Calor y Calor Específico: Qué es Calor y Temperatura Definición y Concepto

Calor

El calor es una forma de energía que se produce con el movimiento cinético de las moléculas de un cuerpo o materia.

Sensación que se experimenta al recibir directa o indirectamente la radiación solar, aproximarse al fuego.

Antiguamente se creía que era un fluido invisible llamado calórico que se producía cuando algo se quemaba y que podía pasar de un cuerpo a otro.

El conde Rumford y James Prescott Joule establecieron que el trabajo podía convertirse en calor determinando que simplemente era un cambio en la forma de la energía.

La cantidad de calor se mide en kilocalorías que es la cantidad de calor que hay que suministrar a un Kilogramo de agua para elevar su temperatura un grado centígrado.

Una caloría es la cantidad de calor que hay que suministrar a un gramo de agua para elevar su temperatura un grado centígrado.

1 Caloría-Kilogramo = 1000 Calorías-gramo

Calor Específico

Se define como calor específico la cantidad de calor necesaria para hacer variar en un grado la temperatura de la unidad de masa de un cuerpo.

El calor específico se expresa en cal/°C go en kcal/°C kg. Cada cuerpo posee su calor específico característico; por ejemplo, el calor específico del agua es 1 kcal/°C kg.

Más compleja es la definición del calor específico de los cuerpos gaseosos; ya que hay que distinguir entre el calor específico a volumen constante, cv, y calor específico a presión constante, cp.

¿Qué es Calor?

El calor es una forma de energía llamada energía calorífica o térmica; mientras más cantidad de energía calorífica tenga un cuerpo, más caliente estará.

El calor puede pasar o transferirse de un objeto o espacio a otro, de tres maneras distintas:

  • Por conducción: cuando llega a un sólido, por ejemplo, al calentar una olla en la estufa.

  • Por convección: cuando se calienta un "aire" o un gas; por ejemplo, al utilizar una secadora de pelo.

  • Por radiación: cuando viaja por el espacio en forma de ondas, por ejemplo, la radiación que llega del Sol.

Existen materiales que transfieren mejor el calor que otros por lo que se dice que son buenos conductores de calor; mientras que otros, por no conducirlo bien se les llama aislantes de calor o aislantes térmicos.

Casi todos los utensilios que se usan para cocinar los alimentos o calentarlos están hechos con metales o cerámica, que son buenos conductores; mientras que los mangos de las ollas o sartenes contienen materiales aislantes, para evitar que se calienten demasiado y puedan ser manipulados.

Además de calentar algunos materiales, el calor también produce otros efectos en las cosas. El calor hace que los metales, líquidos y los gases cambien.

Algunos metales cuando se calientan, se dilatan, es decir, se hacen un poco más grandes y al enfriarse se contraen regresando a su tamaño.

Por esa razón las vías del tren nunca están pegadas unas con otras; cuando las instalan siempre dejan un pequeño espacio entre cada una de ellas, previniendo que el calor del Sol las va a dilatar.

De igual manera, cuando colocan el concreto en algunas banquetas, lo hacen formando cuadros y dejando un espacio entre ellos, para que cuando se calienten y se dilaten, no se fracture el piso.

Los líquidos y gases, aunque casi no se nota, también se dilatan o expanden como consecuencia del calor.

Definición de Calor

El calor puede ser definido como la energía resultante de diferentes tipos de combustiones. En el caso del calor que recibe la Tierra del Sol, debemos entonces hablar del calor o energía que hace posible la vida al generar las condiciones ambientales propicias para la misma. Por otro lado, el calor también es entendido como la sensación relacionada con la temperatura, sensación que se da principalmente en las temporadas de verano y que puede ser descripta en el lenguaje coloquial como una sensación sofocante.

Como energía, el calor puede ser producido por diferentes métodos. Entre las más comunes encontramos a las reacciones químicas y a las nucleares, siendo las segundas las que toman lugar en el Sol. Otros modos de generar calor es a través de la fricción o de la disipación de ondas electromagnéticas. Una vez generado, el calor puede ser transferido a los objetos o espacios a través de métodos como la convección, la radiación y la conducción.

Obviamente, la presencia de calor sobre una superficie tiene por consecuencia la elevación de su temperatura y la consiguiente adquisición de calor interno. De acuerdo a las leyes de la termodinámica, el calor de un objeto o superficie se mantiene si el sistema de calor del susodicho elemento es cerrado, como sucede por ejemplo con el Sol. El calor es, además, la energía que se transfiere de un cuerpo a otro al salir de ese sistema cerrado hasta llegar a uno nuevo.

Cuando se habla de calor como la temperatura estacional típica del verano, se está haciendo referencia al fenómeno ambiental que hace que los espacios estén naturalmente cálidos sin necesidad de calefacción artificial. A lo largo de las últimas décadas, la temperatura del Planeta Tierra ha mostrado importantes variaciones, sobre todo por el aumento del calor y de las temperaturas de su superficie y de su atmósfera, creándose el ya conocido fenómeno del efecto invernadero.

Concepto de Calor

El calor es un concepto utilizado principalmente por la física y la química. Se define como una energía relacionada con el movimiento de átomos y moléculas de la materia; más adelante veremos la definición técnica en términos de calorías o Joules. La noción popular de que algo está "caliente", en realidad está lejos de ser cierta en términos físicos, ya que la sensación táctil o subjetiva que tenemos de este concepto viene dada por la transferencia de energía, en términos de temperatura, entre objetos: sentimos que algo está "caliente" cuando nos "quita" energía en términos de temperatura, y por otro lado sentimos a un objeto como "frío" cuando le cedemos energía.

Puede ser generado por reacciones químicas, nucleares o disipación mecánica. Se basa en el principio cero de la termodinámica que consiste en que al poner en contacto dos cuerpos de dos temperaturas distintas, éstos intercambiarán energía, equilibrando la temperatura. Este intercambio de energía interna se puede dar por tres mecanismos:

  • Radiación: por medio de la propagación de ondas electromagnéticas. La energía experimenta transformaciones.

  • Conducción: por contacto directo entre las partículas de los dos cuerpos. Sólo se presenta para materiales sólidos. Aquí la temperatura dependerá del tipo de material.

  • Convección: por medio de un fluido (aire agua) que cumple la misión de transportar el calor a zonas de diferentes temperaturas. Siempre está acompañada de la conducción, pues debe existir un contacto directo entre partículas.

La cantidad de energía transferida por unidad de área y de tiempo se conoce con el nombre de flujo calorífico, y se caracteriza por un flujo que va desde el cuerpo que tiene mayor temperatura al de menor. El tiempo que tarda el flujo de calor es proporcional a la gradiente de temperatura.

Una unidad popular para medir el calor es la caloría (cal), y es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua para que ésta eleve su temperatura a 15ºC aproximadamente. Dentro del ámbito científico esta es una medida en desuso, ya que ha sido reemplazada por el Joule, que equivale a la energía equivalente a una fuerza de 1 Newton moviéndose 1 metro en la dirección de la fuerza, por lo que se denomina también Newton-Metro..

El calor específico (c), o también conocido como capacidad calorífica específica consiste en la cantidad de calor que se le debe entregar a un gramo de una sustancia en particular, para que ésta eleve su temperatura a un grado Celsius.

La capacidad calorífica (C) consiste la dificultad que presenta un cuerpo en experimentar cambios en su temperatura al suministrarle una cierta cantidad de calor.

Cuando se habla de calor latente consiste en la energía absorbida por una sustancia para cambiar de estado (sólido – líquido – gaseoso). Por ejemplo de sólido a líquido se le llama calor latente de fusión, y de líquido a gaseoso se le llama calor latente de vaporización.

Para medir con exactitud el calor, los laboratorios utilizan un instrumento llamado calorímetro, que consta de un recipiente aislado completamente del exterior, y que contiene una sustancia determinada, la que se someterá a un estudio para determinar las variaciones de energía que presente al transferirle calor. En otras palabras mide el calor específico de los cuerpos. Por ejemplo, un termo cumple la función de un calorímetro.

Calor y Temperatura

Todos sabemos intuitivamente de qué estamos hablando. Por medio del tacto notamos la temperatura al tocar un cuerpo ya que unas terminaciones nerviosas situadas en la piel se encargan de ello.

Los gatos poseen termosensores en la nariz que les permiten distinguir variaciones de 0.2ºC.

Vamos estudiar el comportamiento de un gas para tratar de asociar esta sensación a una magnitud (algo que podemos medir) y para comprender qué cualidades de la materia manifiesta.

Toda la materia está formada por partículas en continua agitación:. incluso los sólidos, que a simple vista parecen estar en reposo, la tienen.

En los sólidos las vibraciones son pequeñas. Si la energía de agitación es muy grande, se pueden llegar a romper los enlaces entre las moléculas y entre los átomos.

Las partículas se desenlazan y vibran libres, rotan, chocan entre si y contra las paredes del recipiente.

Este estado de la materia se llama gaseoso. El gas trata de ocupar todo el volumen del recipiente que lo contiene: trata de expandirse.

No todas las partículas se mueven en la misma dirección y con la misma velocidad. A cada estado concreto se le puede asignar una velocidad media.

En un gas la temperatura es una magnitud (algo que podemos medir) que se relaciona con la medida de la velocidad media con que se mueven las partículas (por lo tanto con su energía cinética o nivel de agitación).

La temperatura no depende del número de partículas que se mueven sino de su velocidad media: a mayor temperatura mayor velocidad media. No depende por tanto de la masa total del cuerpo: si dividimos un cuerpo con una temperatura "T" en dos partes desiguales las dos tienen la misma temperatura.

La temperatura es una magnitud que refleja el nivel térmico de un cuerpo (su capacidad para ceder energía calorífica) y el calor es la energía que pierde o gana en ciertos procesos (es un flujo de energía entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas).

Nivel térmico es el nivel de agitación. Comparando los niveles térmicos sabemos hacia donde fluye el calor.

La temperatura refleja el nivel térmico de un cuerpo e indica el sentido en que fluye el calor.

¿Cómo se mide la Temperatura?

Nuestro tacto detecta la temperatura, pero carece de la capacidad de medirla con rigor.

Realizando esta experiencia lo comprenderás:

  • Introduce una mano en un recipiente frío y la otra en uno caliente, y luego las dos manos juntas en otro recipiente con agua templada.

  • La primera mano la encontrará caliente y la otra fría.

Del cuerpo que está a mayor temperatura decimos que "está más caliente" y a veces, erróneamente, se dice "que tiene más calor". Los cuerpos no tienen calor, tienen energía interna y tienen temperatura. Reservamos el término "calor" para la energía que se transfiere de un cuerpo a otro. Esta energía es fácil de medir, pero la energía total que tiene el cuerpo no.

Si un cuerpo recibe energía calorífica aumenta la agitación de las partículas que lo forman (átomos, moléculas o iones) y se pueden producir también cambios en la materia: dilatación, cambios de color (piensa en una barra de metal al calentarla), variación de su resistencia a la conducción, etc. Estos cambios se pueden utilizar para hacer una escala de temperatura.

Al poner en contacto dos sustancias la agitación de las partículas de una se transmite, mediante choques, a las partículas de la otra hasta que se igualan sus velocidades. Las partículas de la sustancia más caliente son más rápidas y poseen más energía. En cada impacto ceden parte de la energía a las partículas más lentas con las que entran en contacto. Las partículas de la sustancia que está a mayor T se frenan un poco, pero al mismo tiempo hacen que la más lentas aceleren.

Finalmente las partículas de las dos sustancias alcanzan la misma velocidad media y por lo tanto la misma temperatura: se alcanza el "equilibrio térmico".

Para diseñar un instrumento que mida la temperatura debemos escoger una cualidad de la materia que sea fácilmente observable, que varíe de manera importante con la agitación de sus partículas, que sea fácil de medir y que nos permita relacionar su variación con la agitación que tiene el cuerpo.

La cualidad elegida en los termómetros de mercurio es la dilatación, pero existen otros tipos de termómetros basados en otras cualidades.

Se utiliza el mercurio para construir termómetros porque es un metal que es líquido entre -20 ºC y 100ºC y porque se dilata mucho. Encerramos el metal dentro de un tubo fino (capilar) para que al dilatarse un poco avance mucho por el tubo (cuanto más fino sea el tubo más centímetros avanza). Midiendo longitudes de la columna podemos establecer una relación entre la dilatación y el nivel de agitación de la sustancia a medir.

termometro mercurio

¡Medimos la temperatura midiendo una longitud!

Se pueden tomar como base para medir las temperaturas otras propiedades que cambien con ella como el color, la resistencia eléctrica, etc. Aparatos basados en las anteriores propiedades son el pirómetro óptico, el termopar....

Esto posibilita el medir en distintos rangos de temperaturas. Piensa en lo que pasaría si midieras la temperatura de un alto horno con un termómetro de mercurio.

Calibrado del Termómetro. Escala Celsius de Temperatura

Celsius, eligió como cero de temperatura para su escala la temperatura del hielo en contacto con agua. Las temperaturas inferiores, por lo tanto, serán negativas.

Para marcar ese punto en el termómetro, lo introducimos en una mezcla de agua y hielo y esperamos hasta que se estabilice la posición del mercurio de la columna. Marcamos ese punto en el vidrio (es el extremo de la columna de mercurio en ese momento) como punto 0.

Calentamos agua en un Erlenmeyer cerrado con un tapón bihoradado. Por un agujero del tapón sale un tubo y por él vapor, por el otro introducimos el termómetro. Se inserta hasta que el bulbo quede en un punto próximo a la superficie del agua.

La columna de mercurio sube pero cuando el agua empieza a hervir se para y no sube más. Marcamos el vidrio en ese punto como punto 100. Si la presión no es 1 atm. la temperatura de ebullición no será 100 ºC.

Dividimos la longitud del vidrio entre 0 y 100 en 100 partes iguales. A cada división le corresponde 1 grado centígrado.

Con el termómetro de mercurio medimos la temperatura del aire. Este es el dato climatológico más conocido. El termómetro recibe el calor trasmitido por conducción del aire que lo rodea.

¡No debemos exponer el termómetro al Sol para medir la temperatura del aire!

No debemos exponer un bulbo del termómetro a los rayos del Sol porque, en este caso, además del calor que recibe del aire recibe la radiación solar y recibe más cuanto mayor sea el bulbo del termómetro.

No sería correcta la lectura puesto que dos termómetros correctamente calibrados colocados en el mismo sitio y expuestos al Sol no marcan lo mismo: el que tenga el bulbo más grande marca una temperatura mayor.

Esacalas de Temperatura

A lo largo de los años se establecieron diferentes escalas.

En 1967 se adoptó la temperatura del punto triple del agua como único punto fijo para la definición de la escala absoluta de temperaturas y la separación centígrada de la escala Celsius. El nivel cero quedaba a -273,15 K del punto triple y se definía como el cero absoluto o 0 K. Esta escala sustituyó a la escala centígrada o Celsius al definir el cero como el punto más bajo posible e inalcanzable en la práctica.

A la temperatura del cero absoluto no hay movimiento y desde él no se puede sacar calor. En ese estado todo el movimiento atómico y molecular se detiene, es la temperatura más baja posible. Todos los objetos tienen una temperatura más alta que el cero absoluto y por lo tanto emiten energía térmica o calor. El espacio interestelar casi vacío tiene temperatura ligeramente superior al 0 K.

En este esquema comparativo puedes ver las escalas más importantes:

Comparación de escala

Conversión de Valores de Temperaturas

La escala Celsius y la escala Kelvin tiene una transformación muy sencilla:

grados K=273.15 + grados C

En la transformación de grados centígrados a grados Fahrenheit debes tener en cuenta que cada grado centígrado vale 1,8 ºF ( 0 - 100 en la escala centígrada equivale a 32 - 210 en la escala Fahrenheit). Por lo tanto debes multiplicar los grados centígrados por 1,8 que equivale a 9/5 . Como el cero Celsisus corresponde al 32 Fahrenheit debes sumar 32:

gradosF=(9/5)*gradosC+32

Para la transformación inversa se despeja y queda:

gradosC=(5/9)*( grados F-32)

Programa aplicación con él puedes realizar conversiones de grados F a Celsius.

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