CALOR Y TEMPERATURA

El concepto de temperatura se origina en las ideas cualitativas de “caliente“ y “frío” basadas en el sentido del tacto.

Nuestros sentidos no son confiables y originan confusión. Por ejemplo: si se saca una bandeja metálica con hielo y un paquete de verduras congeladas del freezer, la bandeja se siente más fría en las manos que la bolsa de vegetales, pero los dos objetos están a la misma temperatura.

Esto se debe a que el metal es mejor conductor del calor que el cartón. Los científicos han ideado varios tipos de termómetros; instrumentos confiables para hacer mediciones cuantitativas de la temperatura.

Para entender el concepto de temperatura es útil definir dos conceptos de uso frecuentes: el contacto térmico y el equilibrio térmico.

Contacto térmico:

Si se imaginan dos objetos colocados en un recipiente aislado, de modo que interactúen uno con otro pero no con el resto del mundo. Si los objetos están a diferente temperatura, se intercambia energía entre ellos. La energía intercambiada entre los objetos, en virtud de una diferencia de temperatura entre los mismos se denomina calor. Se dice que dos objetos están en contacto térmico uno con otro si se puede intercambiar energía entre ellos.

Equilibrio térmico

Es la situación en la que dos objetos que están en contacto térmico dejan de tener algún intercambio de energía.

EQUILIBRIO TERMICO

Se puede descubrir una importante propiedad del equilibrio térmico, considerando dos objetos A y B , que no están en contacto térmico uno con otro, y un tercer objeto, C, que actúa como termómetro.

Si los cuerpos A y B, por separado, están en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, C, entonces A y B estarán en equilibrio térmico uno con otro si se ponen en contacto térmico.

Ley Cero de la Termodinámica o Ley del Equilibrio, que dice:

Se puede concebir la temperatura como la propiedad que determina si un objeto está o no en equilibrio térmico con otros objetos. Dos objetos en equilibrio térmico uno con otro están a la misma temperatura. En esto radica la utilidad de los termómetros; un termómetro mide su propia temperatura, pero cuando está en equilibrio térmico con otro cuerpo, las temperaturas deben ser iguales.

Este enunciado es muy importante ya que permite definir la temperatura

Termómetros

Un termómetro común de uso cotidiano se compone de una masa de un líquido (normalmente mercurio o alcohol) que se expande en un tubo capilar de vidrio cuando se calienta. En este caso la propiedad física es el cambio de volumen de un líquido, y se puede definir cualquier cambio de temperatura como proporcional al cambio de longitud de la columna líquida en el capilar.

Los termómetros son dispositivos que sirven para medir la temperatura de un sistema.

Partes de un termómetro:

Puntos fijos del Termómetro

Puntos fijos de un termómetro son estados térmicos perfectamente definidos que sirven de base para establecer la escala termométrica. Ellos son los estados de ebullición y de fusión de una sustancia que, por lo general es el agua.

Escalas Termométricas

Escala Celsius

Escala Fahrenheit

Escala Kelvin

Escala Celsius

Esta escala se usa tanto en la vida cotidiana como en la ciencia y en la industria, en casi todo el mundo.

Punto fijo inferior: cero grado centígrado (en símbolos 0°C) y que equivale al nivel alcanzado por el mercurio cuando adquiere el estado térmico del hielo en fusión.

Punto fijo superior: cien grados centígrados (en símbolos 100°C), o sea, el nivel alcanzado por el mercurio al adquirir el estado térmico de los vapores del agua en ebullición.

Se divide en cien partes iguales la distancia que separa ambas marcas y cada división se llama grado centígrado.

Escala Fahrenheit

Esta escala es usada en la vida cotidiana de EEUU.

Punto fijo inferior: cero grado (0°F), es el nivel al que llega el mercurio al alcanzar el estado térmico de una mezcla frigorífica de hielo y cloruro de amonio, en partes iguales.

Punto fijo superior: doscientos doce grados (212°F), es nivel alcanzado por el mercurio al adquirir el estado térmico de los vapores del agua en ebullición.

La distancia que separa ambas marcas se la divide en 180 partes iguales. Cuando se coloca el termómetro Fahrenheit en hielo al estado de fusión marca 32°F.

La relación entre las escalas de temperaturas Celsius y Fahrenheit es:

325

932

100

180 CCF TTT

donde

FT

CT

: Temperatura en grados Fahrenheit

: Temperatura en grados Celsius.

CK 152730 , CK 015273,

Las unidades tienen el mismo tamaño que las de la escala Celsius, pero el cero se desplaza de modo que

y

, es decir:

Escala Kelvin

15273, CK TT

En el Sistema Internacional no se usa “grado” con la escala Kelvin. Una temperatura ambiente común, 20°C, es 20+273,15=293,15K; se lee “293,15 kelvins”.

Kelvin con mayúscula se refiere a la escala, pero la unidad de temperatura es el kelvin, con minúscula.

Relación entre las tres escalas

180

32º

100

273º

100

º

FKCdividiendo todo por 20

9

32º

5

273º

5

º

FKC

Expansión térmica

En la descripción del termómetro se mencionó uno de los cambios que se producen en una sustancia: a medida que aumenta la temperatura, su volumen también crece. Este fenómeno, conocido como expansión térmica, desempeña un importante papel en numerosas aplicaciones. Por ejemplo es necesario incluir uniones de expansión térmica en los edificios, las carreteras de concreto y los puentes para compensar los cambios de dimensiones debidos a las variaciones de temperatura.

Si la expansión térmica de un objeto es suficientemente pequeña en comparación con las dimensiones iniciales del objeto, entonces el cambio en cualquier dirección es proporcional a la primera potencia del cambio de temperatura.

EFECTOS DE LA TEMPERATURA

DILATACION

»LINEAL

»SUPERFICIAL

»VOLUMETRICA

TLL 0

DILATACIÓN LINEAL

0L 0TUna varilla tiene una longitud a una temperatura inicial .

T LSi la temperatura cambia en , la longitud cambia en

.

000 TTLLL FF

TLTTLLL FF 10000

La longitud final luego de la dilatación lineal es:

CC

11

La constante que describe las propiedades de expansión térmica de un material, se denomina coeficiente de expansión lineal.

.

Las unidades de son:

DILATACION LINEAL

L = Lo ( 1 + . T)

DILATACIÓN SUPERFICIAL:

Las dimensiones de un objeto cambian con la temperatura, se deduce que su área también cambia.

0L

20000 LLxLA

Considérese un cuadrado cuyos lados son tienen una longitud inicial

y por lo tanto tiene un área inicial de

A medida que su temperatura se incrementa, la longitud de cada lado aumenta a:

TLLLF 00

A0

AF

L0

LF

FA TLL 20

20 2

TAAAF 00 2

TAAAA F 00 2

ó

El área final será:

La variación del área es:

DILATACIÓN CÚBICA

Es el aumento de volumen que sufre un cuerpo al aumentar su temperatura.

El aumento de volumen será:

TVvVV F 00 3

V = Vo ( 1 + 3..T)

CANTIDAD DE CALOR

Si se introduce una cuchara fría dentro de una taza de café caliente, la cuchara se calienta y el café se enfría para acercarse al equilibrio térmico. La interacción que causa estos cambios de temperatura es una transferencia de energía de una sustancia a otra. La transferencia de energía que ocurre sólo por una diferencia de temperatura se llama flujo de calor o transferencia de calor, y la energía así transferida se llama calor.

Es indispensable tener bien clara la diferencia de entre calor y temperatura

Calor siempre se refiere a energía en tránsito de un cuerpo o sistema a otro a causa de una diferencia de temperatura. Se puede cambiar la temperatura de un cuerpo quitándole o agregándole calor.

La temperatura depende del estado físico del material y es una descripción cuantitativa de su calidez o frialdad.

Se puede definir una unidad de cantidad de calor basada en el cambio de temperatura de un material específico. Esta unidad es la mas usada se denomina caloría (cal).

Dado que el calor es energía en tránsito, hay una relación entre las unidades de energía y las de calor:

La caloría (cal) se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua d 14,5°C a 15,5°C .

Una unidad relacionada con la anterior, que también es muy usada, es la kilocaloría (kcal), que es igual a 1000 calorías.

Las calorías de los regímenes alimentarios en realidad son kilocalorías.

1 cal = 4,186 J

1 kcal = 1000 cal = 4186 J

CALOR ESPECÍFICOLa cantidad de energía calorífica necesaria para elevar la temperatura de una masa dada de una sustancia una cantidad determinada varía de una sustancia a otra.

El calor que se necesita para elevar la temperatura de 1 kg de agua en 1°C es de 1 cal, pero el calor que se requiere para elevar la temperatura de 1 kg de cobre en 1°C es de 0,077 cal.

Cada sustancia requiere una cantidad de calor especial para cambiar la temperatura de 1 kg de la misma en 1°C, este número se conoce como el calor específico de la sustancia.

Tm

Qc

A partir de esta definición se puede expresar el calor transferido desde un sistema de masa m y su entorno, para un cambio de temperatura T, como:

TcmQ

Si la temperatura aumenta T y Q se toman como valores positivos

Si la temperatura baja T y Q son negativos fluye calor hacia fuera del sistema.

Fluye calor hacia el sistema

El agua tiene el calor específico más elevado de las sustancias que es probable encontrar en condiciones ordinarias.

TRANSFERENCIA DE CALORLa energía calorífica se puede transmitir de un lugar a otro de tres maneras diferentes:

CONDUCCIÓN

CONVECCIÓN

RADIACIÓN

CONDUCCIÓN

Este mecanismo de transferencia ocurre dentro de un cuerpo o entre dos cuerpos en contacto.

Si se sujeta una varilla de cobre y se coloca el otro extremo en una llama, el extremo que se sostiene se calienta cada vez más, aunque no esté en contacto directo con la llama. El calor llega la extremo más frío por conducción a través del material.

• LA TRANSMISIÓN DEL CALOR POR CONDUCCIÓN ES TÍPICA DE LOS SÓLIDOS

Q

t1t2

TA >>>TB

Si se transfiere una cierta cantidad Q de calor de un lugar de un objeto a otro en el tiempo , ,la rapidez de transferencia de calor, H, también llamada corriente de calor, se define:

t

t

QH

s

Jw 1unidades

e

TTA

t

QH 21.

Se conduce calor sólo si existe una diferencia de temperatura entre dos partes del medio conductor. Si se considera una losa de espesor “e” y área de sección transversal A; si una de las caras se encuentra a temperatura T1 y la otra cara está a una temperatura inferior, T2

Experimentalmente se tiene que la razón de flujo de calor, Q, por unidad de tiempo, tes proporcional a la diferencia de temperatura T1 – T2 y el área A, e inversamente proporcional al espesor de la losa.

Constante conductividad térmica

e

TT 21 gradiente de temperatura

CONVECCIÓNTodos nos hemos calentado las manos alguna vez, sosteniéndolas sobre una fogata, como indica la figura

el aire que está encima de la llama se calienta y se expande

Esta masa de aire caliente entibia las manos al fluir entre ellas. Se dice que el calor transferido por el movimiento de una sustancia caliente se ha transmitido por convección. Cuando el movimiento es producto de diferencias de densidad, como el caso del aire que rodea una fogata , se describe como una convección natural. Cuando un ventilador o una bomba obligan a la sustancia caliente a moverse, por ejemplos algunos sistemas de calefacción de ambientes, el proceso se conoce como convección forzada.

El mismo proceso se lleva a cabo cuando se calienta una habitación por medio de un radiador. El radiador caliente eleva la temperatura del aire de las regiones bajas de la habitación. El aire caliente se expande y sube al cielorraso. El aire más fríode la parte alta toma el lugar del aire caliente y establecen el patrón de corriente de aire continua.

CONVECCION

RADIACIÓN

La transferencia de calor por radiación depende de ondas electromagnéticas como la luz visible, el infrarrojo y la radiación ultravioleta.

La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas.

RADIACION

RADIACION

COEFICIENTE DE TRANSMITANCIA TOTAL K

Q = K.A.(t1 - t2)

• Q:Cantidad de calor que se transmite (kcal/h)

• K: Coeficiente de transmitancia térmica (kcal/h.m².°C). Según tablas.

• A: Area (m²).

• t1: Temp.del aire en la cara más caliente (°C).

• t2: Temp. del aire en la cara más fria (°C).

• Los coeficientes K para las construcciones normales están tabulados por la Norma IRAM 11.601, pero para muros especiales o de características especiales deben calcularse.

Resistencia térmicaPara hacer cálculos a fin de determinar si conviene o no agregar aislante a un cielo interior o a alguna parte de un edificio, hay que hacer ciertas consideraciones:

•Las propiedades aislantes de los materiales que se utilizan en las construcciones se expresan en las unidades usuales de ingeniería, no en unidades del Sistema Internacional. Por ejemplo, las medidas grabadas en un paquete de aislante de fibra de vidrio están en unidades térmicas británicas, pies y grados Fahrenheit.

•Cuando se trata de aislante de la construcción, se debe considerar la conducción de calor a través de una losa compuesta, en la que cada parte de la misma tiene un espesor y una conductividad térmica diferentes. Por ejemplo, un muro típico de una casa se compone de diversos materiales, mampostería, revestimientos, etc.

DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSMITANCIA TOTAL K

• Para el cálculo de transmitancia total K, se emplea la siguiente fórmula:

• Se denomina resistencia total Rt a la

inversa de la Tramitancia Térmica, es decir:

• Rt = 1/K