Calor, temperatura y dilatación lineal
Introducción
Hola, confío encontrarte con bien, continuamos con este trayecto formativo. En esta novena clase quiero darte a conocer cómo el Universo está hecho de materia y energía y ambas interactúan de manera constante. La materia está compuesta de átomos y moléculas, mientras que la energía hace que los átomos y las moléculas estén en constante movimiento, rotando alrededor de sí mismas, vibrando o chocando unas con otras, como lo ilustran las moléculas de la figura.
El movimiento de los átomos y moléculas se traduce en una forma de energía llamada calor o energía calorífica, que está presente en todo tipo de materia. Incluso en los vacíos más fríos de espacio hay materia que posee calor, muy reducido pero medible.
En este bloque se estudiarán los conceptos de energía y calor, así como su relación con la materia.
Desarrollo del tema
Conceptos de calor, temperatura y energía interna
Calor
El calor de una sustancia es la suma dé la energía cinética de todas las moléculas.
Temperatura
La temperatura de una sustancia es una medida de la energía cinética media de sus moléculas.
Energía interna
Es la suma de las energías cinética y potenciales provenientes del movimiento y de las posiciones de las moléculas en cada cuerpo.
Con base a las definiciones anteriores, se puede decir que el calor de un cuerpo depende del movimiento de sus moléculas, mientras más se mueva un cuerpo, más energía cinética produce y su calor aumenta. Como la temperatura es una medida de esa energía cinética que tienen las moléculas de un cuerpo, nos indica si el cuerpo se encuentra caliente o frío, a mayor energía cinética que tiene un cuerpo, mayor calor tendrá y presentará un valor mayor de temperatura.
Cabe indicar que el Calor (también llamado Energía Calorífica o Energía Térmica) es energía en tránsito, no se puede almacenar, y siempre se mueve de un cuerpo de mayor temperatura a un cuerpo que tiene menor temperatura. Si frotas las palmas de tus manos rápidamente, la fricción que existe entre las superficies de las palmas producirá calor. Cuando sientas el calor en las manos, deja de frotarlas y sentirás que el calor se va al ambiente, no se queda en tus palmas, con lo que comprobamos que no se puede almacenar. Además, la transmisión del calor entre dos cuerpos de diferente temperatura finaliza cuando los cuerpos se encuentran a la misma temperatura, es decir, llegan al Equilibrio Térmico.
A continuación, observa los siguientes videos referentes a los temas de calor y temperatura.
Termómetros y escalas de temperatura
La temperatura se define como un número (un escalar) que nos dice qué tan caliente se encuentra un objeto con respecto a una escala de medición. Existen varias escalas de temperatura, cuyas ecuaciones y factores de conversión se muestran a continuación:
Las escalas Celsius y Fahrenheit son llamadas Escalas Relativas ya que toman como referencia para su escala las propiedades de una sustancia, y las escalas Kelvin y Rankine son llamadas Escalas Absolutas ya que toman como referencia el movimiento de las moléculas.
Cero Absoluto
Cabe mencionar que el Cero Absoluto (0 K o 0 R) es la temperatura teórica más baja posible. En el cero absoluto, un sistema de moléculas (como una cantidad de gas, líquido o sólido) tiene su energía total (cinética y potencial) mínima posible; sin embargo, por efectos cuánticos, no es correcto decir que en el cero absoluto todos los movimientos moleculares cesan, debe existir una energía residual, llamada energía de punto cero, que permita que los átomos y moléculas puedan hacer sus movimientos de rotación, vibración y traslación.
Unidades de Calor
El calor por ser energía, sus unidades son Joules. Existen también las siguientes equivalencias:
1 N•m = 1 Joule
1 dina•cm = 1 ergio
1 J = 1 X 107 erg
- Caloría: Es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1 grado Celsius la temperatura de 1 gramo de agua (de 14.5 oC a 15.5 oC).
1 cal = 4.184 J
La “caloría” utilizada por los nutriólogos se llama “caloría grande” y es en realidad una kilocaloría.
1 Cal = 1 kcal = 1 X 103 cal.
La unidad de calor usada por el Sistema Inglés es el Btu (British thermal unit), la cual se define como la cantidad de calor aplicada a una libra de agua (454 g), para que eleve su temperatura un grado Fahrenheit.
1 Btu = 1055 J = 252.16 cal
Mecanismos de transferencia del calor
El calor se puede transferir por conducción, convección y radiación.
- Conducción
Es la forma en que el calor se propaga en los sólidos debido al choque de las moléculas del cuerpo.
- Convección
Es la propagación del calor ocasionada por el movimiento de una sustancia caliente. Este tipo de propagación del calor se da en los fluidos (como los líquidos o los gases).
- Radiación
Es la propagación del calor por medio de ondas electromagnéticas las cuales pueden viajar incluso en el vacío.
Dilatación Lineal
El efecto más frecuente producido por cambios de temperatura es un cambio en el tamaño. Con pocas excepciones, todas las sustancias incrementan (se dilatan) su tamaño cuando se eleva la temperatura.
La Dilatación Lineal es el cambio en la longitud de un objeto largo y angosto por efecto de un cambio de temperatura.
A continuación, puedes estudiar el siguiente video para conocer un poco más de la Dilatación Lineal:
Conclusión
El calor y la temperatura no son lo mismo, la temperatura es la medida del calor y el calor es una cantidad de energía. El entendimiento del concepto de temperatura abre pauta al estudio del concepto de calor, el cual es una forma de energía que siempre se encuentra en movimiento.
Las diferentes formas de transferencia del calor y la dilatación de los cuerpos tienen diversas aplicaciones en nuestra sociedad, como es en la construcción de caminos y puentes, la colocación de piezas metálicas a presión o el calentamiento de los alimentos al colocarlos al fuego de la estufa o en el microondas.