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CALOR Y TEMPERATURA

CALOR:

Es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico. ¿En que se mide el calor? La calorimetría se encarga de medir el calor en una reacción química o un cambio físico usando un calorímetro. Lacalorimetría indirecta calcula el calor que los organismos vivos producen a partir de la producción de dióxido de carbono y de nitrógeno (urea en organismos terrestres), y del consumo de oxígeno. TEMPERATURA:

Es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia. Como lo que medimos en su movimiento medio, la temperatura no depende del número de partículas en un objeto y por lo tanto no depende de su tamaño. Por ejemplo, la temperatura de un cazo de agua hirviendo es la misma que la temperatura de una olla de agua hirviendo, a pesar de que la olla sea mucho más grande y tenga millones y millones de moléculas de agua más que el cazo. ¿En que se mide la temperatura? La temperatura se mide con termómetros, los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a unidades de medición de la temperatura. En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin (K), y la escala correspondiente es la escala Kelvin o escala absoluta, que asocia el valor "cero kelvin" (0 K) al "cero absoluto", y se gradúa con un tamaño de grado igual al del grado Celsius. Sin embargo, fuera del ámbito científico

el uso de otras escalas de temperatura es común. La escala más extendida es la escala Celsius (antes llamada centígrada); y, en mucha menor medida, y prácticamente sólo en los Estados Unidos, la escala Fahrenheit. ¿Qué diferencia existe entre estas magnitudes? El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de la energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo. Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua puede ser la misma que la temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene más calor porque tiene más agua y por lo tanto más energía térmica total. El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si añadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamoscalor, la temperatura disminuye. Las temperaturas más altas tienen lugar cuando las moléculas se están moviendo, vibrando y rotando con mayor energía. EL TERMÓMETRO:

Es un instrumento de medición de temperatura. Desde su invención ha evolucionado mucho, principalmente a partir del desarrollo de los termómetros electrónicos digitales. Inicialmente se fabricaron aprovechando el fenómeno de la dilatación, por lo que se prefería el uso de materiales con elevado coeficiente de dilatación, de modo que, al aumentar la temperatura, su estiramiento era fácilmente visible. El metal base que se utilizaba en este tipo de termómetros ha sido el mercurio, encerrado en un tubo de vidrio que incorporaba una escala graduada. Orales, timpánicos, axilares o rectales, también los hay de mercurio o digitales; la variedad de termómetros es amplia y aunque tienen el mismo objetivo, algunos son más exactos y otros son fáciles de usar. Hay tres condiciones esenciales para tomar correctamente la temperatura: medirla siempre en el mismo lugar del cuerpo, emplear el mismo termómetro y mantenerlo limpio. Tipos de Termómetros: • Termómetro de mercurio: es un tubo de vidrio sellado que contiene un líquido, generalmente mercurio o alcohol coloreado, cuyo volumen cambia con la temperatura de manera uniforme. Este cambio de volumen se visualiza en una escala graduada. El termómetro de mercurio fue inventado por Fahrenheit en el año 1714. • Pirómetro: son utilizados en fundiciones, fábricas de vidrio, etc. Existen varios tipos según su principio de funcionamiento:[3] o Pirómetro óptico: se fundamentan en la ley de Wien de distribución de la radiación térmica, según la cual, el color de la radiación varía con la temperatura. El color de la radiación de la superficie a medir se compara con el color emitido por un filamento que se ajusta con un reostato calibrado. Se

utilizan para medir temperaturas elevadas, desde 700 °C hasta 3.200 °C, a las cuales se irradia suficiente energía en el espectro visible para permitir la medición óptica. o Pirómetro de radiación total: se fundamentan en la ley de Stefan-Boltzmann, según la cual, la intensidad de energía emitida por un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. o Pirómetro de infrarrojos: captan la radiación infrarroja, filtrada por una lente, mediante un sensor fotorresistivo, dando lugar a una corriente eléctrica a partir de la cual un circuito electrónico calcula la temperatura. Pueden medir desde temperaturas inferiores a 0 °C hasta valores superiores a 2.000 °C. o Pirómetro fotoeléctrico: se basan en el efecto fotoeléctrico, por el cual se liberan electrones de semiconductores cristalinos cuando incide sobre ellos la radiación térmica. • Termómetro de lámina bimetálica: Formado por dos láminas de metales de coeficientes de dilatación muy distintos y arrollados dejando el coeficiente más alto en el interior. Se utiliza sobre todo como sensor de temperatura en el termohigrógrafo. • Termómetro de gas: Pueden ser a presión constante o a volumen constante. Este tipo de termómetros son muy exactos y generalmente son utilizados para la calibración de otros termómetros. • Termómetro de resistencia: consiste en un alambre de algún metal (como el platino) cuya resistencia eléctrica cambia cuando varia la temperatura. • Termopar: un termopar es un dispositivo utilizado para medir temperaturas basado en la fuerza electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dos metales distintos. • Termistor: Se detecta la temperatura con base a un termistor que varía el valor de su resistencia eléctrica en función de la temperatura. Un ejemplo son los termómetros que hacen uso de integrados como el LM35 (el cual contiene un termistor). Las pequeñas variaciones de tensión entregadas por el integrado son acopladas para su posterior procesamiento por algún conversor analógico-digital para convertir el valor de la tensión a un número binario. Posteriormente se despliega la temperatura en un visualizador. Los termómetros digitales son aquellos que usan alguno de los efectos físicos mencionados anteriormente y donde luego se utiliza un circuito electrónico para medir la temperatura y luego mostrarla en un visualizador. ¿Qué es una sustancia termométrica? Una propiedad termométrica de una sustancia es aquella que varía en el mismo sentido que la temperatura, es decir, si la temperatura aumenta su valor, la propiedad también lo hará, y viceversa. La Ley cero nos permite construir termómetros para la medición de la temperatura. Para ello necesitamos una sustancia que tenga una propiedad que varíe con la temperatura. A esa sustancia denominaremos sustancia termométrica y a la propiedad que depende de la temperatura propiedad termométrica . La sustancia termométrica puede ser el mercurio (Hg) y la propiedad termométrica el volumen. Otras propiedades termométricas pueden ser la presión, la resistencia eléctrica, la longitud de un alambre, el calor en un filamento de un bombillo. Cada sustancia termométrica conduce a una escala termométrica particular. Entonces, es preciso adoptar un estándar mediante una sustancia termométrica , una propiedad termométrica y una escala termométrica . ¿Qué son los puntos fijos de un termómetro? PUNTOS FIJOS: son dos (2) puntos característicos en que la experiencia muestra que algunos fenómenos se reproducen siempre en las mismas condiciones. 1er Punto fijo: es el punto de fusión del hielo y es el estado térmico en que aparecen en equilibrio los estados sólido y líquido del agua pura. 2do Punto fijo: es el punto de ebullición del agua y es el estado térmico del vapor de agua en

ebullición. ¿Como se lee un termómetro? Se toma el termómetro con la mano derecha por el lado opuesto al mercurio y se le hacen movimientos pequeños de vaivén hacia arriba y hacia abajo para poder ver la columna de mercurio que brilla como metal. En todos los termómetros el primer numero que hay a la izquierda es 35C°, y entre este y el próximo, que es el que indica 36C°, hay diez rayitas menores. Estas rayitas, que se encuentran entre cada numero, marcan las décimas de grados y permiten decir con exactitud cuantos grados y cuantas décimas tiene de temperatura el niño. Frente al 37C° hay generalmente una flecha que indica que si la columna de mercurio pasa de ese punto, puede haber fiebre. La ultima cifra a la derecha es 42C°,que es la máxima temperatura que alcanza el ser humano. Esto es con los termómetros de mercurio, ahora ya existen digitales los cuales en unos cuantos segundos nos dan la temperatura. ¿Cómo se corrige un termómetro? El termometro se corrige sumando o restando la cantidad de grados que este desfasado dicho instrumento. Ej.: Si marca -1º C se debe sumar 1º C a la medición final, si marca +1º C, se debe restar 1º C a la medición final. Escalas termométricas:

Tipos de escala : Escala Celsius o Centígrada: Para esta escala, se toman como puntos fijos, los puntos de ebullición y de fusión del agua, a los cuales se les asignan los valores de 100 y 0 respectivamente. En esta escala, estos valores se escriben como 100° y 0° y se leen 100 grados Celsius y 0 grados Celsius respectivamente. Escala Fahrenheit: Los puntos fijos de esta escala son los de ebullición y fusión de una disolución de cloruro amónico en agua. En ella el grado 32 corresponde al 0 de la escala centígrada y el 212 al 100°C. Su Utilización se circunscribe a los países anglosajones y a Japón, aunque existe una marcada tendencia a la unificación de sistemas en la escala centígrada. Escala Absoluta o de Lord Kelvin: Si bien en la vida diaria las escalas centígrada y Fahrenheit son las más importantes, en los estudios científicos se usa otra, llamada absoluta o de lord Kelvin, por haberla inventado este físico inglés. En la escala absoluta, al 0ºC le hace corresponder 273ºK (ºK se lee grados Kelvin); a los 100ºC corresponde 373ºK. Se ve inmediatamente que 0ºK está a una temperatura que un termómetro centígrado señalará como -273ºC. El pasaje de una escala a la otra es muy sencillo, pues, según el caso, basta sumar o restar 273. ¿Qué es el equivalente mecánico del calor?

La energía mecánica puede convertirse en calor a través del rozamiento, y el trabajo mecánico necesario para producir 1caloría se conoce como equivalente mecánico del calor. A una caloría le corresponden 4,1855 joules. Según la ley de conservación de la energía, todo el trabajo mecánico realizado para producir calor por rozamiento aparece en forma de energía en los objetos sobre los que se realiza el trabajo. Joule fue el primero en demostrarlo de forma fehaciente en un experimento clásico: calentó agua en un recipiente cerrado haciendo girar unas ruedas de paletas y halló que el aumento de temperatura del agua era proporcional al trabajo realizado para mover las ruedas. Cuando el calor se convierte en energía mecánica, como en un motor de combustión interna, la ley de conservación de la energía también es válida. Sin embargo, siempre se pierde o disipa energía en forma de calor porque ningún motor tiene una eficiencia perfecta. ¿Cuáles son los efectos del calor? El calor dilata los cuerpos: todos los cuerpos, cuando se calientan, aumentan de volumen, modifica los estados de la materia, convirtiendo los sólidos en líquidos y éstos en gases. Es importante observar que mientras se produce el cambio de estado no aumenta la temperatura del cuerpo. También hace variar la temperatura. Sensación térmica: La temperatura es una de las manifestaciones de la energía térmica contenida en un cuerpo. Todos tenemos una apreciación intuitiva del concepto de temperatura, y podemos diferenciar al tacto, la diferencia entre un cuerpo caliente y uno frío, porque ya por defecto tenemos esa posibilidad "de fábrica". El aire que nos rodea no es excepción, así es que de cierta forma, podemos "medir" la temperatura del aire ambiente, midiendo la temperatura de la capa mas externa de la piel en contacto con él, y sentirnos mas o menos a gusto según esta sea menor o mayor. Esta sensación térmica que corresponderá a la temperatura de la piel, está influida notablemente por varios factores, de manera que nuestro "medidor" de temperatura natural, puede diferir notablemente de un termómetro físico. Por tal motivo podemos sentir mas frío o calor del que realmente existe, teniendo en cuenta solo la temperatura ambiente.

Temperatura

Es una propiedad intensiva de las sustancias, por ejemplo la temperatura normal del ser humano es de 37°C, y es la misma para una persona de 70 kg. de peso o para otra de 40 kg. de peso, de la misma manera podemos hervir 300 gr. ó 2 Kg. de agua y la temperatura de ebullición siempre será 100°C a la presión normal, es decir no depende de la cantidad de sustancia.

La temperatura de los cuerpos nos da una idea de lo caliente o frío que pueden estar estos al compararlo uno con otros; así por ejemplo, un niño enfermo y afiebrado (40°C) está mas caliente que otro niño sano (37°C); en otro caso, un pedazo de hielo (0°C) está mas frio que el agua potable que llega a nuestros hogares (20°C) ¿Con que instrumento se mide la Temperatura? Se mide con el termómetro, que es un dispositivo o sistema que posee ciertas propiedades medibles, como puede ser la longitud, presion, volumen, o la resistencia eléctrica que debe variar gradualmente con la temperatura, de tal modo que se pueda medir fácilmente. Entre los termómetros mas utilizados tenemos:

1. Termómetro de Mercurio: En el cual la temperatura viene indicada por la longitud de una columna de mercurio dentro de un capilar de vidrio. El termómetro se diseña de forma que la temperatura tiene una dependencia lineal con la longitud de la columna de mercurio. Las graduaciones pueden marcarse en el vidrio a intervalos de longitudes iguales, para indicar los valores de temperatura entre dos puntos fijos, como por ejemplo, los puntos de congelación y ebullición normales del agua. Permiten medio temperaturas hasta un máximo de 300°C. 2. Termómetro de Termopar: Llamado también pirómetro termoeléctrico, que cosiste en un empalme de dos alambres de metales diferentes. Si el empalme (o soldadura) se somete a una temperatura elevada (tal como un horno fundido), y los extremos libres de los alambres se conectan a un voltímetro se observa que existe una diferencia de potencial eléctrico o voltaje entre ambos extremos de los alambres. Esta diferencia de potencial se utiliza para medir la temperatura. Se utiliza para medir temperaturas altas entre 300°C y 1400°C.

3. Termómetro de Resistencia: Llamado también pirómetro de resistencia, se basa en que la resistencia eléctrica de un conductor (el termómetro) varia con la temperatura y puede utilizarse para medirla. Se emplean también para medir temperaturas altas, generalmente mayor a 1000°C. 4. Termómetro Óptico: Llamado también pirómetro óptico, mide la temperatura comparando la intensidad luminosa emitida por el cuerpo caliente con el filamento de una lámpara determinada cuya intensidad luminosa se regula variando el voltaje de la corriente que alimenta. Permite medir temperaturas muy elevadísimas.

5. Termómetro de Gas a Volumen Constante: Consta de una cámara de volumen fijo que contiene un gas. En el se mide la presión del gas y ésta sirva para determinar la temperatura, eligiendo que la temperatura sea proporcional a la presión del gas.

Conductividad térmica

Definición 

f. Cantidad de calor que se transmite a través de la unidad de espesor de un material, cuando la diferencia de temperatura entre ambas caras es de 1ºC. Conductividad Térmica representada con la letra K . Equivale a 1/R (total) = K.

Descripción Ampliada La Conductividad Térmica es la propiedad física de cualquier material que mide la capacidad de conducción delcalor a través del mismo. La magnitud inversa de la conductividad térmica es la resistencia térmica (capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor). La conductividad térmica es una capacidad elevada en los metales y en general en cuerpos continuos, y es más baja en los gases, siendo muy baja en algunos materiales especiales tales como la fibra de vidrio, denominados por ello, aislantes térmicos. Para generar la conducción térmica se necesita una sustancia, por tal razón, es nula en el vacío. El coeficiente de conductividad térmica (λ) caracteriza la cantidad de calor necesario por m 2, para que atravesando durante la unidad de tiempo, 1 m de material homogéneo obtenga una diferencia de 1 °C de temperatura entre las dos caras.

Este es un mecanismo molecular de transferencia de calor que se genera por la excitación de las moléculas. Se presenta en todos los estados de la materia con predominancia en los sólidos. En mayor o menor medida, todos los materiales oponen resistencia al paso del calor a través de ellos. Los metales son los que tienen menor resistencia, por ello se dice que tienen buena conductividad térmica. Los materiales de construcción (yesos, ladrillos, morteros) tienen una resistencia media. Los materiales que ofrecen una alta resistencia térmica se llaman aislantes térmicos específicos o sencillamente,aislantes térmicos. De tal modo que el comportamiento de los cerramientos y en general de los componentes de la construcción, tienen un papel doble desde el punto de vista térmico; por un lado, uno puramente de resistencia y otro, al que se le da mucha menor importancia, que es el capacitivo o inercial. El resistivo depende directamente del espesor e inversamente del coeficiente de conductividad térmica, y elcapacitivo es directamente proporcional al calor especifico, al espesor y a la densidad. Por lo tanto, los muros de gran espesor, construidos antiguamente, consiguen resistencias y capacidades elevadas.