelculos necesarios para obtener el calor especiacutefico del cobre
Contesten las siguientes consignas
a Expliquen en teacuterminos fiacutesicos queacute sucedioacute en esta mezcla de sustancias dentro del termo
b iquestQueacute calor especiacutefico obtuvieron
c Comparen con la tabla de valores aportada en este capiacutetulo iquestCoincide con el registrado
d Si no coincide iquesta queacute factores atribuyen las diferencias entre los resultados obtenidos
e iquestCoacutemo podriacutean mejorar estos resultados Propongan algunas hipoacutetesis para optimizar el disentildeo experimental
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
4 En un caloriacutemetro hay 200 g de agua a 20 degC Se agregan 100 g de agua y se obtiene una temperatura de equilibrio de 30 degC Calculen la temperatura de la masa de agua agregada
5 Se toma un trozo de 50 g de un metal desconocido a 100 degC y se lo coloca en un caloriacutemetro en el que hay 150 g de agua a 20 degC El sistema llega a una temperatura de equilibrio de 253 degC A partir de los datos de la tabla de la paacutegina 151 determinen de queacute metal podriacutea ser el trozo analizado
6 Se colocan dentro de un horno de microondas dos vasos ideacutenticos Uno contiene 100 g de agua y el otro 100 g de alcohol ambos a una temperatura de 15 degC Al hacer fun-cionar el horno durante medio minuto suministra a cada uno de ellos 1500 caloriacuteas Determinen las temperaturas finales del agua y del alcohol
7 Se colocan en un horno dos cubos de iguales masas uno de aluminio y el otro de plomo a iguales temperaturas de 20 ordmC Al encenderse el horno iquestcuaacutel de ellos alcanzaraacute primero la temperatura de 150 ordmC Justifiquen su respuesta
aACTIVIDADES
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
153
Propagacioacuten del calor
La transmisioacuten de energiacutea por diferencia de temperatura entre cuerpos o sistemas que
interactuacutean entre siacute se produce a traveacutes de diferentes procesos como la conduccioacuten o la
conveccioacuten
Conduccioacuten
Si se coloca un extremo de una cuchara de aluminio en contacto con una hornalla
encendida de la cocina raacutepidamente se advierte que el calor se transmite hasta el otro
extremo
En el sector de la cuchara en contacto con el fuego se produce un aumento de la
temperatura que hace que las partiacuteculas comiencen a vibrar con mayor energiacutea cineacutetica
(energiacutea de movimiento) y esta energiacutea se transfiere a las restantes partiacuteculas de la
regioacuten de menor temperatura
Esta transferencia de energiacutea sin desplazamiento de materia desde zonas de un cuerpo que
se encuentra a mayor temperatura a las de menor temperatura se denomina conduccioacuten
Algunos materiales presentan la propiedad de ser mejores conductores del calor que
otros Los malos conductores del calor se denominan aislantes (aunque cabe aclarar que
la aislacioacuten nunca es perfecta)
Los metales en general son mejores conductores del calor que otros materiales como
la madera el vidrio el corcho el telgopor etc
Es por eso que por ejemplo se suele usar madera en los mangos de los utensilios de
cocina para minimizar la transferencia de calor y evitar quemaduras en la piel
El corcho el telgopor la lana de vidrio son utilizados en las construcciones de viviendas como aislantes del
calor y para mantener una temperatura ambiente agradable Algunos de estos materiales son bastante
porosos lo que implica que tienen espacios con mayor cantidad de aire que es un buen aislante
Se denomina conduccioacuten a la transferencia de
energiacutea sin desplazamiento de materia de un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura a otro que se encuentra a menor temperaturaSe llama aislantes a los materiales que son malos conductores de calor
Lana de vidrio Corcho
Tambieacuten algunas prendas de abrigo como las cam-
peras o los cubrecamas utilizan dos recubrimien-
tos entre los cuales se colocan algunos materiales
porosos como goma espuma plumas telas entra-
madas que contienen una buena cantidad de aire
que permite la aislacioacuten teacutermica del medio
Telgopor Vidrio
154 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
iquestDe queacute factores depende la transferencia de calor por conduccioacuten en los materiales soacuteli-
dos iquestSe puede calcular
No todos los materiales conducen el calor de igual forma La conductividad teacutermica es
una medida de a capacidad de conducir el calor de cada material
Cuando una persona se encuentra en una habitacioacuten cuya temperatura ambiente es
por ejemplo 20 degC y toca con una mano un cenicero de cobre y con la otra un mantel tie-
ne la sensacioacuten de que el cenicero estaacute maacutes friacuteo que el mantel Esto
ocurre dado que como el cobre es un buen conductor teacutermico el
calor entregado por la mano a la zona de contacto del material
se transmite raacutepidamente al resto del objeto En cambio como
el mantel no es un buen conductor teacutermico cuando se lo toca
la transferencia de calor al resto del material es muy lenta la
temperatura de la zona de contacto aumenta hasta equiparar-
se con la piel y esto da la sensacioacuten de estar maacutes caliente
El caacutelculo es por lo general complica-
do Pero si la transferencia de calor se
produce en una sola direccioacuten y la tem-
peratura variacutea solo en esa direccioacuten se
simplifica Por ejemplo si se considera
un vidrio plano (como el de una venta-
na) se puede conocer queacute cantidad de
energiacutea transferida a traveacutes del vidrio va desde la superficie o cara de mayor temperatura
hacia la de menor temperatura Para esto es necesario tener en cuenta el tipo de vidrio
ya que no todos tienen la misma conductividad teacutermica
La cantidad de calor que se transmite por unidad de tiempo en este caso se puede
simbolizar mediante la siguiente expresioacuten matemaacutetica
Q ___ Δ τ = K ∙ S∙ ΔT ___ Δx
donde τ es el tiempo (para no confundirlo con T de temperatura) Q ___ Δ τ es la cantidad
de calor transmitida a traveacutes del vidrio por unidad de tiempo K es el coeficiente de
conductividad teacutermica que depende del material en este caso del vidrio S es la
superficie perpendicular a la direccioacuten de propagacioacuten y ΔT ___ Δx la variacioacuten de tempera-
tura entre las caras dividida por el espesor del vidrio
Se puede decir entonces que
la cantidad de calor que atraviesa
por unidad de tiempo una placa
de vidrio es mayor cuanto mayor
sea la superficie considerada y la
variacioacuten de temperatura entre sus
caras y cuanto menor sea el espe-
sor o distancia entre dichas caras
Algunos materiales conducen el calor
con mayor facilidad que otros asiacute los metales tienen alta conductividad teacutermica compararada por ejemplo con la capacidad de transmitir el calor de la madera algunos plaacutesticos ceraacutemicas etcLa conductividad teacutermica del cobre es de 330 kcalm middot h middot K la de la madera es de 01 a 03 kcalm middot h middot K y la del telgopor 003 kcalm middot h middot K
155
Conveccioacuten
Se si desea colocar estufas en las habitaciones de una casa para calefaccionarla hay que deci-
dir cuaacutel es el lugar maacutes adecuado para que se aproveche la energiacutea de la mejor manera posible
Es necesario tener en cuenta no solo las dimensiones de las habitaciones que se
desean calefaccionar sino tambieacuten el fenoacutemeno fiacutesico que se denomina transmisioacuten de
calor por conveccioacuten
La masa de aire cercana a la estufa aumenta su
temperatura por lo cual el aire se torna menos denso
que el resto de aire alejado de la estufa
Se origina asiacute un movimiento ascendente y des-
cendente de la masa de aire y se generan las deno-
minadas corrientes convectivas con un permanente
desplazamiento de materia
Este fenoacutemeno se puede observar tambieacuten en las
capas de aire que rodean la Tierra que provocan cam-
bios climaacuteticos seguacuten sus caracteriacutesticas Estas masas
de aire pueden ser maacutes caacutelidas en ciertas zonas que en
otras maacutes huacutemedas (por contener mayor cantidad de
vapor de agua) maacutes secas de mayor o menor presioacuten
La temperatura del aire puede ser influida por la propiedad de la superficie terrestre
hecho que es muy relevante para algunos estudios metereoloacutegicos
Estas corrientes convectivas que naturalmente se forman en la
atmoacutesfera son factores que tienen en cuenta por ejemplo las aves los
aladeltistas y otros deportistas que aprovechan las condiciones del aire
para elevarse Esto ocurre dado que al encontrarse con una masa de aire
caliente ascienden con maacutes facilidad y de esta forma ldquoahorranrdquo energiacutea
y pueden mantenerse en vuelo planeando sin tanto esfuerzo
La conveccioacuten se produce tanto en los gases como en los liacutequidos
Es sencillo observar que cuando se calienta agua en alguacuten recipiente
de vidrio transparente se produce
un movimiento ascendente desde la
parte inferior en contacto con la lla-
ma de fuego hacia la parte superior del recipiente
La masa liacutequida de mayor temperatura se dilata
por lo que disminuye su densidad asciende dentro del
recipiente y tiende a desplazar hacia la parte inferior
a la masa de agua liacutequida de menor temperatura
iquestOtra forma de transmisioacuten del calor
Algunos cientiacuteficos consideran que maacutes que una forma de transmisioacuten del calor la
radiacioacuten a la que ya se ha hecho referencia anteriormente implica una manera de inter-
cambio de energiacutea maacutes general
Esta transferencia de energiacutea no se da por intercambio de calor entre cuerpos que se
encuentran a distintas temperaturas ni por trabajo Involucran transferencias de energiacutea
por medio de ondas electromagneacuteticas Asiacute por ejemplo entre dos antenas se transfiere
energiacutea por radiacioacuten
156 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
Materiales Tubo de ensayo Trocitos de hielo Una moneda Agua Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen en el tubo de ensayo los trocitos de hielo cubiertos por la moneda
2Agreguen un poco de agua
3 Acerquen la parte superior del tubo al mechero o calentador
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Corrientes convectivas en liacutequidos
Materiales Agua Recipiente Trocitos de tiza de color o yerba mate Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen agua en un recipiente
2 Agreguen trocitos de tiza de color o un poco de yerba mate
3 Coloquen el recipiente al fuego
hasta que hierva el agua
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Materiales Dos latitas de gaseosa vaciacuteas Un poco de agua Pintura o cartulina negra Mechero o calentador Termoacutemetro
Procedimiento1 Tomen una de las latas y piacutentenla de negro o foacuterrenla con la cartulina negra
2 Anoten la temperatura inicial del agua
3 Coloquen la misma cantidad de agua en las dos latas
4 Pongan a calentar las dos latas a igual distancia del fuego
5 Controlen la temperatura del agua en cada lata cada 10 minutos
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestCoinciden los registros de temperatura de ambas latas
b iquestPor queacute Justifiquen su respuesta
iquestEl agua es un buen conductor teacutermico
Transmisioacuten de energiacutea por radiacioacuten
157
Los cambios de estado
Los materiales se presentan baacutesicamente en tres estados soacutelido liacutequido y gaseoso
Estos estados no son una caracteriacutestica invariable de los cuerpos ya que pueden modifi-
carse por ejemplo si se variacutea la temperatura y la presioacuten a la que estaacuten sometidos dichos
cuerpos Por ejemplo se puede fundir hierro si se lleva su temperatura a maacutes de 1500 degC
Una caracteriacutestica de los liacutequidos es la relativa libertad de movimiento de sus moleacute-
culas Si se suministra calor a un liacutequido y se logra aumentar la temperatura tambieacuten
aumentaraacute el movimiento de sus moleacuteculas las que pueden escapar de la superficie liacutequi-
da Este proceso que se da en la superficie del liacutequido se llama evaporacioacuten y puede ocu-
rrir a cualquier temperatura
A medida que aumenta la temperatura se modifica la estructura de enlace entre las
moleacuteculas Ellas no pueden mantenerse lo suficientemente cerca entre siacute para que la sus-
tancia continuacutee liacutequida lo que provoca que las moleacuteculas escapen auacuten maacutes faacutecilmente al
aire Este es el fenoacutemeno de ebullicioacuten y es conveniente resaltar que la temperatura en
la que este proceso ocurre llamada temperatura de ebullicioacuten se mantendraacute estable en
determinadas condiciones de presioacuten
Todo este proceso corresponde al cambio de estado denominado vaporizacioacuten
Cada sustancia tiene su propio punto de ebullicioacuten punto de fusioacuten y punto de solidi-
ficacioacuten que corresponden a las temperaturas y presiones en que se producen los cambios
de estado
El ciclo del agua o ciclo hidroloacutegico
Es muy comuacuten ejemplificar los cambios de estado con el agua para lo que suele apro-
vecharse el llamado ciclo hidroloacutegico o ciclo del agua que se produce en la naturaleza y
en el que se diferencian los siguientes fenoacutemenos
El agua se evapora continuamente pasando de estado liacutequido a gaseoso
Las nubes estaacuten formadas por pequentildeas gotas de agua liacutequida que ascienden por las
corrientes de aire
La lluvia se produce cuando se forman gotas maacutes gran-
des que precipitan
La nieve y el granizo se for-
man cuando la temperatura es
muy baja y se solidifican las
gotas de agua liacutequida
La niebla se produce en
lugares con altos porcentajes de
humedad y trae aparejada una
disminucioacuten en las temperatu-
ras
El rociacuteo o la escarcha se
producen por la condensacioacuten o
solidificacioacuten del agua de la atmoacutes-
fera debido a las marcadas diferencias
de temperatura entre el diacutea y la noche
Las posibles transformaciones de un
estado a otro son las siguientes
FusioacutenVaporizacioacuten
Sublimacioacuten
Volatilizacioacuten
SolidificacioacutenCondensacioacuten
Soacutelido
Liacutequido
Gaseoso
Hielo
PrecipitacioacutenEvaporacioacuten
Corriente subterraacutenea
Infiltracioacuten
Radiacioacuten solar
Condensacioacuten
Accioacuten del viento
Evaporacioacuten
Corriente
superficial
Transpiracioacuten
158 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Calor de fusioacuten y calor latente de vaporizacioacuten
Cada cambio de estado se acompantildea de un intercambio de energiacutea entre el sistema y
el medio exterior Por ejemplo se necesita energiacutea para fundir el hielo De esta forma se
pueden contrarrestar los efectos de las fuerzas que mantienen las moleacuteculas de agua en
posicioacuten fija en el soacutelido
Si la moleacuteculas de un soacutelido absorben suficiente energiacutea es posible que las fuerzas de
atraccioacuten entre moleacuteculas ya no puedan mantener su unioacuten entonces se produce el pasaje
de estado soacutelido a liacutequido
La vaporizacioacuten tambieacuten necesita energiacutea y sucede algo similar con las fuerzas de
atraccioacuten que mantienen las moleacuteculas cercanas entre siacute en la superficie del liacutequido
Un aumento de energiacutea pude ocasionar que las moleacuteculas escapen del liacutequido para
transformarse en moleacuteculas de vapor
En la medida en que aumentan las fuerzas intermoleculares la cantidad de energiacutea
necesaria para generar un cambio de fase tambieacuten se incrementa
En otros casos para poder cambiar de estado el sistema tiene que ceder energiacutea al
medio Por ejemplo el agua liacutequida debe ceder calor al medio para solidificarse
Se denomina calor latente de vaporizacioacuten a la energiacutea intercambiada por unidad de
masa para producir ese cambio de estado
Por ejemplo cada gramo de agua liacutequida a 100 ordmC y presioacuten normal debe absorber 540 cal
para convertirse en un gramo de agua en estado de vapor a la misma temperatura
La evaporacioacuten se acompantildea de un efecto de enfriamiento en la medida que el agua se
evapora absorbe calor del cuerpo del cual se evapora
El alto calor latente de vaporizacioacuten del agua 540 calg permite el enfriamiento de
las plantas por evaporacioacuten desde la superficie foliar las que reciben gran cantidad de
calor por efecto de la radiacioacuten solar La transpiracioacuten es un importante fenoacutemeno en la
regulacioacuten de la temperatura de muchos seres vivos
El calor latente de fusioacuten del hielo es de 80 calg esto significa que cada gramo de
hielo a 0 ordmC debe absorber 80 cal para convertirse en un gramo de agua liacutequida a 0 ordmC
De manera anaacuteloga al ceder 80 cal cada gramo de agua liacutequida se transforma en hielo
sin modificarse la temperatura
Se puede decir que el calor latente l indica una medida de la cantidad de calor por uni-
dad de masa que se necesita para cambiar de estado sin modificar la temperatura
Esto puede expresarse mediante la siguiente foacutermula
l = Q __ m o lo que es equivalente Q = l middot m
donde l es el calor latente Q es el calor y m la masa del cuerpo
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Hidroacutegeno -2591 139 -2627 1067
Oxiacutegeno -2184 33 -1830 51
Agua 00 80 1000 3594
Mercurio -389 28 3599 697
Plomo 3274 59 1620 -
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Plata 9605 26 1950 552
Cobre 10380 489 2595 1145
Hierro 1535 637 3200 1110
Tungsteno 3390 457 5900 460
159
CIE
NCIA
HIS
TORIA
Y S
OCIE
DAD
La historia la tradicioacuten y las modas arquitectoacutenicas contribuyen a determinar la forma y el tipo de las construcciones iquestCon queacute materiales se construye una casa iquestPor queacute para un determinado uso y funcioacuten se requieren distintos tipos de materialesEn los uacuteltimos antildeos la preocupacioacuten de los arquitectos y tambieacuten de los cientiacuteficos a la hora de proyectar un edificio se manifiesta en la obtencioacuten y aprovechamiento de los materiales con el fin de optimizar el uso de energiacutea en las viviendasLa sociedad moderna requiere grandes cantidades de energiacutea para su funcionamiento normal pero es importante reflexionar sobre el uso oacuteptimo y racional de las fuentes de energiacutea como el carboacuten el gas natural el petroacuteleo y todos sus derivados ya que no son renovablesSe estima que el petroacuteleo y el gas natural alcanzaraacuten para unos 50 a 100 antildeos maacutes mientras que el carboacuten para unos 200 a 300 antildeos maacutesMantener las viviendas calefaccionadas durante el invierno forma parte del bienestar de las personas y optimizar la energiacutea disponible en una casa depende del
cuidado de los recursos utilizados para este finEs importante tener una adecuada aislacioacuten teacutermica en todos los lugares posibles de fuga o peacuterdida de calor sobre todo del techo dado que el aire caliente es maacutes liviano y tiende a subir Existen actualmente en el comercio variedades de aislantes teacutermicos que reducen esas peacuterdidas y permiten ahorrar energiacutea Entre ellos el telgopor
las maderas los plaacutesticos las planchas de corcho las fibras de vidrio los ladrillos huecos refractarios etciquestCuaacuteles son los intercambios de energiacutea en forma de calor que se dan en una casaiquestCuaacutenta energiacutea se transfiere al exteriorEn una casa tiacutepica se disipa calor al exterior seguacuten se muestra en el siguiente esquema
El intercambio de calor en una casaEl hombre puede vivir en diversas regiones de la Tierra desde los troacutepicos hasta los polos en los bosques y en el desierto en las llanuras o montantildeas Aun cuando las condiciones cli-maacuteticas resulten hostiles el ser humano disentildea y construye sus viviendas para protegerse de las inclemencias del tiempo aprovechando los materiales de la zona
Un 35 a traveacutes de las ventanas por
conduccioacuten y radiacioacuten
Un 15 por las
paredes por
conduccioacuten y
conveccioacuten
Un 25 se transfiere
a traveacutes del techo
por conduccioacuten
y conveccioacuten
Un 5 se escapa
de chimeneas y
otros conductos
Un 5 a traveacutes
de rendijas
Un 15 por conduccioacuten a
traveacutes del suelo
160 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
CIE
NCIA
H
ISTO
RIA
Y S
OCIE
DAD
El tipo de material empleado
La energiacutea en forma de calor que se transfiere por segundo desde cualquier habitacioacuten a otra se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten que es similar a la presentada en conductividad teacutermica
P = K middot S middot Δt donde P es la energiacutea en forma de calor transmitida por unidad de tiempo Δt es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la habitacioacuten S es la superficie de los materiales que componen la habitacioacuten y K es un coeficiente caracteriacutestico del material utilizadoLos profesionales utilizan tablas con los valores K de algunas estructuras utilizadas habitualmente en la construccioacuten de una casa como las de la tabla
Luego de la lectura del textoa Sugieran posibles soluciones para prevenir las transfe-rencias de energiacutea desde el interior de las viviendas hacia el exteriorb Confeccionen una lista de las partes de una casa que pueden llevar aislantes teacutermicos y averiguumlen con queacute materiales estaacuten fabricados
c Realicen un disentildeo experimental para calcular la ener-giacutea que se transfiere del interior al exterior de su casad Describan sus disentildeos y busquen informacioacuten sobre uso de materiales en la construccioacuten de viviendas seguacuten sus propiedades y usos
aACTIVIDADES
iquestDe queacute depende la mayor o menor cantidad de energiacutea transferida
Los arquitectos e ingenieros consideran que la transferencias de energiacutea desde el interior hacia el exterior dependen fundamentalmente de los siguientes factores
La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la habitacioacuten Cuanto mayor es esta diferencia mayor es el flujo de energiacutea y maacutes raacutepido se produce el intercambio
Las superficies de los distintos materiales que componen la habitacioacuten Cuanto mayor es la superficie mayor transferencia de energiacutea al exterior
Espuma aislante Muro de ladrillos Tejas para techo
Casa construida
Tipos de estructuraValores K
(w ( m 2 ordmC))
Techo de tejas sin aislamiento
22
Techo de tejas con aislamiento 045
Ventanas con vidrio de 6 mm 56
Ventanas con vidrios dobles con 20 mm de separacioacuten
28
Pared de ladrillos con yeso (114 mm) 1324
Doble pared de ladrillos con caacutemara de aire de 280 mm
17
Doble pared de ladrillos con aislamiento en el
06
Piso de ceraacutemica sobre viguetas 42
Piso de madera sobre viguetas 17
161
IDEAS BAacuteSICAS DE LA UNIDAD
La temperatura es una variable de estado del cuerpo relacionada con la energiacutea cineacutetica
del movimiento de sus partiacuteculas
Los cuerpos no tienen friacuteo ni calor tienen bajas o altas temperaturas
Un termoacutemetro es un instrumento que se utiliza para medir la temperatura
Generalmente los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuan-
do disminuye su temperatura
Se denomina calor a la forma de intercambio de energiacutea entre dos cuerpos de distintas
temperaturas que se ponen en contacto teacutermico
La transferencia de calor se da espontaacuteneamente desde el cuerpo de mayor temperatura al
de menor temperatura
Dos cuerpos de distintas temperaturas que intercambian energiacutea logran el equilibrio teacutermi-
co cuando equiparan sus temperaturas
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la cantidad de
calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
El calor se propaga por tres formas baacutesicas conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten
La conduccioacuten se produce cuando se transfiere energiacutea en forma de calor desde las moleacute-
culas o partiacuteculas que se encuentran en zonas de mayor temperatura a las que se encuentran
en zonas de menor de temperatura sin desplazamiento de materia
En los liacutequidos y gases se generan corrientes convectivas con desplazamiento de materia
A los malos conductores del calor se los llama aislantes teacutermicos
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmC
( T F ndash 32 ordmC) Escala Celcius
T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
T C Escala Farenheit
T K = 27315 + T C Escala termomeacutetrica
ΔL = L o ∙ α ∙ Δt Dilatacioacuten liacuteneal
Q = c ∙ m ∙Δt Calorimetriacutea
Q ___ Δt = K ∙ S ∙ Δt ___ Δx Cantidad de calor que se transfiere
por conduccioacuten de un soacutelido
Foacutermulas
162 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
ACTIVIDADES DE INTEGRACIOacuteN1 Si se colocan 1000 g de agua en un recipiente y 2000 g de agua
en otro ambos a 20 degC y se les entrega igual cantidad de calor en
iguales condiciones de presioacuten normal iquestalcanzaraacuten el mismo punto
de ebullicioacuten iquestPor queacute
2 iquestPor queacute algunos vidrios como los llamados Pyrex no se rompen
cuando se someten a elevadas temperaturas
3 iquestQueacute ocurririacutea si usamos un termoacutemetro de mercurio contenido en
un recipiente cuyo coeficiente de dilatacioacuten fuera similar al del mer-
curio
4 iquestPor queacute el agua no se emplea como sustancia termomeacutetrica
5 Si colocan en un horno dos cuerpos de igual masa pero diferente
calor especiacutefico iquestcuaacutel alcanzaraacute primero la temperatura del horno
iquestPor queacute
6 iquestPor queacute generalmente las estufas y radiadores se colocan en la
parte inferior de la pared
7 Los habitantes del desierto suelen cubrirse con varias capas de
telas a modo de tuacutenicas por lo general claras iquestPor queacute razoacuten se
cubren tanto
8 Si se saca un recipiente del horno con un trozo de tela mojado es
probable que se sienta maacutes ldquocalienterdquo que si lo tomamos con una tela
seca iquestQueacute explicacioacuten fiacutesica tiene este hecho
9 Algunos alimentos que compramos en los negocios de venta al
puacuteblico como restaurantes se colocan en recipientes aislantes iquestPor
queacute iquestDe queacute material estaacuten hechos estos recipientes
10 iquestQueacute funcioacuten cumple un termo Justifiquen sus respuestas en
teacuterminos fiacutesicos
11 La temperatura de un diacutea de invierno en la Antaacutertida puede ser
inferior a ndash50 ordmC iquestA cuaacutentos grados Fahrenheit corresponde
12 Un termoacutemetro estaacute graduado en una escala degX tal que 20 degC
corresponden a 30 degX y 120 degC corresponden a 300 degX iquestCuaacutel es el
valor en la escala degX que corresponde a 50 degC Justifiquen sus res-
puestas
13 iquestQueacute cantidad de calor absorbe un cuerpo de 50 g de hierro que
se encuentra a una temperatura de 25 ordmC cuando su temperatura
aumenta a 100 ordmC
14 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia sabiendo que una
masa de 10 g absorbe 250 caloriacuteas cuando su temperatura variacutea 200
ordmC
15 Una dieta normal para una persona adulta en actividad es de
aproximadamente 2500 kcal diarias iquestA cuaacutentos joule equivale este
valor energeacutetico
16 Se mezclan 50 g de agua a 30 ordmC con 25 g de agua a 20 ordmC en un
recipiente aislado iquestQueacute temperatura final tiene esa mezcla
17 La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 degC Determinen
su longitud en un diacutea en que la temperatura es de 34 degC Consulten
la tabla de coeficientes de dilatacioacuten lineal de la paacutegina 146
18 Una barra de metal de longitud L o a 0 degC sufre un aumento de
longitud de un centeacutesimo de su longitud inicial cuando su tempera-
tura es de 500 degC iquestCuaacutel es el coeficiente de dilatacioacuten del metal
19 iquestCoacutemo podriacutean comprobar que la cantidad de calor que inter-
cambia un cuerpo para modificar su temperatura depende de la
masa del cuerpo Disentildeen un experimento descriacutebanlo y justifiquen
sus hipoacutetesis
20 Seguacuten la teoriacutea del caloacuterico el calor era considerado como una
sustancialidad de los cuerpos Teniendo en cuenta esta teoriacutea dise-
ntildeen un experimento que permita comprobar o refutar la siguiente
hipoacutetesis ldquoEl calor que tienen los cuerpos pesardquo
21 El valor caloacuterico de una barra de 100 g de chocolate es 550 kcal Supongan que se utilizara toda esa energiacutea para elevar la tempera-tura del agua desde los 15 ordmC con que sale de la canilla hasta 100 ordmC iquestcuaacutenta agua se podriacutea calentar
22 Se le suministra a un cuerpo de masa m de cierto material energiacutea por valor de 100 joule y el cuerpo incrementa su tempe-ratura en Δt iquestCuaacutenta energiacutea habraacute que suministrarle a un cuerpo del miso material cuya masa es el triple de la del primero para que el aumento de temperatura sea la mitad que en el primer caso
163
AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
146 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Algo maacutes sobre la dilatacioacuten
No todas las sustancias dilatan de igual forma frente a un mismo aumento de tempe-
ratura La mayor o menor dilatacioacuten depende de distintos factores como por ejemplo las
caracteriacutesticas de cada material su composicioacuten y su estructura molecular o cristalina
Iguales voluacutemenes de hierro y de vidrio sufren dilataciones distintas frente a un mismo
aumento de temperatura Ademaacutes la dilatacioacuten de un cuerpo es directamente proporcio-
nal a la variacioacuten de temperatura y al volumen inicial En dos cuerpos de distinto volumen
e igual material que sufren un mismo aumento de temperatura se observaraacute mayor dilata-
cioacuten en el cuerpo de mayor volumen inicial
Lo expuesto se puede resumir en la siguiente expresioacuten matemaacutetica que permite el
caacutelculo de la dilatacioacuten de un cuerpo
ΔV = V o γ ΔT
donde ΔV es la variacioacuten del volumen producida durante la dilatacioacuten V o es el volumen
inicial es decir el volumen del cuerpo antes de este fenoacutemeno γ es el coeficiente de dila-
tacioacuten que depende de cada material y ΔT variacioacuten de temperatura que sufre el cuerpo
Muchas veces se considera una sola dimensioacuten para los caacutelculos de dilatacioacuten Por ejem-
plo puede resultar necesario conocer las variaciones de la longitud del cuerpo que prevalece
sobre otras de sus dimensiones Por esto se habla de la dilatacioacuten lineal de los cuerpos
La expresioacuten matemaacutetica para el caacutelculo de la dilatacioacuten lineal es
ΔL = L o α ΔT
donde ΔL es la variacioacuten de longitud producida durante la dilatacioacuten L o es la longitud
inicial α es el coeficiente de dilatacioacuten lineal y ΔT es la variacioacuten de temperatura
La dilatacioacuten teacutermica de algunos materiales se aprovecha para fabricar termostatos
que son unos aparatos disentildeados para el control de variables o procesos dependientes de
la temperatura Pueden encontrarse en planchas caloventores radiadores etc
Los termostatos estaacuten construidos por bandas
o cintas bimetaacutelicas formadas por la unioacuten o
soldadura de dos laacuteminas de metales distintos
Cuando la cinta se calienta uno de los metales
dilata maacutes que el otro y esto hace que la banda
se flexione en forma de curva En cambio cuan-
do se enfriacutea vuelve a la posicioacuten inicial Este
movimiento de las bandas puede accionar por
ejemplo una vaacutelvula o cerrar un interruptor de
suministro de energiacutea eleacutectrica
El coeficiente de dilatacioacuten lineal de un soacutelido
indica cual es la variacioacuten de su longitud inicial por unidad de longitud y por unidad de temperatura Esto se puede expresar de la siguiente manera
α = ΔL ______ L 0 middot ΔT
donde ΔL es la variacioacuten de longitud luego de la dilatacioacuten L 0 es la longitud inicial del cuerpo y ΔT la variacioacuten de temperaturaLa unidad de α es m ______ mmiddotordmC = 1 ___ ordmC o bien ordmC ndash1 Si el coeficiente de dilatacioacuten lineal del hierro es 12 10 ndash5 ordmC ndash1 significa que por cada metro de hierro este material se dilata 12 10 ndash5 m cuando su temperatura variacutea en 1 ordmC
Tabla de coeficientes de
dilatacioacuten lineal de algunos
materiales
Material α ( deg C ndash1 )
Concreto 07 ndash 12 10 ndash5
Plata 20 10 ndash5
Oro 15 10 ndash5
Invar 004 10 ndash5
Plomo 30 10 ndash5
Zinc 26 10 ndash5
Hielo 51 10 ndash5
Aluminio 24 10 ndash5
Latoacuten 18 10 ndash5
Cobre 17 10 ndash5
Vidrio 04 ndash 09 10 ndash5
Hierro 12 10 ndash5
Cuarzo 004 10 ndash5
Acero 12 10 ndash5
147
Aplicaciones del coeficiente de dilatacioacuten lineal
iquestEn cuaacutento se incrementa la longitud de una barra de hierro de 100 m de largo cuan-
do su temperatura aumenta 15 ordmC
En el lateral de la paacutegina 146 se puede observar que el coeficiente de dilatacioacuten
lineal del hierro es de 12 middot 10 ndash5 ordm C ndash1 por lo tanto
ΔL = L o middot α middot ΔT = 100 m middot 12 middot 10 ndash5 ordm C ndash1 middot 15 ordmC = 0018 m = 18 middot 10 ndash2 m
Cuando la temperatura aumenta 15ordmC la barra de hierro de 100 m aumenta enton-
ces 0018 m
Calor
Las personas suelen decir frases como las siguientes iexclQueacute caliente que estaacute el agua iexclHoy hace
mucho calor hay maacutes de 30 grados Cerremos la ventana que entra friacuteo El calor hizo que la puerta de
hierro se hinchara El calor de la estufa subioacute a las habitaciones de la parte superior de la casa etc Si
bien forman parte de un lenguaje cotidiano estas expresiones tienen poca precisioacuten cientiacutefica
y es necesario aproximarse a una definicioacuten de los conceptos fiacutesicos que permita interpretar y
diferenciar el significado de cada teacutermino que se utiliza desde el lenguaje cientiacutefico
Cabe sentildealar que algunas de estas manifestaciones personales estaacuten muy proacuteximas a las
ideas cientiacuteficas que se manejaron sobre el calor entre mediados del siglo XVIII y las primeras
deacutecadas del siglo XIX bajo la teoriacutea del caloacuterico
El calor era considerado como un fluido material llamado caloacuterico que estaba en el interior
de los cuerpos Esta especie de sustancia capaz de pasar desde los cuerpos de mayor temperatura
a los de menor temperatura explicaba el enfriamiento de los cuerpos por peacuterdida del caloacuterico y
calentamiento por su ganancia
Las primeras criacuteticas de la teoriacutea del caloacuterico que ponen en duda la existencia de dicho
fluido surgen cuando en 1798 Benjamin Thompson (1753-1814) conde de Rumford y ministro
de Guerra de Baviera observoacute que al taladrar grandes piezas de metal para fabricar cantildeones se
desprendiacutean importantes cantidades de calor por frotamiento El conde dudoacute de la existencia del
caloacuterico pues si se trataba de una sustancia deberiacutea acabarse en alguacuten momento de ese proceso
de frotamiento sin embargo esto no ocurriacutea
Mucho tiempo despueacutes las ideas del caloacuterico como sustancia en movimiento fueron sustitui-
das por una nueva concepcioacuten cientiacutefica que planteariacutea la posibilidad de unificar los fenoacutemenos
mecaacutenicos luminosos eleacutectricos magneacuteticos teacutermicos y quiacutemicos bajo el concepto de energiacutea
El calor como intercambio de energiacutea
Todos los cuerpos o sistemas materiales tienen asociada una energiacutea interna que permite
conocer y caracterizar sus propiedades El calor es una forma de intercambio de energiacutea desde el
cuerpo de mayor temperatura hacia el de menor temperatura
Por ejemplo cuando se deja olvidada una taza con cafeacute recieacuten preparado sobre la mesa de la
cocina luego de un cierto tiempo se enfriacutea dado que entre el cafeacute y el aire que rodea la taza se
produjo un intercambio de energiacutea El cafeacute recieacuten preparado a mayor temperatura que el aire del
ambiente que rodea a la taza transfirioacute energiacutea (en forma de calor) al medio
Todos los cuerpos tienen asociada una
cierta energiacutea interna como consecuencia del movimiento de sus partiacuteculas Esta energiacutea interna puede variar cuando se intercambia energiacutea con el medio o con otros cuerpos Si dos o maacutes cuerpos a distintas temperaturas se ponen en contacto teacutermico intercambian espontaacuteneamente energiacutea en forma de calor Asiacute el calor es una forma de transferencia de energiacutea aunque existen otras maneras de intercambio de energiacutea no asociadas a las diferencias de temperaturas sino a las fuerzas y a las ondas electromagneacuteticas Estas dos formas se denominan respectivamente trabajo y radiacioacuten
148 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Radiacioacuten
En este fenoacutemeno
hay una transferencia
de energiacutea desde
un cuerpo a otro El
Sol es una fuente
natural de radiacioacuten
electromagneacutetica que
intercambia energiacutea con
el planeta Tierra
Gas de efecto
invernadero
Peacuterdida de calor y radiacioacuten
Radiacioacuten infrarroja
Absorcioacuten por la superficie
terrestre
Absorcioacuten
por las
nubes
Radiacioacuten solar
absorbida
Radiacioacuten
solar
Radiacioacuten solar
reflejada
Otras formas de intercambio de energiacutea
Ademaacutes del calor existen otras dos formas baacutesicas de transferencia de energiacutea
Por trabajo
Si una persona empuja una mesa ejerce una fuerza
sobre la mesa de tal manera que logra desplazarla
de su posicioacuten inicial Se produce un intercambio de
energiacutea entre la persona y la mesa La mesa aumen-
ta su energiacutea cineacutetica ya que la persona le transfiere
cierta cantidad de energiacutea como consecuencia de
ejercer una fuerza sobre dicha mesa Se dice que los
cuerpos intercambiaron energiacutea por trabajo cuan-
do interactuacutean entre siacute mediante fuerzas
Por radiacioacuten
Cuando una sentildeal que transporta informacioacuten llega
a una antena como por ejemplo la sentildeal satelital que
recepciona la antena de un celular se produce un inter-
cambio de energiacutea pero en este caso no hay accioacuten de
fuerzas ni calor
La radiacioacuten emitida por una fuente emisora es captada
por un receptor que decodifica la sentildeal seguacuten el tipo de
informacioacuten que se transmite En este caso la energiacutea se
transfiere desde la fuente al receptor por ondas electro-
magneacuteticas que se caracterizan porque no necesitan
un medio material de propagacioacuten A diferencia de las
ondas mecaacutenicas pueden hacerlo en el vaciacuteo
Una forma de intercambiar energiacutea entre dos cuerpos o sistemas materiales es por
calor Siempre que dos o maacutes cuerpos que se encuentran a distintas temperaturas se
ponen en contacto teacutermico se produce un intercambio de energiacutea en forma de calor En
los fenoacutemenos espontaacuteneos este proceso continuacutea hasta que dichos cuerpos alcanzan el
equilibrio teacutermico es decir igualan sus temperaturas
Los cuerpos no tienen friacuteo o calor sino que poseen cierta energiacutea interna que puede variar
por ejemplo cuando entran en contacto con otros cuerpos de diferentes temperaturas
La Tierra absorbe el 70 de la energiacutea que proviene
del Sol Parte de esta energiacutea es absorbida por el suelo y parte por los gases de la atmoacutesfera A su vez el suelo terrestre emite tambieacuten radiacioacuten que en parte es reflejada por algunos gases presentes en la atmoacutesfera lo que genera el efecto invernadero
149
Calor especiacutefico
Las sustancias tienen distintas capacidades de absorber energiacutea en forma de calor ya
que frente a la misma cantidad de calor sus temperaturas variacutean en formas diferentes
Por ejemplo si se entrega igual cantidad de calor a una cuchara de aluminio y a una
masa equivalente de agua al cabo de un cierto tiempo se podraacute observar que la cuchara
registra un mayor aumento de temperatura que el agua
Las sustancias tienen capacidades distintas de almacenamiento de energiacutea y esto es
muy evidente con los alimentos
Si se colocan en un horno al mismo tiempo una fuente de papas y una cantidad de
masa equivalente de pollo se advierte que las papas tardan maacutes tiempo en llegar a la
temperatura en equilibrio Esto ocurre porque diferentes sustancias requieren distintas
cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura Se dice que estos alimentos
tienen distintas capacidades caloriacuteficas especiacuteficas o calores especiacuteficos
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la can-
tidad de calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es 1 calg degC lo que significa que cada gramo
de agua necesita intercambiar una caloriacutea para variar su temperatura un grado Celsius El
agua tiene una mayor capacidad de almacenar energiacutea que muchas otras sustancias Por
tal razoacuten una pequentildea masa de agua absorbe una gran cantidad de calor con un aumento
relativo de temperatura bastante pequentildeo Por el mismo motivo se puede explicar que el
agua se enfriacutea maacutes lentamente que otras sustancias Es por esto que el agua se usa como
refrigerante en muchas maquinarias o sistemas como por ejemplo los automoacuteviles
Calorimetriacutea
Se denomina calorimetriacutea a la medicioacuten y el caacutelculo de las cantidades de calor que
intercambia un sistema
Intuitivamente se sabe que cuanto mayor sea la cantidad de calor suministrada el cuer-
po alcanzaraacute una mayor variacioacuten de la temperatura Es posible verificar experimentalmente
que entre el calor y la temperatura existe una relacioacuten de proporcionalidad directa La cons-
tante de proporcionalidad depende tanto de la sustancia que constituye el cuerpo como de
su masa y resulta el producto del calor especiacutefico por la masa del cuerpo
Por lo tanto la ecuacioacuten que permite calcular intercambios de calor es
Q = c middot m middot ΔT
donde Q es el calor intercambiado por un cuerpo de masa m constituido por una sustan-
cia cuyo calor especiacutefico es c siendo ΔT la variacioacuten de temperatura experimentada
Por convencioacuten se adopta el signo positivo para Q cuando la variacioacuten de tempe-
ratura es mayor que cero es decir cuando el cuerpo aumenta su temperatura En caso
contrario cuando la variacioacuten de temperatura es menor que cero el cuerpo disminuye su
temperatura y el signo de Q seraacute negativo
Es decir que la cantidad de calor que intercambian dos cuerpos del mismo material pero
de masas diferentes para variar de igual manera sus temperaturas depende de sus masas
Por ejemplo si se entrega la misma cantidad de calor a 500 g de agua y luego a 1000 g de
agua que inicialmente se encuentran a temperatura ambiente se espera que la variacioacuten de tem-
peratura de la masa menor de agua sea mayor que la correspondiente a la masa mayor de agua
La unidad elegida para medir la cantidad de energiacutea es el
joule J aunque existe otra unidad muy utilizada la caloriacutea (cal) que se define como la cantidad de calor necesario para que un gramo de agua pura pase de 145 degC a 155 degC En alimentacioacuten y nutricioacuten se suelen usar mucho las caloriacuteas para medir el valor energeacutetico de los alimentos Se utiliza la Cal (escrita con mayuacutescula) donde 1 Cal = 1 kcal = 1000 cal
La relacioacuten entre los joules y las caloriacuteas es la siguiente 1 cal = 418 J o bien 1 J = 024 cal
150 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Algunos caacutelculos de calorimetriacutea
Es importante tener en cuenta que en esta transferencia se cumple el Principio de
Conservacioacuten de la Energiacutea ya que se puede afirmar que
Si dos cuerpos o sistemas aislados intercambian energiacutea en forma de calor la cantidad
recibida por uno de ellos es igual a la cantidad cedida por el otro cuerpo
Es decir la energiacutea total intercambiada se conserva Esto se puede escribir matemaacuteti-
camente de la siguiente forma Σ Q = 0
Si se consideran dos cuerpos de masas diferentes m1 y m2 que se encuentran a diferen-
tes temperaturas T1 y T2 respectivamente y se colocan en contacto teacutermico al cabo de un
tiempo equipararaacuten sus temperaturas a una cierta temperatura final Tf es decir alcanza-
raacuten el equilibrio teacutermico En este intercambio se cumple el principio de conservacioacuten de
la energiacutea es decir la cantidad de energiacutea que absorbe un cuerpo es igual a la cantidad de
energiacutea que cede el otro por lo cual se puede escribir que
Q2 = ndash Q1 que es lo mismo que escribir que c2 middot m2 middot (Tf ndash T2) = ndash c1 middot m1 middot (Tf ndash T1)
La temperatura final alcanzada luego del intercambio es
Tf = m 1 middot c 1 middot T 1 + m 2 middot c 2 middot T 2
______________________ m 1 middot c 1 + m 2 middot c 2
Aplicacioacuten de caacutelculos caloriacutemetros
1 Se colocan 500 gramos de agua liacutequida a 10 ordmC en un caloriacutemetro ideal (se despre-
cia el intercambio de calor del caloriacutemetro) y se la mezcla con 1000 gramos de agua a
70 ordmC Calculen la temperatura de equilibrio de esta mezcla
Como
Tf = m 1 middot c 1 middot T 1 + m 2 middot c 2 middot T 2
______________________ m 1 middot c 1 + m 2 middot c 2
entonces
Tf = 500 g middot 1 calg ordmC middot10 ordmC + 1000 g middot 1 calg ordmC middot70 ordmC
______________________________________________ 1 calg ordmC middot (500 g + 1000 g)
Se obtiene como resultado
Tf = 50 ordmC
La temperatura de equilibro de la mezcla es de 50 ordmC
Un caloriacutemetro es un recipiente adiabaacutetico o
teacutermicamente aislado en el que se puede calcular la cantidad de energiacutea en forma de calor que se intercambia cuando se colocan en contacto teacutermico sustancias de diferentes masas y a diferentes temperaturasTambieacuten puede utilizarse para calcular el calor especiacutefico de una determinada sustancia
151
Tabla de calores especiacuteficos de
algunas sustancias
Sustancia c ( cal _____ g ordmC )
Agua 100
Agua de mar 0945
Aire 00000053
Alcohol 058
Aluminio 0212
Arena 020
Bronce 0092
Cobre 0093
Hielo 055
Hierro 0113
Lana de vidrio 000009
Latoacuten 0094
Mercurio 0033
Oro 0031
Plata 0060
Plomo 0031
Vidrio 0199
Zinc 0092
2 Calculen la cantidad de calor necesaria en kcal y J que deben ceder 1500 gramos
de agua que se encuentra en su punto de ebullicioacuten para disminuir su temperatura
hasta 20 degC
Como Q = c middot m middot ΔT entonces
Q = 1 cal ______ g middot ordmC
middot 1500 g middot (20 ordmC minus 100 ordmC) = minus120 000 cal = minus120 kcal
Como ademaacutes 1 cal = 418 J entonces ndash120 000 cal = ndash120 000 middot 418 J = ndash501600 J
Es decir la cantidad de calor necesaria es ndash120 kcal o ndash501600 J
3 iquestCuaacutel seraacute el aumento de temperatura de una barra de 3 kg de hierro si se coloca en un
horno industrial que le suministra 30 kcal Consulten la tabla de calores especiacuteficos
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja ΔT se obtiene que
ΔT = Q _____ c middot m = 30 000 cal ____________________ 0113 calg ordmC middot 3000 g
= 885 ordmC
porque Q = 30 kcal = 30 000 cal m = 3 kg = 3000 g y en la tabla de calores especiacuteficos
se observa que el calor especiacutefico del hierro es de 0113 cal g middot ordmC
Luego la variacioacuten de temperatura es aproximadamente ΔT = 885 ordmC
4 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia que constituye un cuerpo de 20 g de
masa sabiendo que para elevar su temperatura 6 ordmC se necesitan 96 cal
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja c se obtiene
c = Q ______ ΔT middot m = 96 cal __________
6 ordmC middot 20 g = 08 cal ____
gmiddotordmC
5 El sistema de refrigeracioacuten de un camioacuten contiene 20 litros de agua iquestCuaacutel es la
variacioacuten de la temperatura del agua si se debe extraer una cantidad de energiacutea en
forma de calor de 836 000 J
La energiacutea extraiacuteda en forma de calor por el sistema refrigerante pasa al agua
Como 1 J = 024 cal entonces 836 000 J = 836 000 middot 024 = 200 640 cal
Por otro lado Q = c middot m middot ΔT con lo cual si se despeja ΔT se obtiene
ΔT = Q _____ c middot m = 200 640 cal ___________________ 1 cal g ordmC middot 20 000 g
= 10 ordmC
La temperatura del agua aumenta en 10 ordmC
152 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
Materiales
Un termo o sistema aislado (como los recipientes para conservar la comida) con un termoacutemetro 200 g de agua a temperatura ambiente por ejemplo 20 ordmC 70 g de cobre o de alguacuten otro metal Un calentador eleacutectrico de inmersioacuten de 500 600 W Un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) Pinzas de madera Vasos de precipitado o probetas graduadas Una balanza
Procedimiento1 Midan con la balanza la masa de agua a temperatura ambiente necesaria para realizar este experimento
2 Coloquen el agua a temperatura ambiente dentro del termo
3 Midan usando la balanza la masa del trozo de cobre
4 Calienten el trozo de cobre dentro de un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) con agua hasta 100 ordmC en ese caso el cobre tendraacute la misma temperatura
5 Extraigan con las pinzas de madera raacutepidamente la masa de cobre y coloacutequenla dentro del termo con el agua a temperatura ambiente
6 Mezclen los contenidos del termo para asegurarse la obtencioacuten de una temperatura uniforme
7 Efectuacuteen la lectura de la temperatura de equilibrio
8 Realicen los caacutelculos necesarios para obtener el calor especiacutefico del cobre
Contesten las siguientes consignas
a Expliquen en teacuterminos fiacutesicos queacute sucedioacute en esta mezcla de sustancias dentro del termo
b iquestQueacute calor especiacutefico obtuvieron
c Comparen con la tabla de valores aportada en este capiacutetulo iquestCoincide con el registrado
d Si no coincide iquesta queacute factores atribuyen las diferencias entre los resultados obtenidos
e iquestCoacutemo podriacutean mejorar estos resultados Propongan algunas hipoacutetesis para optimizar el disentildeo experimental
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
4 En un caloriacutemetro hay 200 g de agua a 20 degC Se agregan 100 g de agua y se obtiene una temperatura de equilibrio de 30 degC Calculen la temperatura de la masa de agua agregada
5 Se toma un trozo de 50 g de un metal desconocido a 100 degC y se lo coloca en un caloriacutemetro en el que hay 150 g de agua a 20 degC El sistema llega a una temperatura de equilibrio de 253 degC A partir de los datos de la tabla de la paacutegina 151 determinen de queacute metal podriacutea ser el trozo analizado
6 Se colocan dentro de un horno de microondas dos vasos ideacutenticos Uno contiene 100 g de agua y el otro 100 g de alcohol ambos a una temperatura de 15 degC Al hacer fun-cionar el horno durante medio minuto suministra a cada uno de ellos 1500 caloriacuteas Determinen las temperaturas finales del agua y del alcohol
7 Se colocan en un horno dos cubos de iguales masas uno de aluminio y el otro de plomo a iguales temperaturas de 20 ordmC Al encenderse el horno iquestcuaacutel de ellos alcanzaraacute primero la temperatura de 150 ordmC Justifiquen su respuesta
aACTIVIDADES
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
153
Propagacioacuten del calor
La transmisioacuten de energiacutea por diferencia de temperatura entre cuerpos o sistemas que
interactuacutean entre siacute se produce a traveacutes de diferentes procesos como la conduccioacuten o la
conveccioacuten
Conduccioacuten
Si se coloca un extremo de una cuchara de aluminio en contacto con una hornalla
encendida de la cocina raacutepidamente se advierte que el calor se transmite hasta el otro
extremo
En el sector de la cuchara en contacto con el fuego se produce un aumento de la
temperatura que hace que las partiacuteculas comiencen a vibrar con mayor energiacutea cineacutetica
(energiacutea de movimiento) y esta energiacutea se transfiere a las restantes partiacuteculas de la
regioacuten de menor temperatura
Esta transferencia de energiacutea sin desplazamiento de materia desde zonas de un cuerpo que
se encuentra a mayor temperatura a las de menor temperatura se denomina conduccioacuten
Algunos materiales presentan la propiedad de ser mejores conductores del calor que
otros Los malos conductores del calor se denominan aislantes (aunque cabe aclarar que
la aislacioacuten nunca es perfecta)
Los metales en general son mejores conductores del calor que otros materiales como
la madera el vidrio el corcho el telgopor etc
Es por eso que por ejemplo se suele usar madera en los mangos de los utensilios de
cocina para minimizar la transferencia de calor y evitar quemaduras en la piel
El corcho el telgopor la lana de vidrio son utilizados en las construcciones de viviendas como aislantes del
calor y para mantener una temperatura ambiente agradable Algunos de estos materiales son bastante
porosos lo que implica que tienen espacios con mayor cantidad de aire que es un buen aislante
Se denomina conduccioacuten a la transferencia de
energiacutea sin desplazamiento de materia de un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura a otro que se encuentra a menor temperaturaSe llama aislantes a los materiales que son malos conductores de calor
Lana de vidrio Corcho
Tambieacuten algunas prendas de abrigo como las cam-
peras o los cubrecamas utilizan dos recubrimien-
tos entre los cuales se colocan algunos materiales
porosos como goma espuma plumas telas entra-
madas que contienen una buena cantidad de aire
que permite la aislacioacuten teacutermica del medio
Telgopor Vidrio
154 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
iquestDe queacute factores depende la transferencia de calor por conduccioacuten en los materiales soacuteli-
dos iquestSe puede calcular
No todos los materiales conducen el calor de igual forma La conductividad teacutermica es
una medida de a capacidad de conducir el calor de cada material
Cuando una persona se encuentra en una habitacioacuten cuya temperatura ambiente es
por ejemplo 20 degC y toca con una mano un cenicero de cobre y con la otra un mantel tie-
ne la sensacioacuten de que el cenicero estaacute maacutes friacuteo que el mantel Esto
ocurre dado que como el cobre es un buen conductor teacutermico el
calor entregado por la mano a la zona de contacto del material
se transmite raacutepidamente al resto del objeto En cambio como
el mantel no es un buen conductor teacutermico cuando se lo toca
la transferencia de calor al resto del material es muy lenta la
temperatura de la zona de contacto aumenta hasta equiparar-
se con la piel y esto da la sensacioacuten de estar maacutes caliente
El caacutelculo es por lo general complica-
do Pero si la transferencia de calor se
produce en una sola direccioacuten y la tem-
peratura variacutea solo en esa direccioacuten se
simplifica Por ejemplo si se considera
un vidrio plano (como el de una venta-
na) se puede conocer queacute cantidad de
energiacutea transferida a traveacutes del vidrio va desde la superficie o cara de mayor temperatura
hacia la de menor temperatura Para esto es necesario tener en cuenta el tipo de vidrio
ya que no todos tienen la misma conductividad teacutermica
La cantidad de calor que se transmite por unidad de tiempo en este caso se puede
simbolizar mediante la siguiente expresioacuten matemaacutetica
Q ___ Δ τ = K ∙ S∙ ΔT ___ Δx
donde τ es el tiempo (para no confundirlo con T de temperatura) Q ___ Δ τ es la cantidad
de calor transmitida a traveacutes del vidrio por unidad de tiempo K es el coeficiente de
conductividad teacutermica que depende del material en este caso del vidrio S es la
superficie perpendicular a la direccioacuten de propagacioacuten y ΔT ___ Δx la variacioacuten de tempera-
tura entre las caras dividida por el espesor del vidrio
Se puede decir entonces que
la cantidad de calor que atraviesa
por unidad de tiempo una placa
de vidrio es mayor cuanto mayor
sea la superficie considerada y la
variacioacuten de temperatura entre sus
caras y cuanto menor sea el espe-
sor o distancia entre dichas caras
Algunos materiales conducen el calor
con mayor facilidad que otros asiacute los metales tienen alta conductividad teacutermica compararada por ejemplo con la capacidad de transmitir el calor de la madera algunos plaacutesticos ceraacutemicas etcLa conductividad teacutermica del cobre es de 330 kcalm middot h middot K la de la madera es de 01 a 03 kcalm middot h middot K y la del telgopor 003 kcalm middot h middot K
155
Conveccioacuten
Se si desea colocar estufas en las habitaciones de una casa para calefaccionarla hay que deci-
dir cuaacutel es el lugar maacutes adecuado para que se aproveche la energiacutea de la mejor manera posible
Es necesario tener en cuenta no solo las dimensiones de las habitaciones que se
desean calefaccionar sino tambieacuten el fenoacutemeno fiacutesico que se denomina transmisioacuten de
calor por conveccioacuten
La masa de aire cercana a la estufa aumenta su
temperatura por lo cual el aire se torna menos denso
que el resto de aire alejado de la estufa
Se origina asiacute un movimiento ascendente y des-
cendente de la masa de aire y se generan las deno-
minadas corrientes convectivas con un permanente
desplazamiento de materia
Este fenoacutemeno se puede observar tambieacuten en las
capas de aire que rodean la Tierra que provocan cam-
bios climaacuteticos seguacuten sus caracteriacutesticas Estas masas
de aire pueden ser maacutes caacutelidas en ciertas zonas que en
otras maacutes huacutemedas (por contener mayor cantidad de
vapor de agua) maacutes secas de mayor o menor presioacuten
La temperatura del aire puede ser influida por la propiedad de la superficie terrestre
hecho que es muy relevante para algunos estudios metereoloacutegicos
Estas corrientes convectivas que naturalmente se forman en la
atmoacutesfera son factores que tienen en cuenta por ejemplo las aves los
aladeltistas y otros deportistas que aprovechan las condiciones del aire
para elevarse Esto ocurre dado que al encontrarse con una masa de aire
caliente ascienden con maacutes facilidad y de esta forma ldquoahorranrdquo energiacutea
y pueden mantenerse en vuelo planeando sin tanto esfuerzo
La conveccioacuten se produce tanto en los gases como en los liacutequidos
Es sencillo observar que cuando se calienta agua en alguacuten recipiente
de vidrio transparente se produce
un movimiento ascendente desde la
parte inferior en contacto con la lla-
ma de fuego hacia la parte superior del recipiente
La masa liacutequida de mayor temperatura se dilata
por lo que disminuye su densidad asciende dentro del
recipiente y tiende a desplazar hacia la parte inferior
a la masa de agua liacutequida de menor temperatura
iquestOtra forma de transmisioacuten del calor
Algunos cientiacuteficos consideran que maacutes que una forma de transmisioacuten del calor la
radiacioacuten a la que ya se ha hecho referencia anteriormente implica una manera de inter-
cambio de energiacutea maacutes general
Esta transferencia de energiacutea no se da por intercambio de calor entre cuerpos que se
encuentran a distintas temperaturas ni por trabajo Involucran transferencias de energiacutea
por medio de ondas electromagneacuteticas Asiacute por ejemplo entre dos antenas se transfiere
energiacutea por radiacioacuten
156 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
Materiales Tubo de ensayo Trocitos de hielo Una moneda Agua Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen en el tubo de ensayo los trocitos de hielo cubiertos por la moneda
2Agreguen un poco de agua
3 Acerquen la parte superior del tubo al mechero o calentador
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Corrientes convectivas en liacutequidos
Materiales Agua Recipiente Trocitos de tiza de color o yerba mate Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen agua en un recipiente
2 Agreguen trocitos de tiza de color o un poco de yerba mate
3 Coloquen el recipiente al fuego
hasta que hierva el agua
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Materiales Dos latitas de gaseosa vaciacuteas Un poco de agua Pintura o cartulina negra Mechero o calentador Termoacutemetro
Procedimiento1 Tomen una de las latas y piacutentenla de negro o foacuterrenla con la cartulina negra
2 Anoten la temperatura inicial del agua
3 Coloquen la misma cantidad de agua en las dos latas
4 Pongan a calentar las dos latas a igual distancia del fuego
5 Controlen la temperatura del agua en cada lata cada 10 minutos
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestCoinciden los registros de temperatura de ambas latas
b iquestPor queacute Justifiquen su respuesta
iquestEl agua es un buen conductor teacutermico
Transmisioacuten de energiacutea por radiacioacuten
157
Los cambios de estado
Los materiales se presentan baacutesicamente en tres estados soacutelido liacutequido y gaseoso
Estos estados no son una caracteriacutestica invariable de los cuerpos ya que pueden modifi-
carse por ejemplo si se variacutea la temperatura y la presioacuten a la que estaacuten sometidos dichos
cuerpos Por ejemplo se puede fundir hierro si se lleva su temperatura a maacutes de 1500 degC
Una caracteriacutestica de los liacutequidos es la relativa libertad de movimiento de sus moleacute-
culas Si se suministra calor a un liacutequido y se logra aumentar la temperatura tambieacuten
aumentaraacute el movimiento de sus moleacuteculas las que pueden escapar de la superficie liacutequi-
da Este proceso que se da en la superficie del liacutequido se llama evaporacioacuten y puede ocu-
rrir a cualquier temperatura
A medida que aumenta la temperatura se modifica la estructura de enlace entre las
moleacuteculas Ellas no pueden mantenerse lo suficientemente cerca entre siacute para que la sus-
tancia continuacutee liacutequida lo que provoca que las moleacuteculas escapen auacuten maacutes faacutecilmente al
aire Este es el fenoacutemeno de ebullicioacuten y es conveniente resaltar que la temperatura en
la que este proceso ocurre llamada temperatura de ebullicioacuten se mantendraacute estable en
determinadas condiciones de presioacuten
Todo este proceso corresponde al cambio de estado denominado vaporizacioacuten
Cada sustancia tiene su propio punto de ebullicioacuten punto de fusioacuten y punto de solidi-
ficacioacuten que corresponden a las temperaturas y presiones en que se producen los cambios
de estado
El ciclo del agua o ciclo hidroloacutegico
Es muy comuacuten ejemplificar los cambios de estado con el agua para lo que suele apro-
vecharse el llamado ciclo hidroloacutegico o ciclo del agua que se produce en la naturaleza y
en el que se diferencian los siguientes fenoacutemenos
El agua se evapora continuamente pasando de estado liacutequido a gaseoso
Las nubes estaacuten formadas por pequentildeas gotas de agua liacutequida que ascienden por las
corrientes de aire
La lluvia se produce cuando se forman gotas maacutes gran-
des que precipitan
La nieve y el granizo se for-
man cuando la temperatura es
muy baja y se solidifican las
gotas de agua liacutequida
La niebla se produce en
lugares con altos porcentajes de
humedad y trae aparejada una
disminucioacuten en las temperatu-
ras
El rociacuteo o la escarcha se
producen por la condensacioacuten o
solidificacioacuten del agua de la atmoacutes-
fera debido a las marcadas diferencias
de temperatura entre el diacutea y la noche
Las posibles transformaciones de un
estado a otro son las siguientes
FusioacutenVaporizacioacuten
Sublimacioacuten
Volatilizacioacuten
SolidificacioacutenCondensacioacuten
Soacutelido
Liacutequido
Gaseoso
Hielo
PrecipitacioacutenEvaporacioacuten
Corriente subterraacutenea
Infiltracioacuten
Radiacioacuten solar
Condensacioacuten
Accioacuten del viento
Evaporacioacuten
Corriente
superficial
Transpiracioacuten
158 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Calor de fusioacuten y calor latente de vaporizacioacuten
Cada cambio de estado se acompantildea de un intercambio de energiacutea entre el sistema y
el medio exterior Por ejemplo se necesita energiacutea para fundir el hielo De esta forma se
pueden contrarrestar los efectos de las fuerzas que mantienen las moleacuteculas de agua en
posicioacuten fija en el soacutelido
Si la moleacuteculas de un soacutelido absorben suficiente energiacutea es posible que las fuerzas de
atraccioacuten entre moleacuteculas ya no puedan mantener su unioacuten entonces se produce el pasaje
de estado soacutelido a liacutequido
La vaporizacioacuten tambieacuten necesita energiacutea y sucede algo similar con las fuerzas de
atraccioacuten que mantienen las moleacuteculas cercanas entre siacute en la superficie del liacutequido
Un aumento de energiacutea pude ocasionar que las moleacuteculas escapen del liacutequido para
transformarse en moleacuteculas de vapor
En la medida en que aumentan las fuerzas intermoleculares la cantidad de energiacutea
necesaria para generar un cambio de fase tambieacuten se incrementa
En otros casos para poder cambiar de estado el sistema tiene que ceder energiacutea al
medio Por ejemplo el agua liacutequida debe ceder calor al medio para solidificarse
Se denomina calor latente de vaporizacioacuten a la energiacutea intercambiada por unidad de
masa para producir ese cambio de estado
Por ejemplo cada gramo de agua liacutequida a 100 ordmC y presioacuten normal debe absorber 540 cal
para convertirse en un gramo de agua en estado de vapor a la misma temperatura
La evaporacioacuten se acompantildea de un efecto de enfriamiento en la medida que el agua se
evapora absorbe calor del cuerpo del cual se evapora
El alto calor latente de vaporizacioacuten del agua 540 calg permite el enfriamiento de
las plantas por evaporacioacuten desde la superficie foliar las que reciben gran cantidad de
calor por efecto de la radiacioacuten solar La transpiracioacuten es un importante fenoacutemeno en la
regulacioacuten de la temperatura de muchos seres vivos
El calor latente de fusioacuten del hielo es de 80 calg esto significa que cada gramo de
hielo a 0 ordmC debe absorber 80 cal para convertirse en un gramo de agua liacutequida a 0 ordmC
De manera anaacuteloga al ceder 80 cal cada gramo de agua liacutequida se transforma en hielo
sin modificarse la temperatura
Se puede decir que el calor latente l indica una medida de la cantidad de calor por uni-
dad de masa que se necesita para cambiar de estado sin modificar la temperatura
Esto puede expresarse mediante la siguiente foacutermula
l = Q __ m o lo que es equivalente Q = l middot m
donde l es el calor latente Q es el calor y m la masa del cuerpo
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Hidroacutegeno -2591 139 -2627 1067
Oxiacutegeno -2184 33 -1830 51
Agua 00 80 1000 3594
Mercurio -389 28 3599 697
Plomo 3274 59 1620 -
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Plata 9605 26 1950 552
Cobre 10380 489 2595 1145
Hierro 1535 637 3200 1110
Tungsteno 3390 457 5900 460
159
CIE
NCIA
HIS
TORIA
Y S
OCIE
DAD
La historia la tradicioacuten y las modas arquitectoacutenicas contribuyen a determinar la forma y el tipo de las construcciones iquestCon queacute materiales se construye una casa iquestPor queacute para un determinado uso y funcioacuten se requieren distintos tipos de materialesEn los uacuteltimos antildeos la preocupacioacuten de los arquitectos y tambieacuten de los cientiacuteficos a la hora de proyectar un edificio se manifiesta en la obtencioacuten y aprovechamiento de los materiales con el fin de optimizar el uso de energiacutea en las viviendasLa sociedad moderna requiere grandes cantidades de energiacutea para su funcionamiento normal pero es importante reflexionar sobre el uso oacuteptimo y racional de las fuentes de energiacutea como el carboacuten el gas natural el petroacuteleo y todos sus derivados ya que no son renovablesSe estima que el petroacuteleo y el gas natural alcanzaraacuten para unos 50 a 100 antildeos maacutes mientras que el carboacuten para unos 200 a 300 antildeos maacutesMantener las viviendas calefaccionadas durante el invierno forma parte del bienestar de las personas y optimizar la energiacutea disponible en una casa depende del
cuidado de los recursos utilizados para este finEs importante tener una adecuada aislacioacuten teacutermica en todos los lugares posibles de fuga o peacuterdida de calor sobre todo del techo dado que el aire caliente es maacutes liviano y tiende a subir Existen actualmente en el comercio variedades de aislantes teacutermicos que reducen esas peacuterdidas y permiten ahorrar energiacutea Entre ellos el telgopor
las maderas los plaacutesticos las planchas de corcho las fibras de vidrio los ladrillos huecos refractarios etciquestCuaacuteles son los intercambios de energiacutea en forma de calor que se dan en una casaiquestCuaacutenta energiacutea se transfiere al exteriorEn una casa tiacutepica se disipa calor al exterior seguacuten se muestra en el siguiente esquema
El intercambio de calor en una casaEl hombre puede vivir en diversas regiones de la Tierra desde los troacutepicos hasta los polos en los bosques y en el desierto en las llanuras o montantildeas Aun cuando las condiciones cli-maacuteticas resulten hostiles el ser humano disentildea y construye sus viviendas para protegerse de las inclemencias del tiempo aprovechando los materiales de la zona
Un 35 a traveacutes de las ventanas por
conduccioacuten y radiacioacuten
Un 15 por las
paredes por
conduccioacuten y
conveccioacuten
Un 25 se transfiere
a traveacutes del techo
por conduccioacuten
y conveccioacuten
Un 5 se escapa
de chimeneas y
otros conductos
Un 5 a traveacutes
de rendijas
Un 15 por conduccioacuten a
traveacutes del suelo
160 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
CIE
NCIA
H
ISTO
RIA
Y S
OCIE
DAD
El tipo de material empleado
La energiacutea en forma de calor que se transfiere por segundo desde cualquier habitacioacuten a otra se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten que es similar a la presentada en conductividad teacutermica
P = K middot S middot Δt donde P es la energiacutea en forma de calor transmitida por unidad de tiempo Δt es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la habitacioacuten S es la superficie de los materiales que componen la habitacioacuten y K es un coeficiente caracteriacutestico del material utilizadoLos profesionales utilizan tablas con los valores K de algunas estructuras utilizadas habitualmente en la construccioacuten de una casa como las de la tabla
Luego de la lectura del textoa Sugieran posibles soluciones para prevenir las transfe-rencias de energiacutea desde el interior de las viviendas hacia el exteriorb Confeccionen una lista de las partes de una casa que pueden llevar aislantes teacutermicos y averiguumlen con queacute materiales estaacuten fabricados
c Realicen un disentildeo experimental para calcular la ener-giacutea que se transfiere del interior al exterior de su casad Describan sus disentildeos y busquen informacioacuten sobre uso de materiales en la construccioacuten de viviendas seguacuten sus propiedades y usos
aACTIVIDADES
iquestDe queacute depende la mayor o menor cantidad de energiacutea transferida
Los arquitectos e ingenieros consideran que la transferencias de energiacutea desde el interior hacia el exterior dependen fundamentalmente de los siguientes factores
La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la habitacioacuten Cuanto mayor es esta diferencia mayor es el flujo de energiacutea y maacutes raacutepido se produce el intercambio
Las superficies de los distintos materiales que componen la habitacioacuten Cuanto mayor es la superficie mayor transferencia de energiacutea al exterior
Espuma aislante Muro de ladrillos Tejas para techo
Casa construida
Tipos de estructuraValores K
(w ( m 2 ordmC))
Techo de tejas sin aislamiento
22
Techo de tejas con aislamiento 045
Ventanas con vidrio de 6 mm 56
Ventanas con vidrios dobles con 20 mm de separacioacuten
28
Pared de ladrillos con yeso (114 mm) 1324
Doble pared de ladrillos con caacutemara de aire de 280 mm
17
Doble pared de ladrillos con aislamiento en el
06
Piso de ceraacutemica sobre viguetas 42
Piso de madera sobre viguetas 17
161
IDEAS BAacuteSICAS DE LA UNIDAD
La temperatura es una variable de estado del cuerpo relacionada con la energiacutea cineacutetica
del movimiento de sus partiacuteculas
Los cuerpos no tienen friacuteo ni calor tienen bajas o altas temperaturas
Un termoacutemetro es un instrumento que se utiliza para medir la temperatura
Generalmente los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuan-
do disminuye su temperatura
Se denomina calor a la forma de intercambio de energiacutea entre dos cuerpos de distintas
temperaturas que se ponen en contacto teacutermico
La transferencia de calor se da espontaacuteneamente desde el cuerpo de mayor temperatura al
de menor temperatura
Dos cuerpos de distintas temperaturas que intercambian energiacutea logran el equilibrio teacutermi-
co cuando equiparan sus temperaturas
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la cantidad de
calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
El calor se propaga por tres formas baacutesicas conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten
La conduccioacuten se produce cuando se transfiere energiacutea en forma de calor desde las moleacute-
culas o partiacuteculas que se encuentran en zonas de mayor temperatura a las que se encuentran
en zonas de menor de temperatura sin desplazamiento de materia
En los liacutequidos y gases se generan corrientes convectivas con desplazamiento de materia
A los malos conductores del calor se los llama aislantes teacutermicos
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmC
( T F ndash 32 ordmC) Escala Celcius
T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
T C Escala Farenheit
T K = 27315 + T C Escala termomeacutetrica
ΔL = L o ∙ α ∙ Δt Dilatacioacuten liacuteneal
Q = c ∙ m ∙Δt Calorimetriacutea
Q ___ Δt = K ∙ S ∙ Δt ___ Δx Cantidad de calor que se transfiere
por conduccioacuten de un soacutelido
Foacutermulas
162 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
ACTIVIDADES DE INTEGRACIOacuteN1 Si se colocan 1000 g de agua en un recipiente y 2000 g de agua
en otro ambos a 20 degC y se les entrega igual cantidad de calor en
iguales condiciones de presioacuten normal iquestalcanzaraacuten el mismo punto
de ebullicioacuten iquestPor queacute
2 iquestPor queacute algunos vidrios como los llamados Pyrex no se rompen
cuando se someten a elevadas temperaturas
3 iquestQueacute ocurririacutea si usamos un termoacutemetro de mercurio contenido en
un recipiente cuyo coeficiente de dilatacioacuten fuera similar al del mer-
curio
4 iquestPor queacute el agua no se emplea como sustancia termomeacutetrica
5 Si colocan en un horno dos cuerpos de igual masa pero diferente
calor especiacutefico iquestcuaacutel alcanzaraacute primero la temperatura del horno
iquestPor queacute
6 iquestPor queacute generalmente las estufas y radiadores se colocan en la
parte inferior de la pared
7 Los habitantes del desierto suelen cubrirse con varias capas de
telas a modo de tuacutenicas por lo general claras iquestPor queacute razoacuten se
cubren tanto
8 Si se saca un recipiente del horno con un trozo de tela mojado es
probable que se sienta maacutes ldquocalienterdquo que si lo tomamos con una tela
seca iquestQueacute explicacioacuten fiacutesica tiene este hecho
9 Algunos alimentos que compramos en los negocios de venta al
puacuteblico como restaurantes se colocan en recipientes aislantes iquestPor
queacute iquestDe queacute material estaacuten hechos estos recipientes
10 iquestQueacute funcioacuten cumple un termo Justifiquen sus respuestas en
teacuterminos fiacutesicos
11 La temperatura de un diacutea de invierno en la Antaacutertida puede ser
inferior a ndash50 ordmC iquestA cuaacutentos grados Fahrenheit corresponde
12 Un termoacutemetro estaacute graduado en una escala degX tal que 20 degC
corresponden a 30 degX y 120 degC corresponden a 300 degX iquestCuaacutel es el
valor en la escala degX que corresponde a 50 degC Justifiquen sus res-
puestas
13 iquestQueacute cantidad de calor absorbe un cuerpo de 50 g de hierro que
se encuentra a una temperatura de 25 ordmC cuando su temperatura
aumenta a 100 ordmC
14 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia sabiendo que una
masa de 10 g absorbe 250 caloriacuteas cuando su temperatura variacutea 200
ordmC
15 Una dieta normal para una persona adulta en actividad es de
aproximadamente 2500 kcal diarias iquestA cuaacutentos joule equivale este
valor energeacutetico
16 Se mezclan 50 g de agua a 30 ordmC con 25 g de agua a 20 ordmC en un
recipiente aislado iquestQueacute temperatura final tiene esa mezcla
17 La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 degC Determinen
su longitud en un diacutea en que la temperatura es de 34 degC Consulten
la tabla de coeficientes de dilatacioacuten lineal de la paacutegina 146
18 Una barra de metal de longitud L o a 0 degC sufre un aumento de
longitud de un centeacutesimo de su longitud inicial cuando su tempera-
tura es de 500 degC iquestCuaacutel es el coeficiente de dilatacioacuten del metal
19 iquestCoacutemo podriacutean comprobar que la cantidad de calor que inter-
cambia un cuerpo para modificar su temperatura depende de la
masa del cuerpo Disentildeen un experimento descriacutebanlo y justifiquen
sus hipoacutetesis
20 Seguacuten la teoriacutea del caloacuterico el calor era considerado como una
sustancialidad de los cuerpos Teniendo en cuenta esta teoriacutea dise-
ntildeen un experimento que permita comprobar o refutar la siguiente
hipoacutetesis ldquoEl calor que tienen los cuerpos pesardquo
21 El valor caloacuterico de una barra de 100 g de chocolate es 550 kcal Supongan que se utilizara toda esa energiacutea para elevar la tempera-tura del agua desde los 15 ordmC con que sale de la canilla hasta 100 ordmC iquestcuaacutenta agua se podriacutea calentar
22 Se le suministra a un cuerpo de masa m de cierto material energiacutea por valor de 100 joule y el cuerpo incrementa su tempe-ratura en Δt iquestCuaacutenta energiacutea habraacute que suministrarle a un cuerpo del miso material cuya masa es el triple de la del primero para que el aumento de temperatura sea la mitad que en el primer caso
163
AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
147
Aplicaciones del coeficiente de dilatacioacuten lineal
iquestEn cuaacutento se incrementa la longitud de una barra de hierro de 100 m de largo cuan-
do su temperatura aumenta 15 ordmC
En el lateral de la paacutegina 146 se puede observar que el coeficiente de dilatacioacuten
lineal del hierro es de 12 middot 10 ndash5 ordm C ndash1 por lo tanto
ΔL = L o middot α middot ΔT = 100 m middot 12 middot 10 ndash5 ordm C ndash1 middot 15 ordmC = 0018 m = 18 middot 10 ndash2 m
Cuando la temperatura aumenta 15ordmC la barra de hierro de 100 m aumenta enton-
ces 0018 m
Calor
Las personas suelen decir frases como las siguientes iexclQueacute caliente que estaacute el agua iexclHoy hace
mucho calor hay maacutes de 30 grados Cerremos la ventana que entra friacuteo El calor hizo que la puerta de
hierro se hinchara El calor de la estufa subioacute a las habitaciones de la parte superior de la casa etc Si
bien forman parte de un lenguaje cotidiano estas expresiones tienen poca precisioacuten cientiacutefica
y es necesario aproximarse a una definicioacuten de los conceptos fiacutesicos que permita interpretar y
diferenciar el significado de cada teacutermino que se utiliza desde el lenguaje cientiacutefico
Cabe sentildealar que algunas de estas manifestaciones personales estaacuten muy proacuteximas a las
ideas cientiacuteficas que se manejaron sobre el calor entre mediados del siglo XVIII y las primeras
deacutecadas del siglo XIX bajo la teoriacutea del caloacuterico
El calor era considerado como un fluido material llamado caloacuterico que estaba en el interior
de los cuerpos Esta especie de sustancia capaz de pasar desde los cuerpos de mayor temperatura
a los de menor temperatura explicaba el enfriamiento de los cuerpos por peacuterdida del caloacuterico y
calentamiento por su ganancia
Las primeras criacuteticas de la teoriacutea del caloacuterico que ponen en duda la existencia de dicho
fluido surgen cuando en 1798 Benjamin Thompson (1753-1814) conde de Rumford y ministro
de Guerra de Baviera observoacute que al taladrar grandes piezas de metal para fabricar cantildeones se
desprendiacutean importantes cantidades de calor por frotamiento El conde dudoacute de la existencia del
caloacuterico pues si se trataba de una sustancia deberiacutea acabarse en alguacuten momento de ese proceso
de frotamiento sin embargo esto no ocurriacutea
Mucho tiempo despueacutes las ideas del caloacuterico como sustancia en movimiento fueron sustitui-
das por una nueva concepcioacuten cientiacutefica que planteariacutea la posibilidad de unificar los fenoacutemenos
mecaacutenicos luminosos eleacutectricos magneacuteticos teacutermicos y quiacutemicos bajo el concepto de energiacutea
El calor como intercambio de energiacutea
Todos los cuerpos o sistemas materiales tienen asociada una energiacutea interna que permite
conocer y caracterizar sus propiedades El calor es una forma de intercambio de energiacutea desde el
cuerpo de mayor temperatura hacia el de menor temperatura
Por ejemplo cuando se deja olvidada una taza con cafeacute recieacuten preparado sobre la mesa de la
cocina luego de un cierto tiempo se enfriacutea dado que entre el cafeacute y el aire que rodea la taza se
produjo un intercambio de energiacutea El cafeacute recieacuten preparado a mayor temperatura que el aire del
ambiente que rodea a la taza transfirioacute energiacutea (en forma de calor) al medio
Todos los cuerpos tienen asociada una
cierta energiacutea interna como consecuencia del movimiento de sus partiacuteculas Esta energiacutea interna puede variar cuando se intercambia energiacutea con el medio o con otros cuerpos Si dos o maacutes cuerpos a distintas temperaturas se ponen en contacto teacutermico intercambian espontaacuteneamente energiacutea en forma de calor Asiacute el calor es una forma de transferencia de energiacutea aunque existen otras maneras de intercambio de energiacutea no asociadas a las diferencias de temperaturas sino a las fuerzas y a las ondas electromagneacuteticas Estas dos formas se denominan respectivamente trabajo y radiacioacuten
148 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Radiacioacuten
En este fenoacutemeno
hay una transferencia
de energiacutea desde
un cuerpo a otro El
Sol es una fuente
natural de radiacioacuten
electromagneacutetica que
intercambia energiacutea con
el planeta Tierra
Gas de efecto
invernadero
Peacuterdida de calor y radiacioacuten
Radiacioacuten infrarroja
Absorcioacuten por la superficie
terrestre
Absorcioacuten
por las
nubes
Radiacioacuten solar
absorbida
Radiacioacuten
solar
Radiacioacuten solar
reflejada
Otras formas de intercambio de energiacutea
Ademaacutes del calor existen otras dos formas baacutesicas de transferencia de energiacutea
Por trabajo
Si una persona empuja una mesa ejerce una fuerza
sobre la mesa de tal manera que logra desplazarla
de su posicioacuten inicial Se produce un intercambio de
energiacutea entre la persona y la mesa La mesa aumen-
ta su energiacutea cineacutetica ya que la persona le transfiere
cierta cantidad de energiacutea como consecuencia de
ejercer una fuerza sobre dicha mesa Se dice que los
cuerpos intercambiaron energiacutea por trabajo cuan-
do interactuacutean entre siacute mediante fuerzas
Por radiacioacuten
Cuando una sentildeal que transporta informacioacuten llega
a una antena como por ejemplo la sentildeal satelital que
recepciona la antena de un celular se produce un inter-
cambio de energiacutea pero en este caso no hay accioacuten de
fuerzas ni calor
La radiacioacuten emitida por una fuente emisora es captada
por un receptor que decodifica la sentildeal seguacuten el tipo de
informacioacuten que se transmite En este caso la energiacutea se
transfiere desde la fuente al receptor por ondas electro-
magneacuteticas que se caracterizan porque no necesitan
un medio material de propagacioacuten A diferencia de las
ondas mecaacutenicas pueden hacerlo en el vaciacuteo
Una forma de intercambiar energiacutea entre dos cuerpos o sistemas materiales es por
calor Siempre que dos o maacutes cuerpos que se encuentran a distintas temperaturas se
ponen en contacto teacutermico se produce un intercambio de energiacutea en forma de calor En
los fenoacutemenos espontaacuteneos este proceso continuacutea hasta que dichos cuerpos alcanzan el
equilibrio teacutermico es decir igualan sus temperaturas
Los cuerpos no tienen friacuteo o calor sino que poseen cierta energiacutea interna que puede variar
por ejemplo cuando entran en contacto con otros cuerpos de diferentes temperaturas
La Tierra absorbe el 70 de la energiacutea que proviene
del Sol Parte de esta energiacutea es absorbida por el suelo y parte por los gases de la atmoacutesfera A su vez el suelo terrestre emite tambieacuten radiacioacuten que en parte es reflejada por algunos gases presentes en la atmoacutesfera lo que genera el efecto invernadero
149
Calor especiacutefico
Las sustancias tienen distintas capacidades de absorber energiacutea en forma de calor ya
que frente a la misma cantidad de calor sus temperaturas variacutean en formas diferentes
Por ejemplo si se entrega igual cantidad de calor a una cuchara de aluminio y a una
masa equivalente de agua al cabo de un cierto tiempo se podraacute observar que la cuchara
registra un mayor aumento de temperatura que el agua
Las sustancias tienen capacidades distintas de almacenamiento de energiacutea y esto es
muy evidente con los alimentos
Si se colocan en un horno al mismo tiempo una fuente de papas y una cantidad de
masa equivalente de pollo se advierte que las papas tardan maacutes tiempo en llegar a la
temperatura en equilibrio Esto ocurre porque diferentes sustancias requieren distintas
cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura Se dice que estos alimentos
tienen distintas capacidades caloriacuteficas especiacuteficas o calores especiacuteficos
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la can-
tidad de calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es 1 calg degC lo que significa que cada gramo
de agua necesita intercambiar una caloriacutea para variar su temperatura un grado Celsius El
agua tiene una mayor capacidad de almacenar energiacutea que muchas otras sustancias Por
tal razoacuten una pequentildea masa de agua absorbe una gran cantidad de calor con un aumento
relativo de temperatura bastante pequentildeo Por el mismo motivo se puede explicar que el
agua se enfriacutea maacutes lentamente que otras sustancias Es por esto que el agua se usa como
refrigerante en muchas maquinarias o sistemas como por ejemplo los automoacuteviles
Calorimetriacutea
Se denomina calorimetriacutea a la medicioacuten y el caacutelculo de las cantidades de calor que
intercambia un sistema
Intuitivamente se sabe que cuanto mayor sea la cantidad de calor suministrada el cuer-
po alcanzaraacute una mayor variacioacuten de la temperatura Es posible verificar experimentalmente
que entre el calor y la temperatura existe una relacioacuten de proporcionalidad directa La cons-
tante de proporcionalidad depende tanto de la sustancia que constituye el cuerpo como de
su masa y resulta el producto del calor especiacutefico por la masa del cuerpo
Por lo tanto la ecuacioacuten que permite calcular intercambios de calor es
Q = c middot m middot ΔT
donde Q es el calor intercambiado por un cuerpo de masa m constituido por una sustan-
cia cuyo calor especiacutefico es c siendo ΔT la variacioacuten de temperatura experimentada
Por convencioacuten se adopta el signo positivo para Q cuando la variacioacuten de tempe-
ratura es mayor que cero es decir cuando el cuerpo aumenta su temperatura En caso
contrario cuando la variacioacuten de temperatura es menor que cero el cuerpo disminuye su
temperatura y el signo de Q seraacute negativo
Es decir que la cantidad de calor que intercambian dos cuerpos del mismo material pero
de masas diferentes para variar de igual manera sus temperaturas depende de sus masas
Por ejemplo si se entrega la misma cantidad de calor a 500 g de agua y luego a 1000 g de
agua que inicialmente se encuentran a temperatura ambiente se espera que la variacioacuten de tem-
peratura de la masa menor de agua sea mayor que la correspondiente a la masa mayor de agua
La unidad elegida para medir la cantidad de energiacutea es el
joule J aunque existe otra unidad muy utilizada la caloriacutea (cal) que se define como la cantidad de calor necesario para que un gramo de agua pura pase de 145 degC a 155 degC En alimentacioacuten y nutricioacuten se suelen usar mucho las caloriacuteas para medir el valor energeacutetico de los alimentos Se utiliza la Cal (escrita con mayuacutescula) donde 1 Cal = 1 kcal = 1000 cal
La relacioacuten entre los joules y las caloriacuteas es la siguiente 1 cal = 418 J o bien 1 J = 024 cal
150 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Algunos caacutelculos de calorimetriacutea
Es importante tener en cuenta que en esta transferencia se cumple el Principio de
Conservacioacuten de la Energiacutea ya que se puede afirmar que
Si dos cuerpos o sistemas aislados intercambian energiacutea en forma de calor la cantidad
recibida por uno de ellos es igual a la cantidad cedida por el otro cuerpo
Es decir la energiacutea total intercambiada se conserva Esto se puede escribir matemaacuteti-
camente de la siguiente forma Σ Q = 0
Si se consideran dos cuerpos de masas diferentes m1 y m2 que se encuentran a diferen-
tes temperaturas T1 y T2 respectivamente y se colocan en contacto teacutermico al cabo de un
tiempo equipararaacuten sus temperaturas a una cierta temperatura final Tf es decir alcanza-
raacuten el equilibrio teacutermico En este intercambio se cumple el principio de conservacioacuten de
la energiacutea es decir la cantidad de energiacutea que absorbe un cuerpo es igual a la cantidad de
energiacutea que cede el otro por lo cual se puede escribir que
Q2 = ndash Q1 que es lo mismo que escribir que c2 middot m2 middot (Tf ndash T2) = ndash c1 middot m1 middot (Tf ndash T1)
La temperatura final alcanzada luego del intercambio es
Tf = m 1 middot c 1 middot T 1 + m 2 middot c 2 middot T 2
______________________ m 1 middot c 1 + m 2 middot c 2
Aplicacioacuten de caacutelculos caloriacutemetros
1 Se colocan 500 gramos de agua liacutequida a 10 ordmC en un caloriacutemetro ideal (se despre-
cia el intercambio de calor del caloriacutemetro) y se la mezcla con 1000 gramos de agua a
70 ordmC Calculen la temperatura de equilibrio de esta mezcla
Como
Tf = m 1 middot c 1 middot T 1 + m 2 middot c 2 middot T 2
______________________ m 1 middot c 1 + m 2 middot c 2
entonces
Tf = 500 g middot 1 calg ordmC middot10 ordmC + 1000 g middot 1 calg ordmC middot70 ordmC
______________________________________________ 1 calg ordmC middot (500 g + 1000 g)
Se obtiene como resultado
Tf = 50 ordmC
La temperatura de equilibro de la mezcla es de 50 ordmC
Un caloriacutemetro es un recipiente adiabaacutetico o
teacutermicamente aislado en el que se puede calcular la cantidad de energiacutea en forma de calor que se intercambia cuando se colocan en contacto teacutermico sustancias de diferentes masas y a diferentes temperaturasTambieacuten puede utilizarse para calcular el calor especiacutefico de una determinada sustancia
151
Tabla de calores especiacuteficos de
algunas sustancias
Sustancia c ( cal _____ g ordmC )
Agua 100
Agua de mar 0945
Aire 00000053
Alcohol 058
Aluminio 0212
Arena 020
Bronce 0092
Cobre 0093
Hielo 055
Hierro 0113
Lana de vidrio 000009
Latoacuten 0094
Mercurio 0033
Oro 0031
Plata 0060
Plomo 0031
Vidrio 0199
Zinc 0092
2 Calculen la cantidad de calor necesaria en kcal y J que deben ceder 1500 gramos
de agua que se encuentra en su punto de ebullicioacuten para disminuir su temperatura
hasta 20 degC
Como Q = c middot m middot ΔT entonces
Q = 1 cal ______ g middot ordmC
middot 1500 g middot (20 ordmC minus 100 ordmC) = minus120 000 cal = minus120 kcal
Como ademaacutes 1 cal = 418 J entonces ndash120 000 cal = ndash120 000 middot 418 J = ndash501600 J
Es decir la cantidad de calor necesaria es ndash120 kcal o ndash501600 J
3 iquestCuaacutel seraacute el aumento de temperatura de una barra de 3 kg de hierro si se coloca en un
horno industrial que le suministra 30 kcal Consulten la tabla de calores especiacuteficos
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja ΔT se obtiene que
ΔT = Q _____ c middot m = 30 000 cal ____________________ 0113 calg ordmC middot 3000 g
= 885 ordmC
porque Q = 30 kcal = 30 000 cal m = 3 kg = 3000 g y en la tabla de calores especiacuteficos
se observa que el calor especiacutefico del hierro es de 0113 cal g middot ordmC
Luego la variacioacuten de temperatura es aproximadamente ΔT = 885 ordmC
4 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia que constituye un cuerpo de 20 g de
masa sabiendo que para elevar su temperatura 6 ordmC se necesitan 96 cal
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja c se obtiene
c = Q ______ ΔT middot m = 96 cal __________
6 ordmC middot 20 g = 08 cal ____
gmiddotordmC
5 El sistema de refrigeracioacuten de un camioacuten contiene 20 litros de agua iquestCuaacutel es la
variacioacuten de la temperatura del agua si se debe extraer una cantidad de energiacutea en
forma de calor de 836 000 J
La energiacutea extraiacuteda en forma de calor por el sistema refrigerante pasa al agua
Como 1 J = 024 cal entonces 836 000 J = 836 000 middot 024 = 200 640 cal
Por otro lado Q = c middot m middot ΔT con lo cual si se despeja ΔT se obtiene
ΔT = Q _____ c middot m = 200 640 cal ___________________ 1 cal g ordmC middot 20 000 g
= 10 ordmC
La temperatura del agua aumenta en 10 ordmC
152 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
Materiales
Un termo o sistema aislado (como los recipientes para conservar la comida) con un termoacutemetro 200 g de agua a temperatura ambiente por ejemplo 20 ordmC 70 g de cobre o de alguacuten otro metal Un calentador eleacutectrico de inmersioacuten de 500 600 W Un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) Pinzas de madera Vasos de precipitado o probetas graduadas Una balanza
Procedimiento1 Midan con la balanza la masa de agua a temperatura ambiente necesaria para realizar este experimento
2 Coloquen el agua a temperatura ambiente dentro del termo
3 Midan usando la balanza la masa del trozo de cobre
4 Calienten el trozo de cobre dentro de un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) con agua hasta 100 ordmC en ese caso el cobre tendraacute la misma temperatura
5 Extraigan con las pinzas de madera raacutepidamente la masa de cobre y coloacutequenla dentro del termo con el agua a temperatura ambiente
6 Mezclen los contenidos del termo para asegurarse la obtencioacuten de una temperatura uniforme
7 Efectuacuteen la lectura de la temperatura de equilibrio
8 Realicen los caacutelculos necesarios para obtener el calor especiacutefico del cobre
Contesten las siguientes consignas
a Expliquen en teacuterminos fiacutesicos queacute sucedioacute en esta mezcla de sustancias dentro del termo
b iquestQueacute calor especiacutefico obtuvieron
c Comparen con la tabla de valores aportada en este capiacutetulo iquestCoincide con el registrado
d Si no coincide iquesta queacute factores atribuyen las diferencias entre los resultados obtenidos
e iquestCoacutemo podriacutean mejorar estos resultados Propongan algunas hipoacutetesis para optimizar el disentildeo experimental
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
4 En un caloriacutemetro hay 200 g de agua a 20 degC Se agregan 100 g de agua y se obtiene una temperatura de equilibrio de 30 degC Calculen la temperatura de la masa de agua agregada
5 Se toma un trozo de 50 g de un metal desconocido a 100 degC y se lo coloca en un caloriacutemetro en el que hay 150 g de agua a 20 degC El sistema llega a una temperatura de equilibrio de 253 degC A partir de los datos de la tabla de la paacutegina 151 determinen de queacute metal podriacutea ser el trozo analizado
6 Se colocan dentro de un horno de microondas dos vasos ideacutenticos Uno contiene 100 g de agua y el otro 100 g de alcohol ambos a una temperatura de 15 degC Al hacer fun-cionar el horno durante medio minuto suministra a cada uno de ellos 1500 caloriacuteas Determinen las temperaturas finales del agua y del alcohol
7 Se colocan en un horno dos cubos de iguales masas uno de aluminio y el otro de plomo a iguales temperaturas de 20 ordmC Al encenderse el horno iquestcuaacutel de ellos alcanzaraacute primero la temperatura de 150 ordmC Justifiquen su respuesta
aACTIVIDADES
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
153
Propagacioacuten del calor
La transmisioacuten de energiacutea por diferencia de temperatura entre cuerpos o sistemas que
interactuacutean entre siacute se produce a traveacutes de diferentes procesos como la conduccioacuten o la
conveccioacuten
Conduccioacuten
Si se coloca un extremo de una cuchara de aluminio en contacto con una hornalla
encendida de la cocina raacutepidamente se advierte que el calor se transmite hasta el otro
extremo
En el sector de la cuchara en contacto con el fuego se produce un aumento de la
temperatura que hace que las partiacuteculas comiencen a vibrar con mayor energiacutea cineacutetica
(energiacutea de movimiento) y esta energiacutea se transfiere a las restantes partiacuteculas de la
regioacuten de menor temperatura
Esta transferencia de energiacutea sin desplazamiento de materia desde zonas de un cuerpo que
se encuentra a mayor temperatura a las de menor temperatura se denomina conduccioacuten
Algunos materiales presentan la propiedad de ser mejores conductores del calor que
otros Los malos conductores del calor se denominan aislantes (aunque cabe aclarar que
la aislacioacuten nunca es perfecta)
Los metales en general son mejores conductores del calor que otros materiales como
la madera el vidrio el corcho el telgopor etc
Es por eso que por ejemplo se suele usar madera en los mangos de los utensilios de
cocina para minimizar la transferencia de calor y evitar quemaduras en la piel
El corcho el telgopor la lana de vidrio son utilizados en las construcciones de viviendas como aislantes del
calor y para mantener una temperatura ambiente agradable Algunos de estos materiales son bastante
porosos lo que implica que tienen espacios con mayor cantidad de aire que es un buen aislante
Se denomina conduccioacuten a la transferencia de
energiacutea sin desplazamiento de materia de un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura a otro que se encuentra a menor temperaturaSe llama aislantes a los materiales que son malos conductores de calor
Lana de vidrio Corcho
Tambieacuten algunas prendas de abrigo como las cam-
peras o los cubrecamas utilizan dos recubrimien-
tos entre los cuales se colocan algunos materiales
porosos como goma espuma plumas telas entra-
madas que contienen una buena cantidad de aire
que permite la aislacioacuten teacutermica del medio
Telgopor Vidrio
154 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
iquestDe queacute factores depende la transferencia de calor por conduccioacuten en los materiales soacuteli-
dos iquestSe puede calcular
No todos los materiales conducen el calor de igual forma La conductividad teacutermica es
una medida de a capacidad de conducir el calor de cada material
Cuando una persona se encuentra en una habitacioacuten cuya temperatura ambiente es
por ejemplo 20 degC y toca con una mano un cenicero de cobre y con la otra un mantel tie-
ne la sensacioacuten de que el cenicero estaacute maacutes friacuteo que el mantel Esto
ocurre dado que como el cobre es un buen conductor teacutermico el
calor entregado por la mano a la zona de contacto del material
se transmite raacutepidamente al resto del objeto En cambio como
el mantel no es un buen conductor teacutermico cuando se lo toca
la transferencia de calor al resto del material es muy lenta la
temperatura de la zona de contacto aumenta hasta equiparar-
se con la piel y esto da la sensacioacuten de estar maacutes caliente
El caacutelculo es por lo general complica-
do Pero si la transferencia de calor se
produce en una sola direccioacuten y la tem-
peratura variacutea solo en esa direccioacuten se
simplifica Por ejemplo si se considera
un vidrio plano (como el de una venta-
na) se puede conocer queacute cantidad de
energiacutea transferida a traveacutes del vidrio va desde la superficie o cara de mayor temperatura
hacia la de menor temperatura Para esto es necesario tener en cuenta el tipo de vidrio
ya que no todos tienen la misma conductividad teacutermica
La cantidad de calor que se transmite por unidad de tiempo en este caso se puede
simbolizar mediante la siguiente expresioacuten matemaacutetica
Q ___ Δ τ = K ∙ S∙ ΔT ___ Δx
donde τ es el tiempo (para no confundirlo con T de temperatura) Q ___ Δ τ es la cantidad
de calor transmitida a traveacutes del vidrio por unidad de tiempo K es el coeficiente de
conductividad teacutermica que depende del material en este caso del vidrio S es la
superficie perpendicular a la direccioacuten de propagacioacuten y ΔT ___ Δx la variacioacuten de tempera-
tura entre las caras dividida por el espesor del vidrio
Se puede decir entonces que
la cantidad de calor que atraviesa
por unidad de tiempo una placa
de vidrio es mayor cuanto mayor
sea la superficie considerada y la
variacioacuten de temperatura entre sus
caras y cuanto menor sea el espe-
sor o distancia entre dichas caras
Algunos materiales conducen el calor
con mayor facilidad que otros asiacute los metales tienen alta conductividad teacutermica compararada por ejemplo con la capacidad de transmitir el calor de la madera algunos plaacutesticos ceraacutemicas etcLa conductividad teacutermica del cobre es de 330 kcalm middot h middot K la de la madera es de 01 a 03 kcalm middot h middot K y la del telgopor 003 kcalm middot h middot K
155
Conveccioacuten
Se si desea colocar estufas en las habitaciones de una casa para calefaccionarla hay que deci-
dir cuaacutel es el lugar maacutes adecuado para que se aproveche la energiacutea de la mejor manera posible
Es necesario tener en cuenta no solo las dimensiones de las habitaciones que se
desean calefaccionar sino tambieacuten el fenoacutemeno fiacutesico que se denomina transmisioacuten de
calor por conveccioacuten
La masa de aire cercana a la estufa aumenta su
temperatura por lo cual el aire se torna menos denso
que el resto de aire alejado de la estufa
Se origina asiacute un movimiento ascendente y des-
cendente de la masa de aire y se generan las deno-
minadas corrientes convectivas con un permanente
desplazamiento de materia
Este fenoacutemeno se puede observar tambieacuten en las
capas de aire que rodean la Tierra que provocan cam-
bios climaacuteticos seguacuten sus caracteriacutesticas Estas masas
de aire pueden ser maacutes caacutelidas en ciertas zonas que en
otras maacutes huacutemedas (por contener mayor cantidad de
vapor de agua) maacutes secas de mayor o menor presioacuten
La temperatura del aire puede ser influida por la propiedad de la superficie terrestre
hecho que es muy relevante para algunos estudios metereoloacutegicos
Estas corrientes convectivas que naturalmente se forman en la
atmoacutesfera son factores que tienen en cuenta por ejemplo las aves los
aladeltistas y otros deportistas que aprovechan las condiciones del aire
para elevarse Esto ocurre dado que al encontrarse con una masa de aire
caliente ascienden con maacutes facilidad y de esta forma ldquoahorranrdquo energiacutea
y pueden mantenerse en vuelo planeando sin tanto esfuerzo
La conveccioacuten se produce tanto en los gases como en los liacutequidos
Es sencillo observar que cuando se calienta agua en alguacuten recipiente
de vidrio transparente se produce
un movimiento ascendente desde la
parte inferior en contacto con la lla-
ma de fuego hacia la parte superior del recipiente
La masa liacutequida de mayor temperatura se dilata
por lo que disminuye su densidad asciende dentro del
recipiente y tiende a desplazar hacia la parte inferior
a la masa de agua liacutequida de menor temperatura
iquestOtra forma de transmisioacuten del calor
Algunos cientiacuteficos consideran que maacutes que una forma de transmisioacuten del calor la
radiacioacuten a la que ya se ha hecho referencia anteriormente implica una manera de inter-
cambio de energiacutea maacutes general
Esta transferencia de energiacutea no se da por intercambio de calor entre cuerpos que se
encuentran a distintas temperaturas ni por trabajo Involucran transferencias de energiacutea
por medio de ondas electromagneacuteticas Asiacute por ejemplo entre dos antenas se transfiere
energiacutea por radiacioacuten
156 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
Materiales Tubo de ensayo Trocitos de hielo Una moneda Agua Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen en el tubo de ensayo los trocitos de hielo cubiertos por la moneda
2Agreguen un poco de agua
3 Acerquen la parte superior del tubo al mechero o calentador
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Corrientes convectivas en liacutequidos
Materiales Agua Recipiente Trocitos de tiza de color o yerba mate Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen agua en un recipiente
2 Agreguen trocitos de tiza de color o un poco de yerba mate
3 Coloquen el recipiente al fuego
hasta que hierva el agua
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Materiales Dos latitas de gaseosa vaciacuteas Un poco de agua Pintura o cartulina negra Mechero o calentador Termoacutemetro
Procedimiento1 Tomen una de las latas y piacutentenla de negro o foacuterrenla con la cartulina negra
2 Anoten la temperatura inicial del agua
3 Coloquen la misma cantidad de agua en las dos latas
4 Pongan a calentar las dos latas a igual distancia del fuego
5 Controlen la temperatura del agua en cada lata cada 10 minutos
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestCoinciden los registros de temperatura de ambas latas
b iquestPor queacute Justifiquen su respuesta
iquestEl agua es un buen conductor teacutermico
Transmisioacuten de energiacutea por radiacioacuten
157
Los cambios de estado
Los materiales se presentan baacutesicamente en tres estados soacutelido liacutequido y gaseoso
Estos estados no son una caracteriacutestica invariable de los cuerpos ya que pueden modifi-
carse por ejemplo si se variacutea la temperatura y la presioacuten a la que estaacuten sometidos dichos
cuerpos Por ejemplo se puede fundir hierro si se lleva su temperatura a maacutes de 1500 degC
Una caracteriacutestica de los liacutequidos es la relativa libertad de movimiento de sus moleacute-
culas Si se suministra calor a un liacutequido y se logra aumentar la temperatura tambieacuten
aumentaraacute el movimiento de sus moleacuteculas las que pueden escapar de la superficie liacutequi-
da Este proceso que se da en la superficie del liacutequido se llama evaporacioacuten y puede ocu-
rrir a cualquier temperatura
A medida que aumenta la temperatura se modifica la estructura de enlace entre las
moleacuteculas Ellas no pueden mantenerse lo suficientemente cerca entre siacute para que la sus-
tancia continuacutee liacutequida lo que provoca que las moleacuteculas escapen auacuten maacutes faacutecilmente al
aire Este es el fenoacutemeno de ebullicioacuten y es conveniente resaltar que la temperatura en
la que este proceso ocurre llamada temperatura de ebullicioacuten se mantendraacute estable en
determinadas condiciones de presioacuten
Todo este proceso corresponde al cambio de estado denominado vaporizacioacuten
Cada sustancia tiene su propio punto de ebullicioacuten punto de fusioacuten y punto de solidi-
ficacioacuten que corresponden a las temperaturas y presiones en que se producen los cambios
de estado
El ciclo del agua o ciclo hidroloacutegico
Es muy comuacuten ejemplificar los cambios de estado con el agua para lo que suele apro-
vecharse el llamado ciclo hidroloacutegico o ciclo del agua que se produce en la naturaleza y
en el que se diferencian los siguientes fenoacutemenos
El agua se evapora continuamente pasando de estado liacutequido a gaseoso
Las nubes estaacuten formadas por pequentildeas gotas de agua liacutequida que ascienden por las
corrientes de aire
La lluvia se produce cuando se forman gotas maacutes gran-
des que precipitan
La nieve y el granizo se for-
man cuando la temperatura es
muy baja y se solidifican las
gotas de agua liacutequida
La niebla se produce en
lugares con altos porcentajes de
humedad y trae aparejada una
disminucioacuten en las temperatu-
ras
El rociacuteo o la escarcha se
producen por la condensacioacuten o
solidificacioacuten del agua de la atmoacutes-
fera debido a las marcadas diferencias
de temperatura entre el diacutea y la noche
Las posibles transformaciones de un
estado a otro son las siguientes
FusioacutenVaporizacioacuten
Sublimacioacuten
Volatilizacioacuten
SolidificacioacutenCondensacioacuten
Soacutelido
Liacutequido
Gaseoso
Hielo
PrecipitacioacutenEvaporacioacuten
Corriente subterraacutenea
Infiltracioacuten
Radiacioacuten solar
Condensacioacuten
Accioacuten del viento
Evaporacioacuten
Corriente
superficial
Transpiracioacuten
158 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Calor de fusioacuten y calor latente de vaporizacioacuten
Cada cambio de estado se acompantildea de un intercambio de energiacutea entre el sistema y
el medio exterior Por ejemplo se necesita energiacutea para fundir el hielo De esta forma se
pueden contrarrestar los efectos de las fuerzas que mantienen las moleacuteculas de agua en
posicioacuten fija en el soacutelido
Si la moleacuteculas de un soacutelido absorben suficiente energiacutea es posible que las fuerzas de
atraccioacuten entre moleacuteculas ya no puedan mantener su unioacuten entonces se produce el pasaje
de estado soacutelido a liacutequido
La vaporizacioacuten tambieacuten necesita energiacutea y sucede algo similar con las fuerzas de
atraccioacuten que mantienen las moleacuteculas cercanas entre siacute en la superficie del liacutequido
Un aumento de energiacutea pude ocasionar que las moleacuteculas escapen del liacutequido para
transformarse en moleacuteculas de vapor
En la medida en que aumentan las fuerzas intermoleculares la cantidad de energiacutea
necesaria para generar un cambio de fase tambieacuten se incrementa
En otros casos para poder cambiar de estado el sistema tiene que ceder energiacutea al
medio Por ejemplo el agua liacutequida debe ceder calor al medio para solidificarse
Se denomina calor latente de vaporizacioacuten a la energiacutea intercambiada por unidad de
masa para producir ese cambio de estado
Por ejemplo cada gramo de agua liacutequida a 100 ordmC y presioacuten normal debe absorber 540 cal
para convertirse en un gramo de agua en estado de vapor a la misma temperatura
La evaporacioacuten se acompantildea de un efecto de enfriamiento en la medida que el agua se
evapora absorbe calor del cuerpo del cual se evapora
El alto calor latente de vaporizacioacuten del agua 540 calg permite el enfriamiento de
las plantas por evaporacioacuten desde la superficie foliar las que reciben gran cantidad de
calor por efecto de la radiacioacuten solar La transpiracioacuten es un importante fenoacutemeno en la
regulacioacuten de la temperatura de muchos seres vivos
El calor latente de fusioacuten del hielo es de 80 calg esto significa que cada gramo de
hielo a 0 ordmC debe absorber 80 cal para convertirse en un gramo de agua liacutequida a 0 ordmC
De manera anaacuteloga al ceder 80 cal cada gramo de agua liacutequida se transforma en hielo
sin modificarse la temperatura
Se puede decir que el calor latente l indica una medida de la cantidad de calor por uni-
dad de masa que se necesita para cambiar de estado sin modificar la temperatura
Esto puede expresarse mediante la siguiente foacutermula
l = Q __ m o lo que es equivalente Q = l middot m
donde l es el calor latente Q es el calor y m la masa del cuerpo
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Hidroacutegeno -2591 139 -2627 1067
Oxiacutegeno -2184 33 -1830 51
Agua 00 80 1000 3594
Mercurio -389 28 3599 697
Plomo 3274 59 1620 -
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Plata 9605 26 1950 552
Cobre 10380 489 2595 1145
Hierro 1535 637 3200 1110
Tungsteno 3390 457 5900 460
159
CIE
NCIA
HIS
TORIA
Y S
OCIE
DAD
La historia la tradicioacuten y las modas arquitectoacutenicas contribuyen a determinar la forma y el tipo de las construcciones iquestCon queacute materiales se construye una casa iquestPor queacute para un determinado uso y funcioacuten se requieren distintos tipos de materialesEn los uacuteltimos antildeos la preocupacioacuten de los arquitectos y tambieacuten de los cientiacuteficos a la hora de proyectar un edificio se manifiesta en la obtencioacuten y aprovechamiento de los materiales con el fin de optimizar el uso de energiacutea en las viviendasLa sociedad moderna requiere grandes cantidades de energiacutea para su funcionamiento normal pero es importante reflexionar sobre el uso oacuteptimo y racional de las fuentes de energiacutea como el carboacuten el gas natural el petroacuteleo y todos sus derivados ya que no son renovablesSe estima que el petroacuteleo y el gas natural alcanzaraacuten para unos 50 a 100 antildeos maacutes mientras que el carboacuten para unos 200 a 300 antildeos maacutesMantener las viviendas calefaccionadas durante el invierno forma parte del bienestar de las personas y optimizar la energiacutea disponible en una casa depende del
cuidado de los recursos utilizados para este finEs importante tener una adecuada aislacioacuten teacutermica en todos los lugares posibles de fuga o peacuterdida de calor sobre todo del techo dado que el aire caliente es maacutes liviano y tiende a subir Existen actualmente en el comercio variedades de aislantes teacutermicos que reducen esas peacuterdidas y permiten ahorrar energiacutea Entre ellos el telgopor
las maderas los plaacutesticos las planchas de corcho las fibras de vidrio los ladrillos huecos refractarios etciquestCuaacuteles son los intercambios de energiacutea en forma de calor que se dan en una casaiquestCuaacutenta energiacutea se transfiere al exteriorEn una casa tiacutepica se disipa calor al exterior seguacuten se muestra en el siguiente esquema
El intercambio de calor en una casaEl hombre puede vivir en diversas regiones de la Tierra desde los troacutepicos hasta los polos en los bosques y en el desierto en las llanuras o montantildeas Aun cuando las condiciones cli-maacuteticas resulten hostiles el ser humano disentildea y construye sus viviendas para protegerse de las inclemencias del tiempo aprovechando los materiales de la zona
Un 35 a traveacutes de las ventanas por
conduccioacuten y radiacioacuten
Un 15 por las
paredes por
conduccioacuten y
conveccioacuten
Un 25 se transfiere
a traveacutes del techo
por conduccioacuten
y conveccioacuten
Un 5 se escapa
de chimeneas y
otros conductos
Un 5 a traveacutes
de rendijas
Un 15 por conduccioacuten a
traveacutes del suelo
160 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
CIE
NCIA
H
ISTO
RIA
Y S
OCIE
DAD
El tipo de material empleado
La energiacutea en forma de calor que se transfiere por segundo desde cualquier habitacioacuten a otra se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten que es similar a la presentada en conductividad teacutermica
P = K middot S middot Δt donde P es la energiacutea en forma de calor transmitida por unidad de tiempo Δt es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la habitacioacuten S es la superficie de los materiales que componen la habitacioacuten y K es un coeficiente caracteriacutestico del material utilizadoLos profesionales utilizan tablas con los valores K de algunas estructuras utilizadas habitualmente en la construccioacuten de una casa como las de la tabla
Luego de la lectura del textoa Sugieran posibles soluciones para prevenir las transfe-rencias de energiacutea desde el interior de las viviendas hacia el exteriorb Confeccionen una lista de las partes de una casa que pueden llevar aislantes teacutermicos y averiguumlen con queacute materiales estaacuten fabricados
c Realicen un disentildeo experimental para calcular la ener-giacutea que se transfiere del interior al exterior de su casad Describan sus disentildeos y busquen informacioacuten sobre uso de materiales en la construccioacuten de viviendas seguacuten sus propiedades y usos
aACTIVIDADES
iquestDe queacute depende la mayor o menor cantidad de energiacutea transferida
Los arquitectos e ingenieros consideran que la transferencias de energiacutea desde el interior hacia el exterior dependen fundamentalmente de los siguientes factores
La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la habitacioacuten Cuanto mayor es esta diferencia mayor es el flujo de energiacutea y maacutes raacutepido se produce el intercambio
Las superficies de los distintos materiales que componen la habitacioacuten Cuanto mayor es la superficie mayor transferencia de energiacutea al exterior
Espuma aislante Muro de ladrillos Tejas para techo
Casa construida
Tipos de estructuraValores K
(w ( m 2 ordmC))
Techo de tejas sin aislamiento
22
Techo de tejas con aislamiento 045
Ventanas con vidrio de 6 mm 56
Ventanas con vidrios dobles con 20 mm de separacioacuten
28
Pared de ladrillos con yeso (114 mm) 1324
Doble pared de ladrillos con caacutemara de aire de 280 mm
17
Doble pared de ladrillos con aislamiento en el
06
Piso de ceraacutemica sobre viguetas 42
Piso de madera sobre viguetas 17
161
IDEAS BAacuteSICAS DE LA UNIDAD
La temperatura es una variable de estado del cuerpo relacionada con la energiacutea cineacutetica
del movimiento de sus partiacuteculas
Los cuerpos no tienen friacuteo ni calor tienen bajas o altas temperaturas
Un termoacutemetro es un instrumento que se utiliza para medir la temperatura
Generalmente los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuan-
do disminuye su temperatura
Se denomina calor a la forma de intercambio de energiacutea entre dos cuerpos de distintas
temperaturas que se ponen en contacto teacutermico
La transferencia de calor se da espontaacuteneamente desde el cuerpo de mayor temperatura al
de menor temperatura
Dos cuerpos de distintas temperaturas que intercambian energiacutea logran el equilibrio teacutermi-
co cuando equiparan sus temperaturas
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la cantidad de
calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
El calor se propaga por tres formas baacutesicas conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten
La conduccioacuten se produce cuando se transfiere energiacutea en forma de calor desde las moleacute-
culas o partiacuteculas que se encuentran en zonas de mayor temperatura a las que se encuentran
en zonas de menor de temperatura sin desplazamiento de materia
En los liacutequidos y gases se generan corrientes convectivas con desplazamiento de materia
A los malos conductores del calor se los llama aislantes teacutermicos
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmC
( T F ndash 32 ordmC) Escala Celcius
T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
T C Escala Farenheit
T K = 27315 + T C Escala termomeacutetrica
ΔL = L o ∙ α ∙ Δt Dilatacioacuten liacuteneal
Q = c ∙ m ∙Δt Calorimetriacutea
Q ___ Δt = K ∙ S ∙ Δt ___ Δx Cantidad de calor que se transfiere
por conduccioacuten de un soacutelido
Foacutermulas
162 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
ACTIVIDADES DE INTEGRACIOacuteN1 Si se colocan 1000 g de agua en un recipiente y 2000 g de agua
en otro ambos a 20 degC y se les entrega igual cantidad de calor en
iguales condiciones de presioacuten normal iquestalcanzaraacuten el mismo punto
de ebullicioacuten iquestPor queacute
2 iquestPor queacute algunos vidrios como los llamados Pyrex no se rompen
cuando se someten a elevadas temperaturas
3 iquestQueacute ocurririacutea si usamos un termoacutemetro de mercurio contenido en
un recipiente cuyo coeficiente de dilatacioacuten fuera similar al del mer-
curio
4 iquestPor queacute el agua no se emplea como sustancia termomeacutetrica
5 Si colocan en un horno dos cuerpos de igual masa pero diferente
calor especiacutefico iquestcuaacutel alcanzaraacute primero la temperatura del horno
iquestPor queacute
6 iquestPor queacute generalmente las estufas y radiadores se colocan en la
parte inferior de la pared
7 Los habitantes del desierto suelen cubrirse con varias capas de
telas a modo de tuacutenicas por lo general claras iquestPor queacute razoacuten se
cubren tanto
8 Si se saca un recipiente del horno con un trozo de tela mojado es
probable que se sienta maacutes ldquocalienterdquo que si lo tomamos con una tela
seca iquestQueacute explicacioacuten fiacutesica tiene este hecho
9 Algunos alimentos que compramos en los negocios de venta al
puacuteblico como restaurantes se colocan en recipientes aislantes iquestPor
queacute iquestDe queacute material estaacuten hechos estos recipientes
10 iquestQueacute funcioacuten cumple un termo Justifiquen sus respuestas en
teacuterminos fiacutesicos
11 La temperatura de un diacutea de invierno en la Antaacutertida puede ser
inferior a ndash50 ordmC iquestA cuaacutentos grados Fahrenheit corresponde
12 Un termoacutemetro estaacute graduado en una escala degX tal que 20 degC
corresponden a 30 degX y 120 degC corresponden a 300 degX iquestCuaacutel es el
valor en la escala degX que corresponde a 50 degC Justifiquen sus res-
puestas
13 iquestQueacute cantidad de calor absorbe un cuerpo de 50 g de hierro que
se encuentra a una temperatura de 25 ordmC cuando su temperatura
aumenta a 100 ordmC
14 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia sabiendo que una
masa de 10 g absorbe 250 caloriacuteas cuando su temperatura variacutea 200
ordmC
15 Una dieta normal para una persona adulta en actividad es de
aproximadamente 2500 kcal diarias iquestA cuaacutentos joule equivale este
valor energeacutetico
16 Se mezclan 50 g de agua a 30 ordmC con 25 g de agua a 20 ordmC en un
recipiente aislado iquestQueacute temperatura final tiene esa mezcla
17 La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 degC Determinen
su longitud en un diacutea en que la temperatura es de 34 degC Consulten
la tabla de coeficientes de dilatacioacuten lineal de la paacutegina 146
18 Una barra de metal de longitud L o a 0 degC sufre un aumento de
longitud de un centeacutesimo de su longitud inicial cuando su tempera-
tura es de 500 degC iquestCuaacutel es el coeficiente de dilatacioacuten del metal
19 iquestCoacutemo podriacutean comprobar que la cantidad de calor que inter-
cambia un cuerpo para modificar su temperatura depende de la
masa del cuerpo Disentildeen un experimento descriacutebanlo y justifiquen
sus hipoacutetesis
20 Seguacuten la teoriacutea del caloacuterico el calor era considerado como una
sustancialidad de los cuerpos Teniendo en cuenta esta teoriacutea dise-
ntildeen un experimento que permita comprobar o refutar la siguiente
hipoacutetesis ldquoEl calor que tienen los cuerpos pesardquo
21 El valor caloacuterico de una barra de 100 g de chocolate es 550 kcal Supongan que se utilizara toda esa energiacutea para elevar la tempera-tura del agua desde los 15 ordmC con que sale de la canilla hasta 100 ordmC iquestcuaacutenta agua se podriacutea calentar
22 Se le suministra a un cuerpo de masa m de cierto material energiacutea por valor de 100 joule y el cuerpo incrementa su tempe-ratura en Δt iquestCuaacutenta energiacutea habraacute que suministrarle a un cuerpo del miso material cuya masa es el triple de la del primero para que el aumento de temperatura sea la mitad que en el primer caso
163
AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
148 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Radiacioacuten
En este fenoacutemeno
hay una transferencia
de energiacutea desde
un cuerpo a otro El
Sol es una fuente
natural de radiacioacuten
electromagneacutetica que
intercambia energiacutea con
el planeta Tierra
Gas de efecto
invernadero
Peacuterdida de calor y radiacioacuten
Radiacioacuten infrarroja
Absorcioacuten por la superficie
terrestre
Absorcioacuten
por las
nubes
Radiacioacuten solar
absorbida
Radiacioacuten
solar
Radiacioacuten solar
reflejada
Otras formas de intercambio de energiacutea
Ademaacutes del calor existen otras dos formas baacutesicas de transferencia de energiacutea
Por trabajo
Si una persona empuja una mesa ejerce una fuerza
sobre la mesa de tal manera que logra desplazarla
de su posicioacuten inicial Se produce un intercambio de
energiacutea entre la persona y la mesa La mesa aumen-
ta su energiacutea cineacutetica ya que la persona le transfiere
cierta cantidad de energiacutea como consecuencia de
ejercer una fuerza sobre dicha mesa Se dice que los
cuerpos intercambiaron energiacutea por trabajo cuan-
do interactuacutean entre siacute mediante fuerzas
Por radiacioacuten
Cuando una sentildeal que transporta informacioacuten llega
a una antena como por ejemplo la sentildeal satelital que
recepciona la antena de un celular se produce un inter-
cambio de energiacutea pero en este caso no hay accioacuten de
fuerzas ni calor
La radiacioacuten emitida por una fuente emisora es captada
por un receptor que decodifica la sentildeal seguacuten el tipo de
informacioacuten que se transmite En este caso la energiacutea se
transfiere desde la fuente al receptor por ondas electro-
magneacuteticas que se caracterizan porque no necesitan
un medio material de propagacioacuten A diferencia de las
ondas mecaacutenicas pueden hacerlo en el vaciacuteo
Una forma de intercambiar energiacutea entre dos cuerpos o sistemas materiales es por
calor Siempre que dos o maacutes cuerpos que se encuentran a distintas temperaturas se
ponen en contacto teacutermico se produce un intercambio de energiacutea en forma de calor En
los fenoacutemenos espontaacuteneos este proceso continuacutea hasta que dichos cuerpos alcanzan el
equilibrio teacutermico es decir igualan sus temperaturas
Los cuerpos no tienen friacuteo o calor sino que poseen cierta energiacutea interna que puede variar
por ejemplo cuando entran en contacto con otros cuerpos de diferentes temperaturas
La Tierra absorbe el 70 de la energiacutea que proviene
del Sol Parte de esta energiacutea es absorbida por el suelo y parte por los gases de la atmoacutesfera A su vez el suelo terrestre emite tambieacuten radiacioacuten que en parte es reflejada por algunos gases presentes en la atmoacutesfera lo que genera el efecto invernadero
149
Calor especiacutefico
Las sustancias tienen distintas capacidades de absorber energiacutea en forma de calor ya
que frente a la misma cantidad de calor sus temperaturas variacutean en formas diferentes
Por ejemplo si se entrega igual cantidad de calor a una cuchara de aluminio y a una
masa equivalente de agua al cabo de un cierto tiempo se podraacute observar que la cuchara
registra un mayor aumento de temperatura que el agua
Las sustancias tienen capacidades distintas de almacenamiento de energiacutea y esto es
muy evidente con los alimentos
Si se colocan en un horno al mismo tiempo una fuente de papas y una cantidad de
masa equivalente de pollo se advierte que las papas tardan maacutes tiempo en llegar a la
temperatura en equilibrio Esto ocurre porque diferentes sustancias requieren distintas
cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura Se dice que estos alimentos
tienen distintas capacidades caloriacuteficas especiacuteficas o calores especiacuteficos
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la can-
tidad de calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es 1 calg degC lo que significa que cada gramo
de agua necesita intercambiar una caloriacutea para variar su temperatura un grado Celsius El
agua tiene una mayor capacidad de almacenar energiacutea que muchas otras sustancias Por
tal razoacuten una pequentildea masa de agua absorbe una gran cantidad de calor con un aumento
relativo de temperatura bastante pequentildeo Por el mismo motivo se puede explicar que el
agua se enfriacutea maacutes lentamente que otras sustancias Es por esto que el agua se usa como
refrigerante en muchas maquinarias o sistemas como por ejemplo los automoacuteviles
Calorimetriacutea
Se denomina calorimetriacutea a la medicioacuten y el caacutelculo de las cantidades de calor que
intercambia un sistema
Intuitivamente se sabe que cuanto mayor sea la cantidad de calor suministrada el cuer-
po alcanzaraacute una mayor variacioacuten de la temperatura Es posible verificar experimentalmente
que entre el calor y la temperatura existe una relacioacuten de proporcionalidad directa La cons-
tante de proporcionalidad depende tanto de la sustancia que constituye el cuerpo como de
su masa y resulta el producto del calor especiacutefico por la masa del cuerpo
Por lo tanto la ecuacioacuten que permite calcular intercambios de calor es
Q = c middot m middot ΔT
donde Q es el calor intercambiado por un cuerpo de masa m constituido por una sustan-
cia cuyo calor especiacutefico es c siendo ΔT la variacioacuten de temperatura experimentada
Por convencioacuten se adopta el signo positivo para Q cuando la variacioacuten de tempe-
ratura es mayor que cero es decir cuando el cuerpo aumenta su temperatura En caso
contrario cuando la variacioacuten de temperatura es menor que cero el cuerpo disminuye su
temperatura y el signo de Q seraacute negativo
Es decir que la cantidad de calor que intercambian dos cuerpos del mismo material pero
de masas diferentes para variar de igual manera sus temperaturas depende de sus masas
Por ejemplo si se entrega la misma cantidad de calor a 500 g de agua y luego a 1000 g de
agua que inicialmente se encuentran a temperatura ambiente se espera que la variacioacuten de tem-
peratura de la masa menor de agua sea mayor que la correspondiente a la masa mayor de agua
La unidad elegida para medir la cantidad de energiacutea es el
joule J aunque existe otra unidad muy utilizada la caloriacutea (cal) que se define como la cantidad de calor necesario para que un gramo de agua pura pase de 145 degC a 155 degC En alimentacioacuten y nutricioacuten se suelen usar mucho las caloriacuteas para medir el valor energeacutetico de los alimentos Se utiliza la Cal (escrita con mayuacutescula) donde 1 Cal = 1 kcal = 1000 cal
La relacioacuten entre los joules y las caloriacuteas es la siguiente 1 cal = 418 J o bien 1 J = 024 cal
150 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Algunos caacutelculos de calorimetriacutea
Es importante tener en cuenta que en esta transferencia se cumple el Principio de
Conservacioacuten de la Energiacutea ya que se puede afirmar que
Si dos cuerpos o sistemas aislados intercambian energiacutea en forma de calor la cantidad
recibida por uno de ellos es igual a la cantidad cedida por el otro cuerpo
Es decir la energiacutea total intercambiada se conserva Esto se puede escribir matemaacuteti-
camente de la siguiente forma Σ Q = 0
Si se consideran dos cuerpos de masas diferentes m1 y m2 que se encuentran a diferen-
tes temperaturas T1 y T2 respectivamente y se colocan en contacto teacutermico al cabo de un
tiempo equipararaacuten sus temperaturas a una cierta temperatura final Tf es decir alcanza-
raacuten el equilibrio teacutermico En este intercambio se cumple el principio de conservacioacuten de
la energiacutea es decir la cantidad de energiacutea que absorbe un cuerpo es igual a la cantidad de
energiacutea que cede el otro por lo cual se puede escribir que
Q2 = ndash Q1 que es lo mismo que escribir que c2 middot m2 middot (Tf ndash T2) = ndash c1 middot m1 middot (Tf ndash T1)
La temperatura final alcanzada luego del intercambio es
Tf = m 1 middot c 1 middot T 1 + m 2 middot c 2 middot T 2
______________________ m 1 middot c 1 + m 2 middot c 2
Aplicacioacuten de caacutelculos caloriacutemetros
1 Se colocan 500 gramos de agua liacutequida a 10 ordmC en un caloriacutemetro ideal (se despre-
cia el intercambio de calor del caloriacutemetro) y se la mezcla con 1000 gramos de agua a
70 ordmC Calculen la temperatura de equilibrio de esta mezcla
Como
Tf = m 1 middot c 1 middot T 1 + m 2 middot c 2 middot T 2
______________________ m 1 middot c 1 + m 2 middot c 2
entonces
Tf = 500 g middot 1 calg ordmC middot10 ordmC + 1000 g middot 1 calg ordmC middot70 ordmC
______________________________________________ 1 calg ordmC middot (500 g + 1000 g)
Se obtiene como resultado
Tf = 50 ordmC
La temperatura de equilibro de la mezcla es de 50 ordmC
Un caloriacutemetro es un recipiente adiabaacutetico o
teacutermicamente aislado en el que se puede calcular la cantidad de energiacutea en forma de calor que se intercambia cuando se colocan en contacto teacutermico sustancias de diferentes masas y a diferentes temperaturasTambieacuten puede utilizarse para calcular el calor especiacutefico de una determinada sustancia
151
Tabla de calores especiacuteficos de
algunas sustancias
Sustancia c ( cal _____ g ordmC )
Agua 100
Agua de mar 0945
Aire 00000053
Alcohol 058
Aluminio 0212
Arena 020
Bronce 0092
Cobre 0093
Hielo 055
Hierro 0113
Lana de vidrio 000009
Latoacuten 0094
Mercurio 0033
Oro 0031
Plata 0060
Plomo 0031
Vidrio 0199
Zinc 0092
2 Calculen la cantidad de calor necesaria en kcal y J que deben ceder 1500 gramos
de agua que se encuentra en su punto de ebullicioacuten para disminuir su temperatura
hasta 20 degC
Como Q = c middot m middot ΔT entonces
Q = 1 cal ______ g middot ordmC
middot 1500 g middot (20 ordmC minus 100 ordmC) = minus120 000 cal = minus120 kcal
Como ademaacutes 1 cal = 418 J entonces ndash120 000 cal = ndash120 000 middot 418 J = ndash501600 J
Es decir la cantidad de calor necesaria es ndash120 kcal o ndash501600 J
3 iquestCuaacutel seraacute el aumento de temperatura de una barra de 3 kg de hierro si se coloca en un
horno industrial que le suministra 30 kcal Consulten la tabla de calores especiacuteficos
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja ΔT se obtiene que
ΔT = Q _____ c middot m = 30 000 cal ____________________ 0113 calg ordmC middot 3000 g
= 885 ordmC
porque Q = 30 kcal = 30 000 cal m = 3 kg = 3000 g y en la tabla de calores especiacuteficos
se observa que el calor especiacutefico del hierro es de 0113 cal g middot ordmC
Luego la variacioacuten de temperatura es aproximadamente ΔT = 885 ordmC
4 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia que constituye un cuerpo de 20 g de
masa sabiendo que para elevar su temperatura 6 ordmC se necesitan 96 cal
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja c se obtiene
c = Q ______ ΔT middot m = 96 cal __________
6 ordmC middot 20 g = 08 cal ____
gmiddotordmC
5 El sistema de refrigeracioacuten de un camioacuten contiene 20 litros de agua iquestCuaacutel es la
variacioacuten de la temperatura del agua si se debe extraer una cantidad de energiacutea en
forma de calor de 836 000 J
La energiacutea extraiacuteda en forma de calor por el sistema refrigerante pasa al agua
Como 1 J = 024 cal entonces 836 000 J = 836 000 middot 024 = 200 640 cal
Por otro lado Q = c middot m middot ΔT con lo cual si se despeja ΔT se obtiene
ΔT = Q _____ c middot m = 200 640 cal ___________________ 1 cal g ordmC middot 20 000 g
= 10 ordmC
La temperatura del agua aumenta en 10 ordmC
152 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
Materiales
Un termo o sistema aislado (como los recipientes para conservar la comida) con un termoacutemetro 200 g de agua a temperatura ambiente por ejemplo 20 ordmC 70 g de cobre o de alguacuten otro metal Un calentador eleacutectrico de inmersioacuten de 500 600 W Un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) Pinzas de madera Vasos de precipitado o probetas graduadas Una balanza
Procedimiento1 Midan con la balanza la masa de agua a temperatura ambiente necesaria para realizar este experimento
2 Coloquen el agua a temperatura ambiente dentro del termo
3 Midan usando la balanza la masa del trozo de cobre
4 Calienten el trozo de cobre dentro de un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) con agua hasta 100 ordmC en ese caso el cobre tendraacute la misma temperatura
5 Extraigan con las pinzas de madera raacutepidamente la masa de cobre y coloacutequenla dentro del termo con el agua a temperatura ambiente
6 Mezclen los contenidos del termo para asegurarse la obtencioacuten de una temperatura uniforme
7 Efectuacuteen la lectura de la temperatura de equilibrio
8 Realicen los caacutelculos necesarios para obtener el calor especiacutefico del cobre
Contesten las siguientes consignas
a Expliquen en teacuterminos fiacutesicos queacute sucedioacute en esta mezcla de sustancias dentro del termo
b iquestQueacute calor especiacutefico obtuvieron
c Comparen con la tabla de valores aportada en este capiacutetulo iquestCoincide con el registrado
d Si no coincide iquesta queacute factores atribuyen las diferencias entre los resultados obtenidos
e iquestCoacutemo podriacutean mejorar estos resultados Propongan algunas hipoacutetesis para optimizar el disentildeo experimental
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
4 En un caloriacutemetro hay 200 g de agua a 20 degC Se agregan 100 g de agua y se obtiene una temperatura de equilibrio de 30 degC Calculen la temperatura de la masa de agua agregada
5 Se toma un trozo de 50 g de un metal desconocido a 100 degC y se lo coloca en un caloriacutemetro en el que hay 150 g de agua a 20 degC El sistema llega a una temperatura de equilibrio de 253 degC A partir de los datos de la tabla de la paacutegina 151 determinen de queacute metal podriacutea ser el trozo analizado
6 Se colocan dentro de un horno de microondas dos vasos ideacutenticos Uno contiene 100 g de agua y el otro 100 g de alcohol ambos a una temperatura de 15 degC Al hacer fun-cionar el horno durante medio minuto suministra a cada uno de ellos 1500 caloriacuteas Determinen las temperaturas finales del agua y del alcohol
7 Se colocan en un horno dos cubos de iguales masas uno de aluminio y el otro de plomo a iguales temperaturas de 20 ordmC Al encenderse el horno iquestcuaacutel de ellos alcanzaraacute primero la temperatura de 150 ordmC Justifiquen su respuesta
aACTIVIDADES
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
153
Propagacioacuten del calor
La transmisioacuten de energiacutea por diferencia de temperatura entre cuerpos o sistemas que
interactuacutean entre siacute se produce a traveacutes de diferentes procesos como la conduccioacuten o la
conveccioacuten
Conduccioacuten
Si se coloca un extremo de una cuchara de aluminio en contacto con una hornalla
encendida de la cocina raacutepidamente se advierte que el calor se transmite hasta el otro
extremo
En el sector de la cuchara en contacto con el fuego se produce un aumento de la
temperatura que hace que las partiacuteculas comiencen a vibrar con mayor energiacutea cineacutetica
(energiacutea de movimiento) y esta energiacutea se transfiere a las restantes partiacuteculas de la
regioacuten de menor temperatura
Esta transferencia de energiacutea sin desplazamiento de materia desde zonas de un cuerpo que
se encuentra a mayor temperatura a las de menor temperatura se denomina conduccioacuten
Algunos materiales presentan la propiedad de ser mejores conductores del calor que
otros Los malos conductores del calor se denominan aislantes (aunque cabe aclarar que
la aislacioacuten nunca es perfecta)
Los metales en general son mejores conductores del calor que otros materiales como
la madera el vidrio el corcho el telgopor etc
Es por eso que por ejemplo se suele usar madera en los mangos de los utensilios de
cocina para minimizar la transferencia de calor y evitar quemaduras en la piel
El corcho el telgopor la lana de vidrio son utilizados en las construcciones de viviendas como aislantes del
calor y para mantener una temperatura ambiente agradable Algunos de estos materiales son bastante
porosos lo que implica que tienen espacios con mayor cantidad de aire que es un buen aislante
Se denomina conduccioacuten a la transferencia de
energiacutea sin desplazamiento de materia de un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura a otro que se encuentra a menor temperaturaSe llama aislantes a los materiales que son malos conductores de calor
Lana de vidrio Corcho
Tambieacuten algunas prendas de abrigo como las cam-
peras o los cubrecamas utilizan dos recubrimien-
tos entre los cuales se colocan algunos materiales
porosos como goma espuma plumas telas entra-
madas que contienen una buena cantidad de aire
que permite la aislacioacuten teacutermica del medio
Telgopor Vidrio
154 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
iquestDe queacute factores depende la transferencia de calor por conduccioacuten en los materiales soacuteli-
dos iquestSe puede calcular
No todos los materiales conducen el calor de igual forma La conductividad teacutermica es
una medida de a capacidad de conducir el calor de cada material
Cuando una persona se encuentra en una habitacioacuten cuya temperatura ambiente es
por ejemplo 20 degC y toca con una mano un cenicero de cobre y con la otra un mantel tie-
ne la sensacioacuten de que el cenicero estaacute maacutes friacuteo que el mantel Esto
ocurre dado que como el cobre es un buen conductor teacutermico el
calor entregado por la mano a la zona de contacto del material
se transmite raacutepidamente al resto del objeto En cambio como
el mantel no es un buen conductor teacutermico cuando se lo toca
la transferencia de calor al resto del material es muy lenta la
temperatura de la zona de contacto aumenta hasta equiparar-
se con la piel y esto da la sensacioacuten de estar maacutes caliente
El caacutelculo es por lo general complica-
do Pero si la transferencia de calor se
produce en una sola direccioacuten y la tem-
peratura variacutea solo en esa direccioacuten se
simplifica Por ejemplo si se considera
un vidrio plano (como el de una venta-
na) se puede conocer queacute cantidad de
energiacutea transferida a traveacutes del vidrio va desde la superficie o cara de mayor temperatura
hacia la de menor temperatura Para esto es necesario tener en cuenta el tipo de vidrio
ya que no todos tienen la misma conductividad teacutermica
La cantidad de calor que se transmite por unidad de tiempo en este caso se puede
simbolizar mediante la siguiente expresioacuten matemaacutetica
Q ___ Δ τ = K ∙ S∙ ΔT ___ Δx
donde τ es el tiempo (para no confundirlo con T de temperatura) Q ___ Δ τ es la cantidad
de calor transmitida a traveacutes del vidrio por unidad de tiempo K es el coeficiente de
conductividad teacutermica que depende del material en este caso del vidrio S es la
superficie perpendicular a la direccioacuten de propagacioacuten y ΔT ___ Δx la variacioacuten de tempera-
tura entre las caras dividida por el espesor del vidrio
Se puede decir entonces que
la cantidad de calor que atraviesa
por unidad de tiempo una placa
de vidrio es mayor cuanto mayor
sea la superficie considerada y la
variacioacuten de temperatura entre sus
caras y cuanto menor sea el espe-
sor o distancia entre dichas caras
Algunos materiales conducen el calor
con mayor facilidad que otros asiacute los metales tienen alta conductividad teacutermica compararada por ejemplo con la capacidad de transmitir el calor de la madera algunos plaacutesticos ceraacutemicas etcLa conductividad teacutermica del cobre es de 330 kcalm middot h middot K la de la madera es de 01 a 03 kcalm middot h middot K y la del telgopor 003 kcalm middot h middot K
155
Conveccioacuten
Se si desea colocar estufas en las habitaciones de una casa para calefaccionarla hay que deci-
dir cuaacutel es el lugar maacutes adecuado para que se aproveche la energiacutea de la mejor manera posible
Es necesario tener en cuenta no solo las dimensiones de las habitaciones que se
desean calefaccionar sino tambieacuten el fenoacutemeno fiacutesico que se denomina transmisioacuten de
calor por conveccioacuten
La masa de aire cercana a la estufa aumenta su
temperatura por lo cual el aire se torna menos denso
que el resto de aire alejado de la estufa
Se origina asiacute un movimiento ascendente y des-
cendente de la masa de aire y se generan las deno-
minadas corrientes convectivas con un permanente
desplazamiento de materia
Este fenoacutemeno se puede observar tambieacuten en las
capas de aire que rodean la Tierra que provocan cam-
bios climaacuteticos seguacuten sus caracteriacutesticas Estas masas
de aire pueden ser maacutes caacutelidas en ciertas zonas que en
otras maacutes huacutemedas (por contener mayor cantidad de
vapor de agua) maacutes secas de mayor o menor presioacuten
La temperatura del aire puede ser influida por la propiedad de la superficie terrestre
hecho que es muy relevante para algunos estudios metereoloacutegicos
Estas corrientes convectivas que naturalmente se forman en la
atmoacutesfera son factores que tienen en cuenta por ejemplo las aves los
aladeltistas y otros deportistas que aprovechan las condiciones del aire
para elevarse Esto ocurre dado que al encontrarse con una masa de aire
caliente ascienden con maacutes facilidad y de esta forma ldquoahorranrdquo energiacutea
y pueden mantenerse en vuelo planeando sin tanto esfuerzo
La conveccioacuten se produce tanto en los gases como en los liacutequidos
Es sencillo observar que cuando se calienta agua en alguacuten recipiente
de vidrio transparente se produce
un movimiento ascendente desde la
parte inferior en contacto con la lla-
ma de fuego hacia la parte superior del recipiente
La masa liacutequida de mayor temperatura se dilata
por lo que disminuye su densidad asciende dentro del
recipiente y tiende a desplazar hacia la parte inferior
a la masa de agua liacutequida de menor temperatura
iquestOtra forma de transmisioacuten del calor
Algunos cientiacuteficos consideran que maacutes que una forma de transmisioacuten del calor la
radiacioacuten a la que ya se ha hecho referencia anteriormente implica una manera de inter-
cambio de energiacutea maacutes general
Esta transferencia de energiacutea no se da por intercambio de calor entre cuerpos que se
encuentran a distintas temperaturas ni por trabajo Involucran transferencias de energiacutea
por medio de ondas electromagneacuteticas Asiacute por ejemplo entre dos antenas se transfiere
energiacutea por radiacioacuten
156 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
Materiales Tubo de ensayo Trocitos de hielo Una moneda Agua Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen en el tubo de ensayo los trocitos de hielo cubiertos por la moneda
2Agreguen un poco de agua
3 Acerquen la parte superior del tubo al mechero o calentador
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Corrientes convectivas en liacutequidos
Materiales Agua Recipiente Trocitos de tiza de color o yerba mate Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen agua en un recipiente
2 Agreguen trocitos de tiza de color o un poco de yerba mate
3 Coloquen el recipiente al fuego
hasta que hierva el agua
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Materiales Dos latitas de gaseosa vaciacuteas Un poco de agua Pintura o cartulina negra Mechero o calentador Termoacutemetro
Procedimiento1 Tomen una de las latas y piacutentenla de negro o foacuterrenla con la cartulina negra
2 Anoten la temperatura inicial del agua
3 Coloquen la misma cantidad de agua en las dos latas
4 Pongan a calentar las dos latas a igual distancia del fuego
5 Controlen la temperatura del agua en cada lata cada 10 minutos
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestCoinciden los registros de temperatura de ambas latas
b iquestPor queacute Justifiquen su respuesta
iquestEl agua es un buen conductor teacutermico
Transmisioacuten de energiacutea por radiacioacuten
157
Los cambios de estado
Los materiales se presentan baacutesicamente en tres estados soacutelido liacutequido y gaseoso
Estos estados no son una caracteriacutestica invariable de los cuerpos ya que pueden modifi-
carse por ejemplo si se variacutea la temperatura y la presioacuten a la que estaacuten sometidos dichos
cuerpos Por ejemplo se puede fundir hierro si se lleva su temperatura a maacutes de 1500 degC
Una caracteriacutestica de los liacutequidos es la relativa libertad de movimiento de sus moleacute-
culas Si se suministra calor a un liacutequido y se logra aumentar la temperatura tambieacuten
aumentaraacute el movimiento de sus moleacuteculas las que pueden escapar de la superficie liacutequi-
da Este proceso que se da en la superficie del liacutequido se llama evaporacioacuten y puede ocu-
rrir a cualquier temperatura
A medida que aumenta la temperatura se modifica la estructura de enlace entre las
moleacuteculas Ellas no pueden mantenerse lo suficientemente cerca entre siacute para que la sus-
tancia continuacutee liacutequida lo que provoca que las moleacuteculas escapen auacuten maacutes faacutecilmente al
aire Este es el fenoacutemeno de ebullicioacuten y es conveniente resaltar que la temperatura en
la que este proceso ocurre llamada temperatura de ebullicioacuten se mantendraacute estable en
determinadas condiciones de presioacuten
Todo este proceso corresponde al cambio de estado denominado vaporizacioacuten
Cada sustancia tiene su propio punto de ebullicioacuten punto de fusioacuten y punto de solidi-
ficacioacuten que corresponden a las temperaturas y presiones en que se producen los cambios
de estado
El ciclo del agua o ciclo hidroloacutegico
Es muy comuacuten ejemplificar los cambios de estado con el agua para lo que suele apro-
vecharse el llamado ciclo hidroloacutegico o ciclo del agua que se produce en la naturaleza y
en el que se diferencian los siguientes fenoacutemenos
El agua se evapora continuamente pasando de estado liacutequido a gaseoso
Las nubes estaacuten formadas por pequentildeas gotas de agua liacutequida que ascienden por las
corrientes de aire
La lluvia se produce cuando se forman gotas maacutes gran-
des que precipitan
La nieve y el granizo se for-
man cuando la temperatura es
muy baja y se solidifican las
gotas de agua liacutequida
La niebla se produce en
lugares con altos porcentajes de
humedad y trae aparejada una
disminucioacuten en las temperatu-
ras
El rociacuteo o la escarcha se
producen por la condensacioacuten o
solidificacioacuten del agua de la atmoacutes-
fera debido a las marcadas diferencias
de temperatura entre el diacutea y la noche
Las posibles transformaciones de un
estado a otro son las siguientes
FusioacutenVaporizacioacuten
Sublimacioacuten
Volatilizacioacuten
SolidificacioacutenCondensacioacuten
Soacutelido
Liacutequido
Gaseoso
Hielo
PrecipitacioacutenEvaporacioacuten
Corriente subterraacutenea
Infiltracioacuten
Radiacioacuten solar
Condensacioacuten
Accioacuten del viento
Evaporacioacuten
Corriente
superficial
Transpiracioacuten
158 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Calor de fusioacuten y calor latente de vaporizacioacuten
Cada cambio de estado se acompantildea de un intercambio de energiacutea entre el sistema y
el medio exterior Por ejemplo se necesita energiacutea para fundir el hielo De esta forma se
pueden contrarrestar los efectos de las fuerzas que mantienen las moleacuteculas de agua en
posicioacuten fija en el soacutelido
Si la moleacuteculas de un soacutelido absorben suficiente energiacutea es posible que las fuerzas de
atraccioacuten entre moleacuteculas ya no puedan mantener su unioacuten entonces se produce el pasaje
de estado soacutelido a liacutequido
La vaporizacioacuten tambieacuten necesita energiacutea y sucede algo similar con las fuerzas de
atraccioacuten que mantienen las moleacuteculas cercanas entre siacute en la superficie del liacutequido
Un aumento de energiacutea pude ocasionar que las moleacuteculas escapen del liacutequido para
transformarse en moleacuteculas de vapor
En la medida en que aumentan las fuerzas intermoleculares la cantidad de energiacutea
necesaria para generar un cambio de fase tambieacuten se incrementa
En otros casos para poder cambiar de estado el sistema tiene que ceder energiacutea al
medio Por ejemplo el agua liacutequida debe ceder calor al medio para solidificarse
Se denomina calor latente de vaporizacioacuten a la energiacutea intercambiada por unidad de
masa para producir ese cambio de estado
Por ejemplo cada gramo de agua liacutequida a 100 ordmC y presioacuten normal debe absorber 540 cal
para convertirse en un gramo de agua en estado de vapor a la misma temperatura
La evaporacioacuten se acompantildea de un efecto de enfriamiento en la medida que el agua se
evapora absorbe calor del cuerpo del cual se evapora
El alto calor latente de vaporizacioacuten del agua 540 calg permite el enfriamiento de
las plantas por evaporacioacuten desde la superficie foliar las que reciben gran cantidad de
calor por efecto de la radiacioacuten solar La transpiracioacuten es un importante fenoacutemeno en la
regulacioacuten de la temperatura de muchos seres vivos
El calor latente de fusioacuten del hielo es de 80 calg esto significa que cada gramo de
hielo a 0 ordmC debe absorber 80 cal para convertirse en un gramo de agua liacutequida a 0 ordmC
De manera anaacuteloga al ceder 80 cal cada gramo de agua liacutequida se transforma en hielo
sin modificarse la temperatura
Se puede decir que el calor latente l indica una medida de la cantidad de calor por uni-
dad de masa que se necesita para cambiar de estado sin modificar la temperatura
Esto puede expresarse mediante la siguiente foacutermula
l = Q __ m o lo que es equivalente Q = l middot m
donde l es el calor latente Q es el calor y m la masa del cuerpo
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Hidroacutegeno -2591 139 -2627 1067
Oxiacutegeno -2184 33 -1830 51
Agua 00 80 1000 3594
Mercurio -389 28 3599 697
Plomo 3274 59 1620 -
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Plata 9605 26 1950 552
Cobre 10380 489 2595 1145
Hierro 1535 637 3200 1110
Tungsteno 3390 457 5900 460
159
CIE
NCIA
HIS
TORIA
Y S
OCIE
DAD
La historia la tradicioacuten y las modas arquitectoacutenicas contribuyen a determinar la forma y el tipo de las construcciones iquestCon queacute materiales se construye una casa iquestPor queacute para un determinado uso y funcioacuten se requieren distintos tipos de materialesEn los uacuteltimos antildeos la preocupacioacuten de los arquitectos y tambieacuten de los cientiacuteficos a la hora de proyectar un edificio se manifiesta en la obtencioacuten y aprovechamiento de los materiales con el fin de optimizar el uso de energiacutea en las viviendasLa sociedad moderna requiere grandes cantidades de energiacutea para su funcionamiento normal pero es importante reflexionar sobre el uso oacuteptimo y racional de las fuentes de energiacutea como el carboacuten el gas natural el petroacuteleo y todos sus derivados ya que no son renovablesSe estima que el petroacuteleo y el gas natural alcanzaraacuten para unos 50 a 100 antildeos maacutes mientras que el carboacuten para unos 200 a 300 antildeos maacutesMantener las viviendas calefaccionadas durante el invierno forma parte del bienestar de las personas y optimizar la energiacutea disponible en una casa depende del
cuidado de los recursos utilizados para este finEs importante tener una adecuada aislacioacuten teacutermica en todos los lugares posibles de fuga o peacuterdida de calor sobre todo del techo dado que el aire caliente es maacutes liviano y tiende a subir Existen actualmente en el comercio variedades de aislantes teacutermicos que reducen esas peacuterdidas y permiten ahorrar energiacutea Entre ellos el telgopor
las maderas los plaacutesticos las planchas de corcho las fibras de vidrio los ladrillos huecos refractarios etciquestCuaacuteles son los intercambios de energiacutea en forma de calor que se dan en una casaiquestCuaacutenta energiacutea se transfiere al exteriorEn una casa tiacutepica se disipa calor al exterior seguacuten se muestra en el siguiente esquema
El intercambio de calor en una casaEl hombre puede vivir en diversas regiones de la Tierra desde los troacutepicos hasta los polos en los bosques y en el desierto en las llanuras o montantildeas Aun cuando las condiciones cli-maacuteticas resulten hostiles el ser humano disentildea y construye sus viviendas para protegerse de las inclemencias del tiempo aprovechando los materiales de la zona
Un 35 a traveacutes de las ventanas por
conduccioacuten y radiacioacuten
Un 15 por las
paredes por
conduccioacuten y
conveccioacuten
Un 25 se transfiere
a traveacutes del techo
por conduccioacuten
y conveccioacuten
Un 5 se escapa
de chimeneas y
otros conductos
Un 5 a traveacutes
de rendijas
Un 15 por conduccioacuten a
traveacutes del suelo
160 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
CIE
NCIA
H
ISTO
RIA
Y S
OCIE
DAD
El tipo de material empleado
La energiacutea en forma de calor que se transfiere por segundo desde cualquier habitacioacuten a otra se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten que es similar a la presentada en conductividad teacutermica
P = K middot S middot Δt donde P es la energiacutea en forma de calor transmitida por unidad de tiempo Δt es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la habitacioacuten S es la superficie de los materiales que componen la habitacioacuten y K es un coeficiente caracteriacutestico del material utilizadoLos profesionales utilizan tablas con los valores K de algunas estructuras utilizadas habitualmente en la construccioacuten de una casa como las de la tabla
Luego de la lectura del textoa Sugieran posibles soluciones para prevenir las transfe-rencias de energiacutea desde el interior de las viviendas hacia el exteriorb Confeccionen una lista de las partes de una casa que pueden llevar aislantes teacutermicos y averiguumlen con queacute materiales estaacuten fabricados
c Realicen un disentildeo experimental para calcular la ener-giacutea que se transfiere del interior al exterior de su casad Describan sus disentildeos y busquen informacioacuten sobre uso de materiales en la construccioacuten de viviendas seguacuten sus propiedades y usos
aACTIVIDADES
iquestDe queacute depende la mayor o menor cantidad de energiacutea transferida
Los arquitectos e ingenieros consideran que la transferencias de energiacutea desde el interior hacia el exterior dependen fundamentalmente de los siguientes factores
La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la habitacioacuten Cuanto mayor es esta diferencia mayor es el flujo de energiacutea y maacutes raacutepido se produce el intercambio
Las superficies de los distintos materiales que componen la habitacioacuten Cuanto mayor es la superficie mayor transferencia de energiacutea al exterior
Espuma aislante Muro de ladrillos Tejas para techo
Casa construida
Tipos de estructuraValores K
(w ( m 2 ordmC))
Techo de tejas sin aislamiento
22
Techo de tejas con aislamiento 045
Ventanas con vidrio de 6 mm 56
Ventanas con vidrios dobles con 20 mm de separacioacuten
28
Pared de ladrillos con yeso (114 mm) 1324
Doble pared de ladrillos con caacutemara de aire de 280 mm
17
Doble pared de ladrillos con aislamiento en el
06
Piso de ceraacutemica sobre viguetas 42
Piso de madera sobre viguetas 17
161
IDEAS BAacuteSICAS DE LA UNIDAD
La temperatura es una variable de estado del cuerpo relacionada con la energiacutea cineacutetica
del movimiento de sus partiacuteculas
Los cuerpos no tienen friacuteo ni calor tienen bajas o altas temperaturas
Un termoacutemetro es un instrumento que se utiliza para medir la temperatura
Generalmente los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuan-
do disminuye su temperatura
Se denomina calor a la forma de intercambio de energiacutea entre dos cuerpos de distintas
temperaturas que se ponen en contacto teacutermico
La transferencia de calor se da espontaacuteneamente desde el cuerpo de mayor temperatura al
de menor temperatura
Dos cuerpos de distintas temperaturas que intercambian energiacutea logran el equilibrio teacutermi-
co cuando equiparan sus temperaturas
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la cantidad de
calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
El calor se propaga por tres formas baacutesicas conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten
La conduccioacuten se produce cuando se transfiere energiacutea en forma de calor desde las moleacute-
culas o partiacuteculas que se encuentran en zonas de mayor temperatura a las que se encuentran
en zonas de menor de temperatura sin desplazamiento de materia
En los liacutequidos y gases se generan corrientes convectivas con desplazamiento de materia
A los malos conductores del calor se los llama aislantes teacutermicos
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmC
( T F ndash 32 ordmC) Escala Celcius
T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
T C Escala Farenheit
T K = 27315 + T C Escala termomeacutetrica
ΔL = L o ∙ α ∙ Δt Dilatacioacuten liacuteneal
Q = c ∙ m ∙Δt Calorimetriacutea
Q ___ Δt = K ∙ S ∙ Δt ___ Δx Cantidad de calor que se transfiere
por conduccioacuten de un soacutelido
Foacutermulas
162 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
ACTIVIDADES DE INTEGRACIOacuteN1 Si se colocan 1000 g de agua en un recipiente y 2000 g de agua
en otro ambos a 20 degC y se les entrega igual cantidad de calor en
iguales condiciones de presioacuten normal iquestalcanzaraacuten el mismo punto
de ebullicioacuten iquestPor queacute
2 iquestPor queacute algunos vidrios como los llamados Pyrex no se rompen
cuando se someten a elevadas temperaturas
3 iquestQueacute ocurririacutea si usamos un termoacutemetro de mercurio contenido en
un recipiente cuyo coeficiente de dilatacioacuten fuera similar al del mer-
curio
4 iquestPor queacute el agua no se emplea como sustancia termomeacutetrica
5 Si colocan en un horno dos cuerpos de igual masa pero diferente
calor especiacutefico iquestcuaacutel alcanzaraacute primero la temperatura del horno
iquestPor queacute
6 iquestPor queacute generalmente las estufas y radiadores se colocan en la
parte inferior de la pared
7 Los habitantes del desierto suelen cubrirse con varias capas de
telas a modo de tuacutenicas por lo general claras iquestPor queacute razoacuten se
cubren tanto
8 Si se saca un recipiente del horno con un trozo de tela mojado es
probable que se sienta maacutes ldquocalienterdquo que si lo tomamos con una tela
seca iquestQueacute explicacioacuten fiacutesica tiene este hecho
9 Algunos alimentos que compramos en los negocios de venta al
puacuteblico como restaurantes se colocan en recipientes aislantes iquestPor
queacute iquestDe queacute material estaacuten hechos estos recipientes
10 iquestQueacute funcioacuten cumple un termo Justifiquen sus respuestas en
teacuterminos fiacutesicos
11 La temperatura de un diacutea de invierno en la Antaacutertida puede ser
inferior a ndash50 ordmC iquestA cuaacutentos grados Fahrenheit corresponde
12 Un termoacutemetro estaacute graduado en una escala degX tal que 20 degC
corresponden a 30 degX y 120 degC corresponden a 300 degX iquestCuaacutel es el
valor en la escala degX que corresponde a 50 degC Justifiquen sus res-
puestas
13 iquestQueacute cantidad de calor absorbe un cuerpo de 50 g de hierro que
se encuentra a una temperatura de 25 ordmC cuando su temperatura
aumenta a 100 ordmC
14 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia sabiendo que una
masa de 10 g absorbe 250 caloriacuteas cuando su temperatura variacutea 200
ordmC
15 Una dieta normal para una persona adulta en actividad es de
aproximadamente 2500 kcal diarias iquestA cuaacutentos joule equivale este
valor energeacutetico
16 Se mezclan 50 g de agua a 30 ordmC con 25 g de agua a 20 ordmC en un
recipiente aislado iquestQueacute temperatura final tiene esa mezcla
17 La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 degC Determinen
su longitud en un diacutea en que la temperatura es de 34 degC Consulten
la tabla de coeficientes de dilatacioacuten lineal de la paacutegina 146
18 Una barra de metal de longitud L o a 0 degC sufre un aumento de
longitud de un centeacutesimo de su longitud inicial cuando su tempera-
tura es de 500 degC iquestCuaacutel es el coeficiente de dilatacioacuten del metal
19 iquestCoacutemo podriacutean comprobar que la cantidad de calor que inter-
cambia un cuerpo para modificar su temperatura depende de la
masa del cuerpo Disentildeen un experimento descriacutebanlo y justifiquen
sus hipoacutetesis
20 Seguacuten la teoriacutea del caloacuterico el calor era considerado como una
sustancialidad de los cuerpos Teniendo en cuenta esta teoriacutea dise-
ntildeen un experimento que permita comprobar o refutar la siguiente
hipoacutetesis ldquoEl calor que tienen los cuerpos pesardquo
21 El valor caloacuterico de una barra de 100 g de chocolate es 550 kcal Supongan que se utilizara toda esa energiacutea para elevar la tempera-tura del agua desde los 15 ordmC con que sale de la canilla hasta 100 ordmC iquestcuaacutenta agua se podriacutea calentar
22 Se le suministra a un cuerpo de masa m de cierto material energiacutea por valor de 100 joule y el cuerpo incrementa su tempe-ratura en Δt iquestCuaacutenta energiacutea habraacute que suministrarle a un cuerpo del miso material cuya masa es el triple de la del primero para que el aumento de temperatura sea la mitad que en el primer caso
163
AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
149
Calor especiacutefico
Las sustancias tienen distintas capacidades de absorber energiacutea en forma de calor ya
que frente a la misma cantidad de calor sus temperaturas variacutean en formas diferentes
Por ejemplo si se entrega igual cantidad de calor a una cuchara de aluminio y a una
masa equivalente de agua al cabo de un cierto tiempo se podraacute observar que la cuchara
registra un mayor aumento de temperatura que el agua
Las sustancias tienen capacidades distintas de almacenamiento de energiacutea y esto es
muy evidente con los alimentos
Si se colocan en un horno al mismo tiempo una fuente de papas y una cantidad de
masa equivalente de pollo se advierte que las papas tardan maacutes tiempo en llegar a la
temperatura en equilibrio Esto ocurre porque diferentes sustancias requieren distintas
cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura Se dice que estos alimentos
tienen distintas capacidades caloriacuteficas especiacuteficas o calores especiacuteficos
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la can-
tidad de calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
Por ejemplo el calor especiacutefico del agua es 1 calg degC lo que significa que cada gramo
de agua necesita intercambiar una caloriacutea para variar su temperatura un grado Celsius El
agua tiene una mayor capacidad de almacenar energiacutea que muchas otras sustancias Por
tal razoacuten una pequentildea masa de agua absorbe una gran cantidad de calor con un aumento
relativo de temperatura bastante pequentildeo Por el mismo motivo se puede explicar que el
agua se enfriacutea maacutes lentamente que otras sustancias Es por esto que el agua se usa como
refrigerante en muchas maquinarias o sistemas como por ejemplo los automoacuteviles
Calorimetriacutea
Se denomina calorimetriacutea a la medicioacuten y el caacutelculo de las cantidades de calor que
intercambia un sistema
Intuitivamente se sabe que cuanto mayor sea la cantidad de calor suministrada el cuer-
po alcanzaraacute una mayor variacioacuten de la temperatura Es posible verificar experimentalmente
que entre el calor y la temperatura existe una relacioacuten de proporcionalidad directa La cons-
tante de proporcionalidad depende tanto de la sustancia que constituye el cuerpo como de
su masa y resulta el producto del calor especiacutefico por la masa del cuerpo
Por lo tanto la ecuacioacuten que permite calcular intercambios de calor es
Q = c middot m middot ΔT
donde Q es el calor intercambiado por un cuerpo de masa m constituido por una sustan-
cia cuyo calor especiacutefico es c siendo ΔT la variacioacuten de temperatura experimentada
Por convencioacuten se adopta el signo positivo para Q cuando la variacioacuten de tempe-
ratura es mayor que cero es decir cuando el cuerpo aumenta su temperatura En caso
contrario cuando la variacioacuten de temperatura es menor que cero el cuerpo disminuye su
temperatura y el signo de Q seraacute negativo
Es decir que la cantidad de calor que intercambian dos cuerpos del mismo material pero
de masas diferentes para variar de igual manera sus temperaturas depende de sus masas
Por ejemplo si se entrega la misma cantidad de calor a 500 g de agua y luego a 1000 g de
agua que inicialmente se encuentran a temperatura ambiente se espera que la variacioacuten de tem-
peratura de la masa menor de agua sea mayor que la correspondiente a la masa mayor de agua
La unidad elegida para medir la cantidad de energiacutea es el
joule J aunque existe otra unidad muy utilizada la caloriacutea (cal) que se define como la cantidad de calor necesario para que un gramo de agua pura pase de 145 degC a 155 degC En alimentacioacuten y nutricioacuten se suelen usar mucho las caloriacuteas para medir el valor energeacutetico de los alimentos Se utiliza la Cal (escrita con mayuacutescula) donde 1 Cal = 1 kcal = 1000 cal
La relacioacuten entre los joules y las caloriacuteas es la siguiente 1 cal = 418 J o bien 1 J = 024 cal
150 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Algunos caacutelculos de calorimetriacutea
Es importante tener en cuenta que en esta transferencia se cumple el Principio de
Conservacioacuten de la Energiacutea ya que se puede afirmar que
Si dos cuerpos o sistemas aislados intercambian energiacutea en forma de calor la cantidad
recibida por uno de ellos es igual a la cantidad cedida por el otro cuerpo
Es decir la energiacutea total intercambiada se conserva Esto se puede escribir matemaacuteti-
camente de la siguiente forma Σ Q = 0
Si se consideran dos cuerpos de masas diferentes m1 y m2 que se encuentran a diferen-
tes temperaturas T1 y T2 respectivamente y se colocan en contacto teacutermico al cabo de un
tiempo equipararaacuten sus temperaturas a una cierta temperatura final Tf es decir alcanza-
raacuten el equilibrio teacutermico En este intercambio se cumple el principio de conservacioacuten de
la energiacutea es decir la cantidad de energiacutea que absorbe un cuerpo es igual a la cantidad de
energiacutea que cede el otro por lo cual se puede escribir que
Q2 = ndash Q1 que es lo mismo que escribir que c2 middot m2 middot (Tf ndash T2) = ndash c1 middot m1 middot (Tf ndash T1)
La temperatura final alcanzada luego del intercambio es
Tf = m 1 middot c 1 middot T 1 + m 2 middot c 2 middot T 2
______________________ m 1 middot c 1 + m 2 middot c 2
Aplicacioacuten de caacutelculos caloriacutemetros
1 Se colocan 500 gramos de agua liacutequida a 10 ordmC en un caloriacutemetro ideal (se despre-
cia el intercambio de calor del caloriacutemetro) y se la mezcla con 1000 gramos de agua a
70 ordmC Calculen la temperatura de equilibrio de esta mezcla
Como
Tf = m 1 middot c 1 middot T 1 + m 2 middot c 2 middot T 2
______________________ m 1 middot c 1 + m 2 middot c 2
entonces
Tf = 500 g middot 1 calg ordmC middot10 ordmC + 1000 g middot 1 calg ordmC middot70 ordmC
______________________________________________ 1 calg ordmC middot (500 g + 1000 g)
Se obtiene como resultado
Tf = 50 ordmC
La temperatura de equilibro de la mezcla es de 50 ordmC
Un caloriacutemetro es un recipiente adiabaacutetico o
teacutermicamente aislado en el que se puede calcular la cantidad de energiacutea en forma de calor que se intercambia cuando se colocan en contacto teacutermico sustancias de diferentes masas y a diferentes temperaturasTambieacuten puede utilizarse para calcular el calor especiacutefico de una determinada sustancia
151
Tabla de calores especiacuteficos de
algunas sustancias
Sustancia c ( cal _____ g ordmC )
Agua 100
Agua de mar 0945
Aire 00000053
Alcohol 058
Aluminio 0212
Arena 020
Bronce 0092
Cobre 0093
Hielo 055
Hierro 0113
Lana de vidrio 000009
Latoacuten 0094
Mercurio 0033
Oro 0031
Plata 0060
Plomo 0031
Vidrio 0199
Zinc 0092
2 Calculen la cantidad de calor necesaria en kcal y J que deben ceder 1500 gramos
de agua que se encuentra en su punto de ebullicioacuten para disminuir su temperatura
hasta 20 degC
Como Q = c middot m middot ΔT entonces
Q = 1 cal ______ g middot ordmC
middot 1500 g middot (20 ordmC minus 100 ordmC) = minus120 000 cal = minus120 kcal
Como ademaacutes 1 cal = 418 J entonces ndash120 000 cal = ndash120 000 middot 418 J = ndash501600 J
Es decir la cantidad de calor necesaria es ndash120 kcal o ndash501600 J
3 iquestCuaacutel seraacute el aumento de temperatura de una barra de 3 kg de hierro si se coloca en un
horno industrial que le suministra 30 kcal Consulten la tabla de calores especiacuteficos
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja ΔT se obtiene que
ΔT = Q _____ c middot m = 30 000 cal ____________________ 0113 calg ordmC middot 3000 g
= 885 ordmC
porque Q = 30 kcal = 30 000 cal m = 3 kg = 3000 g y en la tabla de calores especiacuteficos
se observa que el calor especiacutefico del hierro es de 0113 cal g middot ordmC
Luego la variacioacuten de temperatura es aproximadamente ΔT = 885 ordmC
4 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia que constituye un cuerpo de 20 g de
masa sabiendo que para elevar su temperatura 6 ordmC se necesitan 96 cal
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja c se obtiene
c = Q ______ ΔT middot m = 96 cal __________
6 ordmC middot 20 g = 08 cal ____
gmiddotordmC
5 El sistema de refrigeracioacuten de un camioacuten contiene 20 litros de agua iquestCuaacutel es la
variacioacuten de la temperatura del agua si se debe extraer una cantidad de energiacutea en
forma de calor de 836 000 J
La energiacutea extraiacuteda en forma de calor por el sistema refrigerante pasa al agua
Como 1 J = 024 cal entonces 836 000 J = 836 000 middot 024 = 200 640 cal
Por otro lado Q = c middot m middot ΔT con lo cual si se despeja ΔT se obtiene
ΔT = Q _____ c middot m = 200 640 cal ___________________ 1 cal g ordmC middot 20 000 g
= 10 ordmC
La temperatura del agua aumenta en 10 ordmC
152 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
Materiales
Un termo o sistema aislado (como los recipientes para conservar la comida) con un termoacutemetro 200 g de agua a temperatura ambiente por ejemplo 20 ordmC 70 g de cobre o de alguacuten otro metal Un calentador eleacutectrico de inmersioacuten de 500 600 W Un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) Pinzas de madera Vasos de precipitado o probetas graduadas Una balanza
Procedimiento1 Midan con la balanza la masa de agua a temperatura ambiente necesaria para realizar este experimento
2 Coloquen el agua a temperatura ambiente dentro del termo
3 Midan usando la balanza la masa del trozo de cobre
4 Calienten el trozo de cobre dentro de un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) con agua hasta 100 ordmC en ese caso el cobre tendraacute la misma temperatura
5 Extraigan con las pinzas de madera raacutepidamente la masa de cobre y coloacutequenla dentro del termo con el agua a temperatura ambiente
6 Mezclen los contenidos del termo para asegurarse la obtencioacuten de una temperatura uniforme
7 Efectuacuteen la lectura de la temperatura de equilibrio
8 Realicen los caacutelculos necesarios para obtener el calor especiacutefico del cobre
Contesten las siguientes consignas
a Expliquen en teacuterminos fiacutesicos queacute sucedioacute en esta mezcla de sustancias dentro del termo
b iquestQueacute calor especiacutefico obtuvieron
c Comparen con la tabla de valores aportada en este capiacutetulo iquestCoincide con el registrado
d Si no coincide iquesta queacute factores atribuyen las diferencias entre los resultados obtenidos
e iquestCoacutemo podriacutean mejorar estos resultados Propongan algunas hipoacutetesis para optimizar el disentildeo experimental
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
4 En un caloriacutemetro hay 200 g de agua a 20 degC Se agregan 100 g de agua y se obtiene una temperatura de equilibrio de 30 degC Calculen la temperatura de la masa de agua agregada
5 Se toma un trozo de 50 g de un metal desconocido a 100 degC y se lo coloca en un caloriacutemetro en el que hay 150 g de agua a 20 degC El sistema llega a una temperatura de equilibrio de 253 degC A partir de los datos de la tabla de la paacutegina 151 determinen de queacute metal podriacutea ser el trozo analizado
6 Se colocan dentro de un horno de microondas dos vasos ideacutenticos Uno contiene 100 g de agua y el otro 100 g de alcohol ambos a una temperatura de 15 degC Al hacer fun-cionar el horno durante medio minuto suministra a cada uno de ellos 1500 caloriacuteas Determinen las temperaturas finales del agua y del alcohol
7 Se colocan en un horno dos cubos de iguales masas uno de aluminio y el otro de plomo a iguales temperaturas de 20 ordmC Al encenderse el horno iquestcuaacutel de ellos alcanzaraacute primero la temperatura de 150 ordmC Justifiquen su respuesta
aACTIVIDADES
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
153
Propagacioacuten del calor
La transmisioacuten de energiacutea por diferencia de temperatura entre cuerpos o sistemas que
interactuacutean entre siacute se produce a traveacutes de diferentes procesos como la conduccioacuten o la
conveccioacuten
Conduccioacuten
Si se coloca un extremo de una cuchara de aluminio en contacto con una hornalla
encendida de la cocina raacutepidamente se advierte que el calor se transmite hasta el otro
extremo
En el sector de la cuchara en contacto con el fuego se produce un aumento de la
temperatura que hace que las partiacuteculas comiencen a vibrar con mayor energiacutea cineacutetica
(energiacutea de movimiento) y esta energiacutea se transfiere a las restantes partiacuteculas de la
regioacuten de menor temperatura
Esta transferencia de energiacutea sin desplazamiento de materia desde zonas de un cuerpo que
se encuentra a mayor temperatura a las de menor temperatura se denomina conduccioacuten
Algunos materiales presentan la propiedad de ser mejores conductores del calor que
otros Los malos conductores del calor se denominan aislantes (aunque cabe aclarar que
la aislacioacuten nunca es perfecta)
Los metales en general son mejores conductores del calor que otros materiales como
la madera el vidrio el corcho el telgopor etc
Es por eso que por ejemplo se suele usar madera en los mangos de los utensilios de
cocina para minimizar la transferencia de calor y evitar quemaduras en la piel
El corcho el telgopor la lana de vidrio son utilizados en las construcciones de viviendas como aislantes del
calor y para mantener una temperatura ambiente agradable Algunos de estos materiales son bastante
porosos lo que implica que tienen espacios con mayor cantidad de aire que es un buen aislante
Se denomina conduccioacuten a la transferencia de
energiacutea sin desplazamiento de materia de un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura a otro que se encuentra a menor temperaturaSe llama aislantes a los materiales que son malos conductores de calor
Lana de vidrio Corcho
Tambieacuten algunas prendas de abrigo como las cam-
peras o los cubrecamas utilizan dos recubrimien-
tos entre los cuales se colocan algunos materiales
porosos como goma espuma plumas telas entra-
madas que contienen una buena cantidad de aire
que permite la aislacioacuten teacutermica del medio
Telgopor Vidrio
154 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
iquestDe queacute factores depende la transferencia de calor por conduccioacuten en los materiales soacuteli-
dos iquestSe puede calcular
No todos los materiales conducen el calor de igual forma La conductividad teacutermica es
una medida de a capacidad de conducir el calor de cada material
Cuando una persona se encuentra en una habitacioacuten cuya temperatura ambiente es
por ejemplo 20 degC y toca con una mano un cenicero de cobre y con la otra un mantel tie-
ne la sensacioacuten de que el cenicero estaacute maacutes friacuteo que el mantel Esto
ocurre dado que como el cobre es un buen conductor teacutermico el
calor entregado por la mano a la zona de contacto del material
se transmite raacutepidamente al resto del objeto En cambio como
el mantel no es un buen conductor teacutermico cuando se lo toca
la transferencia de calor al resto del material es muy lenta la
temperatura de la zona de contacto aumenta hasta equiparar-
se con la piel y esto da la sensacioacuten de estar maacutes caliente
El caacutelculo es por lo general complica-
do Pero si la transferencia de calor se
produce en una sola direccioacuten y la tem-
peratura variacutea solo en esa direccioacuten se
simplifica Por ejemplo si se considera
un vidrio plano (como el de una venta-
na) se puede conocer queacute cantidad de
energiacutea transferida a traveacutes del vidrio va desde la superficie o cara de mayor temperatura
hacia la de menor temperatura Para esto es necesario tener en cuenta el tipo de vidrio
ya que no todos tienen la misma conductividad teacutermica
La cantidad de calor que se transmite por unidad de tiempo en este caso se puede
simbolizar mediante la siguiente expresioacuten matemaacutetica
Q ___ Δ τ = K ∙ S∙ ΔT ___ Δx
donde τ es el tiempo (para no confundirlo con T de temperatura) Q ___ Δ τ es la cantidad
de calor transmitida a traveacutes del vidrio por unidad de tiempo K es el coeficiente de
conductividad teacutermica que depende del material en este caso del vidrio S es la
superficie perpendicular a la direccioacuten de propagacioacuten y ΔT ___ Δx la variacioacuten de tempera-
tura entre las caras dividida por el espesor del vidrio
Se puede decir entonces que
la cantidad de calor que atraviesa
por unidad de tiempo una placa
de vidrio es mayor cuanto mayor
sea la superficie considerada y la
variacioacuten de temperatura entre sus
caras y cuanto menor sea el espe-
sor o distancia entre dichas caras
Algunos materiales conducen el calor
con mayor facilidad que otros asiacute los metales tienen alta conductividad teacutermica compararada por ejemplo con la capacidad de transmitir el calor de la madera algunos plaacutesticos ceraacutemicas etcLa conductividad teacutermica del cobre es de 330 kcalm middot h middot K la de la madera es de 01 a 03 kcalm middot h middot K y la del telgopor 003 kcalm middot h middot K
155
Conveccioacuten
Se si desea colocar estufas en las habitaciones de una casa para calefaccionarla hay que deci-
dir cuaacutel es el lugar maacutes adecuado para que se aproveche la energiacutea de la mejor manera posible
Es necesario tener en cuenta no solo las dimensiones de las habitaciones que se
desean calefaccionar sino tambieacuten el fenoacutemeno fiacutesico que se denomina transmisioacuten de
calor por conveccioacuten
La masa de aire cercana a la estufa aumenta su
temperatura por lo cual el aire se torna menos denso
que el resto de aire alejado de la estufa
Se origina asiacute un movimiento ascendente y des-
cendente de la masa de aire y se generan las deno-
minadas corrientes convectivas con un permanente
desplazamiento de materia
Este fenoacutemeno se puede observar tambieacuten en las
capas de aire que rodean la Tierra que provocan cam-
bios climaacuteticos seguacuten sus caracteriacutesticas Estas masas
de aire pueden ser maacutes caacutelidas en ciertas zonas que en
otras maacutes huacutemedas (por contener mayor cantidad de
vapor de agua) maacutes secas de mayor o menor presioacuten
La temperatura del aire puede ser influida por la propiedad de la superficie terrestre
hecho que es muy relevante para algunos estudios metereoloacutegicos
Estas corrientes convectivas que naturalmente se forman en la
atmoacutesfera son factores que tienen en cuenta por ejemplo las aves los
aladeltistas y otros deportistas que aprovechan las condiciones del aire
para elevarse Esto ocurre dado que al encontrarse con una masa de aire
caliente ascienden con maacutes facilidad y de esta forma ldquoahorranrdquo energiacutea
y pueden mantenerse en vuelo planeando sin tanto esfuerzo
La conveccioacuten se produce tanto en los gases como en los liacutequidos
Es sencillo observar que cuando se calienta agua en alguacuten recipiente
de vidrio transparente se produce
un movimiento ascendente desde la
parte inferior en contacto con la lla-
ma de fuego hacia la parte superior del recipiente
La masa liacutequida de mayor temperatura se dilata
por lo que disminuye su densidad asciende dentro del
recipiente y tiende a desplazar hacia la parte inferior
a la masa de agua liacutequida de menor temperatura
iquestOtra forma de transmisioacuten del calor
Algunos cientiacuteficos consideran que maacutes que una forma de transmisioacuten del calor la
radiacioacuten a la que ya se ha hecho referencia anteriormente implica una manera de inter-
cambio de energiacutea maacutes general
Esta transferencia de energiacutea no se da por intercambio de calor entre cuerpos que se
encuentran a distintas temperaturas ni por trabajo Involucran transferencias de energiacutea
por medio de ondas electromagneacuteticas Asiacute por ejemplo entre dos antenas se transfiere
energiacutea por radiacioacuten
156 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
Materiales Tubo de ensayo Trocitos de hielo Una moneda Agua Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen en el tubo de ensayo los trocitos de hielo cubiertos por la moneda
2Agreguen un poco de agua
3 Acerquen la parte superior del tubo al mechero o calentador
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Corrientes convectivas en liacutequidos
Materiales Agua Recipiente Trocitos de tiza de color o yerba mate Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen agua en un recipiente
2 Agreguen trocitos de tiza de color o un poco de yerba mate
3 Coloquen el recipiente al fuego
hasta que hierva el agua
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Materiales Dos latitas de gaseosa vaciacuteas Un poco de agua Pintura o cartulina negra Mechero o calentador Termoacutemetro
Procedimiento1 Tomen una de las latas y piacutentenla de negro o foacuterrenla con la cartulina negra
2 Anoten la temperatura inicial del agua
3 Coloquen la misma cantidad de agua en las dos latas
4 Pongan a calentar las dos latas a igual distancia del fuego
5 Controlen la temperatura del agua en cada lata cada 10 minutos
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestCoinciden los registros de temperatura de ambas latas
b iquestPor queacute Justifiquen su respuesta
iquestEl agua es un buen conductor teacutermico
Transmisioacuten de energiacutea por radiacioacuten
157
Los cambios de estado
Los materiales se presentan baacutesicamente en tres estados soacutelido liacutequido y gaseoso
Estos estados no son una caracteriacutestica invariable de los cuerpos ya que pueden modifi-
carse por ejemplo si se variacutea la temperatura y la presioacuten a la que estaacuten sometidos dichos
cuerpos Por ejemplo se puede fundir hierro si se lleva su temperatura a maacutes de 1500 degC
Una caracteriacutestica de los liacutequidos es la relativa libertad de movimiento de sus moleacute-
culas Si se suministra calor a un liacutequido y se logra aumentar la temperatura tambieacuten
aumentaraacute el movimiento de sus moleacuteculas las que pueden escapar de la superficie liacutequi-
da Este proceso que se da en la superficie del liacutequido se llama evaporacioacuten y puede ocu-
rrir a cualquier temperatura
A medida que aumenta la temperatura se modifica la estructura de enlace entre las
moleacuteculas Ellas no pueden mantenerse lo suficientemente cerca entre siacute para que la sus-
tancia continuacutee liacutequida lo que provoca que las moleacuteculas escapen auacuten maacutes faacutecilmente al
aire Este es el fenoacutemeno de ebullicioacuten y es conveniente resaltar que la temperatura en
la que este proceso ocurre llamada temperatura de ebullicioacuten se mantendraacute estable en
determinadas condiciones de presioacuten
Todo este proceso corresponde al cambio de estado denominado vaporizacioacuten
Cada sustancia tiene su propio punto de ebullicioacuten punto de fusioacuten y punto de solidi-
ficacioacuten que corresponden a las temperaturas y presiones en que se producen los cambios
de estado
El ciclo del agua o ciclo hidroloacutegico
Es muy comuacuten ejemplificar los cambios de estado con el agua para lo que suele apro-
vecharse el llamado ciclo hidroloacutegico o ciclo del agua que se produce en la naturaleza y
en el que se diferencian los siguientes fenoacutemenos
El agua se evapora continuamente pasando de estado liacutequido a gaseoso
Las nubes estaacuten formadas por pequentildeas gotas de agua liacutequida que ascienden por las
corrientes de aire
La lluvia se produce cuando se forman gotas maacutes gran-
des que precipitan
La nieve y el granizo se for-
man cuando la temperatura es
muy baja y se solidifican las
gotas de agua liacutequida
La niebla se produce en
lugares con altos porcentajes de
humedad y trae aparejada una
disminucioacuten en las temperatu-
ras
El rociacuteo o la escarcha se
producen por la condensacioacuten o
solidificacioacuten del agua de la atmoacutes-
fera debido a las marcadas diferencias
de temperatura entre el diacutea y la noche
Las posibles transformaciones de un
estado a otro son las siguientes
FusioacutenVaporizacioacuten
Sublimacioacuten
Volatilizacioacuten
SolidificacioacutenCondensacioacuten
Soacutelido
Liacutequido
Gaseoso
Hielo
PrecipitacioacutenEvaporacioacuten
Corriente subterraacutenea
Infiltracioacuten
Radiacioacuten solar
Condensacioacuten
Accioacuten del viento
Evaporacioacuten
Corriente
superficial
Transpiracioacuten
158 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Calor de fusioacuten y calor latente de vaporizacioacuten
Cada cambio de estado se acompantildea de un intercambio de energiacutea entre el sistema y
el medio exterior Por ejemplo se necesita energiacutea para fundir el hielo De esta forma se
pueden contrarrestar los efectos de las fuerzas que mantienen las moleacuteculas de agua en
posicioacuten fija en el soacutelido
Si la moleacuteculas de un soacutelido absorben suficiente energiacutea es posible que las fuerzas de
atraccioacuten entre moleacuteculas ya no puedan mantener su unioacuten entonces se produce el pasaje
de estado soacutelido a liacutequido
La vaporizacioacuten tambieacuten necesita energiacutea y sucede algo similar con las fuerzas de
atraccioacuten que mantienen las moleacuteculas cercanas entre siacute en la superficie del liacutequido
Un aumento de energiacutea pude ocasionar que las moleacuteculas escapen del liacutequido para
transformarse en moleacuteculas de vapor
En la medida en que aumentan las fuerzas intermoleculares la cantidad de energiacutea
necesaria para generar un cambio de fase tambieacuten se incrementa
En otros casos para poder cambiar de estado el sistema tiene que ceder energiacutea al
medio Por ejemplo el agua liacutequida debe ceder calor al medio para solidificarse
Se denomina calor latente de vaporizacioacuten a la energiacutea intercambiada por unidad de
masa para producir ese cambio de estado
Por ejemplo cada gramo de agua liacutequida a 100 ordmC y presioacuten normal debe absorber 540 cal
para convertirse en un gramo de agua en estado de vapor a la misma temperatura
La evaporacioacuten se acompantildea de un efecto de enfriamiento en la medida que el agua se
evapora absorbe calor del cuerpo del cual se evapora
El alto calor latente de vaporizacioacuten del agua 540 calg permite el enfriamiento de
las plantas por evaporacioacuten desde la superficie foliar las que reciben gran cantidad de
calor por efecto de la radiacioacuten solar La transpiracioacuten es un importante fenoacutemeno en la
regulacioacuten de la temperatura de muchos seres vivos
El calor latente de fusioacuten del hielo es de 80 calg esto significa que cada gramo de
hielo a 0 ordmC debe absorber 80 cal para convertirse en un gramo de agua liacutequida a 0 ordmC
De manera anaacuteloga al ceder 80 cal cada gramo de agua liacutequida se transforma en hielo
sin modificarse la temperatura
Se puede decir que el calor latente l indica una medida de la cantidad de calor por uni-
dad de masa que se necesita para cambiar de estado sin modificar la temperatura
Esto puede expresarse mediante la siguiente foacutermula
l = Q __ m o lo que es equivalente Q = l middot m
donde l es el calor latente Q es el calor y m la masa del cuerpo
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Hidroacutegeno -2591 139 -2627 1067
Oxiacutegeno -2184 33 -1830 51
Agua 00 80 1000 3594
Mercurio -389 28 3599 697
Plomo 3274 59 1620 -
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Plata 9605 26 1950 552
Cobre 10380 489 2595 1145
Hierro 1535 637 3200 1110
Tungsteno 3390 457 5900 460
159
CIE
NCIA
HIS
TORIA
Y S
OCIE
DAD
La historia la tradicioacuten y las modas arquitectoacutenicas contribuyen a determinar la forma y el tipo de las construcciones iquestCon queacute materiales se construye una casa iquestPor queacute para un determinado uso y funcioacuten se requieren distintos tipos de materialesEn los uacuteltimos antildeos la preocupacioacuten de los arquitectos y tambieacuten de los cientiacuteficos a la hora de proyectar un edificio se manifiesta en la obtencioacuten y aprovechamiento de los materiales con el fin de optimizar el uso de energiacutea en las viviendasLa sociedad moderna requiere grandes cantidades de energiacutea para su funcionamiento normal pero es importante reflexionar sobre el uso oacuteptimo y racional de las fuentes de energiacutea como el carboacuten el gas natural el petroacuteleo y todos sus derivados ya que no son renovablesSe estima que el petroacuteleo y el gas natural alcanzaraacuten para unos 50 a 100 antildeos maacutes mientras que el carboacuten para unos 200 a 300 antildeos maacutesMantener las viviendas calefaccionadas durante el invierno forma parte del bienestar de las personas y optimizar la energiacutea disponible en una casa depende del
cuidado de los recursos utilizados para este finEs importante tener una adecuada aislacioacuten teacutermica en todos los lugares posibles de fuga o peacuterdida de calor sobre todo del techo dado que el aire caliente es maacutes liviano y tiende a subir Existen actualmente en el comercio variedades de aislantes teacutermicos que reducen esas peacuterdidas y permiten ahorrar energiacutea Entre ellos el telgopor
las maderas los plaacutesticos las planchas de corcho las fibras de vidrio los ladrillos huecos refractarios etciquestCuaacuteles son los intercambios de energiacutea en forma de calor que se dan en una casaiquestCuaacutenta energiacutea se transfiere al exteriorEn una casa tiacutepica se disipa calor al exterior seguacuten se muestra en el siguiente esquema
El intercambio de calor en una casaEl hombre puede vivir en diversas regiones de la Tierra desde los troacutepicos hasta los polos en los bosques y en el desierto en las llanuras o montantildeas Aun cuando las condiciones cli-maacuteticas resulten hostiles el ser humano disentildea y construye sus viviendas para protegerse de las inclemencias del tiempo aprovechando los materiales de la zona
Un 35 a traveacutes de las ventanas por
conduccioacuten y radiacioacuten
Un 15 por las
paredes por
conduccioacuten y
conveccioacuten
Un 25 se transfiere
a traveacutes del techo
por conduccioacuten
y conveccioacuten
Un 5 se escapa
de chimeneas y
otros conductos
Un 5 a traveacutes
de rendijas
Un 15 por conduccioacuten a
traveacutes del suelo
160 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
CIE
NCIA
H
ISTO
RIA
Y S
OCIE
DAD
El tipo de material empleado
La energiacutea en forma de calor que se transfiere por segundo desde cualquier habitacioacuten a otra se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten que es similar a la presentada en conductividad teacutermica
P = K middot S middot Δt donde P es la energiacutea en forma de calor transmitida por unidad de tiempo Δt es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la habitacioacuten S es la superficie de los materiales que componen la habitacioacuten y K es un coeficiente caracteriacutestico del material utilizadoLos profesionales utilizan tablas con los valores K de algunas estructuras utilizadas habitualmente en la construccioacuten de una casa como las de la tabla
Luego de la lectura del textoa Sugieran posibles soluciones para prevenir las transfe-rencias de energiacutea desde el interior de las viviendas hacia el exteriorb Confeccionen una lista de las partes de una casa que pueden llevar aislantes teacutermicos y averiguumlen con queacute materiales estaacuten fabricados
c Realicen un disentildeo experimental para calcular la ener-giacutea que se transfiere del interior al exterior de su casad Describan sus disentildeos y busquen informacioacuten sobre uso de materiales en la construccioacuten de viviendas seguacuten sus propiedades y usos
aACTIVIDADES
iquestDe queacute depende la mayor o menor cantidad de energiacutea transferida
Los arquitectos e ingenieros consideran que la transferencias de energiacutea desde el interior hacia el exterior dependen fundamentalmente de los siguientes factores
La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la habitacioacuten Cuanto mayor es esta diferencia mayor es el flujo de energiacutea y maacutes raacutepido se produce el intercambio
Las superficies de los distintos materiales que componen la habitacioacuten Cuanto mayor es la superficie mayor transferencia de energiacutea al exterior
Espuma aislante Muro de ladrillos Tejas para techo
Casa construida
Tipos de estructuraValores K
(w ( m 2 ordmC))
Techo de tejas sin aislamiento
22
Techo de tejas con aislamiento 045
Ventanas con vidrio de 6 mm 56
Ventanas con vidrios dobles con 20 mm de separacioacuten
28
Pared de ladrillos con yeso (114 mm) 1324
Doble pared de ladrillos con caacutemara de aire de 280 mm
17
Doble pared de ladrillos con aislamiento en el
06
Piso de ceraacutemica sobre viguetas 42
Piso de madera sobre viguetas 17
161
IDEAS BAacuteSICAS DE LA UNIDAD
La temperatura es una variable de estado del cuerpo relacionada con la energiacutea cineacutetica
del movimiento de sus partiacuteculas
Los cuerpos no tienen friacuteo ni calor tienen bajas o altas temperaturas
Un termoacutemetro es un instrumento que se utiliza para medir la temperatura
Generalmente los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuan-
do disminuye su temperatura
Se denomina calor a la forma de intercambio de energiacutea entre dos cuerpos de distintas
temperaturas que se ponen en contacto teacutermico
La transferencia de calor se da espontaacuteneamente desde el cuerpo de mayor temperatura al
de menor temperatura
Dos cuerpos de distintas temperaturas que intercambian energiacutea logran el equilibrio teacutermi-
co cuando equiparan sus temperaturas
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la cantidad de
calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
El calor se propaga por tres formas baacutesicas conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten
La conduccioacuten se produce cuando se transfiere energiacutea en forma de calor desde las moleacute-
culas o partiacuteculas que se encuentran en zonas de mayor temperatura a las que se encuentran
en zonas de menor de temperatura sin desplazamiento de materia
En los liacutequidos y gases se generan corrientes convectivas con desplazamiento de materia
A los malos conductores del calor se los llama aislantes teacutermicos
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmC
( T F ndash 32 ordmC) Escala Celcius
T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
T C Escala Farenheit
T K = 27315 + T C Escala termomeacutetrica
ΔL = L o ∙ α ∙ Δt Dilatacioacuten liacuteneal
Q = c ∙ m ∙Δt Calorimetriacutea
Q ___ Δt = K ∙ S ∙ Δt ___ Δx Cantidad de calor que se transfiere
por conduccioacuten de un soacutelido
Foacutermulas
162 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
ACTIVIDADES DE INTEGRACIOacuteN1 Si se colocan 1000 g de agua en un recipiente y 2000 g de agua
en otro ambos a 20 degC y se les entrega igual cantidad de calor en
iguales condiciones de presioacuten normal iquestalcanzaraacuten el mismo punto
de ebullicioacuten iquestPor queacute
2 iquestPor queacute algunos vidrios como los llamados Pyrex no se rompen
cuando se someten a elevadas temperaturas
3 iquestQueacute ocurririacutea si usamos un termoacutemetro de mercurio contenido en
un recipiente cuyo coeficiente de dilatacioacuten fuera similar al del mer-
curio
4 iquestPor queacute el agua no se emplea como sustancia termomeacutetrica
5 Si colocan en un horno dos cuerpos de igual masa pero diferente
calor especiacutefico iquestcuaacutel alcanzaraacute primero la temperatura del horno
iquestPor queacute
6 iquestPor queacute generalmente las estufas y radiadores se colocan en la
parte inferior de la pared
7 Los habitantes del desierto suelen cubrirse con varias capas de
telas a modo de tuacutenicas por lo general claras iquestPor queacute razoacuten se
cubren tanto
8 Si se saca un recipiente del horno con un trozo de tela mojado es
probable que se sienta maacutes ldquocalienterdquo que si lo tomamos con una tela
seca iquestQueacute explicacioacuten fiacutesica tiene este hecho
9 Algunos alimentos que compramos en los negocios de venta al
puacuteblico como restaurantes se colocan en recipientes aislantes iquestPor
queacute iquestDe queacute material estaacuten hechos estos recipientes
10 iquestQueacute funcioacuten cumple un termo Justifiquen sus respuestas en
teacuterminos fiacutesicos
11 La temperatura de un diacutea de invierno en la Antaacutertida puede ser
inferior a ndash50 ordmC iquestA cuaacutentos grados Fahrenheit corresponde
12 Un termoacutemetro estaacute graduado en una escala degX tal que 20 degC
corresponden a 30 degX y 120 degC corresponden a 300 degX iquestCuaacutel es el
valor en la escala degX que corresponde a 50 degC Justifiquen sus res-
puestas
13 iquestQueacute cantidad de calor absorbe un cuerpo de 50 g de hierro que
se encuentra a una temperatura de 25 ordmC cuando su temperatura
aumenta a 100 ordmC
14 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia sabiendo que una
masa de 10 g absorbe 250 caloriacuteas cuando su temperatura variacutea 200
ordmC
15 Una dieta normal para una persona adulta en actividad es de
aproximadamente 2500 kcal diarias iquestA cuaacutentos joule equivale este
valor energeacutetico
16 Se mezclan 50 g de agua a 30 ordmC con 25 g de agua a 20 ordmC en un
recipiente aislado iquestQueacute temperatura final tiene esa mezcla
17 La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 degC Determinen
su longitud en un diacutea en que la temperatura es de 34 degC Consulten
la tabla de coeficientes de dilatacioacuten lineal de la paacutegina 146
18 Una barra de metal de longitud L o a 0 degC sufre un aumento de
longitud de un centeacutesimo de su longitud inicial cuando su tempera-
tura es de 500 degC iquestCuaacutel es el coeficiente de dilatacioacuten del metal
19 iquestCoacutemo podriacutean comprobar que la cantidad de calor que inter-
cambia un cuerpo para modificar su temperatura depende de la
masa del cuerpo Disentildeen un experimento descriacutebanlo y justifiquen
sus hipoacutetesis
20 Seguacuten la teoriacutea del caloacuterico el calor era considerado como una
sustancialidad de los cuerpos Teniendo en cuenta esta teoriacutea dise-
ntildeen un experimento que permita comprobar o refutar la siguiente
hipoacutetesis ldquoEl calor que tienen los cuerpos pesardquo
21 El valor caloacuterico de una barra de 100 g de chocolate es 550 kcal Supongan que se utilizara toda esa energiacutea para elevar la tempera-tura del agua desde los 15 ordmC con que sale de la canilla hasta 100 ordmC iquestcuaacutenta agua se podriacutea calentar
22 Se le suministra a un cuerpo de masa m de cierto material energiacutea por valor de 100 joule y el cuerpo incrementa su tempe-ratura en Δt iquestCuaacutenta energiacutea habraacute que suministrarle a un cuerpo del miso material cuya masa es el triple de la del primero para que el aumento de temperatura sea la mitad que en el primer caso
163
AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
150 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Algunos caacutelculos de calorimetriacutea
Es importante tener en cuenta que en esta transferencia se cumple el Principio de
Conservacioacuten de la Energiacutea ya que se puede afirmar que
Si dos cuerpos o sistemas aislados intercambian energiacutea en forma de calor la cantidad
recibida por uno de ellos es igual a la cantidad cedida por el otro cuerpo
Es decir la energiacutea total intercambiada se conserva Esto se puede escribir matemaacuteti-
camente de la siguiente forma Σ Q = 0
Si se consideran dos cuerpos de masas diferentes m1 y m2 que se encuentran a diferen-
tes temperaturas T1 y T2 respectivamente y se colocan en contacto teacutermico al cabo de un
tiempo equipararaacuten sus temperaturas a una cierta temperatura final Tf es decir alcanza-
raacuten el equilibrio teacutermico En este intercambio se cumple el principio de conservacioacuten de
la energiacutea es decir la cantidad de energiacutea que absorbe un cuerpo es igual a la cantidad de
energiacutea que cede el otro por lo cual se puede escribir que
Q2 = ndash Q1 que es lo mismo que escribir que c2 middot m2 middot (Tf ndash T2) = ndash c1 middot m1 middot (Tf ndash T1)
La temperatura final alcanzada luego del intercambio es
Tf = m 1 middot c 1 middot T 1 + m 2 middot c 2 middot T 2
______________________ m 1 middot c 1 + m 2 middot c 2
Aplicacioacuten de caacutelculos caloriacutemetros
1 Se colocan 500 gramos de agua liacutequida a 10 ordmC en un caloriacutemetro ideal (se despre-
cia el intercambio de calor del caloriacutemetro) y se la mezcla con 1000 gramos de agua a
70 ordmC Calculen la temperatura de equilibrio de esta mezcla
Como
Tf = m 1 middot c 1 middot T 1 + m 2 middot c 2 middot T 2
______________________ m 1 middot c 1 + m 2 middot c 2
entonces
Tf = 500 g middot 1 calg ordmC middot10 ordmC + 1000 g middot 1 calg ordmC middot70 ordmC
______________________________________________ 1 calg ordmC middot (500 g + 1000 g)
Se obtiene como resultado
Tf = 50 ordmC
La temperatura de equilibro de la mezcla es de 50 ordmC
Un caloriacutemetro es un recipiente adiabaacutetico o
teacutermicamente aislado en el que se puede calcular la cantidad de energiacutea en forma de calor que se intercambia cuando se colocan en contacto teacutermico sustancias de diferentes masas y a diferentes temperaturasTambieacuten puede utilizarse para calcular el calor especiacutefico de una determinada sustancia
151
Tabla de calores especiacuteficos de
algunas sustancias
Sustancia c ( cal _____ g ordmC )
Agua 100
Agua de mar 0945
Aire 00000053
Alcohol 058
Aluminio 0212
Arena 020
Bronce 0092
Cobre 0093
Hielo 055
Hierro 0113
Lana de vidrio 000009
Latoacuten 0094
Mercurio 0033
Oro 0031
Plata 0060
Plomo 0031
Vidrio 0199
Zinc 0092
2 Calculen la cantidad de calor necesaria en kcal y J que deben ceder 1500 gramos
de agua que se encuentra en su punto de ebullicioacuten para disminuir su temperatura
hasta 20 degC
Como Q = c middot m middot ΔT entonces
Q = 1 cal ______ g middot ordmC
middot 1500 g middot (20 ordmC minus 100 ordmC) = minus120 000 cal = minus120 kcal
Como ademaacutes 1 cal = 418 J entonces ndash120 000 cal = ndash120 000 middot 418 J = ndash501600 J
Es decir la cantidad de calor necesaria es ndash120 kcal o ndash501600 J
3 iquestCuaacutel seraacute el aumento de temperatura de una barra de 3 kg de hierro si se coloca en un
horno industrial que le suministra 30 kcal Consulten la tabla de calores especiacuteficos
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja ΔT se obtiene que
ΔT = Q _____ c middot m = 30 000 cal ____________________ 0113 calg ordmC middot 3000 g
= 885 ordmC
porque Q = 30 kcal = 30 000 cal m = 3 kg = 3000 g y en la tabla de calores especiacuteficos
se observa que el calor especiacutefico del hierro es de 0113 cal g middot ordmC
Luego la variacioacuten de temperatura es aproximadamente ΔT = 885 ordmC
4 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia que constituye un cuerpo de 20 g de
masa sabiendo que para elevar su temperatura 6 ordmC se necesitan 96 cal
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja c se obtiene
c = Q ______ ΔT middot m = 96 cal __________
6 ordmC middot 20 g = 08 cal ____
gmiddotordmC
5 El sistema de refrigeracioacuten de un camioacuten contiene 20 litros de agua iquestCuaacutel es la
variacioacuten de la temperatura del agua si se debe extraer una cantidad de energiacutea en
forma de calor de 836 000 J
La energiacutea extraiacuteda en forma de calor por el sistema refrigerante pasa al agua
Como 1 J = 024 cal entonces 836 000 J = 836 000 middot 024 = 200 640 cal
Por otro lado Q = c middot m middot ΔT con lo cual si se despeja ΔT se obtiene
ΔT = Q _____ c middot m = 200 640 cal ___________________ 1 cal g ordmC middot 20 000 g
= 10 ordmC
La temperatura del agua aumenta en 10 ordmC
152 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
Materiales
Un termo o sistema aislado (como los recipientes para conservar la comida) con un termoacutemetro 200 g de agua a temperatura ambiente por ejemplo 20 ordmC 70 g de cobre o de alguacuten otro metal Un calentador eleacutectrico de inmersioacuten de 500 600 W Un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) Pinzas de madera Vasos de precipitado o probetas graduadas Una balanza
Procedimiento1 Midan con la balanza la masa de agua a temperatura ambiente necesaria para realizar este experimento
2 Coloquen el agua a temperatura ambiente dentro del termo
3 Midan usando la balanza la masa del trozo de cobre
4 Calienten el trozo de cobre dentro de un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) con agua hasta 100 ordmC en ese caso el cobre tendraacute la misma temperatura
5 Extraigan con las pinzas de madera raacutepidamente la masa de cobre y coloacutequenla dentro del termo con el agua a temperatura ambiente
6 Mezclen los contenidos del termo para asegurarse la obtencioacuten de una temperatura uniforme
7 Efectuacuteen la lectura de la temperatura de equilibrio
8 Realicen los caacutelculos necesarios para obtener el calor especiacutefico del cobre
Contesten las siguientes consignas
a Expliquen en teacuterminos fiacutesicos queacute sucedioacute en esta mezcla de sustancias dentro del termo
b iquestQueacute calor especiacutefico obtuvieron
c Comparen con la tabla de valores aportada en este capiacutetulo iquestCoincide con el registrado
d Si no coincide iquesta queacute factores atribuyen las diferencias entre los resultados obtenidos
e iquestCoacutemo podriacutean mejorar estos resultados Propongan algunas hipoacutetesis para optimizar el disentildeo experimental
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
4 En un caloriacutemetro hay 200 g de agua a 20 degC Se agregan 100 g de agua y se obtiene una temperatura de equilibrio de 30 degC Calculen la temperatura de la masa de agua agregada
5 Se toma un trozo de 50 g de un metal desconocido a 100 degC y se lo coloca en un caloriacutemetro en el que hay 150 g de agua a 20 degC El sistema llega a una temperatura de equilibrio de 253 degC A partir de los datos de la tabla de la paacutegina 151 determinen de queacute metal podriacutea ser el trozo analizado
6 Se colocan dentro de un horno de microondas dos vasos ideacutenticos Uno contiene 100 g de agua y el otro 100 g de alcohol ambos a una temperatura de 15 degC Al hacer fun-cionar el horno durante medio minuto suministra a cada uno de ellos 1500 caloriacuteas Determinen las temperaturas finales del agua y del alcohol
7 Se colocan en un horno dos cubos de iguales masas uno de aluminio y el otro de plomo a iguales temperaturas de 20 ordmC Al encenderse el horno iquestcuaacutel de ellos alcanzaraacute primero la temperatura de 150 ordmC Justifiquen su respuesta
aACTIVIDADES
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
153
Propagacioacuten del calor
La transmisioacuten de energiacutea por diferencia de temperatura entre cuerpos o sistemas que
interactuacutean entre siacute se produce a traveacutes de diferentes procesos como la conduccioacuten o la
conveccioacuten
Conduccioacuten
Si se coloca un extremo de una cuchara de aluminio en contacto con una hornalla
encendida de la cocina raacutepidamente se advierte que el calor se transmite hasta el otro
extremo
En el sector de la cuchara en contacto con el fuego se produce un aumento de la
temperatura que hace que las partiacuteculas comiencen a vibrar con mayor energiacutea cineacutetica
(energiacutea de movimiento) y esta energiacutea se transfiere a las restantes partiacuteculas de la
regioacuten de menor temperatura
Esta transferencia de energiacutea sin desplazamiento de materia desde zonas de un cuerpo que
se encuentra a mayor temperatura a las de menor temperatura se denomina conduccioacuten
Algunos materiales presentan la propiedad de ser mejores conductores del calor que
otros Los malos conductores del calor se denominan aislantes (aunque cabe aclarar que
la aislacioacuten nunca es perfecta)
Los metales en general son mejores conductores del calor que otros materiales como
la madera el vidrio el corcho el telgopor etc
Es por eso que por ejemplo se suele usar madera en los mangos de los utensilios de
cocina para minimizar la transferencia de calor y evitar quemaduras en la piel
El corcho el telgopor la lana de vidrio son utilizados en las construcciones de viviendas como aislantes del
calor y para mantener una temperatura ambiente agradable Algunos de estos materiales son bastante
porosos lo que implica que tienen espacios con mayor cantidad de aire que es un buen aislante
Se denomina conduccioacuten a la transferencia de
energiacutea sin desplazamiento de materia de un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura a otro que se encuentra a menor temperaturaSe llama aislantes a los materiales que son malos conductores de calor
Lana de vidrio Corcho
Tambieacuten algunas prendas de abrigo como las cam-
peras o los cubrecamas utilizan dos recubrimien-
tos entre los cuales se colocan algunos materiales
porosos como goma espuma plumas telas entra-
madas que contienen una buena cantidad de aire
que permite la aislacioacuten teacutermica del medio
Telgopor Vidrio
154 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
iquestDe queacute factores depende la transferencia de calor por conduccioacuten en los materiales soacuteli-
dos iquestSe puede calcular
No todos los materiales conducen el calor de igual forma La conductividad teacutermica es
una medida de a capacidad de conducir el calor de cada material
Cuando una persona se encuentra en una habitacioacuten cuya temperatura ambiente es
por ejemplo 20 degC y toca con una mano un cenicero de cobre y con la otra un mantel tie-
ne la sensacioacuten de que el cenicero estaacute maacutes friacuteo que el mantel Esto
ocurre dado que como el cobre es un buen conductor teacutermico el
calor entregado por la mano a la zona de contacto del material
se transmite raacutepidamente al resto del objeto En cambio como
el mantel no es un buen conductor teacutermico cuando se lo toca
la transferencia de calor al resto del material es muy lenta la
temperatura de la zona de contacto aumenta hasta equiparar-
se con la piel y esto da la sensacioacuten de estar maacutes caliente
El caacutelculo es por lo general complica-
do Pero si la transferencia de calor se
produce en una sola direccioacuten y la tem-
peratura variacutea solo en esa direccioacuten se
simplifica Por ejemplo si se considera
un vidrio plano (como el de una venta-
na) se puede conocer queacute cantidad de
energiacutea transferida a traveacutes del vidrio va desde la superficie o cara de mayor temperatura
hacia la de menor temperatura Para esto es necesario tener en cuenta el tipo de vidrio
ya que no todos tienen la misma conductividad teacutermica
La cantidad de calor que se transmite por unidad de tiempo en este caso se puede
simbolizar mediante la siguiente expresioacuten matemaacutetica
Q ___ Δ τ = K ∙ S∙ ΔT ___ Δx
donde τ es el tiempo (para no confundirlo con T de temperatura) Q ___ Δ τ es la cantidad
de calor transmitida a traveacutes del vidrio por unidad de tiempo K es el coeficiente de
conductividad teacutermica que depende del material en este caso del vidrio S es la
superficie perpendicular a la direccioacuten de propagacioacuten y ΔT ___ Δx la variacioacuten de tempera-
tura entre las caras dividida por el espesor del vidrio
Se puede decir entonces que
la cantidad de calor que atraviesa
por unidad de tiempo una placa
de vidrio es mayor cuanto mayor
sea la superficie considerada y la
variacioacuten de temperatura entre sus
caras y cuanto menor sea el espe-
sor o distancia entre dichas caras
Algunos materiales conducen el calor
con mayor facilidad que otros asiacute los metales tienen alta conductividad teacutermica compararada por ejemplo con la capacidad de transmitir el calor de la madera algunos plaacutesticos ceraacutemicas etcLa conductividad teacutermica del cobre es de 330 kcalm middot h middot K la de la madera es de 01 a 03 kcalm middot h middot K y la del telgopor 003 kcalm middot h middot K
155
Conveccioacuten
Se si desea colocar estufas en las habitaciones de una casa para calefaccionarla hay que deci-
dir cuaacutel es el lugar maacutes adecuado para que se aproveche la energiacutea de la mejor manera posible
Es necesario tener en cuenta no solo las dimensiones de las habitaciones que se
desean calefaccionar sino tambieacuten el fenoacutemeno fiacutesico que se denomina transmisioacuten de
calor por conveccioacuten
La masa de aire cercana a la estufa aumenta su
temperatura por lo cual el aire se torna menos denso
que el resto de aire alejado de la estufa
Se origina asiacute un movimiento ascendente y des-
cendente de la masa de aire y se generan las deno-
minadas corrientes convectivas con un permanente
desplazamiento de materia
Este fenoacutemeno se puede observar tambieacuten en las
capas de aire que rodean la Tierra que provocan cam-
bios climaacuteticos seguacuten sus caracteriacutesticas Estas masas
de aire pueden ser maacutes caacutelidas en ciertas zonas que en
otras maacutes huacutemedas (por contener mayor cantidad de
vapor de agua) maacutes secas de mayor o menor presioacuten
La temperatura del aire puede ser influida por la propiedad de la superficie terrestre
hecho que es muy relevante para algunos estudios metereoloacutegicos
Estas corrientes convectivas que naturalmente se forman en la
atmoacutesfera son factores que tienen en cuenta por ejemplo las aves los
aladeltistas y otros deportistas que aprovechan las condiciones del aire
para elevarse Esto ocurre dado que al encontrarse con una masa de aire
caliente ascienden con maacutes facilidad y de esta forma ldquoahorranrdquo energiacutea
y pueden mantenerse en vuelo planeando sin tanto esfuerzo
La conveccioacuten se produce tanto en los gases como en los liacutequidos
Es sencillo observar que cuando se calienta agua en alguacuten recipiente
de vidrio transparente se produce
un movimiento ascendente desde la
parte inferior en contacto con la lla-
ma de fuego hacia la parte superior del recipiente
La masa liacutequida de mayor temperatura se dilata
por lo que disminuye su densidad asciende dentro del
recipiente y tiende a desplazar hacia la parte inferior
a la masa de agua liacutequida de menor temperatura
iquestOtra forma de transmisioacuten del calor
Algunos cientiacuteficos consideran que maacutes que una forma de transmisioacuten del calor la
radiacioacuten a la que ya se ha hecho referencia anteriormente implica una manera de inter-
cambio de energiacutea maacutes general
Esta transferencia de energiacutea no se da por intercambio de calor entre cuerpos que se
encuentran a distintas temperaturas ni por trabajo Involucran transferencias de energiacutea
por medio de ondas electromagneacuteticas Asiacute por ejemplo entre dos antenas se transfiere
energiacutea por radiacioacuten
156 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
Materiales Tubo de ensayo Trocitos de hielo Una moneda Agua Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen en el tubo de ensayo los trocitos de hielo cubiertos por la moneda
2Agreguen un poco de agua
3 Acerquen la parte superior del tubo al mechero o calentador
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Corrientes convectivas en liacutequidos
Materiales Agua Recipiente Trocitos de tiza de color o yerba mate Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen agua en un recipiente
2 Agreguen trocitos de tiza de color o un poco de yerba mate
3 Coloquen el recipiente al fuego
hasta que hierva el agua
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Materiales Dos latitas de gaseosa vaciacuteas Un poco de agua Pintura o cartulina negra Mechero o calentador Termoacutemetro
Procedimiento1 Tomen una de las latas y piacutentenla de negro o foacuterrenla con la cartulina negra
2 Anoten la temperatura inicial del agua
3 Coloquen la misma cantidad de agua en las dos latas
4 Pongan a calentar las dos latas a igual distancia del fuego
5 Controlen la temperatura del agua en cada lata cada 10 minutos
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestCoinciden los registros de temperatura de ambas latas
b iquestPor queacute Justifiquen su respuesta
iquestEl agua es un buen conductor teacutermico
Transmisioacuten de energiacutea por radiacioacuten
157
Los cambios de estado
Los materiales se presentan baacutesicamente en tres estados soacutelido liacutequido y gaseoso
Estos estados no son una caracteriacutestica invariable de los cuerpos ya que pueden modifi-
carse por ejemplo si se variacutea la temperatura y la presioacuten a la que estaacuten sometidos dichos
cuerpos Por ejemplo se puede fundir hierro si se lleva su temperatura a maacutes de 1500 degC
Una caracteriacutestica de los liacutequidos es la relativa libertad de movimiento de sus moleacute-
culas Si se suministra calor a un liacutequido y se logra aumentar la temperatura tambieacuten
aumentaraacute el movimiento de sus moleacuteculas las que pueden escapar de la superficie liacutequi-
da Este proceso que se da en la superficie del liacutequido se llama evaporacioacuten y puede ocu-
rrir a cualquier temperatura
A medida que aumenta la temperatura se modifica la estructura de enlace entre las
moleacuteculas Ellas no pueden mantenerse lo suficientemente cerca entre siacute para que la sus-
tancia continuacutee liacutequida lo que provoca que las moleacuteculas escapen auacuten maacutes faacutecilmente al
aire Este es el fenoacutemeno de ebullicioacuten y es conveniente resaltar que la temperatura en
la que este proceso ocurre llamada temperatura de ebullicioacuten se mantendraacute estable en
determinadas condiciones de presioacuten
Todo este proceso corresponde al cambio de estado denominado vaporizacioacuten
Cada sustancia tiene su propio punto de ebullicioacuten punto de fusioacuten y punto de solidi-
ficacioacuten que corresponden a las temperaturas y presiones en que se producen los cambios
de estado
El ciclo del agua o ciclo hidroloacutegico
Es muy comuacuten ejemplificar los cambios de estado con el agua para lo que suele apro-
vecharse el llamado ciclo hidroloacutegico o ciclo del agua que se produce en la naturaleza y
en el que se diferencian los siguientes fenoacutemenos
El agua se evapora continuamente pasando de estado liacutequido a gaseoso
Las nubes estaacuten formadas por pequentildeas gotas de agua liacutequida que ascienden por las
corrientes de aire
La lluvia se produce cuando se forman gotas maacutes gran-
des que precipitan
La nieve y el granizo se for-
man cuando la temperatura es
muy baja y se solidifican las
gotas de agua liacutequida
La niebla se produce en
lugares con altos porcentajes de
humedad y trae aparejada una
disminucioacuten en las temperatu-
ras
El rociacuteo o la escarcha se
producen por la condensacioacuten o
solidificacioacuten del agua de la atmoacutes-
fera debido a las marcadas diferencias
de temperatura entre el diacutea y la noche
Las posibles transformaciones de un
estado a otro son las siguientes
FusioacutenVaporizacioacuten
Sublimacioacuten
Volatilizacioacuten
SolidificacioacutenCondensacioacuten
Soacutelido
Liacutequido
Gaseoso
Hielo
PrecipitacioacutenEvaporacioacuten
Corriente subterraacutenea
Infiltracioacuten
Radiacioacuten solar
Condensacioacuten
Accioacuten del viento
Evaporacioacuten
Corriente
superficial
Transpiracioacuten
158 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Calor de fusioacuten y calor latente de vaporizacioacuten
Cada cambio de estado se acompantildea de un intercambio de energiacutea entre el sistema y
el medio exterior Por ejemplo se necesita energiacutea para fundir el hielo De esta forma se
pueden contrarrestar los efectos de las fuerzas que mantienen las moleacuteculas de agua en
posicioacuten fija en el soacutelido
Si la moleacuteculas de un soacutelido absorben suficiente energiacutea es posible que las fuerzas de
atraccioacuten entre moleacuteculas ya no puedan mantener su unioacuten entonces se produce el pasaje
de estado soacutelido a liacutequido
La vaporizacioacuten tambieacuten necesita energiacutea y sucede algo similar con las fuerzas de
atraccioacuten que mantienen las moleacuteculas cercanas entre siacute en la superficie del liacutequido
Un aumento de energiacutea pude ocasionar que las moleacuteculas escapen del liacutequido para
transformarse en moleacuteculas de vapor
En la medida en que aumentan las fuerzas intermoleculares la cantidad de energiacutea
necesaria para generar un cambio de fase tambieacuten se incrementa
En otros casos para poder cambiar de estado el sistema tiene que ceder energiacutea al
medio Por ejemplo el agua liacutequida debe ceder calor al medio para solidificarse
Se denomina calor latente de vaporizacioacuten a la energiacutea intercambiada por unidad de
masa para producir ese cambio de estado
Por ejemplo cada gramo de agua liacutequida a 100 ordmC y presioacuten normal debe absorber 540 cal
para convertirse en un gramo de agua en estado de vapor a la misma temperatura
La evaporacioacuten se acompantildea de un efecto de enfriamiento en la medida que el agua se
evapora absorbe calor del cuerpo del cual se evapora
El alto calor latente de vaporizacioacuten del agua 540 calg permite el enfriamiento de
las plantas por evaporacioacuten desde la superficie foliar las que reciben gran cantidad de
calor por efecto de la radiacioacuten solar La transpiracioacuten es un importante fenoacutemeno en la
regulacioacuten de la temperatura de muchos seres vivos
El calor latente de fusioacuten del hielo es de 80 calg esto significa que cada gramo de
hielo a 0 ordmC debe absorber 80 cal para convertirse en un gramo de agua liacutequida a 0 ordmC
De manera anaacuteloga al ceder 80 cal cada gramo de agua liacutequida se transforma en hielo
sin modificarse la temperatura
Se puede decir que el calor latente l indica una medida de la cantidad de calor por uni-
dad de masa que se necesita para cambiar de estado sin modificar la temperatura
Esto puede expresarse mediante la siguiente foacutermula
l = Q __ m o lo que es equivalente Q = l middot m
donde l es el calor latente Q es el calor y m la masa del cuerpo
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Hidroacutegeno -2591 139 -2627 1067
Oxiacutegeno -2184 33 -1830 51
Agua 00 80 1000 3594
Mercurio -389 28 3599 697
Plomo 3274 59 1620 -
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Plata 9605 26 1950 552
Cobre 10380 489 2595 1145
Hierro 1535 637 3200 1110
Tungsteno 3390 457 5900 460
159
CIE
NCIA
HIS
TORIA
Y S
OCIE
DAD
La historia la tradicioacuten y las modas arquitectoacutenicas contribuyen a determinar la forma y el tipo de las construcciones iquestCon queacute materiales se construye una casa iquestPor queacute para un determinado uso y funcioacuten se requieren distintos tipos de materialesEn los uacuteltimos antildeos la preocupacioacuten de los arquitectos y tambieacuten de los cientiacuteficos a la hora de proyectar un edificio se manifiesta en la obtencioacuten y aprovechamiento de los materiales con el fin de optimizar el uso de energiacutea en las viviendasLa sociedad moderna requiere grandes cantidades de energiacutea para su funcionamiento normal pero es importante reflexionar sobre el uso oacuteptimo y racional de las fuentes de energiacutea como el carboacuten el gas natural el petroacuteleo y todos sus derivados ya que no son renovablesSe estima que el petroacuteleo y el gas natural alcanzaraacuten para unos 50 a 100 antildeos maacutes mientras que el carboacuten para unos 200 a 300 antildeos maacutesMantener las viviendas calefaccionadas durante el invierno forma parte del bienestar de las personas y optimizar la energiacutea disponible en una casa depende del
cuidado de los recursos utilizados para este finEs importante tener una adecuada aislacioacuten teacutermica en todos los lugares posibles de fuga o peacuterdida de calor sobre todo del techo dado que el aire caliente es maacutes liviano y tiende a subir Existen actualmente en el comercio variedades de aislantes teacutermicos que reducen esas peacuterdidas y permiten ahorrar energiacutea Entre ellos el telgopor
las maderas los plaacutesticos las planchas de corcho las fibras de vidrio los ladrillos huecos refractarios etciquestCuaacuteles son los intercambios de energiacutea en forma de calor que se dan en una casaiquestCuaacutenta energiacutea se transfiere al exteriorEn una casa tiacutepica se disipa calor al exterior seguacuten se muestra en el siguiente esquema
El intercambio de calor en una casaEl hombre puede vivir en diversas regiones de la Tierra desde los troacutepicos hasta los polos en los bosques y en el desierto en las llanuras o montantildeas Aun cuando las condiciones cli-maacuteticas resulten hostiles el ser humano disentildea y construye sus viviendas para protegerse de las inclemencias del tiempo aprovechando los materiales de la zona
Un 35 a traveacutes de las ventanas por
conduccioacuten y radiacioacuten
Un 15 por las
paredes por
conduccioacuten y
conveccioacuten
Un 25 se transfiere
a traveacutes del techo
por conduccioacuten
y conveccioacuten
Un 5 se escapa
de chimeneas y
otros conductos
Un 5 a traveacutes
de rendijas
Un 15 por conduccioacuten a
traveacutes del suelo
160 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
CIE
NCIA
H
ISTO
RIA
Y S
OCIE
DAD
El tipo de material empleado
La energiacutea en forma de calor que se transfiere por segundo desde cualquier habitacioacuten a otra se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten que es similar a la presentada en conductividad teacutermica
P = K middot S middot Δt donde P es la energiacutea en forma de calor transmitida por unidad de tiempo Δt es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la habitacioacuten S es la superficie de los materiales que componen la habitacioacuten y K es un coeficiente caracteriacutestico del material utilizadoLos profesionales utilizan tablas con los valores K de algunas estructuras utilizadas habitualmente en la construccioacuten de una casa como las de la tabla
Luego de la lectura del textoa Sugieran posibles soluciones para prevenir las transfe-rencias de energiacutea desde el interior de las viviendas hacia el exteriorb Confeccionen una lista de las partes de una casa que pueden llevar aislantes teacutermicos y averiguumlen con queacute materiales estaacuten fabricados
c Realicen un disentildeo experimental para calcular la ener-giacutea que se transfiere del interior al exterior de su casad Describan sus disentildeos y busquen informacioacuten sobre uso de materiales en la construccioacuten de viviendas seguacuten sus propiedades y usos
aACTIVIDADES
iquestDe queacute depende la mayor o menor cantidad de energiacutea transferida
Los arquitectos e ingenieros consideran que la transferencias de energiacutea desde el interior hacia el exterior dependen fundamentalmente de los siguientes factores
La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la habitacioacuten Cuanto mayor es esta diferencia mayor es el flujo de energiacutea y maacutes raacutepido se produce el intercambio
Las superficies de los distintos materiales que componen la habitacioacuten Cuanto mayor es la superficie mayor transferencia de energiacutea al exterior
Espuma aislante Muro de ladrillos Tejas para techo
Casa construida
Tipos de estructuraValores K
(w ( m 2 ordmC))
Techo de tejas sin aislamiento
22
Techo de tejas con aislamiento 045
Ventanas con vidrio de 6 mm 56
Ventanas con vidrios dobles con 20 mm de separacioacuten
28
Pared de ladrillos con yeso (114 mm) 1324
Doble pared de ladrillos con caacutemara de aire de 280 mm
17
Doble pared de ladrillos con aislamiento en el
06
Piso de ceraacutemica sobre viguetas 42
Piso de madera sobre viguetas 17
161
IDEAS BAacuteSICAS DE LA UNIDAD
La temperatura es una variable de estado del cuerpo relacionada con la energiacutea cineacutetica
del movimiento de sus partiacuteculas
Los cuerpos no tienen friacuteo ni calor tienen bajas o altas temperaturas
Un termoacutemetro es un instrumento que se utiliza para medir la temperatura
Generalmente los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuan-
do disminuye su temperatura
Se denomina calor a la forma de intercambio de energiacutea entre dos cuerpos de distintas
temperaturas que se ponen en contacto teacutermico
La transferencia de calor se da espontaacuteneamente desde el cuerpo de mayor temperatura al
de menor temperatura
Dos cuerpos de distintas temperaturas que intercambian energiacutea logran el equilibrio teacutermi-
co cuando equiparan sus temperaturas
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la cantidad de
calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
El calor se propaga por tres formas baacutesicas conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten
La conduccioacuten se produce cuando se transfiere energiacutea en forma de calor desde las moleacute-
culas o partiacuteculas que se encuentran en zonas de mayor temperatura a las que se encuentran
en zonas de menor de temperatura sin desplazamiento de materia
En los liacutequidos y gases se generan corrientes convectivas con desplazamiento de materia
A los malos conductores del calor se los llama aislantes teacutermicos
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmC
( T F ndash 32 ordmC) Escala Celcius
T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
T C Escala Farenheit
T K = 27315 + T C Escala termomeacutetrica
ΔL = L o ∙ α ∙ Δt Dilatacioacuten liacuteneal
Q = c ∙ m ∙Δt Calorimetriacutea
Q ___ Δt = K ∙ S ∙ Δt ___ Δx Cantidad de calor que se transfiere
por conduccioacuten de un soacutelido
Foacutermulas
162 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
ACTIVIDADES DE INTEGRACIOacuteN1 Si se colocan 1000 g de agua en un recipiente y 2000 g de agua
en otro ambos a 20 degC y se les entrega igual cantidad de calor en
iguales condiciones de presioacuten normal iquestalcanzaraacuten el mismo punto
de ebullicioacuten iquestPor queacute
2 iquestPor queacute algunos vidrios como los llamados Pyrex no se rompen
cuando se someten a elevadas temperaturas
3 iquestQueacute ocurririacutea si usamos un termoacutemetro de mercurio contenido en
un recipiente cuyo coeficiente de dilatacioacuten fuera similar al del mer-
curio
4 iquestPor queacute el agua no se emplea como sustancia termomeacutetrica
5 Si colocan en un horno dos cuerpos de igual masa pero diferente
calor especiacutefico iquestcuaacutel alcanzaraacute primero la temperatura del horno
iquestPor queacute
6 iquestPor queacute generalmente las estufas y radiadores se colocan en la
parte inferior de la pared
7 Los habitantes del desierto suelen cubrirse con varias capas de
telas a modo de tuacutenicas por lo general claras iquestPor queacute razoacuten se
cubren tanto
8 Si se saca un recipiente del horno con un trozo de tela mojado es
probable que se sienta maacutes ldquocalienterdquo que si lo tomamos con una tela
seca iquestQueacute explicacioacuten fiacutesica tiene este hecho
9 Algunos alimentos que compramos en los negocios de venta al
puacuteblico como restaurantes se colocan en recipientes aislantes iquestPor
queacute iquestDe queacute material estaacuten hechos estos recipientes
10 iquestQueacute funcioacuten cumple un termo Justifiquen sus respuestas en
teacuterminos fiacutesicos
11 La temperatura de un diacutea de invierno en la Antaacutertida puede ser
inferior a ndash50 ordmC iquestA cuaacutentos grados Fahrenheit corresponde
12 Un termoacutemetro estaacute graduado en una escala degX tal que 20 degC
corresponden a 30 degX y 120 degC corresponden a 300 degX iquestCuaacutel es el
valor en la escala degX que corresponde a 50 degC Justifiquen sus res-
puestas
13 iquestQueacute cantidad de calor absorbe un cuerpo de 50 g de hierro que
se encuentra a una temperatura de 25 ordmC cuando su temperatura
aumenta a 100 ordmC
14 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia sabiendo que una
masa de 10 g absorbe 250 caloriacuteas cuando su temperatura variacutea 200
ordmC
15 Una dieta normal para una persona adulta en actividad es de
aproximadamente 2500 kcal diarias iquestA cuaacutentos joule equivale este
valor energeacutetico
16 Se mezclan 50 g de agua a 30 ordmC con 25 g de agua a 20 ordmC en un
recipiente aislado iquestQueacute temperatura final tiene esa mezcla
17 La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 degC Determinen
su longitud en un diacutea en que la temperatura es de 34 degC Consulten
la tabla de coeficientes de dilatacioacuten lineal de la paacutegina 146
18 Una barra de metal de longitud L o a 0 degC sufre un aumento de
longitud de un centeacutesimo de su longitud inicial cuando su tempera-
tura es de 500 degC iquestCuaacutel es el coeficiente de dilatacioacuten del metal
19 iquestCoacutemo podriacutean comprobar que la cantidad de calor que inter-
cambia un cuerpo para modificar su temperatura depende de la
masa del cuerpo Disentildeen un experimento descriacutebanlo y justifiquen
sus hipoacutetesis
20 Seguacuten la teoriacutea del caloacuterico el calor era considerado como una
sustancialidad de los cuerpos Teniendo en cuenta esta teoriacutea dise-
ntildeen un experimento que permita comprobar o refutar la siguiente
hipoacutetesis ldquoEl calor que tienen los cuerpos pesardquo
21 El valor caloacuterico de una barra de 100 g de chocolate es 550 kcal Supongan que se utilizara toda esa energiacutea para elevar la tempera-tura del agua desde los 15 ordmC con que sale de la canilla hasta 100 ordmC iquestcuaacutenta agua se podriacutea calentar
22 Se le suministra a un cuerpo de masa m de cierto material energiacutea por valor de 100 joule y el cuerpo incrementa su tempe-ratura en Δt iquestCuaacutenta energiacutea habraacute que suministrarle a un cuerpo del miso material cuya masa es el triple de la del primero para que el aumento de temperatura sea la mitad que en el primer caso
163
AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
151
Tabla de calores especiacuteficos de
algunas sustancias
Sustancia c ( cal _____ g ordmC )
Agua 100
Agua de mar 0945
Aire 00000053
Alcohol 058
Aluminio 0212
Arena 020
Bronce 0092
Cobre 0093
Hielo 055
Hierro 0113
Lana de vidrio 000009
Latoacuten 0094
Mercurio 0033
Oro 0031
Plata 0060
Plomo 0031
Vidrio 0199
Zinc 0092
2 Calculen la cantidad de calor necesaria en kcal y J que deben ceder 1500 gramos
de agua que se encuentra en su punto de ebullicioacuten para disminuir su temperatura
hasta 20 degC
Como Q = c middot m middot ΔT entonces
Q = 1 cal ______ g middot ordmC
middot 1500 g middot (20 ordmC minus 100 ordmC) = minus120 000 cal = minus120 kcal
Como ademaacutes 1 cal = 418 J entonces ndash120 000 cal = ndash120 000 middot 418 J = ndash501600 J
Es decir la cantidad de calor necesaria es ndash120 kcal o ndash501600 J
3 iquestCuaacutel seraacute el aumento de temperatura de una barra de 3 kg de hierro si se coloca en un
horno industrial que le suministra 30 kcal Consulten la tabla de calores especiacuteficos
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja ΔT se obtiene que
ΔT = Q _____ c middot m = 30 000 cal ____________________ 0113 calg ordmC middot 3000 g
= 885 ordmC
porque Q = 30 kcal = 30 000 cal m = 3 kg = 3000 g y en la tabla de calores especiacuteficos
se observa que el calor especiacutefico del hierro es de 0113 cal g middot ordmC
Luego la variacioacuten de temperatura es aproximadamente ΔT = 885 ordmC
4 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia que constituye un cuerpo de 20 g de
masa sabiendo que para elevar su temperatura 6 ordmC se necesitan 96 cal
Como Q = c middot m middot ΔT si se despeja c se obtiene
c = Q ______ ΔT middot m = 96 cal __________
6 ordmC middot 20 g = 08 cal ____
gmiddotordmC
5 El sistema de refrigeracioacuten de un camioacuten contiene 20 litros de agua iquestCuaacutel es la
variacioacuten de la temperatura del agua si se debe extraer una cantidad de energiacutea en
forma de calor de 836 000 J
La energiacutea extraiacuteda en forma de calor por el sistema refrigerante pasa al agua
Como 1 J = 024 cal entonces 836 000 J = 836 000 middot 024 = 200 640 cal
Por otro lado Q = c middot m middot ΔT con lo cual si se despeja ΔT se obtiene
ΔT = Q _____ c middot m = 200 640 cal ___________________ 1 cal g ordmC middot 20 000 g
= 10 ordmC
La temperatura del agua aumenta en 10 ordmC
152 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
Materiales
Un termo o sistema aislado (como los recipientes para conservar la comida) con un termoacutemetro 200 g de agua a temperatura ambiente por ejemplo 20 ordmC 70 g de cobre o de alguacuten otro metal Un calentador eleacutectrico de inmersioacuten de 500 600 W Un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) Pinzas de madera Vasos de precipitado o probetas graduadas Una balanza
Procedimiento1 Midan con la balanza la masa de agua a temperatura ambiente necesaria para realizar este experimento
2 Coloquen el agua a temperatura ambiente dentro del termo
3 Midan usando la balanza la masa del trozo de cobre
4 Calienten el trozo de cobre dentro de un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) con agua hasta 100 ordmC en ese caso el cobre tendraacute la misma temperatura
5 Extraigan con las pinzas de madera raacutepidamente la masa de cobre y coloacutequenla dentro del termo con el agua a temperatura ambiente
6 Mezclen los contenidos del termo para asegurarse la obtencioacuten de una temperatura uniforme
7 Efectuacuteen la lectura de la temperatura de equilibrio
8 Realicen los caacutelculos necesarios para obtener el calor especiacutefico del cobre
Contesten las siguientes consignas
a Expliquen en teacuterminos fiacutesicos queacute sucedioacute en esta mezcla de sustancias dentro del termo
b iquestQueacute calor especiacutefico obtuvieron
c Comparen con la tabla de valores aportada en este capiacutetulo iquestCoincide con el registrado
d Si no coincide iquesta queacute factores atribuyen las diferencias entre los resultados obtenidos
e iquestCoacutemo podriacutean mejorar estos resultados Propongan algunas hipoacutetesis para optimizar el disentildeo experimental
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
4 En un caloriacutemetro hay 200 g de agua a 20 degC Se agregan 100 g de agua y se obtiene una temperatura de equilibrio de 30 degC Calculen la temperatura de la masa de agua agregada
5 Se toma un trozo de 50 g de un metal desconocido a 100 degC y se lo coloca en un caloriacutemetro en el que hay 150 g de agua a 20 degC El sistema llega a una temperatura de equilibrio de 253 degC A partir de los datos de la tabla de la paacutegina 151 determinen de queacute metal podriacutea ser el trozo analizado
6 Se colocan dentro de un horno de microondas dos vasos ideacutenticos Uno contiene 100 g de agua y el otro 100 g de alcohol ambos a una temperatura de 15 degC Al hacer fun-cionar el horno durante medio minuto suministra a cada uno de ellos 1500 caloriacuteas Determinen las temperaturas finales del agua y del alcohol
7 Se colocan en un horno dos cubos de iguales masas uno de aluminio y el otro de plomo a iguales temperaturas de 20 ordmC Al encenderse el horno iquestcuaacutel de ellos alcanzaraacute primero la temperatura de 150 ordmC Justifiquen su respuesta
aACTIVIDADES
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
153
Propagacioacuten del calor
La transmisioacuten de energiacutea por diferencia de temperatura entre cuerpos o sistemas que
interactuacutean entre siacute se produce a traveacutes de diferentes procesos como la conduccioacuten o la
conveccioacuten
Conduccioacuten
Si se coloca un extremo de una cuchara de aluminio en contacto con una hornalla
encendida de la cocina raacutepidamente se advierte que el calor se transmite hasta el otro
extremo
En el sector de la cuchara en contacto con el fuego se produce un aumento de la
temperatura que hace que las partiacuteculas comiencen a vibrar con mayor energiacutea cineacutetica
(energiacutea de movimiento) y esta energiacutea se transfiere a las restantes partiacuteculas de la
regioacuten de menor temperatura
Esta transferencia de energiacutea sin desplazamiento de materia desde zonas de un cuerpo que
se encuentra a mayor temperatura a las de menor temperatura se denomina conduccioacuten
Algunos materiales presentan la propiedad de ser mejores conductores del calor que
otros Los malos conductores del calor se denominan aislantes (aunque cabe aclarar que
la aislacioacuten nunca es perfecta)
Los metales en general son mejores conductores del calor que otros materiales como
la madera el vidrio el corcho el telgopor etc
Es por eso que por ejemplo se suele usar madera en los mangos de los utensilios de
cocina para minimizar la transferencia de calor y evitar quemaduras en la piel
El corcho el telgopor la lana de vidrio son utilizados en las construcciones de viviendas como aislantes del
calor y para mantener una temperatura ambiente agradable Algunos de estos materiales son bastante
porosos lo que implica que tienen espacios con mayor cantidad de aire que es un buen aislante
Se denomina conduccioacuten a la transferencia de
energiacutea sin desplazamiento de materia de un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura a otro que se encuentra a menor temperaturaSe llama aislantes a los materiales que son malos conductores de calor
Lana de vidrio Corcho
Tambieacuten algunas prendas de abrigo como las cam-
peras o los cubrecamas utilizan dos recubrimien-
tos entre los cuales se colocan algunos materiales
porosos como goma espuma plumas telas entra-
madas que contienen una buena cantidad de aire
que permite la aislacioacuten teacutermica del medio
Telgopor Vidrio
154 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
iquestDe queacute factores depende la transferencia de calor por conduccioacuten en los materiales soacuteli-
dos iquestSe puede calcular
No todos los materiales conducen el calor de igual forma La conductividad teacutermica es
una medida de a capacidad de conducir el calor de cada material
Cuando una persona se encuentra en una habitacioacuten cuya temperatura ambiente es
por ejemplo 20 degC y toca con una mano un cenicero de cobre y con la otra un mantel tie-
ne la sensacioacuten de que el cenicero estaacute maacutes friacuteo que el mantel Esto
ocurre dado que como el cobre es un buen conductor teacutermico el
calor entregado por la mano a la zona de contacto del material
se transmite raacutepidamente al resto del objeto En cambio como
el mantel no es un buen conductor teacutermico cuando se lo toca
la transferencia de calor al resto del material es muy lenta la
temperatura de la zona de contacto aumenta hasta equiparar-
se con la piel y esto da la sensacioacuten de estar maacutes caliente
El caacutelculo es por lo general complica-
do Pero si la transferencia de calor se
produce en una sola direccioacuten y la tem-
peratura variacutea solo en esa direccioacuten se
simplifica Por ejemplo si se considera
un vidrio plano (como el de una venta-
na) se puede conocer queacute cantidad de
energiacutea transferida a traveacutes del vidrio va desde la superficie o cara de mayor temperatura
hacia la de menor temperatura Para esto es necesario tener en cuenta el tipo de vidrio
ya que no todos tienen la misma conductividad teacutermica
La cantidad de calor que se transmite por unidad de tiempo en este caso se puede
simbolizar mediante la siguiente expresioacuten matemaacutetica
Q ___ Δ τ = K ∙ S∙ ΔT ___ Δx
donde τ es el tiempo (para no confundirlo con T de temperatura) Q ___ Δ τ es la cantidad
de calor transmitida a traveacutes del vidrio por unidad de tiempo K es el coeficiente de
conductividad teacutermica que depende del material en este caso del vidrio S es la
superficie perpendicular a la direccioacuten de propagacioacuten y ΔT ___ Δx la variacioacuten de tempera-
tura entre las caras dividida por el espesor del vidrio
Se puede decir entonces que
la cantidad de calor que atraviesa
por unidad de tiempo una placa
de vidrio es mayor cuanto mayor
sea la superficie considerada y la
variacioacuten de temperatura entre sus
caras y cuanto menor sea el espe-
sor o distancia entre dichas caras
Algunos materiales conducen el calor
con mayor facilidad que otros asiacute los metales tienen alta conductividad teacutermica compararada por ejemplo con la capacidad de transmitir el calor de la madera algunos plaacutesticos ceraacutemicas etcLa conductividad teacutermica del cobre es de 330 kcalm middot h middot K la de la madera es de 01 a 03 kcalm middot h middot K y la del telgopor 003 kcalm middot h middot K
155
Conveccioacuten
Se si desea colocar estufas en las habitaciones de una casa para calefaccionarla hay que deci-
dir cuaacutel es el lugar maacutes adecuado para que se aproveche la energiacutea de la mejor manera posible
Es necesario tener en cuenta no solo las dimensiones de las habitaciones que se
desean calefaccionar sino tambieacuten el fenoacutemeno fiacutesico que se denomina transmisioacuten de
calor por conveccioacuten
La masa de aire cercana a la estufa aumenta su
temperatura por lo cual el aire se torna menos denso
que el resto de aire alejado de la estufa
Se origina asiacute un movimiento ascendente y des-
cendente de la masa de aire y se generan las deno-
minadas corrientes convectivas con un permanente
desplazamiento de materia
Este fenoacutemeno se puede observar tambieacuten en las
capas de aire que rodean la Tierra que provocan cam-
bios climaacuteticos seguacuten sus caracteriacutesticas Estas masas
de aire pueden ser maacutes caacutelidas en ciertas zonas que en
otras maacutes huacutemedas (por contener mayor cantidad de
vapor de agua) maacutes secas de mayor o menor presioacuten
La temperatura del aire puede ser influida por la propiedad de la superficie terrestre
hecho que es muy relevante para algunos estudios metereoloacutegicos
Estas corrientes convectivas que naturalmente se forman en la
atmoacutesfera son factores que tienen en cuenta por ejemplo las aves los
aladeltistas y otros deportistas que aprovechan las condiciones del aire
para elevarse Esto ocurre dado que al encontrarse con una masa de aire
caliente ascienden con maacutes facilidad y de esta forma ldquoahorranrdquo energiacutea
y pueden mantenerse en vuelo planeando sin tanto esfuerzo
La conveccioacuten se produce tanto en los gases como en los liacutequidos
Es sencillo observar que cuando se calienta agua en alguacuten recipiente
de vidrio transparente se produce
un movimiento ascendente desde la
parte inferior en contacto con la lla-
ma de fuego hacia la parte superior del recipiente
La masa liacutequida de mayor temperatura se dilata
por lo que disminuye su densidad asciende dentro del
recipiente y tiende a desplazar hacia la parte inferior
a la masa de agua liacutequida de menor temperatura
iquestOtra forma de transmisioacuten del calor
Algunos cientiacuteficos consideran que maacutes que una forma de transmisioacuten del calor la
radiacioacuten a la que ya se ha hecho referencia anteriormente implica una manera de inter-
cambio de energiacutea maacutes general
Esta transferencia de energiacutea no se da por intercambio de calor entre cuerpos que se
encuentran a distintas temperaturas ni por trabajo Involucran transferencias de energiacutea
por medio de ondas electromagneacuteticas Asiacute por ejemplo entre dos antenas se transfiere
energiacutea por radiacioacuten
156 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
Materiales Tubo de ensayo Trocitos de hielo Una moneda Agua Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen en el tubo de ensayo los trocitos de hielo cubiertos por la moneda
2Agreguen un poco de agua
3 Acerquen la parte superior del tubo al mechero o calentador
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Corrientes convectivas en liacutequidos
Materiales Agua Recipiente Trocitos de tiza de color o yerba mate Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen agua en un recipiente
2 Agreguen trocitos de tiza de color o un poco de yerba mate
3 Coloquen el recipiente al fuego
hasta que hierva el agua
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Materiales Dos latitas de gaseosa vaciacuteas Un poco de agua Pintura o cartulina negra Mechero o calentador Termoacutemetro
Procedimiento1 Tomen una de las latas y piacutentenla de negro o foacuterrenla con la cartulina negra
2 Anoten la temperatura inicial del agua
3 Coloquen la misma cantidad de agua en las dos latas
4 Pongan a calentar las dos latas a igual distancia del fuego
5 Controlen la temperatura del agua en cada lata cada 10 minutos
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestCoinciden los registros de temperatura de ambas latas
b iquestPor queacute Justifiquen su respuesta
iquestEl agua es un buen conductor teacutermico
Transmisioacuten de energiacutea por radiacioacuten
157
Los cambios de estado
Los materiales se presentan baacutesicamente en tres estados soacutelido liacutequido y gaseoso
Estos estados no son una caracteriacutestica invariable de los cuerpos ya que pueden modifi-
carse por ejemplo si se variacutea la temperatura y la presioacuten a la que estaacuten sometidos dichos
cuerpos Por ejemplo se puede fundir hierro si se lleva su temperatura a maacutes de 1500 degC
Una caracteriacutestica de los liacutequidos es la relativa libertad de movimiento de sus moleacute-
culas Si se suministra calor a un liacutequido y se logra aumentar la temperatura tambieacuten
aumentaraacute el movimiento de sus moleacuteculas las que pueden escapar de la superficie liacutequi-
da Este proceso que se da en la superficie del liacutequido se llama evaporacioacuten y puede ocu-
rrir a cualquier temperatura
A medida que aumenta la temperatura se modifica la estructura de enlace entre las
moleacuteculas Ellas no pueden mantenerse lo suficientemente cerca entre siacute para que la sus-
tancia continuacutee liacutequida lo que provoca que las moleacuteculas escapen auacuten maacutes faacutecilmente al
aire Este es el fenoacutemeno de ebullicioacuten y es conveniente resaltar que la temperatura en
la que este proceso ocurre llamada temperatura de ebullicioacuten se mantendraacute estable en
determinadas condiciones de presioacuten
Todo este proceso corresponde al cambio de estado denominado vaporizacioacuten
Cada sustancia tiene su propio punto de ebullicioacuten punto de fusioacuten y punto de solidi-
ficacioacuten que corresponden a las temperaturas y presiones en que se producen los cambios
de estado
El ciclo del agua o ciclo hidroloacutegico
Es muy comuacuten ejemplificar los cambios de estado con el agua para lo que suele apro-
vecharse el llamado ciclo hidroloacutegico o ciclo del agua que se produce en la naturaleza y
en el que se diferencian los siguientes fenoacutemenos
El agua se evapora continuamente pasando de estado liacutequido a gaseoso
Las nubes estaacuten formadas por pequentildeas gotas de agua liacutequida que ascienden por las
corrientes de aire
La lluvia se produce cuando se forman gotas maacutes gran-
des que precipitan
La nieve y el granizo se for-
man cuando la temperatura es
muy baja y se solidifican las
gotas de agua liacutequida
La niebla se produce en
lugares con altos porcentajes de
humedad y trae aparejada una
disminucioacuten en las temperatu-
ras
El rociacuteo o la escarcha se
producen por la condensacioacuten o
solidificacioacuten del agua de la atmoacutes-
fera debido a las marcadas diferencias
de temperatura entre el diacutea y la noche
Las posibles transformaciones de un
estado a otro son las siguientes
FusioacutenVaporizacioacuten
Sublimacioacuten
Volatilizacioacuten
SolidificacioacutenCondensacioacuten
Soacutelido
Liacutequido
Gaseoso
Hielo
PrecipitacioacutenEvaporacioacuten
Corriente subterraacutenea
Infiltracioacuten
Radiacioacuten solar
Condensacioacuten
Accioacuten del viento
Evaporacioacuten
Corriente
superficial
Transpiracioacuten
158 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Calor de fusioacuten y calor latente de vaporizacioacuten
Cada cambio de estado se acompantildea de un intercambio de energiacutea entre el sistema y
el medio exterior Por ejemplo se necesita energiacutea para fundir el hielo De esta forma se
pueden contrarrestar los efectos de las fuerzas que mantienen las moleacuteculas de agua en
posicioacuten fija en el soacutelido
Si la moleacuteculas de un soacutelido absorben suficiente energiacutea es posible que las fuerzas de
atraccioacuten entre moleacuteculas ya no puedan mantener su unioacuten entonces se produce el pasaje
de estado soacutelido a liacutequido
La vaporizacioacuten tambieacuten necesita energiacutea y sucede algo similar con las fuerzas de
atraccioacuten que mantienen las moleacuteculas cercanas entre siacute en la superficie del liacutequido
Un aumento de energiacutea pude ocasionar que las moleacuteculas escapen del liacutequido para
transformarse en moleacuteculas de vapor
En la medida en que aumentan las fuerzas intermoleculares la cantidad de energiacutea
necesaria para generar un cambio de fase tambieacuten se incrementa
En otros casos para poder cambiar de estado el sistema tiene que ceder energiacutea al
medio Por ejemplo el agua liacutequida debe ceder calor al medio para solidificarse
Se denomina calor latente de vaporizacioacuten a la energiacutea intercambiada por unidad de
masa para producir ese cambio de estado
Por ejemplo cada gramo de agua liacutequida a 100 ordmC y presioacuten normal debe absorber 540 cal
para convertirse en un gramo de agua en estado de vapor a la misma temperatura
La evaporacioacuten se acompantildea de un efecto de enfriamiento en la medida que el agua se
evapora absorbe calor del cuerpo del cual se evapora
El alto calor latente de vaporizacioacuten del agua 540 calg permite el enfriamiento de
las plantas por evaporacioacuten desde la superficie foliar las que reciben gran cantidad de
calor por efecto de la radiacioacuten solar La transpiracioacuten es un importante fenoacutemeno en la
regulacioacuten de la temperatura de muchos seres vivos
El calor latente de fusioacuten del hielo es de 80 calg esto significa que cada gramo de
hielo a 0 ordmC debe absorber 80 cal para convertirse en un gramo de agua liacutequida a 0 ordmC
De manera anaacuteloga al ceder 80 cal cada gramo de agua liacutequida se transforma en hielo
sin modificarse la temperatura
Se puede decir que el calor latente l indica una medida de la cantidad de calor por uni-
dad de masa que se necesita para cambiar de estado sin modificar la temperatura
Esto puede expresarse mediante la siguiente foacutermula
l = Q __ m o lo que es equivalente Q = l middot m
donde l es el calor latente Q es el calor y m la masa del cuerpo
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Hidroacutegeno -2591 139 -2627 1067
Oxiacutegeno -2184 33 -1830 51
Agua 00 80 1000 3594
Mercurio -389 28 3599 697
Plomo 3274 59 1620 -
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Plata 9605 26 1950 552
Cobre 10380 489 2595 1145
Hierro 1535 637 3200 1110
Tungsteno 3390 457 5900 460
159
CIE
NCIA
HIS
TORIA
Y S
OCIE
DAD
La historia la tradicioacuten y las modas arquitectoacutenicas contribuyen a determinar la forma y el tipo de las construcciones iquestCon queacute materiales se construye una casa iquestPor queacute para un determinado uso y funcioacuten se requieren distintos tipos de materialesEn los uacuteltimos antildeos la preocupacioacuten de los arquitectos y tambieacuten de los cientiacuteficos a la hora de proyectar un edificio se manifiesta en la obtencioacuten y aprovechamiento de los materiales con el fin de optimizar el uso de energiacutea en las viviendasLa sociedad moderna requiere grandes cantidades de energiacutea para su funcionamiento normal pero es importante reflexionar sobre el uso oacuteptimo y racional de las fuentes de energiacutea como el carboacuten el gas natural el petroacuteleo y todos sus derivados ya que no son renovablesSe estima que el petroacuteleo y el gas natural alcanzaraacuten para unos 50 a 100 antildeos maacutes mientras que el carboacuten para unos 200 a 300 antildeos maacutesMantener las viviendas calefaccionadas durante el invierno forma parte del bienestar de las personas y optimizar la energiacutea disponible en una casa depende del
cuidado de los recursos utilizados para este finEs importante tener una adecuada aislacioacuten teacutermica en todos los lugares posibles de fuga o peacuterdida de calor sobre todo del techo dado que el aire caliente es maacutes liviano y tiende a subir Existen actualmente en el comercio variedades de aislantes teacutermicos que reducen esas peacuterdidas y permiten ahorrar energiacutea Entre ellos el telgopor
las maderas los plaacutesticos las planchas de corcho las fibras de vidrio los ladrillos huecos refractarios etciquestCuaacuteles son los intercambios de energiacutea en forma de calor que se dan en una casaiquestCuaacutenta energiacutea se transfiere al exteriorEn una casa tiacutepica se disipa calor al exterior seguacuten se muestra en el siguiente esquema
El intercambio de calor en una casaEl hombre puede vivir en diversas regiones de la Tierra desde los troacutepicos hasta los polos en los bosques y en el desierto en las llanuras o montantildeas Aun cuando las condiciones cli-maacuteticas resulten hostiles el ser humano disentildea y construye sus viviendas para protegerse de las inclemencias del tiempo aprovechando los materiales de la zona
Un 35 a traveacutes de las ventanas por
conduccioacuten y radiacioacuten
Un 15 por las
paredes por
conduccioacuten y
conveccioacuten
Un 25 se transfiere
a traveacutes del techo
por conduccioacuten
y conveccioacuten
Un 5 se escapa
de chimeneas y
otros conductos
Un 5 a traveacutes
de rendijas
Un 15 por conduccioacuten a
traveacutes del suelo
160 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
CIE
NCIA
H
ISTO
RIA
Y S
OCIE
DAD
El tipo de material empleado
La energiacutea en forma de calor que se transfiere por segundo desde cualquier habitacioacuten a otra se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten que es similar a la presentada en conductividad teacutermica
P = K middot S middot Δt donde P es la energiacutea en forma de calor transmitida por unidad de tiempo Δt es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la habitacioacuten S es la superficie de los materiales que componen la habitacioacuten y K es un coeficiente caracteriacutestico del material utilizadoLos profesionales utilizan tablas con los valores K de algunas estructuras utilizadas habitualmente en la construccioacuten de una casa como las de la tabla
Luego de la lectura del textoa Sugieran posibles soluciones para prevenir las transfe-rencias de energiacutea desde el interior de las viviendas hacia el exteriorb Confeccionen una lista de las partes de una casa que pueden llevar aislantes teacutermicos y averiguumlen con queacute materiales estaacuten fabricados
c Realicen un disentildeo experimental para calcular la ener-giacutea que se transfiere del interior al exterior de su casad Describan sus disentildeos y busquen informacioacuten sobre uso de materiales en la construccioacuten de viviendas seguacuten sus propiedades y usos
aACTIVIDADES
iquestDe queacute depende la mayor o menor cantidad de energiacutea transferida
Los arquitectos e ingenieros consideran que la transferencias de energiacutea desde el interior hacia el exterior dependen fundamentalmente de los siguientes factores
La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la habitacioacuten Cuanto mayor es esta diferencia mayor es el flujo de energiacutea y maacutes raacutepido se produce el intercambio
Las superficies de los distintos materiales que componen la habitacioacuten Cuanto mayor es la superficie mayor transferencia de energiacutea al exterior
Espuma aislante Muro de ladrillos Tejas para techo
Casa construida
Tipos de estructuraValores K
(w ( m 2 ordmC))
Techo de tejas sin aislamiento
22
Techo de tejas con aislamiento 045
Ventanas con vidrio de 6 mm 56
Ventanas con vidrios dobles con 20 mm de separacioacuten
28
Pared de ladrillos con yeso (114 mm) 1324
Doble pared de ladrillos con caacutemara de aire de 280 mm
17
Doble pared de ladrillos con aislamiento en el
06
Piso de ceraacutemica sobre viguetas 42
Piso de madera sobre viguetas 17
161
IDEAS BAacuteSICAS DE LA UNIDAD
La temperatura es una variable de estado del cuerpo relacionada con la energiacutea cineacutetica
del movimiento de sus partiacuteculas
Los cuerpos no tienen friacuteo ni calor tienen bajas o altas temperaturas
Un termoacutemetro es un instrumento que se utiliza para medir la temperatura
Generalmente los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuan-
do disminuye su temperatura
Se denomina calor a la forma de intercambio de energiacutea entre dos cuerpos de distintas
temperaturas que se ponen en contacto teacutermico
La transferencia de calor se da espontaacuteneamente desde el cuerpo de mayor temperatura al
de menor temperatura
Dos cuerpos de distintas temperaturas que intercambian energiacutea logran el equilibrio teacutermi-
co cuando equiparan sus temperaturas
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la cantidad de
calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
El calor se propaga por tres formas baacutesicas conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten
La conduccioacuten se produce cuando se transfiere energiacutea en forma de calor desde las moleacute-
culas o partiacuteculas que se encuentran en zonas de mayor temperatura a las que se encuentran
en zonas de menor de temperatura sin desplazamiento de materia
En los liacutequidos y gases se generan corrientes convectivas con desplazamiento de materia
A los malos conductores del calor se los llama aislantes teacutermicos
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmC
( T F ndash 32 ordmC) Escala Celcius
T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
T C Escala Farenheit
T K = 27315 + T C Escala termomeacutetrica
ΔL = L o ∙ α ∙ Δt Dilatacioacuten liacuteneal
Q = c ∙ m ∙Δt Calorimetriacutea
Q ___ Δt = K ∙ S ∙ Δt ___ Δx Cantidad de calor que se transfiere
por conduccioacuten de un soacutelido
Foacutermulas
162 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
ACTIVIDADES DE INTEGRACIOacuteN1 Si se colocan 1000 g de agua en un recipiente y 2000 g de agua
en otro ambos a 20 degC y se les entrega igual cantidad de calor en
iguales condiciones de presioacuten normal iquestalcanzaraacuten el mismo punto
de ebullicioacuten iquestPor queacute
2 iquestPor queacute algunos vidrios como los llamados Pyrex no se rompen
cuando se someten a elevadas temperaturas
3 iquestQueacute ocurririacutea si usamos un termoacutemetro de mercurio contenido en
un recipiente cuyo coeficiente de dilatacioacuten fuera similar al del mer-
curio
4 iquestPor queacute el agua no se emplea como sustancia termomeacutetrica
5 Si colocan en un horno dos cuerpos de igual masa pero diferente
calor especiacutefico iquestcuaacutel alcanzaraacute primero la temperatura del horno
iquestPor queacute
6 iquestPor queacute generalmente las estufas y radiadores se colocan en la
parte inferior de la pared
7 Los habitantes del desierto suelen cubrirse con varias capas de
telas a modo de tuacutenicas por lo general claras iquestPor queacute razoacuten se
cubren tanto
8 Si se saca un recipiente del horno con un trozo de tela mojado es
probable que se sienta maacutes ldquocalienterdquo que si lo tomamos con una tela
seca iquestQueacute explicacioacuten fiacutesica tiene este hecho
9 Algunos alimentos que compramos en los negocios de venta al
puacuteblico como restaurantes se colocan en recipientes aislantes iquestPor
queacute iquestDe queacute material estaacuten hechos estos recipientes
10 iquestQueacute funcioacuten cumple un termo Justifiquen sus respuestas en
teacuterminos fiacutesicos
11 La temperatura de un diacutea de invierno en la Antaacutertida puede ser
inferior a ndash50 ordmC iquestA cuaacutentos grados Fahrenheit corresponde
12 Un termoacutemetro estaacute graduado en una escala degX tal que 20 degC
corresponden a 30 degX y 120 degC corresponden a 300 degX iquestCuaacutel es el
valor en la escala degX que corresponde a 50 degC Justifiquen sus res-
puestas
13 iquestQueacute cantidad de calor absorbe un cuerpo de 50 g de hierro que
se encuentra a una temperatura de 25 ordmC cuando su temperatura
aumenta a 100 ordmC
14 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia sabiendo que una
masa de 10 g absorbe 250 caloriacuteas cuando su temperatura variacutea 200
ordmC
15 Una dieta normal para una persona adulta en actividad es de
aproximadamente 2500 kcal diarias iquestA cuaacutentos joule equivale este
valor energeacutetico
16 Se mezclan 50 g de agua a 30 ordmC con 25 g de agua a 20 ordmC en un
recipiente aislado iquestQueacute temperatura final tiene esa mezcla
17 La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 degC Determinen
su longitud en un diacutea en que la temperatura es de 34 degC Consulten
la tabla de coeficientes de dilatacioacuten lineal de la paacutegina 146
18 Una barra de metal de longitud L o a 0 degC sufre un aumento de
longitud de un centeacutesimo de su longitud inicial cuando su tempera-
tura es de 500 degC iquestCuaacutel es el coeficiente de dilatacioacuten del metal
19 iquestCoacutemo podriacutean comprobar que la cantidad de calor que inter-
cambia un cuerpo para modificar su temperatura depende de la
masa del cuerpo Disentildeen un experimento descriacutebanlo y justifiquen
sus hipoacutetesis
20 Seguacuten la teoriacutea del caloacuterico el calor era considerado como una
sustancialidad de los cuerpos Teniendo en cuenta esta teoriacutea dise-
ntildeen un experimento que permita comprobar o refutar la siguiente
hipoacutetesis ldquoEl calor que tienen los cuerpos pesardquo
21 El valor caloacuterico de una barra de 100 g de chocolate es 550 kcal Supongan que se utilizara toda esa energiacutea para elevar la tempera-tura del agua desde los 15 ordmC con que sale de la canilla hasta 100 ordmC iquestcuaacutenta agua se podriacutea calentar
22 Se le suministra a un cuerpo de masa m de cierto material energiacutea por valor de 100 joule y el cuerpo incrementa su tempe-ratura en Δt iquestCuaacutenta energiacutea habraacute que suministrarle a un cuerpo del miso material cuya masa es el triple de la del primero para que el aumento de temperatura sea la mitad que en el primer caso
163
AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
152 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
Materiales
Un termo o sistema aislado (como los recipientes para conservar la comida) con un termoacutemetro 200 g de agua a temperatura ambiente por ejemplo 20 ordmC 70 g de cobre o de alguacuten otro metal Un calentador eleacutectrico de inmersioacuten de 500 600 W Un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) Pinzas de madera Vasos de precipitado o probetas graduadas Una balanza
Procedimiento1 Midan con la balanza la masa de agua a temperatura ambiente necesaria para realizar este experimento
2 Coloquen el agua a temperatura ambiente dentro del termo
3 Midan usando la balanza la masa del trozo de cobre
4 Calienten el trozo de cobre dentro de un recipiente de vidrio (tipo Pyrex) con agua hasta 100 ordmC en ese caso el cobre tendraacute la misma temperatura
5 Extraigan con las pinzas de madera raacutepidamente la masa de cobre y coloacutequenla dentro del termo con el agua a temperatura ambiente
6 Mezclen los contenidos del termo para asegurarse la obtencioacuten de una temperatura uniforme
7 Efectuacuteen la lectura de la temperatura de equilibrio
8 Realicen los caacutelculos necesarios para obtener el calor especiacutefico del cobre
Contesten las siguientes consignas
a Expliquen en teacuterminos fiacutesicos queacute sucedioacute en esta mezcla de sustancias dentro del termo
b iquestQueacute calor especiacutefico obtuvieron
c Comparen con la tabla de valores aportada en este capiacutetulo iquestCoincide con el registrado
d Si no coincide iquesta queacute factores atribuyen las diferencias entre los resultados obtenidos
e iquestCoacutemo podriacutean mejorar estos resultados Propongan algunas hipoacutetesis para optimizar el disentildeo experimental
Determinacioacuten del calor especiacutefico de un metal
4 En un caloriacutemetro hay 200 g de agua a 20 degC Se agregan 100 g de agua y se obtiene una temperatura de equilibrio de 30 degC Calculen la temperatura de la masa de agua agregada
5 Se toma un trozo de 50 g de un metal desconocido a 100 degC y se lo coloca en un caloriacutemetro en el que hay 150 g de agua a 20 degC El sistema llega a una temperatura de equilibrio de 253 degC A partir de los datos de la tabla de la paacutegina 151 determinen de queacute metal podriacutea ser el trozo analizado
6 Se colocan dentro de un horno de microondas dos vasos ideacutenticos Uno contiene 100 g de agua y el otro 100 g de alcohol ambos a una temperatura de 15 degC Al hacer fun-cionar el horno durante medio minuto suministra a cada uno de ellos 1500 caloriacuteas Determinen las temperaturas finales del agua y del alcohol
7 Se colocan en un horno dos cubos de iguales masas uno de aluminio y el otro de plomo a iguales temperaturas de 20 ordmC Al encenderse el horno iquestcuaacutel de ellos alcanzaraacute primero la temperatura de 150 ordmC Justifiquen su respuesta
aACTIVIDADES
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
153
Propagacioacuten del calor
La transmisioacuten de energiacutea por diferencia de temperatura entre cuerpos o sistemas que
interactuacutean entre siacute se produce a traveacutes de diferentes procesos como la conduccioacuten o la
conveccioacuten
Conduccioacuten
Si se coloca un extremo de una cuchara de aluminio en contacto con una hornalla
encendida de la cocina raacutepidamente se advierte que el calor se transmite hasta el otro
extremo
En el sector de la cuchara en contacto con el fuego se produce un aumento de la
temperatura que hace que las partiacuteculas comiencen a vibrar con mayor energiacutea cineacutetica
(energiacutea de movimiento) y esta energiacutea se transfiere a las restantes partiacuteculas de la
regioacuten de menor temperatura
Esta transferencia de energiacutea sin desplazamiento de materia desde zonas de un cuerpo que
se encuentra a mayor temperatura a las de menor temperatura se denomina conduccioacuten
Algunos materiales presentan la propiedad de ser mejores conductores del calor que
otros Los malos conductores del calor se denominan aislantes (aunque cabe aclarar que
la aislacioacuten nunca es perfecta)
Los metales en general son mejores conductores del calor que otros materiales como
la madera el vidrio el corcho el telgopor etc
Es por eso que por ejemplo se suele usar madera en los mangos de los utensilios de
cocina para minimizar la transferencia de calor y evitar quemaduras en la piel
El corcho el telgopor la lana de vidrio son utilizados en las construcciones de viviendas como aislantes del
calor y para mantener una temperatura ambiente agradable Algunos de estos materiales son bastante
porosos lo que implica que tienen espacios con mayor cantidad de aire que es un buen aislante
Se denomina conduccioacuten a la transferencia de
energiacutea sin desplazamiento de materia de un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura a otro que se encuentra a menor temperaturaSe llama aislantes a los materiales que son malos conductores de calor
Lana de vidrio Corcho
Tambieacuten algunas prendas de abrigo como las cam-
peras o los cubrecamas utilizan dos recubrimien-
tos entre los cuales se colocan algunos materiales
porosos como goma espuma plumas telas entra-
madas que contienen una buena cantidad de aire
que permite la aislacioacuten teacutermica del medio
Telgopor Vidrio
154 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
iquestDe queacute factores depende la transferencia de calor por conduccioacuten en los materiales soacuteli-
dos iquestSe puede calcular
No todos los materiales conducen el calor de igual forma La conductividad teacutermica es
una medida de a capacidad de conducir el calor de cada material
Cuando una persona se encuentra en una habitacioacuten cuya temperatura ambiente es
por ejemplo 20 degC y toca con una mano un cenicero de cobre y con la otra un mantel tie-
ne la sensacioacuten de que el cenicero estaacute maacutes friacuteo que el mantel Esto
ocurre dado que como el cobre es un buen conductor teacutermico el
calor entregado por la mano a la zona de contacto del material
se transmite raacutepidamente al resto del objeto En cambio como
el mantel no es un buen conductor teacutermico cuando se lo toca
la transferencia de calor al resto del material es muy lenta la
temperatura de la zona de contacto aumenta hasta equiparar-
se con la piel y esto da la sensacioacuten de estar maacutes caliente
El caacutelculo es por lo general complica-
do Pero si la transferencia de calor se
produce en una sola direccioacuten y la tem-
peratura variacutea solo en esa direccioacuten se
simplifica Por ejemplo si se considera
un vidrio plano (como el de una venta-
na) se puede conocer queacute cantidad de
energiacutea transferida a traveacutes del vidrio va desde la superficie o cara de mayor temperatura
hacia la de menor temperatura Para esto es necesario tener en cuenta el tipo de vidrio
ya que no todos tienen la misma conductividad teacutermica
La cantidad de calor que se transmite por unidad de tiempo en este caso se puede
simbolizar mediante la siguiente expresioacuten matemaacutetica
Q ___ Δ τ = K ∙ S∙ ΔT ___ Δx
donde τ es el tiempo (para no confundirlo con T de temperatura) Q ___ Δ τ es la cantidad
de calor transmitida a traveacutes del vidrio por unidad de tiempo K es el coeficiente de
conductividad teacutermica que depende del material en este caso del vidrio S es la
superficie perpendicular a la direccioacuten de propagacioacuten y ΔT ___ Δx la variacioacuten de tempera-
tura entre las caras dividida por el espesor del vidrio
Se puede decir entonces que
la cantidad de calor que atraviesa
por unidad de tiempo una placa
de vidrio es mayor cuanto mayor
sea la superficie considerada y la
variacioacuten de temperatura entre sus
caras y cuanto menor sea el espe-
sor o distancia entre dichas caras
Algunos materiales conducen el calor
con mayor facilidad que otros asiacute los metales tienen alta conductividad teacutermica compararada por ejemplo con la capacidad de transmitir el calor de la madera algunos plaacutesticos ceraacutemicas etcLa conductividad teacutermica del cobre es de 330 kcalm middot h middot K la de la madera es de 01 a 03 kcalm middot h middot K y la del telgopor 003 kcalm middot h middot K
155
Conveccioacuten
Se si desea colocar estufas en las habitaciones de una casa para calefaccionarla hay que deci-
dir cuaacutel es el lugar maacutes adecuado para que se aproveche la energiacutea de la mejor manera posible
Es necesario tener en cuenta no solo las dimensiones de las habitaciones que se
desean calefaccionar sino tambieacuten el fenoacutemeno fiacutesico que se denomina transmisioacuten de
calor por conveccioacuten
La masa de aire cercana a la estufa aumenta su
temperatura por lo cual el aire se torna menos denso
que el resto de aire alejado de la estufa
Se origina asiacute un movimiento ascendente y des-
cendente de la masa de aire y se generan las deno-
minadas corrientes convectivas con un permanente
desplazamiento de materia
Este fenoacutemeno se puede observar tambieacuten en las
capas de aire que rodean la Tierra que provocan cam-
bios climaacuteticos seguacuten sus caracteriacutesticas Estas masas
de aire pueden ser maacutes caacutelidas en ciertas zonas que en
otras maacutes huacutemedas (por contener mayor cantidad de
vapor de agua) maacutes secas de mayor o menor presioacuten
La temperatura del aire puede ser influida por la propiedad de la superficie terrestre
hecho que es muy relevante para algunos estudios metereoloacutegicos
Estas corrientes convectivas que naturalmente se forman en la
atmoacutesfera son factores que tienen en cuenta por ejemplo las aves los
aladeltistas y otros deportistas que aprovechan las condiciones del aire
para elevarse Esto ocurre dado que al encontrarse con una masa de aire
caliente ascienden con maacutes facilidad y de esta forma ldquoahorranrdquo energiacutea
y pueden mantenerse en vuelo planeando sin tanto esfuerzo
La conveccioacuten se produce tanto en los gases como en los liacutequidos
Es sencillo observar que cuando se calienta agua en alguacuten recipiente
de vidrio transparente se produce
un movimiento ascendente desde la
parte inferior en contacto con la lla-
ma de fuego hacia la parte superior del recipiente
La masa liacutequida de mayor temperatura se dilata
por lo que disminuye su densidad asciende dentro del
recipiente y tiende a desplazar hacia la parte inferior
a la masa de agua liacutequida de menor temperatura
iquestOtra forma de transmisioacuten del calor
Algunos cientiacuteficos consideran que maacutes que una forma de transmisioacuten del calor la
radiacioacuten a la que ya se ha hecho referencia anteriormente implica una manera de inter-
cambio de energiacutea maacutes general
Esta transferencia de energiacutea no se da por intercambio de calor entre cuerpos que se
encuentran a distintas temperaturas ni por trabajo Involucran transferencias de energiacutea
por medio de ondas electromagneacuteticas Asiacute por ejemplo entre dos antenas se transfiere
energiacutea por radiacioacuten
156 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
Materiales Tubo de ensayo Trocitos de hielo Una moneda Agua Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen en el tubo de ensayo los trocitos de hielo cubiertos por la moneda
2Agreguen un poco de agua
3 Acerquen la parte superior del tubo al mechero o calentador
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Corrientes convectivas en liacutequidos
Materiales Agua Recipiente Trocitos de tiza de color o yerba mate Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen agua en un recipiente
2 Agreguen trocitos de tiza de color o un poco de yerba mate
3 Coloquen el recipiente al fuego
hasta que hierva el agua
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Materiales Dos latitas de gaseosa vaciacuteas Un poco de agua Pintura o cartulina negra Mechero o calentador Termoacutemetro
Procedimiento1 Tomen una de las latas y piacutentenla de negro o foacuterrenla con la cartulina negra
2 Anoten la temperatura inicial del agua
3 Coloquen la misma cantidad de agua en las dos latas
4 Pongan a calentar las dos latas a igual distancia del fuego
5 Controlen la temperatura del agua en cada lata cada 10 minutos
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestCoinciden los registros de temperatura de ambas latas
b iquestPor queacute Justifiquen su respuesta
iquestEl agua es un buen conductor teacutermico
Transmisioacuten de energiacutea por radiacioacuten
157
Los cambios de estado
Los materiales se presentan baacutesicamente en tres estados soacutelido liacutequido y gaseoso
Estos estados no son una caracteriacutestica invariable de los cuerpos ya que pueden modifi-
carse por ejemplo si se variacutea la temperatura y la presioacuten a la que estaacuten sometidos dichos
cuerpos Por ejemplo se puede fundir hierro si se lleva su temperatura a maacutes de 1500 degC
Una caracteriacutestica de los liacutequidos es la relativa libertad de movimiento de sus moleacute-
culas Si se suministra calor a un liacutequido y se logra aumentar la temperatura tambieacuten
aumentaraacute el movimiento de sus moleacuteculas las que pueden escapar de la superficie liacutequi-
da Este proceso que se da en la superficie del liacutequido se llama evaporacioacuten y puede ocu-
rrir a cualquier temperatura
A medida que aumenta la temperatura se modifica la estructura de enlace entre las
moleacuteculas Ellas no pueden mantenerse lo suficientemente cerca entre siacute para que la sus-
tancia continuacutee liacutequida lo que provoca que las moleacuteculas escapen auacuten maacutes faacutecilmente al
aire Este es el fenoacutemeno de ebullicioacuten y es conveniente resaltar que la temperatura en
la que este proceso ocurre llamada temperatura de ebullicioacuten se mantendraacute estable en
determinadas condiciones de presioacuten
Todo este proceso corresponde al cambio de estado denominado vaporizacioacuten
Cada sustancia tiene su propio punto de ebullicioacuten punto de fusioacuten y punto de solidi-
ficacioacuten que corresponden a las temperaturas y presiones en que se producen los cambios
de estado
El ciclo del agua o ciclo hidroloacutegico
Es muy comuacuten ejemplificar los cambios de estado con el agua para lo que suele apro-
vecharse el llamado ciclo hidroloacutegico o ciclo del agua que se produce en la naturaleza y
en el que se diferencian los siguientes fenoacutemenos
El agua se evapora continuamente pasando de estado liacutequido a gaseoso
Las nubes estaacuten formadas por pequentildeas gotas de agua liacutequida que ascienden por las
corrientes de aire
La lluvia se produce cuando se forman gotas maacutes gran-
des que precipitan
La nieve y el granizo se for-
man cuando la temperatura es
muy baja y se solidifican las
gotas de agua liacutequida
La niebla se produce en
lugares con altos porcentajes de
humedad y trae aparejada una
disminucioacuten en las temperatu-
ras
El rociacuteo o la escarcha se
producen por la condensacioacuten o
solidificacioacuten del agua de la atmoacutes-
fera debido a las marcadas diferencias
de temperatura entre el diacutea y la noche
Las posibles transformaciones de un
estado a otro son las siguientes
FusioacutenVaporizacioacuten
Sublimacioacuten
Volatilizacioacuten
SolidificacioacutenCondensacioacuten
Soacutelido
Liacutequido
Gaseoso
Hielo
PrecipitacioacutenEvaporacioacuten
Corriente subterraacutenea
Infiltracioacuten
Radiacioacuten solar
Condensacioacuten
Accioacuten del viento
Evaporacioacuten
Corriente
superficial
Transpiracioacuten
158 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Calor de fusioacuten y calor latente de vaporizacioacuten
Cada cambio de estado se acompantildea de un intercambio de energiacutea entre el sistema y
el medio exterior Por ejemplo se necesita energiacutea para fundir el hielo De esta forma se
pueden contrarrestar los efectos de las fuerzas que mantienen las moleacuteculas de agua en
posicioacuten fija en el soacutelido
Si la moleacuteculas de un soacutelido absorben suficiente energiacutea es posible que las fuerzas de
atraccioacuten entre moleacuteculas ya no puedan mantener su unioacuten entonces se produce el pasaje
de estado soacutelido a liacutequido
La vaporizacioacuten tambieacuten necesita energiacutea y sucede algo similar con las fuerzas de
atraccioacuten que mantienen las moleacuteculas cercanas entre siacute en la superficie del liacutequido
Un aumento de energiacutea pude ocasionar que las moleacuteculas escapen del liacutequido para
transformarse en moleacuteculas de vapor
En la medida en que aumentan las fuerzas intermoleculares la cantidad de energiacutea
necesaria para generar un cambio de fase tambieacuten se incrementa
En otros casos para poder cambiar de estado el sistema tiene que ceder energiacutea al
medio Por ejemplo el agua liacutequida debe ceder calor al medio para solidificarse
Se denomina calor latente de vaporizacioacuten a la energiacutea intercambiada por unidad de
masa para producir ese cambio de estado
Por ejemplo cada gramo de agua liacutequida a 100 ordmC y presioacuten normal debe absorber 540 cal
para convertirse en un gramo de agua en estado de vapor a la misma temperatura
La evaporacioacuten se acompantildea de un efecto de enfriamiento en la medida que el agua se
evapora absorbe calor del cuerpo del cual se evapora
El alto calor latente de vaporizacioacuten del agua 540 calg permite el enfriamiento de
las plantas por evaporacioacuten desde la superficie foliar las que reciben gran cantidad de
calor por efecto de la radiacioacuten solar La transpiracioacuten es un importante fenoacutemeno en la
regulacioacuten de la temperatura de muchos seres vivos
El calor latente de fusioacuten del hielo es de 80 calg esto significa que cada gramo de
hielo a 0 ordmC debe absorber 80 cal para convertirse en un gramo de agua liacutequida a 0 ordmC
De manera anaacuteloga al ceder 80 cal cada gramo de agua liacutequida se transforma en hielo
sin modificarse la temperatura
Se puede decir que el calor latente l indica una medida de la cantidad de calor por uni-
dad de masa que se necesita para cambiar de estado sin modificar la temperatura
Esto puede expresarse mediante la siguiente foacutermula
l = Q __ m o lo que es equivalente Q = l middot m
donde l es el calor latente Q es el calor y m la masa del cuerpo
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Hidroacutegeno -2591 139 -2627 1067
Oxiacutegeno -2184 33 -1830 51
Agua 00 80 1000 3594
Mercurio -389 28 3599 697
Plomo 3274 59 1620 -
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Plata 9605 26 1950 552
Cobre 10380 489 2595 1145
Hierro 1535 637 3200 1110
Tungsteno 3390 457 5900 460
159
CIE
NCIA
HIS
TORIA
Y S
OCIE
DAD
La historia la tradicioacuten y las modas arquitectoacutenicas contribuyen a determinar la forma y el tipo de las construcciones iquestCon queacute materiales se construye una casa iquestPor queacute para un determinado uso y funcioacuten se requieren distintos tipos de materialesEn los uacuteltimos antildeos la preocupacioacuten de los arquitectos y tambieacuten de los cientiacuteficos a la hora de proyectar un edificio se manifiesta en la obtencioacuten y aprovechamiento de los materiales con el fin de optimizar el uso de energiacutea en las viviendasLa sociedad moderna requiere grandes cantidades de energiacutea para su funcionamiento normal pero es importante reflexionar sobre el uso oacuteptimo y racional de las fuentes de energiacutea como el carboacuten el gas natural el petroacuteleo y todos sus derivados ya que no son renovablesSe estima que el petroacuteleo y el gas natural alcanzaraacuten para unos 50 a 100 antildeos maacutes mientras que el carboacuten para unos 200 a 300 antildeos maacutesMantener las viviendas calefaccionadas durante el invierno forma parte del bienestar de las personas y optimizar la energiacutea disponible en una casa depende del
cuidado de los recursos utilizados para este finEs importante tener una adecuada aislacioacuten teacutermica en todos los lugares posibles de fuga o peacuterdida de calor sobre todo del techo dado que el aire caliente es maacutes liviano y tiende a subir Existen actualmente en el comercio variedades de aislantes teacutermicos que reducen esas peacuterdidas y permiten ahorrar energiacutea Entre ellos el telgopor
las maderas los plaacutesticos las planchas de corcho las fibras de vidrio los ladrillos huecos refractarios etciquestCuaacuteles son los intercambios de energiacutea en forma de calor que se dan en una casaiquestCuaacutenta energiacutea se transfiere al exteriorEn una casa tiacutepica se disipa calor al exterior seguacuten se muestra en el siguiente esquema
El intercambio de calor en una casaEl hombre puede vivir en diversas regiones de la Tierra desde los troacutepicos hasta los polos en los bosques y en el desierto en las llanuras o montantildeas Aun cuando las condiciones cli-maacuteticas resulten hostiles el ser humano disentildea y construye sus viviendas para protegerse de las inclemencias del tiempo aprovechando los materiales de la zona
Un 35 a traveacutes de las ventanas por
conduccioacuten y radiacioacuten
Un 15 por las
paredes por
conduccioacuten y
conveccioacuten
Un 25 se transfiere
a traveacutes del techo
por conduccioacuten
y conveccioacuten
Un 5 se escapa
de chimeneas y
otros conductos
Un 5 a traveacutes
de rendijas
Un 15 por conduccioacuten a
traveacutes del suelo
160 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
CIE
NCIA
H
ISTO
RIA
Y S
OCIE
DAD
El tipo de material empleado
La energiacutea en forma de calor que se transfiere por segundo desde cualquier habitacioacuten a otra se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten que es similar a la presentada en conductividad teacutermica
P = K middot S middot Δt donde P es la energiacutea en forma de calor transmitida por unidad de tiempo Δt es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la habitacioacuten S es la superficie de los materiales que componen la habitacioacuten y K es un coeficiente caracteriacutestico del material utilizadoLos profesionales utilizan tablas con los valores K de algunas estructuras utilizadas habitualmente en la construccioacuten de una casa como las de la tabla
Luego de la lectura del textoa Sugieran posibles soluciones para prevenir las transfe-rencias de energiacutea desde el interior de las viviendas hacia el exteriorb Confeccionen una lista de las partes de una casa que pueden llevar aislantes teacutermicos y averiguumlen con queacute materiales estaacuten fabricados
c Realicen un disentildeo experimental para calcular la ener-giacutea que se transfiere del interior al exterior de su casad Describan sus disentildeos y busquen informacioacuten sobre uso de materiales en la construccioacuten de viviendas seguacuten sus propiedades y usos
aACTIVIDADES
iquestDe queacute depende la mayor o menor cantidad de energiacutea transferida
Los arquitectos e ingenieros consideran que la transferencias de energiacutea desde el interior hacia el exterior dependen fundamentalmente de los siguientes factores
La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la habitacioacuten Cuanto mayor es esta diferencia mayor es el flujo de energiacutea y maacutes raacutepido se produce el intercambio
Las superficies de los distintos materiales que componen la habitacioacuten Cuanto mayor es la superficie mayor transferencia de energiacutea al exterior
Espuma aislante Muro de ladrillos Tejas para techo
Casa construida
Tipos de estructuraValores K
(w ( m 2 ordmC))
Techo de tejas sin aislamiento
22
Techo de tejas con aislamiento 045
Ventanas con vidrio de 6 mm 56
Ventanas con vidrios dobles con 20 mm de separacioacuten
28
Pared de ladrillos con yeso (114 mm) 1324
Doble pared de ladrillos con caacutemara de aire de 280 mm
17
Doble pared de ladrillos con aislamiento en el
06
Piso de ceraacutemica sobre viguetas 42
Piso de madera sobre viguetas 17
161
IDEAS BAacuteSICAS DE LA UNIDAD
La temperatura es una variable de estado del cuerpo relacionada con la energiacutea cineacutetica
del movimiento de sus partiacuteculas
Los cuerpos no tienen friacuteo ni calor tienen bajas o altas temperaturas
Un termoacutemetro es un instrumento que se utiliza para medir la temperatura
Generalmente los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuan-
do disminuye su temperatura
Se denomina calor a la forma de intercambio de energiacutea entre dos cuerpos de distintas
temperaturas que se ponen en contacto teacutermico
La transferencia de calor se da espontaacuteneamente desde el cuerpo de mayor temperatura al
de menor temperatura
Dos cuerpos de distintas temperaturas que intercambian energiacutea logran el equilibrio teacutermi-
co cuando equiparan sus temperaturas
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la cantidad de
calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
El calor se propaga por tres formas baacutesicas conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten
La conduccioacuten se produce cuando se transfiere energiacutea en forma de calor desde las moleacute-
culas o partiacuteculas que se encuentran en zonas de mayor temperatura a las que se encuentran
en zonas de menor de temperatura sin desplazamiento de materia
En los liacutequidos y gases se generan corrientes convectivas con desplazamiento de materia
A los malos conductores del calor se los llama aislantes teacutermicos
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmC
( T F ndash 32 ordmC) Escala Celcius
T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
T C Escala Farenheit
T K = 27315 + T C Escala termomeacutetrica
ΔL = L o ∙ α ∙ Δt Dilatacioacuten liacuteneal
Q = c ∙ m ∙Δt Calorimetriacutea
Q ___ Δt = K ∙ S ∙ Δt ___ Δx Cantidad de calor que se transfiere
por conduccioacuten de un soacutelido
Foacutermulas
162 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
ACTIVIDADES DE INTEGRACIOacuteN1 Si se colocan 1000 g de agua en un recipiente y 2000 g de agua
en otro ambos a 20 degC y se les entrega igual cantidad de calor en
iguales condiciones de presioacuten normal iquestalcanzaraacuten el mismo punto
de ebullicioacuten iquestPor queacute
2 iquestPor queacute algunos vidrios como los llamados Pyrex no se rompen
cuando se someten a elevadas temperaturas
3 iquestQueacute ocurririacutea si usamos un termoacutemetro de mercurio contenido en
un recipiente cuyo coeficiente de dilatacioacuten fuera similar al del mer-
curio
4 iquestPor queacute el agua no se emplea como sustancia termomeacutetrica
5 Si colocan en un horno dos cuerpos de igual masa pero diferente
calor especiacutefico iquestcuaacutel alcanzaraacute primero la temperatura del horno
iquestPor queacute
6 iquestPor queacute generalmente las estufas y radiadores se colocan en la
parte inferior de la pared
7 Los habitantes del desierto suelen cubrirse con varias capas de
telas a modo de tuacutenicas por lo general claras iquestPor queacute razoacuten se
cubren tanto
8 Si se saca un recipiente del horno con un trozo de tela mojado es
probable que se sienta maacutes ldquocalienterdquo que si lo tomamos con una tela
seca iquestQueacute explicacioacuten fiacutesica tiene este hecho
9 Algunos alimentos que compramos en los negocios de venta al
puacuteblico como restaurantes se colocan en recipientes aislantes iquestPor
queacute iquestDe queacute material estaacuten hechos estos recipientes
10 iquestQueacute funcioacuten cumple un termo Justifiquen sus respuestas en
teacuterminos fiacutesicos
11 La temperatura de un diacutea de invierno en la Antaacutertida puede ser
inferior a ndash50 ordmC iquestA cuaacutentos grados Fahrenheit corresponde
12 Un termoacutemetro estaacute graduado en una escala degX tal que 20 degC
corresponden a 30 degX y 120 degC corresponden a 300 degX iquestCuaacutel es el
valor en la escala degX que corresponde a 50 degC Justifiquen sus res-
puestas
13 iquestQueacute cantidad de calor absorbe un cuerpo de 50 g de hierro que
se encuentra a una temperatura de 25 ordmC cuando su temperatura
aumenta a 100 ordmC
14 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia sabiendo que una
masa de 10 g absorbe 250 caloriacuteas cuando su temperatura variacutea 200
ordmC
15 Una dieta normal para una persona adulta en actividad es de
aproximadamente 2500 kcal diarias iquestA cuaacutentos joule equivale este
valor energeacutetico
16 Se mezclan 50 g de agua a 30 ordmC con 25 g de agua a 20 ordmC en un
recipiente aislado iquestQueacute temperatura final tiene esa mezcla
17 La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 degC Determinen
su longitud en un diacutea en que la temperatura es de 34 degC Consulten
la tabla de coeficientes de dilatacioacuten lineal de la paacutegina 146
18 Una barra de metal de longitud L o a 0 degC sufre un aumento de
longitud de un centeacutesimo de su longitud inicial cuando su tempera-
tura es de 500 degC iquestCuaacutel es el coeficiente de dilatacioacuten del metal
19 iquestCoacutemo podriacutean comprobar que la cantidad de calor que inter-
cambia un cuerpo para modificar su temperatura depende de la
masa del cuerpo Disentildeen un experimento descriacutebanlo y justifiquen
sus hipoacutetesis
20 Seguacuten la teoriacutea del caloacuterico el calor era considerado como una
sustancialidad de los cuerpos Teniendo en cuenta esta teoriacutea dise-
ntildeen un experimento que permita comprobar o refutar la siguiente
hipoacutetesis ldquoEl calor que tienen los cuerpos pesardquo
21 El valor caloacuterico de una barra de 100 g de chocolate es 550 kcal Supongan que se utilizara toda esa energiacutea para elevar la tempera-tura del agua desde los 15 ordmC con que sale de la canilla hasta 100 ordmC iquestcuaacutenta agua se podriacutea calentar
22 Se le suministra a un cuerpo de masa m de cierto material energiacutea por valor de 100 joule y el cuerpo incrementa su tempe-ratura en Δt iquestCuaacutenta energiacutea habraacute que suministrarle a un cuerpo del miso material cuya masa es el triple de la del primero para que el aumento de temperatura sea la mitad que en el primer caso
163
AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
153
Propagacioacuten del calor
La transmisioacuten de energiacutea por diferencia de temperatura entre cuerpos o sistemas que
interactuacutean entre siacute se produce a traveacutes de diferentes procesos como la conduccioacuten o la
conveccioacuten
Conduccioacuten
Si se coloca un extremo de una cuchara de aluminio en contacto con una hornalla
encendida de la cocina raacutepidamente se advierte que el calor se transmite hasta el otro
extremo
En el sector de la cuchara en contacto con el fuego se produce un aumento de la
temperatura que hace que las partiacuteculas comiencen a vibrar con mayor energiacutea cineacutetica
(energiacutea de movimiento) y esta energiacutea se transfiere a las restantes partiacuteculas de la
regioacuten de menor temperatura
Esta transferencia de energiacutea sin desplazamiento de materia desde zonas de un cuerpo que
se encuentra a mayor temperatura a las de menor temperatura se denomina conduccioacuten
Algunos materiales presentan la propiedad de ser mejores conductores del calor que
otros Los malos conductores del calor se denominan aislantes (aunque cabe aclarar que
la aislacioacuten nunca es perfecta)
Los metales en general son mejores conductores del calor que otros materiales como
la madera el vidrio el corcho el telgopor etc
Es por eso que por ejemplo se suele usar madera en los mangos de los utensilios de
cocina para minimizar la transferencia de calor y evitar quemaduras en la piel
El corcho el telgopor la lana de vidrio son utilizados en las construcciones de viviendas como aislantes del
calor y para mantener una temperatura ambiente agradable Algunos de estos materiales son bastante
porosos lo que implica que tienen espacios con mayor cantidad de aire que es un buen aislante
Se denomina conduccioacuten a la transferencia de
energiacutea sin desplazamiento de materia de un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura a otro que se encuentra a menor temperaturaSe llama aislantes a los materiales que son malos conductores de calor
Lana de vidrio Corcho
Tambieacuten algunas prendas de abrigo como las cam-
peras o los cubrecamas utilizan dos recubrimien-
tos entre los cuales se colocan algunos materiales
porosos como goma espuma plumas telas entra-
madas que contienen una buena cantidad de aire
que permite la aislacioacuten teacutermica del medio
Telgopor Vidrio
154 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
iquestDe queacute factores depende la transferencia de calor por conduccioacuten en los materiales soacuteli-
dos iquestSe puede calcular
No todos los materiales conducen el calor de igual forma La conductividad teacutermica es
una medida de a capacidad de conducir el calor de cada material
Cuando una persona se encuentra en una habitacioacuten cuya temperatura ambiente es
por ejemplo 20 degC y toca con una mano un cenicero de cobre y con la otra un mantel tie-
ne la sensacioacuten de que el cenicero estaacute maacutes friacuteo que el mantel Esto
ocurre dado que como el cobre es un buen conductor teacutermico el
calor entregado por la mano a la zona de contacto del material
se transmite raacutepidamente al resto del objeto En cambio como
el mantel no es un buen conductor teacutermico cuando se lo toca
la transferencia de calor al resto del material es muy lenta la
temperatura de la zona de contacto aumenta hasta equiparar-
se con la piel y esto da la sensacioacuten de estar maacutes caliente
El caacutelculo es por lo general complica-
do Pero si la transferencia de calor se
produce en una sola direccioacuten y la tem-
peratura variacutea solo en esa direccioacuten se
simplifica Por ejemplo si se considera
un vidrio plano (como el de una venta-
na) se puede conocer queacute cantidad de
energiacutea transferida a traveacutes del vidrio va desde la superficie o cara de mayor temperatura
hacia la de menor temperatura Para esto es necesario tener en cuenta el tipo de vidrio
ya que no todos tienen la misma conductividad teacutermica
La cantidad de calor que se transmite por unidad de tiempo en este caso se puede
simbolizar mediante la siguiente expresioacuten matemaacutetica
Q ___ Δ τ = K ∙ S∙ ΔT ___ Δx
donde τ es el tiempo (para no confundirlo con T de temperatura) Q ___ Δ τ es la cantidad
de calor transmitida a traveacutes del vidrio por unidad de tiempo K es el coeficiente de
conductividad teacutermica que depende del material en este caso del vidrio S es la
superficie perpendicular a la direccioacuten de propagacioacuten y ΔT ___ Δx la variacioacuten de tempera-
tura entre las caras dividida por el espesor del vidrio
Se puede decir entonces que
la cantidad de calor que atraviesa
por unidad de tiempo una placa
de vidrio es mayor cuanto mayor
sea la superficie considerada y la
variacioacuten de temperatura entre sus
caras y cuanto menor sea el espe-
sor o distancia entre dichas caras
Algunos materiales conducen el calor
con mayor facilidad que otros asiacute los metales tienen alta conductividad teacutermica compararada por ejemplo con la capacidad de transmitir el calor de la madera algunos plaacutesticos ceraacutemicas etcLa conductividad teacutermica del cobre es de 330 kcalm middot h middot K la de la madera es de 01 a 03 kcalm middot h middot K y la del telgopor 003 kcalm middot h middot K
155
Conveccioacuten
Se si desea colocar estufas en las habitaciones de una casa para calefaccionarla hay que deci-
dir cuaacutel es el lugar maacutes adecuado para que se aproveche la energiacutea de la mejor manera posible
Es necesario tener en cuenta no solo las dimensiones de las habitaciones que se
desean calefaccionar sino tambieacuten el fenoacutemeno fiacutesico que se denomina transmisioacuten de
calor por conveccioacuten
La masa de aire cercana a la estufa aumenta su
temperatura por lo cual el aire se torna menos denso
que el resto de aire alejado de la estufa
Se origina asiacute un movimiento ascendente y des-
cendente de la masa de aire y se generan las deno-
minadas corrientes convectivas con un permanente
desplazamiento de materia
Este fenoacutemeno se puede observar tambieacuten en las
capas de aire que rodean la Tierra que provocan cam-
bios climaacuteticos seguacuten sus caracteriacutesticas Estas masas
de aire pueden ser maacutes caacutelidas en ciertas zonas que en
otras maacutes huacutemedas (por contener mayor cantidad de
vapor de agua) maacutes secas de mayor o menor presioacuten
La temperatura del aire puede ser influida por la propiedad de la superficie terrestre
hecho que es muy relevante para algunos estudios metereoloacutegicos
Estas corrientes convectivas que naturalmente se forman en la
atmoacutesfera son factores que tienen en cuenta por ejemplo las aves los
aladeltistas y otros deportistas que aprovechan las condiciones del aire
para elevarse Esto ocurre dado que al encontrarse con una masa de aire
caliente ascienden con maacutes facilidad y de esta forma ldquoahorranrdquo energiacutea
y pueden mantenerse en vuelo planeando sin tanto esfuerzo
La conveccioacuten se produce tanto en los gases como en los liacutequidos
Es sencillo observar que cuando se calienta agua en alguacuten recipiente
de vidrio transparente se produce
un movimiento ascendente desde la
parte inferior en contacto con la lla-
ma de fuego hacia la parte superior del recipiente
La masa liacutequida de mayor temperatura se dilata
por lo que disminuye su densidad asciende dentro del
recipiente y tiende a desplazar hacia la parte inferior
a la masa de agua liacutequida de menor temperatura
iquestOtra forma de transmisioacuten del calor
Algunos cientiacuteficos consideran que maacutes que una forma de transmisioacuten del calor la
radiacioacuten a la que ya se ha hecho referencia anteriormente implica una manera de inter-
cambio de energiacutea maacutes general
Esta transferencia de energiacutea no se da por intercambio de calor entre cuerpos que se
encuentran a distintas temperaturas ni por trabajo Involucran transferencias de energiacutea
por medio de ondas electromagneacuteticas Asiacute por ejemplo entre dos antenas se transfiere
energiacutea por radiacioacuten
156 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
Materiales Tubo de ensayo Trocitos de hielo Una moneda Agua Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen en el tubo de ensayo los trocitos de hielo cubiertos por la moneda
2Agreguen un poco de agua
3 Acerquen la parte superior del tubo al mechero o calentador
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Corrientes convectivas en liacutequidos
Materiales Agua Recipiente Trocitos de tiza de color o yerba mate Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen agua en un recipiente
2 Agreguen trocitos de tiza de color o un poco de yerba mate
3 Coloquen el recipiente al fuego
hasta que hierva el agua
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Materiales Dos latitas de gaseosa vaciacuteas Un poco de agua Pintura o cartulina negra Mechero o calentador Termoacutemetro
Procedimiento1 Tomen una de las latas y piacutentenla de negro o foacuterrenla con la cartulina negra
2 Anoten la temperatura inicial del agua
3 Coloquen la misma cantidad de agua en las dos latas
4 Pongan a calentar las dos latas a igual distancia del fuego
5 Controlen la temperatura del agua en cada lata cada 10 minutos
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestCoinciden los registros de temperatura de ambas latas
b iquestPor queacute Justifiquen su respuesta
iquestEl agua es un buen conductor teacutermico
Transmisioacuten de energiacutea por radiacioacuten
157
Los cambios de estado
Los materiales se presentan baacutesicamente en tres estados soacutelido liacutequido y gaseoso
Estos estados no son una caracteriacutestica invariable de los cuerpos ya que pueden modifi-
carse por ejemplo si se variacutea la temperatura y la presioacuten a la que estaacuten sometidos dichos
cuerpos Por ejemplo se puede fundir hierro si se lleva su temperatura a maacutes de 1500 degC
Una caracteriacutestica de los liacutequidos es la relativa libertad de movimiento de sus moleacute-
culas Si se suministra calor a un liacutequido y se logra aumentar la temperatura tambieacuten
aumentaraacute el movimiento de sus moleacuteculas las que pueden escapar de la superficie liacutequi-
da Este proceso que se da en la superficie del liacutequido se llama evaporacioacuten y puede ocu-
rrir a cualquier temperatura
A medida que aumenta la temperatura se modifica la estructura de enlace entre las
moleacuteculas Ellas no pueden mantenerse lo suficientemente cerca entre siacute para que la sus-
tancia continuacutee liacutequida lo que provoca que las moleacuteculas escapen auacuten maacutes faacutecilmente al
aire Este es el fenoacutemeno de ebullicioacuten y es conveniente resaltar que la temperatura en
la que este proceso ocurre llamada temperatura de ebullicioacuten se mantendraacute estable en
determinadas condiciones de presioacuten
Todo este proceso corresponde al cambio de estado denominado vaporizacioacuten
Cada sustancia tiene su propio punto de ebullicioacuten punto de fusioacuten y punto de solidi-
ficacioacuten que corresponden a las temperaturas y presiones en que se producen los cambios
de estado
El ciclo del agua o ciclo hidroloacutegico
Es muy comuacuten ejemplificar los cambios de estado con el agua para lo que suele apro-
vecharse el llamado ciclo hidroloacutegico o ciclo del agua que se produce en la naturaleza y
en el que se diferencian los siguientes fenoacutemenos
El agua se evapora continuamente pasando de estado liacutequido a gaseoso
Las nubes estaacuten formadas por pequentildeas gotas de agua liacutequida que ascienden por las
corrientes de aire
La lluvia se produce cuando se forman gotas maacutes gran-
des que precipitan
La nieve y el granizo se for-
man cuando la temperatura es
muy baja y se solidifican las
gotas de agua liacutequida
La niebla se produce en
lugares con altos porcentajes de
humedad y trae aparejada una
disminucioacuten en las temperatu-
ras
El rociacuteo o la escarcha se
producen por la condensacioacuten o
solidificacioacuten del agua de la atmoacutes-
fera debido a las marcadas diferencias
de temperatura entre el diacutea y la noche
Las posibles transformaciones de un
estado a otro son las siguientes
FusioacutenVaporizacioacuten
Sublimacioacuten
Volatilizacioacuten
SolidificacioacutenCondensacioacuten
Soacutelido
Liacutequido
Gaseoso
Hielo
PrecipitacioacutenEvaporacioacuten
Corriente subterraacutenea
Infiltracioacuten
Radiacioacuten solar
Condensacioacuten
Accioacuten del viento
Evaporacioacuten
Corriente
superficial
Transpiracioacuten
158 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Calor de fusioacuten y calor latente de vaporizacioacuten
Cada cambio de estado se acompantildea de un intercambio de energiacutea entre el sistema y
el medio exterior Por ejemplo se necesita energiacutea para fundir el hielo De esta forma se
pueden contrarrestar los efectos de las fuerzas que mantienen las moleacuteculas de agua en
posicioacuten fija en el soacutelido
Si la moleacuteculas de un soacutelido absorben suficiente energiacutea es posible que las fuerzas de
atraccioacuten entre moleacuteculas ya no puedan mantener su unioacuten entonces se produce el pasaje
de estado soacutelido a liacutequido
La vaporizacioacuten tambieacuten necesita energiacutea y sucede algo similar con las fuerzas de
atraccioacuten que mantienen las moleacuteculas cercanas entre siacute en la superficie del liacutequido
Un aumento de energiacutea pude ocasionar que las moleacuteculas escapen del liacutequido para
transformarse en moleacuteculas de vapor
En la medida en que aumentan las fuerzas intermoleculares la cantidad de energiacutea
necesaria para generar un cambio de fase tambieacuten se incrementa
En otros casos para poder cambiar de estado el sistema tiene que ceder energiacutea al
medio Por ejemplo el agua liacutequida debe ceder calor al medio para solidificarse
Se denomina calor latente de vaporizacioacuten a la energiacutea intercambiada por unidad de
masa para producir ese cambio de estado
Por ejemplo cada gramo de agua liacutequida a 100 ordmC y presioacuten normal debe absorber 540 cal
para convertirse en un gramo de agua en estado de vapor a la misma temperatura
La evaporacioacuten se acompantildea de un efecto de enfriamiento en la medida que el agua se
evapora absorbe calor del cuerpo del cual se evapora
El alto calor latente de vaporizacioacuten del agua 540 calg permite el enfriamiento de
las plantas por evaporacioacuten desde la superficie foliar las que reciben gran cantidad de
calor por efecto de la radiacioacuten solar La transpiracioacuten es un importante fenoacutemeno en la
regulacioacuten de la temperatura de muchos seres vivos
El calor latente de fusioacuten del hielo es de 80 calg esto significa que cada gramo de
hielo a 0 ordmC debe absorber 80 cal para convertirse en un gramo de agua liacutequida a 0 ordmC
De manera anaacuteloga al ceder 80 cal cada gramo de agua liacutequida se transforma en hielo
sin modificarse la temperatura
Se puede decir que el calor latente l indica una medida de la cantidad de calor por uni-
dad de masa que se necesita para cambiar de estado sin modificar la temperatura
Esto puede expresarse mediante la siguiente foacutermula
l = Q __ m o lo que es equivalente Q = l middot m
donde l es el calor latente Q es el calor y m la masa del cuerpo
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Hidroacutegeno -2591 139 -2627 1067
Oxiacutegeno -2184 33 -1830 51
Agua 00 80 1000 3594
Mercurio -389 28 3599 697
Plomo 3274 59 1620 -
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Plata 9605 26 1950 552
Cobre 10380 489 2595 1145
Hierro 1535 637 3200 1110
Tungsteno 3390 457 5900 460
159
CIE
NCIA
HIS
TORIA
Y S
OCIE
DAD
La historia la tradicioacuten y las modas arquitectoacutenicas contribuyen a determinar la forma y el tipo de las construcciones iquestCon queacute materiales se construye una casa iquestPor queacute para un determinado uso y funcioacuten se requieren distintos tipos de materialesEn los uacuteltimos antildeos la preocupacioacuten de los arquitectos y tambieacuten de los cientiacuteficos a la hora de proyectar un edificio se manifiesta en la obtencioacuten y aprovechamiento de los materiales con el fin de optimizar el uso de energiacutea en las viviendasLa sociedad moderna requiere grandes cantidades de energiacutea para su funcionamiento normal pero es importante reflexionar sobre el uso oacuteptimo y racional de las fuentes de energiacutea como el carboacuten el gas natural el petroacuteleo y todos sus derivados ya que no son renovablesSe estima que el petroacuteleo y el gas natural alcanzaraacuten para unos 50 a 100 antildeos maacutes mientras que el carboacuten para unos 200 a 300 antildeos maacutesMantener las viviendas calefaccionadas durante el invierno forma parte del bienestar de las personas y optimizar la energiacutea disponible en una casa depende del
cuidado de los recursos utilizados para este finEs importante tener una adecuada aislacioacuten teacutermica en todos los lugares posibles de fuga o peacuterdida de calor sobre todo del techo dado que el aire caliente es maacutes liviano y tiende a subir Existen actualmente en el comercio variedades de aislantes teacutermicos que reducen esas peacuterdidas y permiten ahorrar energiacutea Entre ellos el telgopor
las maderas los plaacutesticos las planchas de corcho las fibras de vidrio los ladrillos huecos refractarios etciquestCuaacuteles son los intercambios de energiacutea en forma de calor que se dan en una casaiquestCuaacutenta energiacutea se transfiere al exteriorEn una casa tiacutepica se disipa calor al exterior seguacuten se muestra en el siguiente esquema
El intercambio de calor en una casaEl hombre puede vivir en diversas regiones de la Tierra desde los troacutepicos hasta los polos en los bosques y en el desierto en las llanuras o montantildeas Aun cuando las condiciones cli-maacuteticas resulten hostiles el ser humano disentildea y construye sus viviendas para protegerse de las inclemencias del tiempo aprovechando los materiales de la zona
Un 35 a traveacutes de las ventanas por
conduccioacuten y radiacioacuten
Un 15 por las
paredes por
conduccioacuten y
conveccioacuten
Un 25 se transfiere
a traveacutes del techo
por conduccioacuten
y conveccioacuten
Un 5 se escapa
de chimeneas y
otros conductos
Un 5 a traveacutes
de rendijas
Un 15 por conduccioacuten a
traveacutes del suelo
160 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
CIE
NCIA
H
ISTO
RIA
Y S
OCIE
DAD
El tipo de material empleado
La energiacutea en forma de calor que se transfiere por segundo desde cualquier habitacioacuten a otra se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten que es similar a la presentada en conductividad teacutermica
P = K middot S middot Δt donde P es la energiacutea en forma de calor transmitida por unidad de tiempo Δt es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la habitacioacuten S es la superficie de los materiales que componen la habitacioacuten y K es un coeficiente caracteriacutestico del material utilizadoLos profesionales utilizan tablas con los valores K de algunas estructuras utilizadas habitualmente en la construccioacuten de una casa como las de la tabla
Luego de la lectura del textoa Sugieran posibles soluciones para prevenir las transfe-rencias de energiacutea desde el interior de las viviendas hacia el exteriorb Confeccionen una lista de las partes de una casa que pueden llevar aislantes teacutermicos y averiguumlen con queacute materiales estaacuten fabricados
c Realicen un disentildeo experimental para calcular la ener-giacutea que se transfiere del interior al exterior de su casad Describan sus disentildeos y busquen informacioacuten sobre uso de materiales en la construccioacuten de viviendas seguacuten sus propiedades y usos
aACTIVIDADES
iquestDe queacute depende la mayor o menor cantidad de energiacutea transferida
Los arquitectos e ingenieros consideran que la transferencias de energiacutea desde el interior hacia el exterior dependen fundamentalmente de los siguientes factores
La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la habitacioacuten Cuanto mayor es esta diferencia mayor es el flujo de energiacutea y maacutes raacutepido se produce el intercambio
Las superficies de los distintos materiales que componen la habitacioacuten Cuanto mayor es la superficie mayor transferencia de energiacutea al exterior
Espuma aislante Muro de ladrillos Tejas para techo
Casa construida
Tipos de estructuraValores K
(w ( m 2 ordmC))
Techo de tejas sin aislamiento
22
Techo de tejas con aislamiento 045
Ventanas con vidrio de 6 mm 56
Ventanas con vidrios dobles con 20 mm de separacioacuten
28
Pared de ladrillos con yeso (114 mm) 1324
Doble pared de ladrillos con caacutemara de aire de 280 mm
17
Doble pared de ladrillos con aislamiento en el
06
Piso de ceraacutemica sobre viguetas 42
Piso de madera sobre viguetas 17
161
IDEAS BAacuteSICAS DE LA UNIDAD
La temperatura es una variable de estado del cuerpo relacionada con la energiacutea cineacutetica
del movimiento de sus partiacuteculas
Los cuerpos no tienen friacuteo ni calor tienen bajas o altas temperaturas
Un termoacutemetro es un instrumento que se utiliza para medir la temperatura
Generalmente los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuan-
do disminuye su temperatura
Se denomina calor a la forma de intercambio de energiacutea entre dos cuerpos de distintas
temperaturas que se ponen en contacto teacutermico
La transferencia de calor se da espontaacuteneamente desde el cuerpo de mayor temperatura al
de menor temperatura
Dos cuerpos de distintas temperaturas que intercambian energiacutea logran el equilibrio teacutermi-
co cuando equiparan sus temperaturas
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la cantidad de
calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
El calor se propaga por tres formas baacutesicas conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten
La conduccioacuten se produce cuando se transfiere energiacutea en forma de calor desde las moleacute-
culas o partiacuteculas que se encuentran en zonas de mayor temperatura a las que se encuentran
en zonas de menor de temperatura sin desplazamiento de materia
En los liacutequidos y gases se generan corrientes convectivas con desplazamiento de materia
A los malos conductores del calor se los llama aislantes teacutermicos
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmC
( T F ndash 32 ordmC) Escala Celcius
T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
T C Escala Farenheit
T K = 27315 + T C Escala termomeacutetrica
ΔL = L o ∙ α ∙ Δt Dilatacioacuten liacuteneal
Q = c ∙ m ∙Δt Calorimetriacutea
Q ___ Δt = K ∙ S ∙ Δt ___ Δx Cantidad de calor que se transfiere
por conduccioacuten de un soacutelido
Foacutermulas
162 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
ACTIVIDADES DE INTEGRACIOacuteN1 Si se colocan 1000 g de agua en un recipiente y 2000 g de agua
en otro ambos a 20 degC y se les entrega igual cantidad de calor en
iguales condiciones de presioacuten normal iquestalcanzaraacuten el mismo punto
de ebullicioacuten iquestPor queacute
2 iquestPor queacute algunos vidrios como los llamados Pyrex no se rompen
cuando se someten a elevadas temperaturas
3 iquestQueacute ocurririacutea si usamos un termoacutemetro de mercurio contenido en
un recipiente cuyo coeficiente de dilatacioacuten fuera similar al del mer-
curio
4 iquestPor queacute el agua no se emplea como sustancia termomeacutetrica
5 Si colocan en un horno dos cuerpos de igual masa pero diferente
calor especiacutefico iquestcuaacutel alcanzaraacute primero la temperatura del horno
iquestPor queacute
6 iquestPor queacute generalmente las estufas y radiadores se colocan en la
parte inferior de la pared
7 Los habitantes del desierto suelen cubrirse con varias capas de
telas a modo de tuacutenicas por lo general claras iquestPor queacute razoacuten se
cubren tanto
8 Si se saca un recipiente del horno con un trozo de tela mojado es
probable que se sienta maacutes ldquocalienterdquo que si lo tomamos con una tela
seca iquestQueacute explicacioacuten fiacutesica tiene este hecho
9 Algunos alimentos que compramos en los negocios de venta al
puacuteblico como restaurantes se colocan en recipientes aislantes iquestPor
queacute iquestDe queacute material estaacuten hechos estos recipientes
10 iquestQueacute funcioacuten cumple un termo Justifiquen sus respuestas en
teacuterminos fiacutesicos
11 La temperatura de un diacutea de invierno en la Antaacutertida puede ser
inferior a ndash50 ordmC iquestA cuaacutentos grados Fahrenheit corresponde
12 Un termoacutemetro estaacute graduado en una escala degX tal que 20 degC
corresponden a 30 degX y 120 degC corresponden a 300 degX iquestCuaacutel es el
valor en la escala degX que corresponde a 50 degC Justifiquen sus res-
puestas
13 iquestQueacute cantidad de calor absorbe un cuerpo de 50 g de hierro que
se encuentra a una temperatura de 25 ordmC cuando su temperatura
aumenta a 100 ordmC
14 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia sabiendo que una
masa de 10 g absorbe 250 caloriacuteas cuando su temperatura variacutea 200
ordmC
15 Una dieta normal para una persona adulta en actividad es de
aproximadamente 2500 kcal diarias iquestA cuaacutentos joule equivale este
valor energeacutetico
16 Se mezclan 50 g de agua a 30 ordmC con 25 g de agua a 20 ordmC en un
recipiente aislado iquestQueacute temperatura final tiene esa mezcla
17 La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 degC Determinen
su longitud en un diacutea en que la temperatura es de 34 degC Consulten
la tabla de coeficientes de dilatacioacuten lineal de la paacutegina 146
18 Una barra de metal de longitud L o a 0 degC sufre un aumento de
longitud de un centeacutesimo de su longitud inicial cuando su tempera-
tura es de 500 degC iquestCuaacutel es el coeficiente de dilatacioacuten del metal
19 iquestCoacutemo podriacutean comprobar que la cantidad de calor que inter-
cambia un cuerpo para modificar su temperatura depende de la
masa del cuerpo Disentildeen un experimento descriacutebanlo y justifiquen
sus hipoacutetesis
20 Seguacuten la teoriacutea del caloacuterico el calor era considerado como una
sustancialidad de los cuerpos Teniendo en cuenta esta teoriacutea dise-
ntildeen un experimento que permita comprobar o refutar la siguiente
hipoacutetesis ldquoEl calor que tienen los cuerpos pesardquo
21 El valor caloacuterico de una barra de 100 g de chocolate es 550 kcal Supongan que se utilizara toda esa energiacutea para elevar la tempera-tura del agua desde los 15 ordmC con que sale de la canilla hasta 100 ordmC iquestcuaacutenta agua se podriacutea calentar
22 Se le suministra a un cuerpo de masa m de cierto material energiacutea por valor de 100 joule y el cuerpo incrementa su tempe-ratura en Δt iquestCuaacutenta energiacutea habraacute que suministrarle a un cuerpo del miso material cuya masa es el triple de la del primero para que el aumento de temperatura sea la mitad que en el primer caso
163
AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
154 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
iquestDe queacute factores depende la transferencia de calor por conduccioacuten en los materiales soacuteli-
dos iquestSe puede calcular
No todos los materiales conducen el calor de igual forma La conductividad teacutermica es
una medida de a capacidad de conducir el calor de cada material
Cuando una persona se encuentra en una habitacioacuten cuya temperatura ambiente es
por ejemplo 20 degC y toca con una mano un cenicero de cobre y con la otra un mantel tie-
ne la sensacioacuten de que el cenicero estaacute maacutes friacuteo que el mantel Esto
ocurre dado que como el cobre es un buen conductor teacutermico el
calor entregado por la mano a la zona de contacto del material
se transmite raacutepidamente al resto del objeto En cambio como
el mantel no es un buen conductor teacutermico cuando se lo toca
la transferencia de calor al resto del material es muy lenta la
temperatura de la zona de contacto aumenta hasta equiparar-
se con la piel y esto da la sensacioacuten de estar maacutes caliente
El caacutelculo es por lo general complica-
do Pero si la transferencia de calor se
produce en una sola direccioacuten y la tem-
peratura variacutea solo en esa direccioacuten se
simplifica Por ejemplo si se considera
un vidrio plano (como el de una venta-
na) se puede conocer queacute cantidad de
energiacutea transferida a traveacutes del vidrio va desde la superficie o cara de mayor temperatura
hacia la de menor temperatura Para esto es necesario tener en cuenta el tipo de vidrio
ya que no todos tienen la misma conductividad teacutermica
La cantidad de calor que se transmite por unidad de tiempo en este caso se puede
simbolizar mediante la siguiente expresioacuten matemaacutetica
Q ___ Δ τ = K ∙ S∙ ΔT ___ Δx
donde τ es el tiempo (para no confundirlo con T de temperatura) Q ___ Δ τ es la cantidad
de calor transmitida a traveacutes del vidrio por unidad de tiempo K es el coeficiente de
conductividad teacutermica que depende del material en este caso del vidrio S es la
superficie perpendicular a la direccioacuten de propagacioacuten y ΔT ___ Δx la variacioacuten de tempera-
tura entre las caras dividida por el espesor del vidrio
Se puede decir entonces que
la cantidad de calor que atraviesa
por unidad de tiempo una placa
de vidrio es mayor cuanto mayor
sea la superficie considerada y la
variacioacuten de temperatura entre sus
caras y cuanto menor sea el espe-
sor o distancia entre dichas caras
Algunos materiales conducen el calor
con mayor facilidad que otros asiacute los metales tienen alta conductividad teacutermica compararada por ejemplo con la capacidad de transmitir el calor de la madera algunos plaacutesticos ceraacutemicas etcLa conductividad teacutermica del cobre es de 330 kcalm middot h middot K la de la madera es de 01 a 03 kcalm middot h middot K y la del telgopor 003 kcalm middot h middot K
155
Conveccioacuten
Se si desea colocar estufas en las habitaciones de una casa para calefaccionarla hay que deci-
dir cuaacutel es el lugar maacutes adecuado para que se aproveche la energiacutea de la mejor manera posible
Es necesario tener en cuenta no solo las dimensiones de las habitaciones que se
desean calefaccionar sino tambieacuten el fenoacutemeno fiacutesico que se denomina transmisioacuten de
calor por conveccioacuten
La masa de aire cercana a la estufa aumenta su
temperatura por lo cual el aire se torna menos denso
que el resto de aire alejado de la estufa
Se origina asiacute un movimiento ascendente y des-
cendente de la masa de aire y se generan las deno-
minadas corrientes convectivas con un permanente
desplazamiento de materia
Este fenoacutemeno se puede observar tambieacuten en las
capas de aire que rodean la Tierra que provocan cam-
bios climaacuteticos seguacuten sus caracteriacutesticas Estas masas
de aire pueden ser maacutes caacutelidas en ciertas zonas que en
otras maacutes huacutemedas (por contener mayor cantidad de
vapor de agua) maacutes secas de mayor o menor presioacuten
La temperatura del aire puede ser influida por la propiedad de la superficie terrestre
hecho que es muy relevante para algunos estudios metereoloacutegicos
Estas corrientes convectivas que naturalmente se forman en la
atmoacutesfera son factores que tienen en cuenta por ejemplo las aves los
aladeltistas y otros deportistas que aprovechan las condiciones del aire
para elevarse Esto ocurre dado que al encontrarse con una masa de aire
caliente ascienden con maacutes facilidad y de esta forma ldquoahorranrdquo energiacutea
y pueden mantenerse en vuelo planeando sin tanto esfuerzo
La conveccioacuten se produce tanto en los gases como en los liacutequidos
Es sencillo observar que cuando se calienta agua en alguacuten recipiente
de vidrio transparente se produce
un movimiento ascendente desde la
parte inferior en contacto con la lla-
ma de fuego hacia la parte superior del recipiente
La masa liacutequida de mayor temperatura se dilata
por lo que disminuye su densidad asciende dentro del
recipiente y tiende a desplazar hacia la parte inferior
a la masa de agua liacutequida de menor temperatura
iquestOtra forma de transmisioacuten del calor
Algunos cientiacuteficos consideran que maacutes que una forma de transmisioacuten del calor la
radiacioacuten a la que ya se ha hecho referencia anteriormente implica una manera de inter-
cambio de energiacutea maacutes general
Esta transferencia de energiacutea no se da por intercambio de calor entre cuerpos que se
encuentran a distintas temperaturas ni por trabajo Involucran transferencias de energiacutea
por medio de ondas electromagneacuteticas Asiacute por ejemplo entre dos antenas se transfiere
energiacutea por radiacioacuten
156 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
Materiales Tubo de ensayo Trocitos de hielo Una moneda Agua Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen en el tubo de ensayo los trocitos de hielo cubiertos por la moneda
2Agreguen un poco de agua
3 Acerquen la parte superior del tubo al mechero o calentador
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Corrientes convectivas en liacutequidos
Materiales Agua Recipiente Trocitos de tiza de color o yerba mate Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen agua en un recipiente
2 Agreguen trocitos de tiza de color o un poco de yerba mate
3 Coloquen el recipiente al fuego
hasta que hierva el agua
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Materiales Dos latitas de gaseosa vaciacuteas Un poco de agua Pintura o cartulina negra Mechero o calentador Termoacutemetro
Procedimiento1 Tomen una de las latas y piacutentenla de negro o foacuterrenla con la cartulina negra
2 Anoten la temperatura inicial del agua
3 Coloquen la misma cantidad de agua en las dos latas
4 Pongan a calentar las dos latas a igual distancia del fuego
5 Controlen la temperatura del agua en cada lata cada 10 minutos
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestCoinciden los registros de temperatura de ambas latas
b iquestPor queacute Justifiquen su respuesta
iquestEl agua es un buen conductor teacutermico
Transmisioacuten de energiacutea por radiacioacuten
157
Los cambios de estado
Los materiales se presentan baacutesicamente en tres estados soacutelido liacutequido y gaseoso
Estos estados no son una caracteriacutestica invariable de los cuerpos ya que pueden modifi-
carse por ejemplo si se variacutea la temperatura y la presioacuten a la que estaacuten sometidos dichos
cuerpos Por ejemplo se puede fundir hierro si se lleva su temperatura a maacutes de 1500 degC
Una caracteriacutestica de los liacutequidos es la relativa libertad de movimiento de sus moleacute-
culas Si se suministra calor a un liacutequido y se logra aumentar la temperatura tambieacuten
aumentaraacute el movimiento de sus moleacuteculas las que pueden escapar de la superficie liacutequi-
da Este proceso que se da en la superficie del liacutequido se llama evaporacioacuten y puede ocu-
rrir a cualquier temperatura
A medida que aumenta la temperatura se modifica la estructura de enlace entre las
moleacuteculas Ellas no pueden mantenerse lo suficientemente cerca entre siacute para que la sus-
tancia continuacutee liacutequida lo que provoca que las moleacuteculas escapen auacuten maacutes faacutecilmente al
aire Este es el fenoacutemeno de ebullicioacuten y es conveniente resaltar que la temperatura en
la que este proceso ocurre llamada temperatura de ebullicioacuten se mantendraacute estable en
determinadas condiciones de presioacuten
Todo este proceso corresponde al cambio de estado denominado vaporizacioacuten
Cada sustancia tiene su propio punto de ebullicioacuten punto de fusioacuten y punto de solidi-
ficacioacuten que corresponden a las temperaturas y presiones en que se producen los cambios
de estado
El ciclo del agua o ciclo hidroloacutegico
Es muy comuacuten ejemplificar los cambios de estado con el agua para lo que suele apro-
vecharse el llamado ciclo hidroloacutegico o ciclo del agua que se produce en la naturaleza y
en el que se diferencian los siguientes fenoacutemenos
El agua se evapora continuamente pasando de estado liacutequido a gaseoso
Las nubes estaacuten formadas por pequentildeas gotas de agua liacutequida que ascienden por las
corrientes de aire
La lluvia se produce cuando se forman gotas maacutes gran-
des que precipitan
La nieve y el granizo se for-
man cuando la temperatura es
muy baja y se solidifican las
gotas de agua liacutequida
La niebla se produce en
lugares con altos porcentajes de
humedad y trae aparejada una
disminucioacuten en las temperatu-
ras
El rociacuteo o la escarcha se
producen por la condensacioacuten o
solidificacioacuten del agua de la atmoacutes-
fera debido a las marcadas diferencias
de temperatura entre el diacutea y la noche
Las posibles transformaciones de un
estado a otro son las siguientes
FusioacutenVaporizacioacuten
Sublimacioacuten
Volatilizacioacuten
SolidificacioacutenCondensacioacuten
Soacutelido
Liacutequido
Gaseoso
Hielo
PrecipitacioacutenEvaporacioacuten
Corriente subterraacutenea
Infiltracioacuten
Radiacioacuten solar
Condensacioacuten
Accioacuten del viento
Evaporacioacuten
Corriente
superficial
Transpiracioacuten
158 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Calor de fusioacuten y calor latente de vaporizacioacuten
Cada cambio de estado se acompantildea de un intercambio de energiacutea entre el sistema y
el medio exterior Por ejemplo se necesita energiacutea para fundir el hielo De esta forma se
pueden contrarrestar los efectos de las fuerzas que mantienen las moleacuteculas de agua en
posicioacuten fija en el soacutelido
Si la moleacuteculas de un soacutelido absorben suficiente energiacutea es posible que las fuerzas de
atraccioacuten entre moleacuteculas ya no puedan mantener su unioacuten entonces se produce el pasaje
de estado soacutelido a liacutequido
La vaporizacioacuten tambieacuten necesita energiacutea y sucede algo similar con las fuerzas de
atraccioacuten que mantienen las moleacuteculas cercanas entre siacute en la superficie del liacutequido
Un aumento de energiacutea pude ocasionar que las moleacuteculas escapen del liacutequido para
transformarse en moleacuteculas de vapor
En la medida en que aumentan las fuerzas intermoleculares la cantidad de energiacutea
necesaria para generar un cambio de fase tambieacuten se incrementa
En otros casos para poder cambiar de estado el sistema tiene que ceder energiacutea al
medio Por ejemplo el agua liacutequida debe ceder calor al medio para solidificarse
Se denomina calor latente de vaporizacioacuten a la energiacutea intercambiada por unidad de
masa para producir ese cambio de estado
Por ejemplo cada gramo de agua liacutequida a 100 ordmC y presioacuten normal debe absorber 540 cal
para convertirse en un gramo de agua en estado de vapor a la misma temperatura
La evaporacioacuten se acompantildea de un efecto de enfriamiento en la medida que el agua se
evapora absorbe calor del cuerpo del cual se evapora
El alto calor latente de vaporizacioacuten del agua 540 calg permite el enfriamiento de
las plantas por evaporacioacuten desde la superficie foliar las que reciben gran cantidad de
calor por efecto de la radiacioacuten solar La transpiracioacuten es un importante fenoacutemeno en la
regulacioacuten de la temperatura de muchos seres vivos
El calor latente de fusioacuten del hielo es de 80 calg esto significa que cada gramo de
hielo a 0 ordmC debe absorber 80 cal para convertirse en un gramo de agua liacutequida a 0 ordmC
De manera anaacuteloga al ceder 80 cal cada gramo de agua liacutequida se transforma en hielo
sin modificarse la temperatura
Se puede decir que el calor latente l indica una medida de la cantidad de calor por uni-
dad de masa que se necesita para cambiar de estado sin modificar la temperatura
Esto puede expresarse mediante la siguiente foacutermula
l = Q __ m o lo que es equivalente Q = l middot m
donde l es el calor latente Q es el calor y m la masa del cuerpo
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Hidroacutegeno -2591 139 -2627 1067
Oxiacutegeno -2184 33 -1830 51
Agua 00 80 1000 3594
Mercurio -389 28 3599 697
Plomo 3274 59 1620 -
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Plata 9605 26 1950 552
Cobre 10380 489 2595 1145
Hierro 1535 637 3200 1110
Tungsteno 3390 457 5900 460
159
CIE
NCIA
HIS
TORIA
Y S
OCIE
DAD
La historia la tradicioacuten y las modas arquitectoacutenicas contribuyen a determinar la forma y el tipo de las construcciones iquestCon queacute materiales se construye una casa iquestPor queacute para un determinado uso y funcioacuten se requieren distintos tipos de materialesEn los uacuteltimos antildeos la preocupacioacuten de los arquitectos y tambieacuten de los cientiacuteficos a la hora de proyectar un edificio se manifiesta en la obtencioacuten y aprovechamiento de los materiales con el fin de optimizar el uso de energiacutea en las viviendasLa sociedad moderna requiere grandes cantidades de energiacutea para su funcionamiento normal pero es importante reflexionar sobre el uso oacuteptimo y racional de las fuentes de energiacutea como el carboacuten el gas natural el petroacuteleo y todos sus derivados ya que no son renovablesSe estima que el petroacuteleo y el gas natural alcanzaraacuten para unos 50 a 100 antildeos maacutes mientras que el carboacuten para unos 200 a 300 antildeos maacutesMantener las viviendas calefaccionadas durante el invierno forma parte del bienestar de las personas y optimizar la energiacutea disponible en una casa depende del
cuidado de los recursos utilizados para este finEs importante tener una adecuada aislacioacuten teacutermica en todos los lugares posibles de fuga o peacuterdida de calor sobre todo del techo dado que el aire caliente es maacutes liviano y tiende a subir Existen actualmente en el comercio variedades de aislantes teacutermicos que reducen esas peacuterdidas y permiten ahorrar energiacutea Entre ellos el telgopor
las maderas los plaacutesticos las planchas de corcho las fibras de vidrio los ladrillos huecos refractarios etciquestCuaacuteles son los intercambios de energiacutea en forma de calor que se dan en una casaiquestCuaacutenta energiacutea se transfiere al exteriorEn una casa tiacutepica se disipa calor al exterior seguacuten se muestra en el siguiente esquema
El intercambio de calor en una casaEl hombre puede vivir en diversas regiones de la Tierra desde los troacutepicos hasta los polos en los bosques y en el desierto en las llanuras o montantildeas Aun cuando las condiciones cli-maacuteticas resulten hostiles el ser humano disentildea y construye sus viviendas para protegerse de las inclemencias del tiempo aprovechando los materiales de la zona
Un 35 a traveacutes de las ventanas por
conduccioacuten y radiacioacuten
Un 15 por las
paredes por
conduccioacuten y
conveccioacuten
Un 25 se transfiere
a traveacutes del techo
por conduccioacuten
y conveccioacuten
Un 5 se escapa
de chimeneas y
otros conductos
Un 5 a traveacutes
de rendijas
Un 15 por conduccioacuten a
traveacutes del suelo
160 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
CIE
NCIA
H
ISTO
RIA
Y S
OCIE
DAD
El tipo de material empleado
La energiacutea en forma de calor que se transfiere por segundo desde cualquier habitacioacuten a otra se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten que es similar a la presentada en conductividad teacutermica
P = K middot S middot Δt donde P es la energiacutea en forma de calor transmitida por unidad de tiempo Δt es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la habitacioacuten S es la superficie de los materiales que componen la habitacioacuten y K es un coeficiente caracteriacutestico del material utilizadoLos profesionales utilizan tablas con los valores K de algunas estructuras utilizadas habitualmente en la construccioacuten de una casa como las de la tabla
Luego de la lectura del textoa Sugieran posibles soluciones para prevenir las transfe-rencias de energiacutea desde el interior de las viviendas hacia el exteriorb Confeccionen una lista de las partes de una casa que pueden llevar aislantes teacutermicos y averiguumlen con queacute materiales estaacuten fabricados
c Realicen un disentildeo experimental para calcular la ener-giacutea que se transfiere del interior al exterior de su casad Describan sus disentildeos y busquen informacioacuten sobre uso de materiales en la construccioacuten de viviendas seguacuten sus propiedades y usos
aACTIVIDADES
iquestDe queacute depende la mayor o menor cantidad de energiacutea transferida
Los arquitectos e ingenieros consideran que la transferencias de energiacutea desde el interior hacia el exterior dependen fundamentalmente de los siguientes factores
La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la habitacioacuten Cuanto mayor es esta diferencia mayor es el flujo de energiacutea y maacutes raacutepido se produce el intercambio
Las superficies de los distintos materiales que componen la habitacioacuten Cuanto mayor es la superficie mayor transferencia de energiacutea al exterior
Espuma aislante Muro de ladrillos Tejas para techo
Casa construida
Tipos de estructuraValores K
(w ( m 2 ordmC))
Techo de tejas sin aislamiento
22
Techo de tejas con aislamiento 045
Ventanas con vidrio de 6 mm 56
Ventanas con vidrios dobles con 20 mm de separacioacuten
28
Pared de ladrillos con yeso (114 mm) 1324
Doble pared de ladrillos con caacutemara de aire de 280 mm
17
Doble pared de ladrillos con aislamiento en el
06
Piso de ceraacutemica sobre viguetas 42
Piso de madera sobre viguetas 17
161
IDEAS BAacuteSICAS DE LA UNIDAD
La temperatura es una variable de estado del cuerpo relacionada con la energiacutea cineacutetica
del movimiento de sus partiacuteculas
Los cuerpos no tienen friacuteo ni calor tienen bajas o altas temperaturas
Un termoacutemetro es un instrumento que se utiliza para medir la temperatura
Generalmente los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuan-
do disminuye su temperatura
Se denomina calor a la forma de intercambio de energiacutea entre dos cuerpos de distintas
temperaturas que se ponen en contacto teacutermico
La transferencia de calor se da espontaacuteneamente desde el cuerpo de mayor temperatura al
de menor temperatura
Dos cuerpos de distintas temperaturas que intercambian energiacutea logran el equilibrio teacutermi-
co cuando equiparan sus temperaturas
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la cantidad de
calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
El calor se propaga por tres formas baacutesicas conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten
La conduccioacuten se produce cuando se transfiere energiacutea en forma de calor desde las moleacute-
culas o partiacuteculas que se encuentran en zonas de mayor temperatura a las que se encuentran
en zonas de menor de temperatura sin desplazamiento de materia
En los liacutequidos y gases se generan corrientes convectivas con desplazamiento de materia
A los malos conductores del calor se los llama aislantes teacutermicos
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmC
( T F ndash 32 ordmC) Escala Celcius
T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
T C Escala Farenheit
T K = 27315 + T C Escala termomeacutetrica
ΔL = L o ∙ α ∙ Δt Dilatacioacuten liacuteneal
Q = c ∙ m ∙Δt Calorimetriacutea
Q ___ Δt = K ∙ S ∙ Δt ___ Δx Cantidad de calor que se transfiere
por conduccioacuten de un soacutelido
Foacutermulas
162 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
ACTIVIDADES DE INTEGRACIOacuteN1 Si se colocan 1000 g de agua en un recipiente y 2000 g de agua
en otro ambos a 20 degC y se les entrega igual cantidad de calor en
iguales condiciones de presioacuten normal iquestalcanzaraacuten el mismo punto
de ebullicioacuten iquestPor queacute
2 iquestPor queacute algunos vidrios como los llamados Pyrex no se rompen
cuando se someten a elevadas temperaturas
3 iquestQueacute ocurririacutea si usamos un termoacutemetro de mercurio contenido en
un recipiente cuyo coeficiente de dilatacioacuten fuera similar al del mer-
curio
4 iquestPor queacute el agua no se emplea como sustancia termomeacutetrica
5 Si colocan en un horno dos cuerpos de igual masa pero diferente
calor especiacutefico iquestcuaacutel alcanzaraacute primero la temperatura del horno
iquestPor queacute
6 iquestPor queacute generalmente las estufas y radiadores se colocan en la
parte inferior de la pared
7 Los habitantes del desierto suelen cubrirse con varias capas de
telas a modo de tuacutenicas por lo general claras iquestPor queacute razoacuten se
cubren tanto
8 Si se saca un recipiente del horno con un trozo de tela mojado es
probable que se sienta maacutes ldquocalienterdquo que si lo tomamos con una tela
seca iquestQueacute explicacioacuten fiacutesica tiene este hecho
9 Algunos alimentos que compramos en los negocios de venta al
puacuteblico como restaurantes se colocan en recipientes aislantes iquestPor
queacute iquestDe queacute material estaacuten hechos estos recipientes
10 iquestQueacute funcioacuten cumple un termo Justifiquen sus respuestas en
teacuterminos fiacutesicos
11 La temperatura de un diacutea de invierno en la Antaacutertida puede ser
inferior a ndash50 ordmC iquestA cuaacutentos grados Fahrenheit corresponde
12 Un termoacutemetro estaacute graduado en una escala degX tal que 20 degC
corresponden a 30 degX y 120 degC corresponden a 300 degX iquestCuaacutel es el
valor en la escala degX que corresponde a 50 degC Justifiquen sus res-
puestas
13 iquestQueacute cantidad de calor absorbe un cuerpo de 50 g de hierro que
se encuentra a una temperatura de 25 ordmC cuando su temperatura
aumenta a 100 ordmC
14 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia sabiendo que una
masa de 10 g absorbe 250 caloriacuteas cuando su temperatura variacutea 200
ordmC
15 Una dieta normal para una persona adulta en actividad es de
aproximadamente 2500 kcal diarias iquestA cuaacutentos joule equivale este
valor energeacutetico
16 Se mezclan 50 g de agua a 30 ordmC con 25 g de agua a 20 ordmC en un
recipiente aislado iquestQueacute temperatura final tiene esa mezcla
17 La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 degC Determinen
su longitud en un diacutea en que la temperatura es de 34 degC Consulten
la tabla de coeficientes de dilatacioacuten lineal de la paacutegina 146
18 Una barra de metal de longitud L o a 0 degC sufre un aumento de
longitud de un centeacutesimo de su longitud inicial cuando su tempera-
tura es de 500 degC iquestCuaacutel es el coeficiente de dilatacioacuten del metal
19 iquestCoacutemo podriacutean comprobar que la cantidad de calor que inter-
cambia un cuerpo para modificar su temperatura depende de la
masa del cuerpo Disentildeen un experimento descriacutebanlo y justifiquen
sus hipoacutetesis
20 Seguacuten la teoriacutea del caloacuterico el calor era considerado como una
sustancialidad de los cuerpos Teniendo en cuenta esta teoriacutea dise-
ntildeen un experimento que permita comprobar o refutar la siguiente
hipoacutetesis ldquoEl calor que tienen los cuerpos pesardquo
21 El valor caloacuterico de una barra de 100 g de chocolate es 550 kcal Supongan que se utilizara toda esa energiacutea para elevar la tempera-tura del agua desde los 15 ordmC con que sale de la canilla hasta 100 ordmC iquestcuaacutenta agua se podriacutea calentar
22 Se le suministra a un cuerpo de masa m de cierto material energiacutea por valor de 100 joule y el cuerpo incrementa su tempe-ratura en Δt iquestCuaacutenta energiacutea habraacute que suministrarle a un cuerpo del miso material cuya masa es el triple de la del primero para que el aumento de temperatura sea la mitad que en el primer caso
163
AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
155
Conveccioacuten
Se si desea colocar estufas en las habitaciones de una casa para calefaccionarla hay que deci-
dir cuaacutel es el lugar maacutes adecuado para que se aproveche la energiacutea de la mejor manera posible
Es necesario tener en cuenta no solo las dimensiones de las habitaciones que se
desean calefaccionar sino tambieacuten el fenoacutemeno fiacutesico que se denomina transmisioacuten de
calor por conveccioacuten
La masa de aire cercana a la estufa aumenta su
temperatura por lo cual el aire se torna menos denso
que el resto de aire alejado de la estufa
Se origina asiacute un movimiento ascendente y des-
cendente de la masa de aire y se generan las deno-
minadas corrientes convectivas con un permanente
desplazamiento de materia
Este fenoacutemeno se puede observar tambieacuten en las
capas de aire que rodean la Tierra que provocan cam-
bios climaacuteticos seguacuten sus caracteriacutesticas Estas masas
de aire pueden ser maacutes caacutelidas en ciertas zonas que en
otras maacutes huacutemedas (por contener mayor cantidad de
vapor de agua) maacutes secas de mayor o menor presioacuten
La temperatura del aire puede ser influida por la propiedad de la superficie terrestre
hecho que es muy relevante para algunos estudios metereoloacutegicos
Estas corrientes convectivas que naturalmente se forman en la
atmoacutesfera son factores que tienen en cuenta por ejemplo las aves los
aladeltistas y otros deportistas que aprovechan las condiciones del aire
para elevarse Esto ocurre dado que al encontrarse con una masa de aire
caliente ascienden con maacutes facilidad y de esta forma ldquoahorranrdquo energiacutea
y pueden mantenerse en vuelo planeando sin tanto esfuerzo
La conveccioacuten se produce tanto en los gases como en los liacutequidos
Es sencillo observar que cuando se calienta agua en alguacuten recipiente
de vidrio transparente se produce
un movimiento ascendente desde la
parte inferior en contacto con la lla-
ma de fuego hacia la parte superior del recipiente
La masa liacutequida de mayor temperatura se dilata
por lo que disminuye su densidad asciende dentro del
recipiente y tiende a desplazar hacia la parte inferior
a la masa de agua liacutequida de menor temperatura
iquestOtra forma de transmisioacuten del calor
Algunos cientiacuteficos consideran que maacutes que una forma de transmisioacuten del calor la
radiacioacuten a la que ya se ha hecho referencia anteriormente implica una manera de inter-
cambio de energiacutea maacutes general
Esta transferencia de energiacutea no se da por intercambio de calor entre cuerpos que se
encuentran a distintas temperaturas ni por trabajo Involucran transferencias de energiacutea
por medio de ondas electromagneacuteticas Asiacute por ejemplo entre dos antenas se transfiere
energiacutea por radiacioacuten
156 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
Materiales Tubo de ensayo Trocitos de hielo Una moneda Agua Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen en el tubo de ensayo los trocitos de hielo cubiertos por la moneda
2Agreguen un poco de agua
3 Acerquen la parte superior del tubo al mechero o calentador
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Corrientes convectivas en liacutequidos
Materiales Agua Recipiente Trocitos de tiza de color o yerba mate Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen agua en un recipiente
2 Agreguen trocitos de tiza de color o un poco de yerba mate
3 Coloquen el recipiente al fuego
hasta que hierva el agua
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Materiales Dos latitas de gaseosa vaciacuteas Un poco de agua Pintura o cartulina negra Mechero o calentador Termoacutemetro
Procedimiento1 Tomen una de las latas y piacutentenla de negro o foacuterrenla con la cartulina negra
2 Anoten la temperatura inicial del agua
3 Coloquen la misma cantidad de agua en las dos latas
4 Pongan a calentar las dos latas a igual distancia del fuego
5 Controlen la temperatura del agua en cada lata cada 10 minutos
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestCoinciden los registros de temperatura de ambas latas
b iquestPor queacute Justifiquen su respuesta
iquestEl agua es un buen conductor teacutermico
Transmisioacuten de energiacutea por radiacioacuten
157
Los cambios de estado
Los materiales se presentan baacutesicamente en tres estados soacutelido liacutequido y gaseoso
Estos estados no son una caracteriacutestica invariable de los cuerpos ya que pueden modifi-
carse por ejemplo si se variacutea la temperatura y la presioacuten a la que estaacuten sometidos dichos
cuerpos Por ejemplo se puede fundir hierro si se lleva su temperatura a maacutes de 1500 degC
Una caracteriacutestica de los liacutequidos es la relativa libertad de movimiento de sus moleacute-
culas Si se suministra calor a un liacutequido y se logra aumentar la temperatura tambieacuten
aumentaraacute el movimiento de sus moleacuteculas las que pueden escapar de la superficie liacutequi-
da Este proceso que se da en la superficie del liacutequido se llama evaporacioacuten y puede ocu-
rrir a cualquier temperatura
A medida que aumenta la temperatura se modifica la estructura de enlace entre las
moleacuteculas Ellas no pueden mantenerse lo suficientemente cerca entre siacute para que la sus-
tancia continuacutee liacutequida lo que provoca que las moleacuteculas escapen auacuten maacutes faacutecilmente al
aire Este es el fenoacutemeno de ebullicioacuten y es conveniente resaltar que la temperatura en
la que este proceso ocurre llamada temperatura de ebullicioacuten se mantendraacute estable en
determinadas condiciones de presioacuten
Todo este proceso corresponde al cambio de estado denominado vaporizacioacuten
Cada sustancia tiene su propio punto de ebullicioacuten punto de fusioacuten y punto de solidi-
ficacioacuten que corresponden a las temperaturas y presiones en que se producen los cambios
de estado
El ciclo del agua o ciclo hidroloacutegico
Es muy comuacuten ejemplificar los cambios de estado con el agua para lo que suele apro-
vecharse el llamado ciclo hidroloacutegico o ciclo del agua que se produce en la naturaleza y
en el que se diferencian los siguientes fenoacutemenos
El agua se evapora continuamente pasando de estado liacutequido a gaseoso
Las nubes estaacuten formadas por pequentildeas gotas de agua liacutequida que ascienden por las
corrientes de aire
La lluvia se produce cuando se forman gotas maacutes gran-
des que precipitan
La nieve y el granizo se for-
man cuando la temperatura es
muy baja y se solidifican las
gotas de agua liacutequida
La niebla se produce en
lugares con altos porcentajes de
humedad y trae aparejada una
disminucioacuten en las temperatu-
ras
El rociacuteo o la escarcha se
producen por la condensacioacuten o
solidificacioacuten del agua de la atmoacutes-
fera debido a las marcadas diferencias
de temperatura entre el diacutea y la noche
Las posibles transformaciones de un
estado a otro son las siguientes
FusioacutenVaporizacioacuten
Sublimacioacuten
Volatilizacioacuten
SolidificacioacutenCondensacioacuten
Soacutelido
Liacutequido
Gaseoso
Hielo
PrecipitacioacutenEvaporacioacuten
Corriente subterraacutenea
Infiltracioacuten
Radiacioacuten solar
Condensacioacuten
Accioacuten del viento
Evaporacioacuten
Corriente
superficial
Transpiracioacuten
158 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Calor de fusioacuten y calor latente de vaporizacioacuten
Cada cambio de estado se acompantildea de un intercambio de energiacutea entre el sistema y
el medio exterior Por ejemplo se necesita energiacutea para fundir el hielo De esta forma se
pueden contrarrestar los efectos de las fuerzas que mantienen las moleacuteculas de agua en
posicioacuten fija en el soacutelido
Si la moleacuteculas de un soacutelido absorben suficiente energiacutea es posible que las fuerzas de
atraccioacuten entre moleacuteculas ya no puedan mantener su unioacuten entonces se produce el pasaje
de estado soacutelido a liacutequido
La vaporizacioacuten tambieacuten necesita energiacutea y sucede algo similar con las fuerzas de
atraccioacuten que mantienen las moleacuteculas cercanas entre siacute en la superficie del liacutequido
Un aumento de energiacutea pude ocasionar que las moleacuteculas escapen del liacutequido para
transformarse en moleacuteculas de vapor
En la medida en que aumentan las fuerzas intermoleculares la cantidad de energiacutea
necesaria para generar un cambio de fase tambieacuten se incrementa
En otros casos para poder cambiar de estado el sistema tiene que ceder energiacutea al
medio Por ejemplo el agua liacutequida debe ceder calor al medio para solidificarse
Se denomina calor latente de vaporizacioacuten a la energiacutea intercambiada por unidad de
masa para producir ese cambio de estado
Por ejemplo cada gramo de agua liacutequida a 100 ordmC y presioacuten normal debe absorber 540 cal
para convertirse en un gramo de agua en estado de vapor a la misma temperatura
La evaporacioacuten se acompantildea de un efecto de enfriamiento en la medida que el agua se
evapora absorbe calor del cuerpo del cual se evapora
El alto calor latente de vaporizacioacuten del agua 540 calg permite el enfriamiento de
las plantas por evaporacioacuten desde la superficie foliar las que reciben gran cantidad de
calor por efecto de la radiacioacuten solar La transpiracioacuten es un importante fenoacutemeno en la
regulacioacuten de la temperatura de muchos seres vivos
El calor latente de fusioacuten del hielo es de 80 calg esto significa que cada gramo de
hielo a 0 ordmC debe absorber 80 cal para convertirse en un gramo de agua liacutequida a 0 ordmC
De manera anaacuteloga al ceder 80 cal cada gramo de agua liacutequida se transforma en hielo
sin modificarse la temperatura
Se puede decir que el calor latente l indica una medida de la cantidad de calor por uni-
dad de masa que se necesita para cambiar de estado sin modificar la temperatura
Esto puede expresarse mediante la siguiente foacutermula
l = Q __ m o lo que es equivalente Q = l middot m
donde l es el calor latente Q es el calor y m la masa del cuerpo
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Hidroacutegeno -2591 139 -2627 1067
Oxiacutegeno -2184 33 -1830 51
Agua 00 80 1000 3594
Mercurio -389 28 3599 697
Plomo 3274 59 1620 -
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Plata 9605 26 1950 552
Cobre 10380 489 2595 1145
Hierro 1535 637 3200 1110
Tungsteno 3390 457 5900 460
159
CIE
NCIA
HIS
TORIA
Y S
OCIE
DAD
La historia la tradicioacuten y las modas arquitectoacutenicas contribuyen a determinar la forma y el tipo de las construcciones iquestCon queacute materiales se construye una casa iquestPor queacute para un determinado uso y funcioacuten se requieren distintos tipos de materialesEn los uacuteltimos antildeos la preocupacioacuten de los arquitectos y tambieacuten de los cientiacuteficos a la hora de proyectar un edificio se manifiesta en la obtencioacuten y aprovechamiento de los materiales con el fin de optimizar el uso de energiacutea en las viviendasLa sociedad moderna requiere grandes cantidades de energiacutea para su funcionamiento normal pero es importante reflexionar sobre el uso oacuteptimo y racional de las fuentes de energiacutea como el carboacuten el gas natural el petroacuteleo y todos sus derivados ya que no son renovablesSe estima que el petroacuteleo y el gas natural alcanzaraacuten para unos 50 a 100 antildeos maacutes mientras que el carboacuten para unos 200 a 300 antildeos maacutesMantener las viviendas calefaccionadas durante el invierno forma parte del bienestar de las personas y optimizar la energiacutea disponible en una casa depende del
cuidado de los recursos utilizados para este finEs importante tener una adecuada aislacioacuten teacutermica en todos los lugares posibles de fuga o peacuterdida de calor sobre todo del techo dado que el aire caliente es maacutes liviano y tiende a subir Existen actualmente en el comercio variedades de aislantes teacutermicos que reducen esas peacuterdidas y permiten ahorrar energiacutea Entre ellos el telgopor
las maderas los plaacutesticos las planchas de corcho las fibras de vidrio los ladrillos huecos refractarios etciquestCuaacuteles son los intercambios de energiacutea en forma de calor que se dan en una casaiquestCuaacutenta energiacutea se transfiere al exteriorEn una casa tiacutepica se disipa calor al exterior seguacuten se muestra en el siguiente esquema
El intercambio de calor en una casaEl hombre puede vivir en diversas regiones de la Tierra desde los troacutepicos hasta los polos en los bosques y en el desierto en las llanuras o montantildeas Aun cuando las condiciones cli-maacuteticas resulten hostiles el ser humano disentildea y construye sus viviendas para protegerse de las inclemencias del tiempo aprovechando los materiales de la zona
Un 35 a traveacutes de las ventanas por
conduccioacuten y radiacioacuten
Un 15 por las
paredes por
conduccioacuten y
conveccioacuten
Un 25 se transfiere
a traveacutes del techo
por conduccioacuten
y conveccioacuten
Un 5 se escapa
de chimeneas y
otros conductos
Un 5 a traveacutes
de rendijas
Un 15 por conduccioacuten a
traveacutes del suelo
160 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
CIE
NCIA
H
ISTO
RIA
Y S
OCIE
DAD
El tipo de material empleado
La energiacutea en forma de calor que se transfiere por segundo desde cualquier habitacioacuten a otra se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten que es similar a la presentada en conductividad teacutermica
P = K middot S middot Δt donde P es la energiacutea en forma de calor transmitida por unidad de tiempo Δt es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la habitacioacuten S es la superficie de los materiales que componen la habitacioacuten y K es un coeficiente caracteriacutestico del material utilizadoLos profesionales utilizan tablas con los valores K de algunas estructuras utilizadas habitualmente en la construccioacuten de una casa como las de la tabla
Luego de la lectura del textoa Sugieran posibles soluciones para prevenir las transfe-rencias de energiacutea desde el interior de las viviendas hacia el exteriorb Confeccionen una lista de las partes de una casa que pueden llevar aislantes teacutermicos y averiguumlen con queacute materiales estaacuten fabricados
c Realicen un disentildeo experimental para calcular la ener-giacutea que se transfiere del interior al exterior de su casad Describan sus disentildeos y busquen informacioacuten sobre uso de materiales en la construccioacuten de viviendas seguacuten sus propiedades y usos
aACTIVIDADES
iquestDe queacute depende la mayor o menor cantidad de energiacutea transferida
Los arquitectos e ingenieros consideran que la transferencias de energiacutea desde el interior hacia el exterior dependen fundamentalmente de los siguientes factores
La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la habitacioacuten Cuanto mayor es esta diferencia mayor es el flujo de energiacutea y maacutes raacutepido se produce el intercambio
Las superficies de los distintos materiales que componen la habitacioacuten Cuanto mayor es la superficie mayor transferencia de energiacutea al exterior
Espuma aislante Muro de ladrillos Tejas para techo
Casa construida
Tipos de estructuraValores K
(w ( m 2 ordmC))
Techo de tejas sin aislamiento
22
Techo de tejas con aislamiento 045
Ventanas con vidrio de 6 mm 56
Ventanas con vidrios dobles con 20 mm de separacioacuten
28
Pared de ladrillos con yeso (114 mm) 1324
Doble pared de ladrillos con caacutemara de aire de 280 mm
17
Doble pared de ladrillos con aislamiento en el
06
Piso de ceraacutemica sobre viguetas 42
Piso de madera sobre viguetas 17
161
IDEAS BAacuteSICAS DE LA UNIDAD
La temperatura es una variable de estado del cuerpo relacionada con la energiacutea cineacutetica
del movimiento de sus partiacuteculas
Los cuerpos no tienen friacuteo ni calor tienen bajas o altas temperaturas
Un termoacutemetro es un instrumento que se utiliza para medir la temperatura
Generalmente los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuan-
do disminuye su temperatura
Se denomina calor a la forma de intercambio de energiacutea entre dos cuerpos de distintas
temperaturas que se ponen en contacto teacutermico
La transferencia de calor se da espontaacuteneamente desde el cuerpo de mayor temperatura al
de menor temperatura
Dos cuerpos de distintas temperaturas que intercambian energiacutea logran el equilibrio teacutermi-
co cuando equiparan sus temperaturas
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la cantidad de
calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
El calor se propaga por tres formas baacutesicas conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten
La conduccioacuten se produce cuando se transfiere energiacutea en forma de calor desde las moleacute-
culas o partiacuteculas que se encuentran en zonas de mayor temperatura a las que se encuentran
en zonas de menor de temperatura sin desplazamiento de materia
En los liacutequidos y gases se generan corrientes convectivas con desplazamiento de materia
A los malos conductores del calor se los llama aislantes teacutermicos
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmC
( T F ndash 32 ordmC) Escala Celcius
T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
T C Escala Farenheit
T K = 27315 + T C Escala termomeacutetrica
ΔL = L o ∙ α ∙ Δt Dilatacioacuten liacuteneal
Q = c ∙ m ∙Δt Calorimetriacutea
Q ___ Δt = K ∙ S ∙ Δt ___ Δx Cantidad de calor que se transfiere
por conduccioacuten de un soacutelido
Foacutermulas
162 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
ACTIVIDADES DE INTEGRACIOacuteN1 Si se colocan 1000 g de agua en un recipiente y 2000 g de agua
en otro ambos a 20 degC y se les entrega igual cantidad de calor en
iguales condiciones de presioacuten normal iquestalcanzaraacuten el mismo punto
de ebullicioacuten iquestPor queacute
2 iquestPor queacute algunos vidrios como los llamados Pyrex no se rompen
cuando se someten a elevadas temperaturas
3 iquestQueacute ocurririacutea si usamos un termoacutemetro de mercurio contenido en
un recipiente cuyo coeficiente de dilatacioacuten fuera similar al del mer-
curio
4 iquestPor queacute el agua no se emplea como sustancia termomeacutetrica
5 Si colocan en un horno dos cuerpos de igual masa pero diferente
calor especiacutefico iquestcuaacutel alcanzaraacute primero la temperatura del horno
iquestPor queacute
6 iquestPor queacute generalmente las estufas y radiadores se colocan en la
parte inferior de la pared
7 Los habitantes del desierto suelen cubrirse con varias capas de
telas a modo de tuacutenicas por lo general claras iquestPor queacute razoacuten se
cubren tanto
8 Si se saca un recipiente del horno con un trozo de tela mojado es
probable que se sienta maacutes ldquocalienterdquo que si lo tomamos con una tela
seca iquestQueacute explicacioacuten fiacutesica tiene este hecho
9 Algunos alimentos que compramos en los negocios de venta al
puacuteblico como restaurantes se colocan en recipientes aislantes iquestPor
queacute iquestDe queacute material estaacuten hechos estos recipientes
10 iquestQueacute funcioacuten cumple un termo Justifiquen sus respuestas en
teacuterminos fiacutesicos
11 La temperatura de un diacutea de invierno en la Antaacutertida puede ser
inferior a ndash50 ordmC iquestA cuaacutentos grados Fahrenheit corresponde
12 Un termoacutemetro estaacute graduado en una escala degX tal que 20 degC
corresponden a 30 degX y 120 degC corresponden a 300 degX iquestCuaacutel es el
valor en la escala degX que corresponde a 50 degC Justifiquen sus res-
puestas
13 iquestQueacute cantidad de calor absorbe un cuerpo de 50 g de hierro que
se encuentra a una temperatura de 25 ordmC cuando su temperatura
aumenta a 100 ordmC
14 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia sabiendo que una
masa de 10 g absorbe 250 caloriacuteas cuando su temperatura variacutea 200
ordmC
15 Una dieta normal para una persona adulta en actividad es de
aproximadamente 2500 kcal diarias iquestA cuaacutentos joule equivale este
valor energeacutetico
16 Se mezclan 50 g de agua a 30 ordmC con 25 g de agua a 20 ordmC en un
recipiente aislado iquestQueacute temperatura final tiene esa mezcla
17 La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 degC Determinen
su longitud en un diacutea en que la temperatura es de 34 degC Consulten
la tabla de coeficientes de dilatacioacuten lineal de la paacutegina 146
18 Una barra de metal de longitud L o a 0 degC sufre un aumento de
longitud de un centeacutesimo de su longitud inicial cuando su tempera-
tura es de 500 degC iquestCuaacutel es el coeficiente de dilatacioacuten del metal
19 iquestCoacutemo podriacutean comprobar que la cantidad de calor que inter-
cambia un cuerpo para modificar su temperatura depende de la
masa del cuerpo Disentildeen un experimento descriacutebanlo y justifiquen
sus hipoacutetesis
20 Seguacuten la teoriacutea del caloacuterico el calor era considerado como una
sustancialidad de los cuerpos Teniendo en cuenta esta teoriacutea dise-
ntildeen un experimento que permita comprobar o refutar la siguiente
hipoacutetesis ldquoEl calor que tienen los cuerpos pesardquo
21 El valor caloacuterico de una barra de 100 g de chocolate es 550 kcal Supongan que se utilizara toda esa energiacutea para elevar la tempera-tura del agua desde los 15 ordmC con que sale de la canilla hasta 100 ordmC iquestcuaacutenta agua se podriacutea calentar
22 Se le suministra a un cuerpo de masa m de cierto material energiacutea por valor de 100 joule y el cuerpo incrementa su tempe-ratura en Δt iquestCuaacutenta energiacutea habraacute que suministrarle a un cuerpo del miso material cuya masa es el triple de la del primero para que el aumento de temperatura sea la mitad que en el primer caso
163
AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
156 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
aeACTIVIDADES
EXPERIMENTALES
Materiales Tubo de ensayo Trocitos de hielo Una moneda Agua Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen en el tubo de ensayo los trocitos de hielo cubiertos por la moneda
2Agreguen un poco de agua
3 Acerquen la parte superior del tubo al mechero o calentador
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Corrientes convectivas en liacutequidos
Materiales Agua Recipiente Trocitos de tiza de color o yerba mate Mechero o calentador
Procedimiento1 Coloquen agua en un recipiente
2 Agreguen trocitos de tiza de color o un poco de yerba mate
3 Coloquen el recipiente al fuego
hasta que hierva el agua
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestQueacute ocurre cuando el agua hierve
b Describan este fenoacutemeno en teacuterminos fiacutesicos
Materiales Dos latitas de gaseosa vaciacuteas Un poco de agua Pintura o cartulina negra Mechero o calentador Termoacutemetro
Procedimiento1 Tomen una de las latas y piacutentenla de negro o foacuterrenla con la cartulina negra
2 Anoten la temperatura inicial del agua
3 Coloquen la misma cantidad de agua en las dos latas
4 Pongan a calentar las dos latas a igual distancia del fuego
5 Controlen la temperatura del agua en cada lata cada 10 minutos
Resuelvan las siguientes consignas
a iquestCoinciden los registros de temperatura de ambas latas
b iquestPor queacute Justifiquen su respuesta
iquestEl agua es un buen conductor teacutermico
Transmisioacuten de energiacutea por radiacioacuten
157
Los cambios de estado
Los materiales se presentan baacutesicamente en tres estados soacutelido liacutequido y gaseoso
Estos estados no son una caracteriacutestica invariable de los cuerpos ya que pueden modifi-
carse por ejemplo si se variacutea la temperatura y la presioacuten a la que estaacuten sometidos dichos
cuerpos Por ejemplo se puede fundir hierro si se lleva su temperatura a maacutes de 1500 degC
Una caracteriacutestica de los liacutequidos es la relativa libertad de movimiento de sus moleacute-
culas Si se suministra calor a un liacutequido y se logra aumentar la temperatura tambieacuten
aumentaraacute el movimiento de sus moleacuteculas las que pueden escapar de la superficie liacutequi-
da Este proceso que se da en la superficie del liacutequido se llama evaporacioacuten y puede ocu-
rrir a cualquier temperatura
A medida que aumenta la temperatura se modifica la estructura de enlace entre las
moleacuteculas Ellas no pueden mantenerse lo suficientemente cerca entre siacute para que la sus-
tancia continuacutee liacutequida lo que provoca que las moleacuteculas escapen auacuten maacutes faacutecilmente al
aire Este es el fenoacutemeno de ebullicioacuten y es conveniente resaltar que la temperatura en
la que este proceso ocurre llamada temperatura de ebullicioacuten se mantendraacute estable en
determinadas condiciones de presioacuten
Todo este proceso corresponde al cambio de estado denominado vaporizacioacuten
Cada sustancia tiene su propio punto de ebullicioacuten punto de fusioacuten y punto de solidi-
ficacioacuten que corresponden a las temperaturas y presiones en que se producen los cambios
de estado
El ciclo del agua o ciclo hidroloacutegico
Es muy comuacuten ejemplificar los cambios de estado con el agua para lo que suele apro-
vecharse el llamado ciclo hidroloacutegico o ciclo del agua que se produce en la naturaleza y
en el que se diferencian los siguientes fenoacutemenos
El agua se evapora continuamente pasando de estado liacutequido a gaseoso
Las nubes estaacuten formadas por pequentildeas gotas de agua liacutequida que ascienden por las
corrientes de aire
La lluvia se produce cuando se forman gotas maacutes gran-
des que precipitan
La nieve y el granizo se for-
man cuando la temperatura es
muy baja y se solidifican las
gotas de agua liacutequida
La niebla se produce en
lugares con altos porcentajes de
humedad y trae aparejada una
disminucioacuten en las temperatu-
ras
El rociacuteo o la escarcha se
producen por la condensacioacuten o
solidificacioacuten del agua de la atmoacutes-
fera debido a las marcadas diferencias
de temperatura entre el diacutea y la noche
Las posibles transformaciones de un
estado a otro son las siguientes
FusioacutenVaporizacioacuten
Sublimacioacuten
Volatilizacioacuten
SolidificacioacutenCondensacioacuten
Soacutelido
Liacutequido
Gaseoso
Hielo
PrecipitacioacutenEvaporacioacuten
Corriente subterraacutenea
Infiltracioacuten
Radiacioacuten solar
Condensacioacuten
Accioacuten del viento
Evaporacioacuten
Corriente
superficial
Transpiracioacuten
158 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Calor de fusioacuten y calor latente de vaporizacioacuten
Cada cambio de estado se acompantildea de un intercambio de energiacutea entre el sistema y
el medio exterior Por ejemplo se necesita energiacutea para fundir el hielo De esta forma se
pueden contrarrestar los efectos de las fuerzas que mantienen las moleacuteculas de agua en
posicioacuten fija en el soacutelido
Si la moleacuteculas de un soacutelido absorben suficiente energiacutea es posible que las fuerzas de
atraccioacuten entre moleacuteculas ya no puedan mantener su unioacuten entonces se produce el pasaje
de estado soacutelido a liacutequido
La vaporizacioacuten tambieacuten necesita energiacutea y sucede algo similar con las fuerzas de
atraccioacuten que mantienen las moleacuteculas cercanas entre siacute en la superficie del liacutequido
Un aumento de energiacutea pude ocasionar que las moleacuteculas escapen del liacutequido para
transformarse en moleacuteculas de vapor
En la medida en que aumentan las fuerzas intermoleculares la cantidad de energiacutea
necesaria para generar un cambio de fase tambieacuten se incrementa
En otros casos para poder cambiar de estado el sistema tiene que ceder energiacutea al
medio Por ejemplo el agua liacutequida debe ceder calor al medio para solidificarse
Se denomina calor latente de vaporizacioacuten a la energiacutea intercambiada por unidad de
masa para producir ese cambio de estado
Por ejemplo cada gramo de agua liacutequida a 100 ordmC y presioacuten normal debe absorber 540 cal
para convertirse en un gramo de agua en estado de vapor a la misma temperatura
La evaporacioacuten se acompantildea de un efecto de enfriamiento en la medida que el agua se
evapora absorbe calor del cuerpo del cual se evapora
El alto calor latente de vaporizacioacuten del agua 540 calg permite el enfriamiento de
las plantas por evaporacioacuten desde la superficie foliar las que reciben gran cantidad de
calor por efecto de la radiacioacuten solar La transpiracioacuten es un importante fenoacutemeno en la
regulacioacuten de la temperatura de muchos seres vivos
El calor latente de fusioacuten del hielo es de 80 calg esto significa que cada gramo de
hielo a 0 ordmC debe absorber 80 cal para convertirse en un gramo de agua liacutequida a 0 ordmC
De manera anaacuteloga al ceder 80 cal cada gramo de agua liacutequida se transforma en hielo
sin modificarse la temperatura
Se puede decir que el calor latente l indica una medida de la cantidad de calor por uni-
dad de masa que se necesita para cambiar de estado sin modificar la temperatura
Esto puede expresarse mediante la siguiente foacutermula
l = Q __ m o lo que es equivalente Q = l middot m
donde l es el calor latente Q es el calor y m la masa del cuerpo
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Hidroacutegeno -2591 139 -2627 1067
Oxiacutegeno -2184 33 -1830 51
Agua 00 80 1000 3594
Mercurio -389 28 3599 697
Plomo 3274 59 1620 -
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Plata 9605 26 1950 552
Cobre 10380 489 2595 1145
Hierro 1535 637 3200 1110
Tungsteno 3390 457 5900 460
159
CIE
NCIA
HIS
TORIA
Y S
OCIE
DAD
La historia la tradicioacuten y las modas arquitectoacutenicas contribuyen a determinar la forma y el tipo de las construcciones iquestCon queacute materiales se construye una casa iquestPor queacute para un determinado uso y funcioacuten se requieren distintos tipos de materialesEn los uacuteltimos antildeos la preocupacioacuten de los arquitectos y tambieacuten de los cientiacuteficos a la hora de proyectar un edificio se manifiesta en la obtencioacuten y aprovechamiento de los materiales con el fin de optimizar el uso de energiacutea en las viviendasLa sociedad moderna requiere grandes cantidades de energiacutea para su funcionamiento normal pero es importante reflexionar sobre el uso oacuteptimo y racional de las fuentes de energiacutea como el carboacuten el gas natural el petroacuteleo y todos sus derivados ya que no son renovablesSe estima que el petroacuteleo y el gas natural alcanzaraacuten para unos 50 a 100 antildeos maacutes mientras que el carboacuten para unos 200 a 300 antildeos maacutesMantener las viviendas calefaccionadas durante el invierno forma parte del bienestar de las personas y optimizar la energiacutea disponible en una casa depende del
cuidado de los recursos utilizados para este finEs importante tener una adecuada aislacioacuten teacutermica en todos los lugares posibles de fuga o peacuterdida de calor sobre todo del techo dado que el aire caliente es maacutes liviano y tiende a subir Existen actualmente en el comercio variedades de aislantes teacutermicos que reducen esas peacuterdidas y permiten ahorrar energiacutea Entre ellos el telgopor
las maderas los plaacutesticos las planchas de corcho las fibras de vidrio los ladrillos huecos refractarios etciquestCuaacuteles son los intercambios de energiacutea en forma de calor que se dan en una casaiquestCuaacutenta energiacutea se transfiere al exteriorEn una casa tiacutepica se disipa calor al exterior seguacuten se muestra en el siguiente esquema
El intercambio de calor en una casaEl hombre puede vivir en diversas regiones de la Tierra desde los troacutepicos hasta los polos en los bosques y en el desierto en las llanuras o montantildeas Aun cuando las condiciones cli-maacuteticas resulten hostiles el ser humano disentildea y construye sus viviendas para protegerse de las inclemencias del tiempo aprovechando los materiales de la zona
Un 35 a traveacutes de las ventanas por
conduccioacuten y radiacioacuten
Un 15 por las
paredes por
conduccioacuten y
conveccioacuten
Un 25 se transfiere
a traveacutes del techo
por conduccioacuten
y conveccioacuten
Un 5 se escapa
de chimeneas y
otros conductos
Un 5 a traveacutes
de rendijas
Un 15 por conduccioacuten a
traveacutes del suelo
160 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
CIE
NCIA
H
ISTO
RIA
Y S
OCIE
DAD
El tipo de material empleado
La energiacutea en forma de calor que se transfiere por segundo desde cualquier habitacioacuten a otra se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten que es similar a la presentada en conductividad teacutermica
P = K middot S middot Δt donde P es la energiacutea en forma de calor transmitida por unidad de tiempo Δt es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la habitacioacuten S es la superficie de los materiales que componen la habitacioacuten y K es un coeficiente caracteriacutestico del material utilizadoLos profesionales utilizan tablas con los valores K de algunas estructuras utilizadas habitualmente en la construccioacuten de una casa como las de la tabla
Luego de la lectura del textoa Sugieran posibles soluciones para prevenir las transfe-rencias de energiacutea desde el interior de las viviendas hacia el exteriorb Confeccionen una lista de las partes de una casa que pueden llevar aislantes teacutermicos y averiguumlen con queacute materiales estaacuten fabricados
c Realicen un disentildeo experimental para calcular la ener-giacutea que se transfiere del interior al exterior de su casad Describan sus disentildeos y busquen informacioacuten sobre uso de materiales en la construccioacuten de viviendas seguacuten sus propiedades y usos
aACTIVIDADES
iquestDe queacute depende la mayor o menor cantidad de energiacutea transferida
Los arquitectos e ingenieros consideran que la transferencias de energiacutea desde el interior hacia el exterior dependen fundamentalmente de los siguientes factores
La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la habitacioacuten Cuanto mayor es esta diferencia mayor es el flujo de energiacutea y maacutes raacutepido se produce el intercambio
Las superficies de los distintos materiales que componen la habitacioacuten Cuanto mayor es la superficie mayor transferencia de energiacutea al exterior
Espuma aislante Muro de ladrillos Tejas para techo
Casa construida
Tipos de estructuraValores K
(w ( m 2 ordmC))
Techo de tejas sin aislamiento
22
Techo de tejas con aislamiento 045
Ventanas con vidrio de 6 mm 56
Ventanas con vidrios dobles con 20 mm de separacioacuten
28
Pared de ladrillos con yeso (114 mm) 1324
Doble pared de ladrillos con caacutemara de aire de 280 mm
17
Doble pared de ladrillos con aislamiento en el
06
Piso de ceraacutemica sobre viguetas 42
Piso de madera sobre viguetas 17
161
IDEAS BAacuteSICAS DE LA UNIDAD
La temperatura es una variable de estado del cuerpo relacionada con la energiacutea cineacutetica
del movimiento de sus partiacuteculas
Los cuerpos no tienen friacuteo ni calor tienen bajas o altas temperaturas
Un termoacutemetro es un instrumento que se utiliza para medir la temperatura
Generalmente los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuan-
do disminuye su temperatura
Se denomina calor a la forma de intercambio de energiacutea entre dos cuerpos de distintas
temperaturas que se ponen en contacto teacutermico
La transferencia de calor se da espontaacuteneamente desde el cuerpo de mayor temperatura al
de menor temperatura
Dos cuerpos de distintas temperaturas que intercambian energiacutea logran el equilibrio teacutermi-
co cuando equiparan sus temperaturas
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la cantidad de
calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
El calor se propaga por tres formas baacutesicas conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten
La conduccioacuten se produce cuando se transfiere energiacutea en forma de calor desde las moleacute-
culas o partiacuteculas que se encuentran en zonas de mayor temperatura a las que se encuentran
en zonas de menor de temperatura sin desplazamiento de materia
En los liacutequidos y gases se generan corrientes convectivas con desplazamiento de materia
A los malos conductores del calor se los llama aislantes teacutermicos
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmC
( T F ndash 32 ordmC) Escala Celcius
T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
T C Escala Farenheit
T K = 27315 + T C Escala termomeacutetrica
ΔL = L o ∙ α ∙ Δt Dilatacioacuten liacuteneal
Q = c ∙ m ∙Δt Calorimetriacutea
Q ___ Δt = K ∙ S ∙ Δt ___ Δx Cantidad de calor que se transfiere
por conduccioacuten de un soacutelido
Foacutermulas
162 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
ACTIVIDADES DE INTEGRACIOacuteN1 Si se colocan 1000 g de agua en un recipiente y 2000 g de agua
en otro ambos a 20 degC y se les entrega igual cantidad de calor en
iguales condiciones de presioacuten normal iquestalcanzaraacuten el mismo punto
de ebullicioacuten iquestPor queacute
2 iquestPor queacute algunos vidrios como los llamados Pyrex no se rompen
cuando se someten a elevadas temperaturas
3 iquestQueacute ocurririacutea si usamos un termoacutemetro de mercurio contenido en
un recipiente cuyo coeficiente de dilatacioacuten fuera similar al del mer-
curio
4 iquestPor queacute el agua no se emplea como sustancia termomeacutetrica
5 Si colocan en un horno dos cuerpos de igual masa pero diferente
calor especiacutefico iquestcuaacutel alcanzaraacute primero la temperatura del horno
iquestPor queacute
6 iquestPor queacute generalmente las estufas y radiadores se colocan en la
parte inferior de la pared
7 Los habitantes del desierto suelen cubrirse con varias capas de
telas a modo de tuacutenicas por lo general claras iquestPor queacute razoacuten se
cubren tanto
8 Si se saca un recipiente del horno con un trozo de tela mojado es
probable que se sienta maacutes ldquocalienterdquo que si lo tomamos con una tela
seca iquestQueacute explicacioacuten fiacutesica tiene este hecho
9 Algunos alimentos que compramos en los negocios de venta al
puacuteblico como restaurantes se colocan en recipientes aislantes iquestPor
queacute iquestDe queacute material estaacuten hechos estos recipientes
10 iquestQueacute funcioacuten cumple un termo Justifiquen sus respuestas en
teacuterminos fiacutesicos
11 La temperatura de un diacutea de invierno en la Antaacutertida puede ser
inferior a ndash50 ordmC iquestA cuaacutentos grados Fahrenheit corresponde
12 Un termoacutemetro estaacute graduado en una escala degX tal que 20 degC
corresponden a 30 degX y 120 degC corresponden a 300 degX iquestCuaacutel es el
valor en la escala degX que corresponde a 50 degC Justifiquen sus res-
puestas
13 iquestQueacute cantidad de calor absorbe un cuerpo de 50 g de hierro que
se encuentra a una temperatura de 25 ordmC cuando su temperatura
aumenta a 100 ordmC
14 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia sabiendo que una
masa de 10 g absorbe 250 caloriacuteas cuando su temperatura variacutea 200
ordmC
15 Una dieta normal para una persona adulta en actividad es de
aproximadamente 2500 kcal diarias iquestA cuaacutentos joule equivale este
valor energeacutetico
16 Se mezclan 50 g de agua a 30 ordmC con 25 g de agua a 20 ordmC en un
recipiente aislado iquestQueacute temperatura final tiene esa mezcla
17 La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 degC Determinen
su longitud en un diacutea en que la temperatura es de 34 degC Consulten
la tabla de coeficientes de dilatacioacuten lineal de la paacutegina 146
18 Una barra de metal de longitud L o a 0 degC sufre un aumento de
longitud de un centeacutesimo de su longitud inicial cuando su tempera-
tura es de 500 degC iquestCuaacutel es el coeficiente de dilatacioacuten del metal
19 iquestCoacutemo podriacutean comprobar que la cantidad de calor que inter-
cambia un cuerpo para modificar su temperatura depende de la
masa del cuerpo Disentildeen un experimento descriacutebanlo y justifiquen
sus hipoacutetesis
20 Seguacuten la teoriacutea del caloacuterico el calor era considerado como una
sustancialidad de los cuerpos Teniendo en cuenta esta teoriacutea dise-
ntildeen un experimento que permita comprobar o refutar la siguiente
hipoacutetesis ldquoEl calor que tienen los cuerpos pesardquo
21 El valor caloacuterico de una barra de 100 g de chocolate es 550 kcal Supongan que se utilizara toda esa energiacutea para elevar la tempera-tura del agua desde los 15 ordmC con que sale de la canilla hasta 100 ordmC iquestcuaacutenta agua se podriacutea calentar
22 Se le suministra a un cuerpo de masa m de cierto material energiacutea por valor de 100 joule y el cuerpo incrementa su tempe-ratura en Δt iquestCuaacutenta energiacutea habraacute que suministrarle a un cuerpo del miso material cuya masa es el triple de la del primero para que el aumento de temperatura sea la mitad que en el primer caso
163
AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
157
Los cambios de estado
Los materiales se presentan baacutesicamente en tres estados soacutelido liacutequido y gaseoso
Estos estados no son una caracteriacutestica invariable de los cuerpos ya que pueden modifi-
carse por ejemplo si se variacutea la temperatura y la presioacuten a la que estaacuten sometidos dichos
cuerpos Por ejemplo se puede fundir hierro si se lleva su temperatura a maacutes de 1500 degC
Una caracteriacutestica de los liacutequidos es la relativa libertad de movimiento de sus moleacute-
culas Si se suministra calor a un liacutequido y se logra aumentar la temperatura tambieacuten
aumentaraacute el movimiento de sus moleacuteculas las que pueden escapar de la superficie liacutequi-
da Este proceso que se da en la superficie del liacutequido se llama evaporacioacuten y puede ocu-
rrir a cualquier temperatura
A medida que aumenta la temperatura se modifica la estructura de enlace entre las
moleacuteculas Ellas no pueden mantenerse lo suficientemente cerca entre siacute para que la sus-
tancia continuacutee liacutequida lo que provoca que las moleacuteculas escapen auacuten maacutes faacutecilmente al
aire Este es el fenoacutemeno de ebullicioacuten y es conveniente resaltar que la temperatura en
la que este proceso ocurre llamada temperatura de ebullicioacuten se mantendraacute estable en
determinadas condiciones de presioacuten
Todo este proceso corresponde al cambio de estado denominado vaporizacioacuten
Cada sustancia tiene su propio punto de ebullicioacuten punto de fusioacuten y punto de solidi-
ficacioacuten que corresponden a las temperaturas y presiones en que se producen los cambios
de estado
El ciclo del agua o ciclo hidroloacutegico
Es muy comuacuten ejemplificar los cambios de estado con el agua para lo que suele apro-
vecharse el llamado ciclo hidroloacutegico o ciclo del agua que se produce en la naturaleza y
en el que se diferencian los siguientes fenoacutemenos
El agua se evapora continuamente pasando de estado liacutequido a gaseoso
Las nubes estaacuten formadas por pequentildeas gotas de agua liacutequida que ascienden por las
corrientes de aire
La lluvia se produce cuando se forman gotas maacutes gran-
des que precipitan
La nieve y el granizo se for-
man cuando la temperatura es
muy baja y se solidifican las
gotas de agua liacutequida
La niebla se produce en
lugares con altos porcentajes de
humedad y trae aparejada una
disminucioacuten en las temperatu-
ras
El rociacuteo o la escarcha se
producen por la condensacioacuten o
solidificacioacuten del agua de la atmoacutes-
fera debido a las marcadas diferencias
de temperatura entre el diacutea y la noche
Las posibles transformaciones de un
estado a otro son las siguientes
FusioacutenVaporizacioacuten
Sublimacioacuten
Volatilizacioacuten
SolidificacioacutenCondensacioacuten
Soacutelido
Liacutequido
Gaseoso
Hielo
PrecipitacioacutenEvaporacioacuten
Corriente subterraacutenea
Infiltracioacuten
Radiacioacuten solar
Condensacioacuten
Accioacuten del viento
Evaporacioacuten
Corriente
superficial
Transpiracioacuten
158 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Calor de fusioacuten y calor latente de vaporizacioacuten
Cada cambio de estado se acompantildea de un intercambio de energiacutea entre el sistema y
el medio exterior Por ejemplo se necesita energiacutea para fundir el hielo De esta forma se
pueden contrarrestar los efectos de las fuerzas que mantienen las moleacuteculas de agua en
posicioacuten fija en el soacutelido
Si la moleacuteculas de un soacutelido absorben suficiente energiacutea es posible que las fuerzas de
atraccioacuten entre moleacuteculas ya no puedan mantener su unioacuten entonces se produce el pasaje
de estado soacutelido a liacutequido
La vaporizacioacuten tambieacuten necesita energiacutea y sucede algo similar con las fuerzas de
atraccioacuten que mantienen las moleacuteculas cercanas entre siacute en la superficie del liacutequido
Un aumento de energiacutea pude ocasionar que las moleacuteculas escapen del liacutequido para
transformarse en moleacuteculas de vapor
En la medida en que aumentan las fuerzas intermoleculares la cantidad de energiacutea
necesaria para generar un cambio de fase tambieacuten se incrementa
En otros casos para poder cambiar de estado el sistema tiene que ceder energiacutea al
medio Por ejemplo el agua liacutequida debe ceder calor al medio para solidificarse
Se denomina calor latente de vaporizacioacuten a la energiacutea intercambiada por unidad de
masa para producir ese cambio de estado
Por ejemplo cada gramo de agua liacutequida a 100 ordmC y presioacuten normal debe absorber 540 cal
para convertirse en un gramo de agua en estado de vapor a la misma temperatura
La evaporacioacuten se acompantildea de un efecto de enfriamiento en la medida que el agua se
evapora absorbe calor del cuerpo del cual se evapora
El alto calor latente de vaporizacioacuten del agua 540 calg permite el enfriamiento de
las plantas por evaporacioacuten desde la superficie foliar las que reciben gran cantidad de
calor por efecto de la radiacioacuten solar La transpiracioacuten es un importante fenoacutemeno en la
regulacioacuten de la temperatura de muchos seres vivos
El calor latente de fusioacuten del hielo es de 80 calg esto significa que cada gramo de
hielo a 0 ordmC debe absorber 80 cal para convertirse en un gramo de agua liacutequida a 0 ordmC
De manera anaacuteloga al ceder 80 cal cada gramo de agua liacutequida se transforma en hielo
sin modificarse la temperatura
Se puede decir que el calor latente l indica una medida de la cantidad de calor por uni-
dad de masa que se necesita para cambiar de estado sin modificar la temperatura
Esto puede expresarse mediante la siguiente foacutermula
l = Q __ m o lo que es equivalente Q = l middot m
donde l es el calor latente Q es el calor y m la masa del cuerpo
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Hidroacutegeno -2591 139 -2627 1067
Oxiacutegeno -2184 33 -1830 51
Agua 00 80 1000 3594
Mercurio -389 28 3599 697
Plomo 3274 59 1620 -
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Plata 9605 26 1950 552
Cobre 10380 489 2595 1145
Hierro 1535 637 3200 1110
Tungsteno 3390 457 5900 460
159
CIE
NCIA
HIS
TORIA
Y S
OCIE
DAD
La historia la tradicioacuten y las modas arquitectoacutenicas contribuyen a determinar la forma y el tipo de las construcciones iquestCon queacute materiales se construye una casa iquestPor queacute para un determinado uso y funcioacuten se requieren distintos tipos de materialesEn los uacuteltimos antildeos la preocupacioacuten de los arquitectos y tambieacuten de los cientiacuteficos a la hora de proyectar un edificio se manifiesta en la obtencioacuten y aprovechamiento de los materiales con el fin de optimizar el uso de energiacutea en las viviendasLa sociedad moderna requiere grandes cantidades de energiacutea para su funcionamiento normal pero es importante reflexionar sobre el uso oacuteptimo y racional de las fuentes de energiacutea como el carboacuten el gas natural el petroacuteleo y todos sus derivados ya que no son renovablesSe estima que el petroacuteleo y el gas natural alcanzaraacuten para unos 50 a 100 antildeos maacutes mientras que el carboacuten para unos 200 a 300 antildeos maacutesMantener las viviendas calefaccionadas durante el invierno forma parte del bienestar de las personas y optimizar la energiacutea disponible en una casa depende del
cuidado de los recursos utilizados para este finEs importante tener una adecuada aislacioacuten teacutermica en todos los lugares posibles de fuga o peacuterdida de calor sobre todo del techo dado que el aire caliente es maacutes liviano y tiende a subir Existen actualmente en el comercio variedades de aislantes teacutermicos que reducen esas peacuterdidas y permiten ahorrar energiacutea Entre ellos el telgopor
las maderas los plaacutesticos las planchas de corcho las fibras de vidrio los ladrillos huecos refractarios etciquestCuaacuteles son los intercambios de energiacutea en forma de calor que se dan en una casaiquestCuaacutenta energiacutea se transfiere al exteriorEn una casa tiacutepica se disipa calor al exterior seguacuten se muestra en el siguiente esquema
El intercambio de calor en una casaEl hombre puede vivir en diversas regiones de la Tierra desde los troacutepicos hasta los polos en los bosques y en el desierto en las llanuras o montantildeas Aun cuando las condiciones cli-maacuteticas resulten hostiles el ser humano disentildea y construye sus viviendas para protegerse de las inclemencias del tiempo aprovechando los materiales de la zona
Un 35 a traveacutes de las ventanas por
conduccioacuten y radiacioacuten
Un 15 por las
paredes por
conduccioacuten y
conveccioacuten
Un 25 se transfiere
a traveacutes del techo
por conduccioacuten
y conveccioacuten
Un 5 se escapa
de chimeneas y
otros conductos
Un 5 a traveacutes
de rendijas
Un 15 por conduccioacuten a
traveacutes del suelo
160 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
CIE
NCIA
H
ISTO
RIA
Y S
OCIE
DAD
El tipo de material empleado
La energiacutea en forma de calor que se transfiere por segundo desde cualquier habitacioacuten a otra se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten que es similar a la presentada en conductividad teacutermica
P = K middot S middot Δt donde P es la energiacutea en forma de calor transmitida por unidad de tiempo Δt es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la habitacioacuten S es la superficie de los materiales que componen la habitacioacuten y K es un coeficiente caracteriacutestico del material utilizadoLos profesionales utilizan tablas con los valores K de algunas estructuras utilizadas habitualmente en la construccioacuten de una casa como las de la tabla
Luego de la lectura del textoa Sugieran posibles soluciones para prevenir las transfe-rencias de energiacutea desde el interior de las viviendas hacia el exteriorb Confeccionen una lista de las partes de una casa que pueden llevar aislantes teacutermicos y averiguumlen con queacute materiales estaacuten fabricados
c Realicen un disentildeo experimental para calcular la ener-giacutea que se transfiere del interior al exterior de su casad Describan sus disentildeos y busquen informacioacuten sobre uso de materiales en la construccioacuten de viviendas seguacuten sus propiedades y usos
aACTIVIDADES
iquestDe queacute depende la mayor o menor cantidad de energiacutea transferida
Los arquitectos e ingenieros consideran que la transferencias de energiacutea desde el interior hacia el exterior dependen fundamentalmente de los siguientes factores
La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la habitacioacuten Cuanto mayor es esta diferencia mayor es el flujo de energiacutea y maacutes raacutepido se produce el intercambio
Las superficies de los distintos materiales que componen la habitacioacuten Cuanto mayor es la superficie mayor transferencia de energiacutea al exterior
Espuma aislante Muro de ladrillos Tejas para techo
Casa construida
Tipos de estructuraValores K
(w ( m 2 ordmC))
Techo de tejas sin aislamiento
22
Techo de tejas con aislamiento 045
Ventanas con vidrio de 6 mm 56
Ventanas con vidrios dobles con 20 mm de separacioacuten
28
Pared de ladrillos con yeso (114 mm) 1324
Doble pared de ladrillos con caacutemara de aire de 280 mm
17
Doble pared de ladrillos con aislamiento en el
06
Piso de ceraacutemica sobre viguetas 42
Piso de madera sobre viguetas 17
161
IDEAS BAacuteSICAS DE LA UNIDAD
La temperatura es una variable de estado del cuerpo relacionada con la energiacutea cineacutetica
del movimiento de sus partiacuteculas
Los cuerpos no tienen friacuteo ni calor tienen bajas o altas temperaturas
Un termoacutemetro es un instrumento que se utiliza para medir la temperatura
Generalmente los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuan-
do disminuye su temperatura
Se denomina calor a la forma de intercambio de energiacutea entre dos cuerpos de distintas
temperaturas que se ponen en contacto teacutermico
La transferencia de calor se da espontaacuteneamente desde el cuerpo de mayor temperatura al
de menor temperatura
Dos cuerpos de distintas temperaturas que intercambian energiacutea logran el equilibrio teacutermi-
co cuando equiparan sus temperaturas
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la cantidad de
calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
El calor se propaga por tres formas baacutesicas conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten
La conduccioacuten se produce cuando se transfiere energiacutea en forma de calor desde las moleacute-
culas o partiacuteculas que se encuentran en zonas de mayor temperatura a las que se encuentran
en zonas de menor de temperatura sin desplazamiento de materia
En los liacutequidos y gases se generan corrientes convectivas con desplazamiento de materia
A los malos conductores del calor se los llama aislantes teacutermicos
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmC
( T F ndash 32 ordmC) Escala Celcius
T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
T C Escala Farenheit
T K = 27315 + T C Escala termomeacutetrica
ΔL = L o ∙ α ∙ Δt Dilatacioacuten liacuteneal
Q = c ∙ m ∙Δt Calorimetriacutea
Q ___ Δt = K ∙ S ∙ Δt ___ Δx Cantidad de calor que se transfiere
por conduccioacuten de un soacutelido
Foacutermulas
162 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
ACTIVIDADES DE INTEGRACIOacuteN1 Si se colocan 1000 g de agua en un recipiente y 2000 g de agua
en otro ambos a 20 degC y se les entrega igual cantidad de calor en
iguales condiciones de presioacuten normal iquestalcanzaraacuten el mismo punto
de ebullicioacuten iquestPor queacute
2 iquestPor queacute algunos vidrios como los llamados Pyrex no se rompen
cuando se someten a elevadas temperaturas
3 iquestQueacute ocurririacutea si usamos un termoacutemetro de mercurio contenido en
un recipiente cuyo coeficiente de dilatacioacuten fuera similar al del mer-
curio
4 iquestPor queacute el agua no se emplea como sustancia termomeacutetrica
5 Si colocan en un horno dos cuerpos de igual masa pero diferente
calor especiacutefico iquestcuaacutel alcanzaraacute primero la temperatura del horno
iquestPor queacute
6 iquestPor queacute generalmente las estufas y radiadores se colocan en la
parte inferior de la pared
7 Los habitantes del desierto suelen cubrirse con varias capas de
telas a modo de tuacutenicas por lo general claras iquestPor queacute razoacuten se
cubren tanto
8 Si se saca un recipiente del horno con un trozo de tela mojado es
probable que se sienta maacutes ldquocalienterdquo que si lo tomamos con una tela
seca iquestQueacute explicacioacuten fiacutesica tiene este hecho
9 Algunos alimentos que compramos en los negocios de venta al
puacuteblico como restaurantes se colocan en recipientes aislantes iquestPor
queacute iquestDe queacute material estaacuten hechos estos recipientes
10 iquestQueacute funcioacuten cumple un termo Justifiquen sus respuestas en
teacuterminos fiacutesicos
11 La temperatura de un diacutea de invierno en la Antaacutertida puede ser
inferior a ndash50 ordmC iquestA cuaacutentos grados Fahrenheit corresponde
12 Un termoacutemetro estaacute graduado en una escala degX tal que 20 degC
corresponden a 30 degX y 120 degC corresponden a 300 degX iquestCuaacutel es el
valor en la escala degX que corresponde a 50 degC Justifiquen sus res-
puestas
13 iquestQueacute cantidad de calor absorbe un cuerpo de 50 g de hierro que
se encuentra a una temperatura de 25 ordmC cuando su temperatura
aumenta a 100 ordmC
14 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia sabiendo que una
masa de 10 g absorbe 250 caloriacuteas cuando su temperatura variacutea 200
ordmC
15 Una dieta normal para una persona adulta en actividad es de
aproximadamente 2500 kcal diarias iquestA cuaacutentos joule equivale este
valor energeacutetico
16 Se mezclan 50 g de agua a 30 ordmC con 25 g de agua a 20 ordmC en un
recipiente aislado iquestQueacute temperatura final tiene esa mezcla
17 La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 degC Determinen
su longitud en un diacutea en que la temperatura es de 34 degC Consulten
la tabla de coeficientes de dilatacioacuten lineal de la paacutegina 146
18 Una barra de metal de longitud L o a 0 degC sufre un aumento de
longitud de un centeacutesimo de su longitud inicial cuando su tempera-
tura es de 500 degC iquestCuaacutel es el coeficiente de dilatacioacuten del metal
19 iquestCoacutemo podriacutean comprobar que la cantidad de calor que inter-
cambia un cuerpo para modificar su temperatura depende de la
masa del cuerpo Disentildeen un experimento descriacutebanlo y justifiquen
sus hipoacutetesis
20 Seguacuten la teoriacutea del caloacuterico el calor era considerado como una
sustancialidad de los cuerpos Teniendo en cuenta esta teoriacutea dise-
ntildeen un experimento que permita comprobar o refutar la siguiente
hipoacutetesis ldquoEl calor que tienen los cuerpos pesardquo
21 El valor caloacuterico de una barra de 100 g de chocolate es 550 kcal Supongan que se utilizara toda esa energiacutea para elevar la tempera-tura del agua desde los 15 ordmC con que sale de la canilla hasta 100 ordmC iquestcuaacutenta agua se podriacutea calentar
22 Se le suministra a un cuerpo de masa m de cierto material energiacutea por valor de 100 joule y el cuerpo incrementa su tempe-ratura en Δt iquestCuaacutenta energiacutea habraacute que suministrarle a un cuerpo del miso material cuya masa es el triple de la del primero para que el aumento de temperatura sea la mitad que en el primer caso
163
AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
158 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
Calor de fusioacuten y calor latente de vaporizacioacuten
Cada cambio de estado se acompantildea de un intercambio de energiacutea entre el sistema y
el medio exterior Por ejemplo se necesita energiacutea para fundir el hielo De esta forma se
pueden contrarrestar los efectos de las fuerzas que mantienen las moleacuteculas de agua en
posicioacuten fija en el soacutelido
Si la moleacuteculas de un soacutelido absorben suficiente energiacutea es posible que las fuerzas de
atraccioacuten entre moleacuteculas ya no puedan mantener su unioacuten entonces se produce el pasaje
de estado soacutelido a liacutequido
La vaporizacioacuten tambieacuten necesita energiacutea y sucede algo similar con las fuerzas de
atraccioacuten que mantienen las moleacuteculas cercanas entre siacute en la superficie del liacutequido
Un aumento de energiacutea pude ocasionar que las moleacuteculas escapen del liacutequido para
transformarse en moleacuteculas de vapor
En la medida en que aumentan las fuerzas intermoleculares la cantidad de energiacutea
necesaria para generar un cambio de fase tambieacuten se incrementa
En otros casos para poder cambiar de estado el sistema tiene que ceder energiacutea al
medio Por ejemplo el agua liacutequida debe ceder calor al medio para solidificarse
Se denomina calor latente de vaporizacioacuten a la energiacutea intercambiada por unidad de
masa para producir ese cambio de estado
Por ejemplo cada gramo de agua liacutequida a 100 ordmC y presioacuten normal debe absorber 540 cal
para convertirse en un gramo de agua en estado de vapor a la misma temperatura
La evaporacioacuten se acompantildea de un efecto de enfriamiento en la medida que el agua se
evapora absorbe calor del cuerpo del cual se evapora
El alto calor latente de vaporizacioacuten del agua 540 calg permite el enfriamiento de
las plantas por evaporacioacuten desde la superficie foliar las que reciben gran cantidad de
calor por efecto de la radiacioacuten solar La transpiracioacuten es un importante fenoacutemeno en la
regulacioacuten de la temperatura de muchos seres vivos
El calor latente de fusioacuten del hielo es de 80 calg esto significa que cada gramo de
hielo a 0 ordmC debe absorber 80 cal para convertirse en un gramo de agua liacutequida a 0 ordmC
De manera anaacuteloga al ceder 80 cal cada gramo de agua liacutequida se transforma en hielo
sin modificarse la temperatura
Se puede decir que el calor latente l indica una medida de la cantidad de calor por uni-
dad de masa que se necesita para cambiar de estado sin modificar la temperatura
Esto puede expresarse mediante la siguiente foacutermula
l = Q __ m o lo que es equivalente Q = l middot m
donde l es el calor latente Q es el calor y m la masa del cuerpo
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Hidroacutegeno -2591 139 -2627 1067
Oxiacutegeno -2184 33 -1830 51
Agua 00 80 1000 3594
Mercurio -389 28 3599 697
Plomo 3274 59 1620 -
SustanciaPtode fusioacuten
(ordmC)Calor de
fusioacuten (calg)
Ptode ebullicioacuten
(ordmC)
Calor de vaporizacioacuten
(calg)
Plata 9605 26 1950 552
Cobre 10380 489 2595 1145
Hierro 1535 637 3200 1110
Tungsteno 3390 457 5900 460
159
CIE
NCIA
HIS
TORIA
Y S
OCIE
DAD
La historia la tradicioacuten y las modas arquitectoacutenicas contribuyen a determinar la forma y el tipo de las construcciones iquestCon queacute materiales se construye una casa iquestPor queacute para un determinado uso y funcioacuten se requieren distintos tipos de materialesEn los uacuteltimos antildeos la preocupacioacuten de los arquitectos y tambieacuten de los cientiacuteficos a la hora de proyectar un edificio se manifiesta en la obtencioacuten y aprovechamiento de los materiales con el fin de optimizar el uso de energiacutea en las viviendasLa sociedad moderna requiere grandes cantidades de energiacutea para su funcionamiento normal pero es importante reflexionar sobre el uso oacuteptimo y racional de las fuentes de energiacutea como el carboacuten el gas natural el petroacuteleo y todos sus derivados ya que no son renovablesSe estima que el petroacuteleo y el gas natural alcanzaraacuten para unos 50 a 100 antildeos maacutes mientras que el carboacuten para unos 200 a 300 antildeos maacutesMantener las viviendas calefaccionadas durante el invierno forma parte del bienestar de las personas y optimizar la energiacutea disponible en una casa depende del
cuidado de los recursos utilizados para este finEs importante tener una adecuada aislacioacuten teacutermica en todos los lugares posibles de fuga o peacuterdida de calor sobre todo del techo dado que el aire caliente es maacutes liviano y tiende a subir Existen actualmente en el comercio variedades de aislantes teacutermicos que reducen esas peacuterdidas y permiten ahorrar energiacutea Entre ellos el telgopor
las maderas los plaacutesticos las planchas de corcho las fibras de vidrio los ladrillos huecos refractarios etciquestCuaacuteles son los intercambios de energiacutea en forma de calor que se dan en una casaiquestCuaacutenta energiacutea se transfiere al exteriorEn una casa tiacutepica se disipa calor al exterior seguacuten se muestra en el siguiente esquema
El intercambio de calor en una casaEl hombre puede vivir en diversas regiones de la Tierra desde los troacutepicos hasta los polos en los bosques y en el desierto en las llanuras o montantildeas Aun cuando las condiciones cli-maacuteticas resulten hostiles el ser humano disentildea y construye sus viviendas para protegerse de las inclemencias del tiempo aprovechando los materiales de la zona
Un 35 a traveacutes de las ventanas por
conduccioacuten y radiacioacuten
Un 15 por las
paredes por
conduccioacuten y
conveccioacuten
Un 25 se transfiere
a traveacutes del techo
por conduccioacuten
y conveccioacuten
Un 5 se escapa
de chimeneas y
otros conductos
Un 5 a traveacutes
de rendijas
Un 15 por conduccioacuten a
traveacutes del suelo
160 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
CIE
NCIA
H
ISTO
RIA
Y S
OCIE
DAD
El tipo de material empleado
La energiacutea en forma de calor que se transfiere por segundo desde cualquier habitacioacuten a otra se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten que es similar a la presentada en conductividad teacutermica
P = K middot S middot Δt donde P es la energiacutea en forma de calor transmitida por unidad de tiempo Δt es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la habitacioacuten S es la superficie de los materiales que componen la habitacioacuten y K es un coeficiente caracteriacutestico del material utilizadoLos profesionales utilizan tablas con los valores K de algunas estructuras utilizadas habitualmente en la construccioacuten de una casa como las de la tabla
Luego de la lectura del textoa Sugieran posibles soluciones para prevenir las transfe-rencias de energiacutea desde el interior de las viviendas hacia el exteriorb Confeccionen una lista de las partes de una casa que pueden llevar aislantes teacutermicos y averiguumlen con queacute materiales estaacuten fabricados
c Realicen un disentildeo experimental para calcular la ener-giacutea que se transfiere del interior al exterior de su casad Describan sus disentildeos y busquen informacioacuten sobre uso de materiales en la construccioacuten de viviendas seguacuten sus propiedades y usos
aACTIVIDADES
iquestDe queacute depende la mayor o menor cantidad de energiacutea transferida
Los arquitectos e ingenieros consideran que la transferencias de energiacutea desde el interior hacia el exterior dependen fundamentalmente de los siguientes factores
La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la habitacioacuten Cuanto mayor es esta diferencia mayor es el flujo de energiacutea y maacutes raacutepido se produce el intercambio
Las superficies de los distintos materiales que componen la habitacioacuten Cuanto mayor es la superficie mayor transferencia de energiacutea al exterior
Espuma aislante Muro de ladrillos Tejas para techo
Casa construida
Tipos de estructuraValores K
(w ( m 2 ordmC))
Techo de tejas sin aislamiento
22
Techo de tejas con aislamiento 045
Ventanas con vidrio de 6 mm 56
Ventanas con vidrios dobles con 20 mm de separacioacuten
28
Pared de ladrillos con yeso (114 mm) 1324
Doble pared de ladrillos con caacutemara de aire de 280 mm
17
Doble pared de ladrillos con aislamiento en el
06
Piso de ceraacutemica sobre viguetas 42
Piso de madera sobre viguetas 17
161
IDEAS BAacuteSICAS DE LA UNIDAD
La temperatura es una variable de estado del cuerpo relacionada con la energiacutea cineacutetica
del movimiento de sus partiacuteculas
Los cuerpos no tienen friacuteo ni calor tienen bajas o altas temperaturas
Un termoacutemetro es un instrumento que se utiliza para medir la temperatura
Generalmente los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuan-
do disminuye su temperatura
Se denomina calor a la forma de intercambio de energiacutea entre dos cuerpos de distintas
temperaturas que se ponen en contacto teacutermico
La transferencia de calor se da espontaacuteneamente desde el cuerpo de mayor temperatura al
de menor temperatura
Dos cuerpos de distintas temperaturas que intercambian energiacutea logran el equilibrio teacutermi-
co cuando equiparan sus temperaturas
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la cantidad de
calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
El calor se propaga por tres formas baacutesicas conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten
La conduccioacuten se produce cuando se transfiere energiacutea en forma de calor desde las moleacute-
culas o partiacuteculas que se encuentran en zonas de mayor temperatura a las que se encuentran
en zonas de menor de temperatura sin desplazamiento de materia
En los liacutequidos y gases se generan corrientes convectivas con desplazamiento de materia
A los malos conductores del calor se los llama aislantes teacutermicos
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmC
( T F ndash 32 ordmC) Escala Celcius
T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
T C Escala Farenheit
T K = 27315 + T C Escala termomeacutetrica
ΔL = L o ∙ α ∙ Δt Dilatacioacuten liacuteneal
Q = c ∙ m ∙Δt Calorimetriacutea
Q ___ Δt = K ∙ S ∙ Δt ___ Δx Cantidad de calor que se transfiere
por conduccioacuten de un soacutelido
Foacutermulas
162 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
ACTIVIDADES DE INTEGRACIOacuteN1 Si se colocan 1000 g de agua en un recipiente y 2000 g de agua
en otro ambos a 20 degC y se les entrega igual cantidad de calor en
iguales condiciones de presioacuten normal iquestalcanzaraacuten el mismo punto
de ebullicioacuten iquestPor queacute
2 iquestPor queacute algunos vidrios como los llamados Pyrex no se rompen
cuando se someten a elevadas temperaturas
3 iquestQueacute ocurririacutea si usamos un termoacutemetro de mercurio contenido en
un recipiente cuyo coeficiente de dilatacioacuten fuera similar al del mer-
curio
4 iquestPor queacute el agua no se emplea como sustancia termomeacutetrica
5 Si colocan en un horno dos cuerpos de igual masa pero diferente
calor especiacutefico iquestcuaacutel alcanzaraacute primero la temperatura del horno
iquestPor queacute
6 iquestPor queacute generalmente las estufas y radiadores se colocan en la
parte inferior de la pared
7 Los habitantes del desierto suelen cubrirse con varias capas de
telas a modo de tuacutenicas por lo general claras iquestPor queacute razoacuten se
cubren tanto
8 Si se saca un recipiente del horno con un trozo de tela mojado es
probable que se sienta maacutes ldquocalienterdquo que si lo tomamos con una tela
seca iquestQueacute explicacioacuten fiacutesica tiene este hecho
9 Algunos alimentos que compramos en los negocios de venta al
puacuteblico como restaurantes se colocan en recipientes aislantes iquestPor
queacute iquestDe queacute material estaacuten hechos estos recipientes
10 iquestQueacute funcioacuten cumple un termo Justifiquen sus respuestas en
teacuterminos fiacutesicos
11 La temperatura de un diacutea de invierno en la Antaacutertida puede ser
inferior a ndash50 ordmC iquestA cuaacutentos grados Fahrenheit corresponde
12 Un termoacutemetro estaacute graduado en una escala degX tal que 20 degC
corresponden a 30 degX y 120 degC corresponden a 300 degX iquestCuaacutel es el
valor en la escala degX que corresponde a 50 degC Justifiquen sus res-
puestas
13 iquestQueacute cantidad de calor absorbe un cuerpo de 50 g de hierro que
se encuentra a una temperatura de 25 ordmC cuando su temperatura
aumenta a 100 ordmC
14 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia sabiendo que una
masa de 10 g absorbe 250 caloriacuteas cuando su temperatura variacutea 200
ordmC
15 Una dieta normal para una persona adulta en actividad es de
aproximadamente 2500 kcal diarias iquestA cuaacutentos joule equivale este
valor energeacutetico
16 Se mezclan 50 g de agua a 30 ordmC con 25 g de agua a 20 ordmC en un
recipiente aislado iquestQueacute temperatura final tiene esa mezcla
17 La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 degC Determinen
su longitud en un diacutea en que la temperatura es de 34 degC Consulten
la tabla de coeficientes de dilatacioacuten lineal de la paacutegina 146
18 Una barra de metal de longitud L o a 0 degC sufre un aumento de
longitud de un centeacutesimo de su longitud inicial cuando su tempera-
tura es de 500 degC iquestCuaacutel es el coeficiente de dilatacioacuten del metal
19 iquestCoacutemo podriacutean comprobar que la cantidad de calor que inter-
cambia un cuerpo para modificar su temperatura depende de la
masa del cuerpo Disentildeen un experimento descriacutebanlo y justifiquen
sus hipoacutetesis
20 Seguacuten la teoriacutea del caloacuterico el calor era considerado como una
sustancialidad de los cuerpos Teniendo en cuenta esta teoriacutea dise-
ntildeen un experimento que permita comprobar o refutar la siguiente
hipoacutetesis ldquoEl calor que tienen los cuerpos pesardquo
21 El valor caloacuterico de una barra de 100 g de chocolate es 550 kcal Supongan que se utilizara toda esa energiacutea para elevar la tempera-tura del agua desde los 15 ordmC con que sale de la canilla hasta 100 ordmC iquestcuaacutenta agua se podriacutea calentar
22 Se le suministra a un cuerpo de masa m de cierto material energiacutea por valor de 100 joule y el cuerpo incrementa su tempe-ratura en Δt iquestCuaacutenta energiacutea habraacute que suministrarle a un cuerpo del miso material cuya masa es el triple de la del primero para que el aumento de temperatura sea la mitad que en el primer caso
163
AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
159
CIE
NCIA
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TORIA
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DAD
La historia la tradicioacuten y las modas arquitectoacutenicas contribuyen a determinar la forma y el tipo de las construcciones iquestCon queacute materiales se construye una casa iquestPor queacute para un determinado uso y funcioacuten se requieren distintos tipos de materialesEn los uacuteltimos antildeos la preocupacioacuten de los arquitectos y tambieacuten de los cientiacuteficos a la hora de proyectar un edificio se manifiesta en la obtencioacuten y aprovechamiento de los materiales con el fin de optimizar el uso de energiacutea en las viviendasLa sociedad moderna requiere grandes cantidades de energiacutea para su funcionamiento normal pero es importante reflexionar sobre el uso oacuteptimo y racional de las fuentes de energiacutea como el carboacuten el gas natural el petroacuteleo y todos sus derivados ya que no son renovablesSe estima que el petroacuteleo y el gas natural alcanzaraacuten para unos 50 a 100 antildeos maacutes mientras que el carboacuten para unos 200 a 300 antildeos maacutesMantener las viviendas calefaccionadas durante el invierno forma parte del bienestar de las personas y optimizar la energiacutea disponible en una casa depende del
cuidado de los recursos utilizados para este finEs importante tener una adecuada aislacioacuten teacutermica en todos los lugares posibles de fuga o peacuterdida de calor sobre todo del techo dado que el aire caliente es maacutes liviano y tiende a subir Existen actualmente en el comercio variedades de aislantes teacutermicos que reducen esas peacuterdidas y permiten ahorrar energiacutea Entre ellos el telgopor
las maderas los plaacutesticos las planchas de corcho las fibras de vidrio los ladrillos huecos refractarios etciquestCuaacuteles son los intercambios de energiacutea en forma de calor que se dan en una casaiquestCuaacutenta energiacutea se transfiere al exteriorEn una casa tiacutepica se disipa calor al exterior seguacuten se muestra en el siguiente esquema
El intercambio de calor en una casaEl hombre puede vivir en diversas regiones de la Tierra desde los troacutepicos hasta los polos en los bosques y en el desierto en las llanuras o montantildeas Aun cuando las condiciones cli-maacuteticas resulten hostiles el ser humano disentildea y construye sus viviendas para protegerse de las inclemencias del tiempo aprovechando los materiales de la zona
Un 35 a traveacutes de las ventanas por
conduccioacuten y radiacioacuten
Un 15 por las
paredes por
conduccioacuten y
conveccioacuten
Un 25 se transfiere
a traveacutes del techo
por conduccioacuten
y conveccioacuten
Un 5 se escapa
de chimeneas y
otros conductos
Un 5 a traveacutes
de rendijas
Un 15 por conduccioacuten a
traveacutes del suelo
160 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
CIE
NCIA
H
ISTO
RIA
Y S
OCIE
DAD
El tipo de material empleado
La energiacutea en forma de calor que se transfiere por segundo desde cualquier habitacioacuten a otra se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten que es similar a la presentada en conductividad teacutermica
P = K middot S middot Δt donde P es la energiacutea en forma de calor transmitida por unidad de tiempo Δt es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la habitacioacuten S es la superficie de los materiales que componen la habitacioacuten y K es un coeficiente caracteriacutestico del material utilizadoLos profesionales utilizan tablas con los valores K de algunas estructuras utilizadas habitualmente en la construccioacuten de una casa como las de la tabla
Luego de la lectura del textoa Sugieran posibles soluciones para prevenir las transfe-rencias de energiacutea desde el interior de las viviendas hacia el exteriorb Confeccionen una lista de las partes de una casa que pueden llevar aislantes teacutermicos y averiguumlen con queacute materiales estaacuten fabricados
c Realicen un disentildeo experimental para calcular la ener-giacutea que se transfiere del interior al exterior de su casad Describan sus disentildeos y busquen informacioacuten sobre uso de materiales en la construccioacuten de viviendas seguacuten sus propiedades y usos
aACTIVIDADES
iquestDe queacute depende la mayor o menor cantidad de energiacutea transferida
Los arquitectos e ingenieros consideran que la transferencias de energiacutea desde el interior hacia el exterior dependen fundamentalmente de los siguientes factores
La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la habitacioacuten Cuanto mayor es esta diferencia mayor es el flujo de energiacutea y maacutes raacutepido se produce el intercambio
Las superficies de los distintos materiales que componen la habitacioacuten Cuanto mayor es la superficie mayor transferencia de energiacutea al exterior
Espuma aislante Muro de ladrillos Tejas para techo
Casa construida
Tipos de estructuraValores K
(w ( m 2 ordmC))
Techo de tejas sin aislamiento
22
Techo de tejas con aislamiento 045
Ventanas con vidrio de 6 mm 56
Ventanas con vidrios dobles con 20 mm de separacioacuten
28
Pared de ladrillos con yeso (114 mm) 1324
Doble pared de ladrillos con caacutemara de aire de 280 mm
17
Doble pared de ladrillos con aislamiento en el
06
Piso de ceraacutemica sobre viguetas 42
Piso de madera sobre viguetas 17
161
IDEAS BAacuteSICAS DE LA UNIDAD
La temperatura es una variable de estado del cuerpo relacionada con la energiacutea cineacutetica
del movimiento de sus partiacuteculas
Los cuerpos no tienen friacuteo ni calor tienen bajas o altas temperaturas
Un termoacutemetro es un instrumento que se utiliza para medir la temperatura
Generalmente los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuan-
do disminuye su temperatura
Se denomina calor a la forma de intercambio de energiacutea entre dos cuerpos de distintas
temperaturas que se ponen en contacto teacutermico
La transferencia de calor se da espontaacuteneamente desde el cuerpo de mayor temperatura al
de menor temperatura
Dos cuerpos de distintas temperaturas que intercambian energiacutea logran el equilibrio teacutermi-
co cuando equiparan sus temperaturas
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la cantidad de
calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
El calor se propaga por tres formas baacutesicas conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten
La conduccioacuten se produce cuando se transfiere energiacutea en forma de calor desde las moleacute-
culas o partiacuteculas que se encuentran en zonas de mayor temperatura a las que se encuentran
en zonas de menor de temperatura sin desplazamiento de materia
En los liacutequidos y gases se generan corrientes convectivas con desplazamiento de materia
A los malos conductores del calor se los llama aislantes teacutermicos
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmC
( T F ndash 32 ordmC) Escala Celcius
T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
T C Escala Farenheit
T K = 27315 + T C Escala termomeacutetrica
ΔL = L o ∙ α ∙ Δt Dilatacioacuten liacuteneal
Q = c ∙ m ∙Δt Calorimetriacutea
Q ___ Δt = K ∙ S ∙ Δt ___ Δx Cantidad de calor que se transfiere
por conduccioacuten de un soacutelido
Foacutermulas
162 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
ACTIVIDADES DE INTEGRACIOacuteN1 Si se colocan 1000 g de agua en un recipiente y 2000 g de agua
en otro ambos a 20 degC y se les entrega igual cantidad de calor en
iguales condiciones de presioacuten normal iquestalcanzaraacuten el mismo punto
de ebullicioacuten iquestPor queacute
2 iquestPor queacute algunos vidrios como los llamados Pyrex no se rompen
cuando se someten a elevadas temperaturas
3 iquestQueacute ocurririacutea si usamos un termoacutemetro de mercurio contenido en
un recipiente cuyo coeficiente de dilatacioacuten fuera similar al del mer-
curio
4 iquestPor queacute el agua no se emplea como sustancia termomeacutetrica
5 Si colocan en un horno dos cuerpos de igual masa pero diferente
calor especiacutefico iquestcuaacutel alcanzaraacute primero la temperatura del horno
iquestPor queacute
6 iquestPor queacute generalmente las estufas y radiadores se colocan en la
parte inferior de la pared
7 Los habitantes del desierto suelen cubrirse con varias capas de
telas a modo de tuacutenicas por lo general claras iquestPor queacute razoacuten se
cubren tanto
8 Si se saca un recipiente del horno con un trozo de tela mojado es
probable que se sienta maacutes ldquocalienterdquo que si lo tomamos con una tela
seca iquestQueacute explicacioacuten fiacutesica tiene este hecho
9 Algunos alimentos que compramos en los negocios de venta al
puacuteblico como restaurantes se colocan en recipientes aislantes iquestPor
queacute iquestDe queacute material estaacuten hechos estos recipientes
10 iquestQueacute funcioacuten cumple un termo Justifiquen sus respuestas en
teacuterminos fiacutesicos
11 La temperatura de un diacutea de invierno en la Antaacutertida puede ser
inferior a ndash50 ordmC iquestA cuaacutentos grados Fahrenheit corresponde
12 Un termoacutemetro estaacute graduado en una escala degX tal que 20 degC
corresponden a 30 degX y 120 degC corresponden a 300 degX iquestCuaacutel es el
valor en la escala degX que corresponde a 50 degC Justifiquen sus res-
puestas
13 iquestQueacute cantidad de calor absorbe un cuerpo de 50 g de hierro que
se encuentra a una temperatura de 25 ordmC cuando su temperatura
aumenta a 100 ordmC
14 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia sabiendo que una
masa de 10 g absorbe 250 caloriacuteas cuando su temperatura variacutea 200
ordmC
15 Una dieta normal para una persona adulta en actividad es de
aproximadamente 2500 kcal diarias iquestA cuaacutentos joule equivale este
valor energeacutetico
16 Se mezclan 50 g de agua a 30 ordmC con 25 g de agua a 20 ordmC en un
recipiente aislado iquestQueacute temperatura final tiene esa mezcla
17 La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 degC Determinen
su longitud en un diacutea en que la temperatura es de 34 degC Consulten
la tabla de coeficientes de dilatacioacuten lineal de la paacutegina 146
18 Una barra de metal de longitud L o a 0 degC sufre un aumento de
longitud de un centeacutesimo de su longitud inicial cuando su tempera-
tura es de 500 degC iquestCuaacutel es el coeficiente de dilatacioacuten del metal
19 iquestCoacutemo podriacutean comprobar que la cantidad de calor que inter-
cambia un cuerpo para modificar su temperatura depende de la
masa del cuerpo Disentildeen un experimento descriacutebanlo y justifiquen
sus hipoacutetesis
20 Seguacuten la teoriacutea del caloacuterico el calor era considerado como una
sustancialidad de los cuerpos Teniendo en cuenta esta teoriacutea dise-
ntildeen un experimento que permita comprobar o refutar la siguiente
hipoacutetesis ldquoEl calor que tienen los cuerpos pesardquo
21 El valor caloacuterico de una barra de 100 g de chocolate es 550 kcal Supongan que se utilizara toda esa energiacutea para elevar la tempera-tura del agua desde los 15 ordmC con que sale de la canilla hasta 100 ordmC iquestcuaacutenta agua se podriacutea calentar
22 Se le suministra a un cuerpo de masa m de cierto material energiacutea por valor de 100 joule y el cuerpo incrementa su tempe-ratura en Δt iquestCuaacutenta energiacutea habraacute que suministrarle a un cuerpo del miso material cuya masa es el triple de la del primero para que el aumento de temperatura sea la mitad que en el primer caso
163
AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
160 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
CIE
NCIA
H
ISTO
RIA
Y S
OCIE
DAD
El tipo de material empleado
La energiacutea en forma de calor que se transfiere por segundo desde cualquier habitacioacuten a otra se puede calcular mediante la siguiente expresioacuten que es similar a la presentada en conductividad teacutermica
P = K middot S middot Δt donde P es la energiacutea en forma de calor transmitida por unidad de tiempo Δt es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la habitacioacuten S es la superficie de los materiales que componen la habitacioacuten y K es un coeficiente caracteriacutestico del material utilizadoLos profesionales utilizan tablas con los valores K de algunas estructuras utilizadas habitualmente en la construccioacuten de una casa como las de la tabla
Luego de la lectura del textoa Sugieran posibles soluciones para prevenir las transfe-rencias de energiacutea desde el interior de las viviendas hacia el exteriorb Confeccionen una lista de las partes de una casa que pueden llevar aislantes teacutermicos y averiguumlen con queacute materiales estaacuten fabricados
c Realicen un disentildeo experimental para calcular la ener-giacutea que se transfiere del interior al exterior de su casad Describan sus disentildeos y busquen informacioacuten sobre uso de materiales en la construccioacuten de viviendas seguacuten sus propiedades y usos
aACTIVIDADES
iquestDe queacute depende la mayor o menor cantidad de energiacutea transferida
Los arquitectos e ingenieros consideran que la transferencias de energiacutea desde el interior hacia el exterior dependen fundamentalmente de los siguientes factores
La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la habitacioacuten Cuanto mayor es esta diferencia mayor es el flujo de energiacutea y maacutes raacutepido se produce el intercambio
Las superficies de los distintos materiales que componen la habitacioacuten Cuanto mayor es la superficie mayor transferencia de energiacutea al exterior
Espuma aislante Muro de ladrillos Tejas para techo
Casa construida
Tipos de estructuraValores K
(w ( m 2 ordmC))
Techo de tejas sin aislamiento
22
Techo de tejas con aislamiento 045
Ventanas con vidrio de 6 mm 56
Ventanas con vidrios dobles con 20 mm de separacioacuten
28
Pared de ladrillos con yeso (114 mm) 1324
Doble pared de ladrillos con caacutemara de aire de 280 mm
17
Doble pared de ladrillos con aislamiento en el
06
Piso de ceraacutemica sobre viguetas 42
Piso de madera sobre viguetas 17
161
IDEAS BAacuteSICAS DE LA UNIDAD
La temperatura es una variable de estado del cuerpo relacionada con la energiacutea cineacutetica
del movimiento de sus partiacuteculas
Los cuerpos no tienen friacuteo ni calor tienen bajas o altas temperaturas
Un termoacutemetro es un instrumento que se utiliza para medir la temperatura
Generalmente los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuan-
do disminuye su temperatura
Se denomina calor a la forma de intercambio de energiacutea entre dos cuerpos de distintas
temperaturas que se ponen en contacto teacutermico
La transferencia de calor se da espontaacuteneamente desde el cuerpo de mayor temperatura al
de menor temperatura
Dos cuerpos de distintas temperaturas que intercambian energiacutea logran el equilibrio teacutermi-
co cuando equiparan sus temperaturas
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la cantidad de
calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
El calor se propaga por tres formas baacutesicas conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten
La conduccioacuten se produce cuando se transfiere energiacutea en forma de calor desde las moleacute-
culas o partiacuteculas que se encuentran en zonas de mayor temperatura a las que se encuentran
en zonas de menor de temperatura sin desplazamiento de materia
En los liacutequidos y gases se generan corrientes convectivas con desplazamiento de materia
A los malos conductores del calor se los llama aislantes teacutermicos
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmC
( T F ndash 32 ordmC) Escala Celcius
T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
T C Escala Farenheit
T K = 27315 + T C Escala termomeacutetrica
ΔL = L o ∙ α ∙ Δt Dilatacioacuten liacuteneal
Q = c ∙ m ∙Δt Calorimetriacutea
Q ___ Δt = K ∙ S ∙ Δt ___ Δx Cantidad de calor que se transfiere
por conduccioacuten de un soacutelido
Foacutermulas
162 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
ACTIVIDADES DE INTEGRACIOacuteN1 Si se colocan 1000 g de agua en un recipiente y 2000 g de agua
en otro ambos a 20 degC y se les entrega igual cantidad de calor en
iguales condiciones de presioacuten normal iquestalcanzaraacuten el mismo punto
de ebullicioacuten iquestPor queacute
2 iquestPor queacute algunos vidrios como los llamados Pyrex no se rompen
cuando se someten a elevadas temperaturas
3 iquestQueacute ocurririacutea si usamos un termoacutemetro de mercurio contenido en
un recipiente cuyo coeficiente de dilatacioacuten fuera similar al del mer-
curio
4 iquestPor queacute el agua no se emplea como sustancia termomeacutetrica
5 Si colocan en un horno dos cuerpos de igual masa pero diferente
calor especiacutefico iquestcuaacutel alcanzaraacute primero la temperatura del horno
iquestPor queacute
6 iquestPor queacute generalmente las estufas y radiadores se colocan en la
parte inferior de la pared
7 Los habitantes del desierto suelen cubrirse con varias capas de
telas a modo de tuacutenicas por lo general claras iquestPor queacute razoacuten se
cubren tanto
8 Si se saca un recipiente del horno con un trozo de tela mojado es
probable que se sienta maacutes ldquocalienterdquo que si lo tomamos con una tela
seca iquestQueacute explicacioacuten fiacutesica tiene este hecho
9 Algunos alimentos que compramos en los negocios de venta al
puacuteblico como restaurantes se colocan en recipientes aislantes iquestPor
queacute iquestDe queacute material estaacuten hechos estos recipientes
10 iquestQueacute funcioacuten cumple un termo Justifiquen sus respuestas en
teacuterminos fiacutesicos
11 La temperatura de un diacutea de invierno en la Antaacutertida puede ser
inferior a ndash50 ordmC iquestA cuaacutentos grados Fahrenheit corresponde
12 Un termoacutemetro estaacute graduado en una escala degX tal que 20 degC
corresponden a 30 degX y 120 degC corresponden a 300 degX iquestCuaacutel es el
valor en la escala degX que corresponde a 50 degC Justifiquen sus res-
puestas
13 iquestQueacute cantidad de calor absorbe un cuerpo de 50 g de hierro que
se encuentra a una temperatura de 25 ordmC cuando su temperatura
aumenta a 100 ordmC
14 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia sabiendo que una
masa de 10 g absorbe 250 caloriacuteas cuando su temperatura variacutea 200
ordmC
15 Una dieta normal para una persona adulta en actividad es de
aproximadamente 2500 kcal diarias iquestA cuaacutentos joule equivale este
valor energeacutetico
16 Se mezclan 50 g de agua a 30 ordmC con 25 g de agua a 20 ordmC en un
recipiente aislado iquestQueacute temperatura final tiene esa mezcla
17 La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 degC Determinen
su longitud en un diacutea en que la temperatura es de 34 degC Consulten
la tabla de coeficientes de dilatacioacuten lineal de la paacutegina 146
18 Una barra de metal de longitud L o a 0 degC sufre un aumento de
longitud de un centeacutesimo de su longitud inicial cuando su tempera-
tura es de 500 degC iquestCuaacutel es el coeficiente de dilatacioacuten del metal
19 iquestCoacutemo podriacutean comprobar que la cantidad de calor que inter-
cambia un cuerpo para modificar su temperatura depende de la
masa del cuerpo Disentildeen un experimento descriacutebanlo y justifiquen
sus hipoacutetesis
20 Seguacuten la teoriacutea del caloacuterico el calor era considerado como una
sustancialidad de los cuerpos Teniendo en cuenta esta teoriacutea dise-
ntildeen un experimento que permita comprobar o refutar la siguiente
hipoacutetesis ldquoEl calor que tienen los cuerpos pesardquo
21 El valor caloacuterico de una barra de 100 g de chocolate es 550 kcal Supongan que se utilizara toda esa energiacutea para elevar la tempera-tura del agua desde los 15 ordmC con que sale de la canilla hasta 100 ordmC iquestcuaacutenta agua se podriacutea calentar
22 Se le suministra a un cuerpo de masa m de cierto material energiacutea por valor de 100 joule y el cuerpo incrementa su tempe-ratura en Δt iquestCuaacutenta energiacutea habraacute que suministrarle a un cuerpo del miso material cuya masa es el triple de la del primero para que el aumento de temperatura sea la mitad que en el primer caso
163
AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
161
IDEAS BAacuteSICAS DE LA UNIDAD
La temperatura es una variable de estado del cuerpo relacionada con la energiacutea cineacutetica
del movimiento de sus partiacuteculas
Los cuerpos no tienen friacuteo ni calor tienen bajas o altas temperaturas
Un termoacutemetro es un instrumento que se utiliza para medir la temperatura
Generalmente los cuerpos se dilatan cuando aumenta su temperatura y se contraen cuan-
do disminuye su temperatura
Se denomina calor a la forma de intercambio de energiacutea entre dos cuerpos de distintas
temperaturas que se ponen en contacto teacutermico
La transferencia de calor se da espontaacuteneamente desde el cuerpo de mayor temperatura al
de menor temperatura
Dos cuerpos de distintas temperaturas que intercambian energiacutea logran el equilibrio teacutermi-
co cuando equiparan sus temperaturas
El calor especiacutefico o capacidad caloriacutefica especiacutefica c de una sustancia es la cantidad de
calor necesaria para variar su temperatura en una unidad por unidad de masa
El calor se propaga por tres formas baacutesicas conduccioacuten conveccioacuten y radiacioacuten
La conduccioacuten se produce cuando se transfiere energiacutea en forma de calor desde las moleacute-
culas o partiacuteculas que se encuentran en zonas de mayor temperatura a las que se encuentran
en zonas de menor de temperatura sin desplazamiento de materia
En los liacutequidos y gases se generan corrientes convectivas con desplazamiento de materia
A los malos conductores del calor se los llama aislantes teacutermicos
T C = 5 ordmC ____ 9 ordmC
( T F ndash 32 ordmC) Escala Celcius
T F = 32 ordmF + 9 ordmF ____ 5 ordmC
T C Escala Farenheit
T K = 27315 + T C Escala termomeacutetrica
ΔL = L o ∙ α ∙ Δt Dilatacioacuten liacuteneal
Q = c ∙ m ∙Δt Calorimetriacutea
Q ___ Δt = K ∙ S ∙ Δt ___ Δx Cantidad de calor que se transfiere
por conduccioacuten de un soacutelido
Foacutermulas
162 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
ACTIVIDADES DE INTEGRACIOacuteN1 Si se colocan 1000 g de agua en un recipiente y 2000 g de agua
en otro ambos a 20 degC y se les entrega igual cantidad de calor en
iguales condiciones de presioacuten normal iquestalcanzaraacuten el mismo punto
de ebullicioacuten iquestPor queacute
2 iquestPor queacute algunos vidrios como los llamados Pyrex no se rompen
cuando se someten a elevadas temperaturas
3 iquestQueacute ocurririacutea si usamos un termoacutemetro de mercurio contenido en
un recipiente cuyo coeficiente de dilatacioacuten fuera similar al del mer-
curio
4 iquestPor queacute el agua no se emplea como sustancia termomeacutetrica
5 Si colocan en un horno dos cuerpos de igual masa pero diferente
calor especiacutefico iquestcuaacutel alcanzaraacute primero la temperatura del horno
iquestPor queacute
6 iquestPor queacute generalmente las estufas y radiadores se colocan en la
parte inferior de la pared
7 Los habitantes del desierto suelen cubrirse con varias capas de
telas a modo de tuacutenicas por lo general claras iquestPor queacute razoacuten se
cubren tanto
8 Si se saca un recipiente del horno con un trozo de tela mojado es
probable que se sienta maacutes ldquocalienterdquo que si lo tomamos con una tela
seca iquestQueacute explicacioacuten fiacutesica tiene este hecho
9 Algunos alimentos que compramos en los negocios de venta al
puacuteblico como restaurantes se colocan en recipientes aislantes iquestPor
queacute iquestDe queacute material estaacuten hechos estos recipientes
10 iquestQueacute funcioacuten cumple un termo Justifiquen sus respuestas en
teacuterminos fiacutesicos
11 La temperatura de un diacutea de invierno en la Antaacutertida puede ser
inferior a ndash50 ordmC iquestA cuaacutentos grados Fahrenheit corresponde
12 Un termoacutemetro estaacute graduado en una escala degX tal que 20 degC
corresponden a 30 degX y 120 degC corresponden a 300 degX iquestCuaacutel es el
valor en la escala degX que corresponde a 50 degC Justifiquen sus res-
puestas
13 iquestQueacute cantidad de calor absorbe un cuerpo de 50 g de hierro que
se encuentra a una temperatura de 25 ordmC cuando su temperatura
aumenta a 100 ordmC
14 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia sabiendo que una
masa de 10 g absorbe 250 caloriacuteas cuando su temperatura variacutea 200
ordmC
15 Una dieta normal para una persona adulta en actividad es de
aproximadamente 2500 kcal diarias iquestA cuaacutentos joule equivale este
valor energeacutetico
16 Se mezclan 50 g de agua a 30 ordmC con 25 g de agua a 20 ordmC en un
recipiente aislado iquestQueacute temperatura final tiene esa mezcla
17 La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 degC Determinen
su longitud en un diacutea en que la temperatura es de 34 degC Consulten
la tabla de coeficientes de dilatacioacuten lineal de la paacutegina 146
18 Una barra de metal de longitud L o a 0 degC sufre un aumento de
longitud de un centeacutesimo de su longitud inicial cuando su tempera-
tura es de 500 degC iquestCuaacutel es el coeficiente de dilatacioacuten del metal
19 iquestCoacutemo podriacutean comprobar que la cantidad de calor que inter-
cambia un cuerpo para modificar su temperatura depende de la
masa del cuerpo Disentildeen un experimento descriacutebanlo y justifiquen
sus hipoacutetesis
20 Seguacuten la teoriacutea del caloacuterico el calor era considerado como una
sustancialidad de los cuerpos Teniendo en cuenta esta teoriacutea dise-
ntildeen un experimento que permita comprobar o refutar la siguiente
hipoacutetesis ldquoEl calor que tienen los cuerpos pesardquo
21 El valor caloacuterico de una barra de 100 g de chocolate es 550 kcal Supongan que se utilizara toda esa energiacutea para elevar la tempera-tura del agua desde los 15 ordmC con que sale de la canilla hasta 100 ordmC iquestcuaacutenta agua se podriacutea calentar
22 Se le suministra a un cuerpo de masa m de cierto material energiacutea por valor de 100 joule y el cuerpo incrementa su tempe-ratura en Δt iquestCuaacutenta energiacutea habraacute que suministrarle a un cuerpo del miso material cuya masa es el triple de la del primero para que el aumento de temperatura sea la mitad que en el primer caso
163
AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
162 Capiacutetulo 8 Calor y temperatura
ACTIVIDADES DE INTEGRACIOacuteN1 Si se colocan 1000 g de agua en un recipiente y 2000 g de agua
en otro ambos a 20 degC y se les entrega igual cantidad de calor en
iguales condiciones de presioacuten normal iquestalcanzaraacuten el mismo punto
de ebullicioacuten iquestPor queacute
2 iquestPor queacute algunos vidrios como los llamados Pyrex no se rompen
cuando se someten a elevadas temperaturas
3 iquestQueacute ocurririacutea si usamos un termoacutemetro de mercurio contenido en
un recipiente cuyo coeficiente de dilatacioacuten fuera similar al del mer-
curio
4 iquestPor queacute el agua no se emplea como sustancia termomeacutetrica
5 Si colocan en un horno dos cuerpos de igual masa pero diferente
calor especiacutefico iquestcuaacutel alcanzaraacute primero la temperatura del horno
iquestPor queacute
6 iquestPor queacute generalmente las estufas y radiadores se colocan en la
parte inferior de la pared
7 Los habitantes del desierto suelen cubrirse con varias capas de
telas a modo de tuacutenicas por lo general claras iquestPor queacute razoacuten se
cubren tanto
8 Si se saca un recipiente del horno con un trozo de tela mojado es
probable que se sienta maacutes ldquocalienterdquo que si lo tomamos con una tela
seca iquestQueacute explicacioacuten fiacutesica tiene este hecho
9 Algunos alimentos que compramos en los negocios de venta al
puacuteblico como restaurantes se colocan en recipientes aislantes iquestPor
queacute iquestDe queacute material estaacuten hechos estos recipientes
10 iquestQueacute funcioacuten cumple un termo Justifiquen sus respuestas en
teacuterminos fiacutesicos
11 La temperatura de un diacutea de invierno en la Antaacutertida puede ser
inferior a ndash50 ordmC iquestA cuaacutentos grados Fahrenheit corresponde
12 Un termoacutemetro estaacute graduado en una escala degX tal que 20 degC
corresponden a 30 degX y 120 degC corresponden a 300 degX iquestCuaacutel es el
valor en la escala degX que corresponde a 50 degC Justifiquen sus res-
puestas
13 iquestQueacute cantidad de calor absorbe un cuerpo de 50 g de hierro que
se encuentra a una temperatura de 25 ordmC cuando su temperatura
aumenta a 100 ordmC
14 Calculen el calor especiacutefico de una sustancia sabiendo que una
masa de 10 g absorbe 250 caloriacuteas cuando su temperatura variacutea 200
ordmC
15 Una dieta normal para una persona adulta en actividad es de
aproximadamente 2500 kcal diarias iquestA cuaacutentos joule equivale este
valor energeacutetico
16 Se mezclan 50 g de agua a 30 ordmC con 25 g de agua a 20 ordmC en un
recipiente aislado iquestQueacute temperatura final tiene esa mezcla
17 La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 degC Determinen
su longitud en un diacutea en que la temperatura es de 34 degC Consulten
la tabla de coeficientes de dilatacioacuten lineal de la paacutegina 146
18 Una barra de metal de longitud L o a 0 degC sufre un aumento de
longitud de un centeacutesimo de su longitud inicial cuando su tempera-
tura es de 500 degC iquestCuaacutel es el coeficiente de dilatacioacuten del metal
19 iquestCoacutemo podriacutean comprobar que la cantidad de calor que inter-
cambia un cuerpo para modificar su temperatura depende de la
masa del cuerpo Disentildeen un experimento descriacutebanlo y justifiquen
sus hipoacutetesis
20 Seguacuten la teoriacutea del caloacuterico el calor era considerado como una
sustancialidad de los cuerpos Teniendo en cuenta esta teoriacutea dise-
ntildeen un experimento que permita comprobar o refutar la siguiente
hipoacutetesis ldquoEl calor que tienen los cuerpos pesardquo
21 El valor caloacuterico de una barra de 100 g de chocolate es 550 kcal Supongan que se utilizara toda esa energiacutea para elevar la tempera-tura del agua desde los 15 ordmC con que sale de la canilla hasta 100 ordmC iquestcuaacutenta agua se podriacutea calentar
22 Se le suministra a un cuerpo de masa m de cierto material energiacutea por valor de 100 joule y el cuerpo incrementa su tempe-ratura en Δt iquestCuaacutenta energiacutea habraacute que suministrarle a un cuerpo del miso material cuya masa es el triple de la del primero para que el aumento de temperatura sea la mitad que en el primer caso
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AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
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AUTOEVALUACIOacuteNDeterminen si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F) Justifiquen
en cada caso
1 La temperatura es una medida del grado de calor que tienen los cuerpos
2 Existe un liacutemite para el descenso de la temperatura y es el 0 grado absoluto
3Masas iguales de diferentes sustancias a iguales temperaturas requieren
distintas cantidades de calor para alcanzar una misma temperatura
4La sensacioacuten teacutermica que proporciona la piel es una variable muy precisa si se
quiere conocer la temperatura de alguacuten objeto
5 El friacuteo significa en teacuterminos fiacutesicos que el cuerpo no tiene calor
6El calor es la energiacutea que intercambian los cuerpos que se encuentran a distinta
temperatura
7El calor se transfiere espontaacuteneamente desde los cuerpos a menor temperatura
hacia los de mayor temperatura
8Siempre que varios cuerpos a distintas temperaturas se pongan en contacto
teacutermico suficiente tiempo se logra una temperatura de equilibrio
9 La radiacioacuten es el intercambio de energiacutea en forma de calor
10 La energiacutea no se propaga en el vaciacuteo
11 No todas las sustancia absorben o ceden calor de igual forma
12 La dilatacioacuten es un fenoacutemeno que se da solo en los soacutelidos
13 En la propagacioacuten del calor por conduccioacuten se desplaza materia
14La capacidad caloriacutefica de una sustancia es la cantidad de calor necesaria por
unidad de masa para variar su temperatura un grado Celsius
15Cuando los liacutequidos y los gases se dilatan aumentan su densidad ascienden y
desplazan materia a menor temperatura
16 El aire es un buen conductor del calor
17Los materiales aislantes son aquellos que minimizan el intercambio de energiacutea
con el medio
18Para que se produzca un cambio de estado en la materia es necesario aumentar
su temperatura
19El punto de ebullicioacuten del agua en condiciones normales de presioacuten y
temperatura es 100 ordmC Variando estas condiciones este punto puede cambiar
20 El agua en estado liacutequido absorbe calor del medio para solidificarse
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