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¿Por que estudiar Física•.•?

La Física es absolutamente fundamental.es una asombrosa forma de llegara la última comprensión acercade qué está hecho el mundo, qué materiales forman los elementos, las preguntas básicas que buscandescribir el tlempo.el espacio v el universo en que vivimos, desde lo infinitamente grande aloinmensa mente pequeño.

Toda persona en la Tierra nace curiosa. todos somos curiosos acerca del mundo en que vivimos, dedónde venimos, en qué universo estamos viviendo, cuál será nuestro futuro ...Siempre estamoshaciéndonos preguntas simples, ¿por qué el cielo es azul? ¿por qué las mariposas y las flores tienenesos maravillosos colores? ¿es o no verde ese rayo que aparece en las puestas de sol? ¿por qué elhielo flota en el agua?Esas son las preguntas que las personas se hacen, tengan 5, 15, 35 ó 70 años, ellas se preguntan por lanaturaleza yel mundo. La Física es una manera de responder esas preguntas,explica el mundo en quevivimos.Un signo de dignidad humana es ser -capazde ha.cer preguntas. la Física se pregunta cómo funciona elmundo. Y para eso no hay un fin. Con frecuencia, la gente dice "0K, hemos descubierto todo".Absolutamente no. No hay una comprensión básica de los factores fundamenta les del Universo. Hayhipótesis, pero no existe una visión clara. Podría haber algún descubrimiento que amenazara lo quesabemos, por tanto es una lucha sin fin para intentar comprender el mundo.

Esencialmente, es un gran viaje, de una pregunta a otra y a otra. y ese viaje debe ser gUiado, hay que ponerorden en su comprensión, ese es el trabajo de los profesores.

"...lo que debe hacer un profesor es..."

Ser curioso del mundo es descubrir que tras la apariencia de todos los días hay reglas básicas que dan formaal mundo. Esto es muy potente y no es tarea de la gente descubrirlo, deben ser guiados. Y éste es, una vez,más, el rol de los profesores. &4e e4 ~ ~fo.. e4 lid ~fo (eM«J ~ ú~ ú

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Goery Delacote destacado FíSICO y EDUCADOR francés decía en una entrevista:"A todos los profesores, de todas las disciplinas y de todos los niveles, quierodecirles que ser profesor es el trabajo más maravilloso del mundo. Cuidar a losniños, ayudarles a aprender, prepararlos para el futuro, formarlos comomiembros de la sociedad, guiar/os en su socialización tanto con sus parescomo con otras personas, y además enseñarles conocimientos sobre elmundo: arte, historia, ciencias, es un trabajo muy importante.

Esta mezcla de cuidados a los jóvenes estudiantes para luego dejarlosirarmados de conocimientos, hacea este trabajo (docente) ,único y apasionante .•."

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"TU PROF: Carmen Schenone

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FÍSICA DE 3°AÑo Epet n°---PROtjRA¡t(A OECONTFNIOOS 201~

UNIDAD N° 1 CALOR Y TEMPERATURACalor y temperatura. Equilibrio térmico. Termómetros. Puntos fijos. Escalas relativas detemperatura: Celsius y Fahrenheit. Escalas absoluta de temperatura.: Kelvin. Equivalenciaentre escalas de temperatura. Teoría cinética molecular. Energía interna. El calor, diferenciacon calor específico. Calor sensible. Calores latentes de fusión y vaporización. Calorimetro demezclas. Cambios de estado de la materia. Propagación del calor: conducción, convección yradiación. Equivalente mecánico del calor. ProblemasDilatación: Dilatación de sólidos: lineal, superficial y cúbica. Coeficiente de dilatación.Aplicaciones. Dilatación de líquidos: real y aparente. Comportamiento anómalo del agua.Densidad máxima.

UNIDAD N° 2 ELECTROSTÁTICAAcciones electrostáticas. Carga eléctrica. Unidades de carga eléctrica. Formas de cargar uncuerpo: frotamiento, contacto e inducción. Cuerpos conductores y aisladores. Péndulo yelectroscopio. Ley de Coulomb. Distribución de cargas en conductores. Densidad eléctrica.Campo eléctrico. Intensidad de campo, concepto de carga exploradora, líneas de campo.Problemas.Trabajo eléctrico. Potencial eléctrico y diferencia de potencial.Capacitores: Características y utilidad. Capacidad eléctrica. Carga y descarga. Capacidad encapacitores de placas paralelas. Dieléctrico. Energía almacenada en un capacito. Asociación decapacitores en serie y paralelo.

UNIDAD N° 3 ELECTRODINÁMICACaracterísticas de un circuito y utilidad. Corriente eléctrica. Intensidad de corriente. Sentidos dela corriente. Caída de tensión. Voltímetro y amperímetro. Fuerza electromotriz. Resistenciaeléctrica de un conductor, resistividad, influencia de la temperatura. Ley de Ohm. Potencia yenergía eléctrica. Efecto Joule. Problemas. Circuitos con asociación de resistencias en serie, enparalelo y mixtos .. Enunciado de las Leyes de Kirchoff.

UNIDAD N° 4 MAGNETISMOImanes naturales y artificiales. Acciones entre imanes. Polos. Ley de Coulomb del magnetismo.Unidades de masa magnética. Campo magnético. Inducción magnética. Magnetismo terrestre.Brújula. Declinación e inclinación magnética.

UNIDAD N° 4 ELECTROMAGNETISMOCampo magnético generado por una corriente eléctrica. Ley de Faraday o ley de inducciónelectromagnética. Ley de Lenz. Generador de corriente alterna. Motores eléctricos.Transformadores Comparación de motor con un generador. Transmisión de energía eléctrica.Ondas electromagnéticas.

UNIDAD N° 5 ONDAS.Concepto de onda. Ondas mecánicas y electromagnéticas. Amplitud periodo y frecuencia. Ondaslongitudinales y transversales. Velocidad y longitud de onda. Propagación de ondas. El sonido.Producción. Altura, intensidad y timbre. Propagación. Reflexión. Eco

Blogde la profesora e Schenone:Profesora: e4~-

-3-http://www.fisicaparaentendermas.blogspot.com

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TERMOMETRIAy CALOR

BIBLIOGRAFÍA: FÍSICA CONCEPTUALEDITORIAL: PEARSON (P.G.Hewitt)

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LA TEMPERATURA ¿Qué es?

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

Los gatos poseen termosensores en la nariz que les permiten distinguir variaciones deO.2°C.

Pero ... ¿qué es exactamente la temperatura? Desde un punto de vista MktoSdti,~.la temperatura de un cuerpo está relacionada con el movimiento o agitación de laspartículas que lo constituyen: a medida que aumenta este movimiento, más e'n~ca4á

_Ilfftrl~ tiene dentro de sí el cuerpo y mayor es su temperatura.

• La temperatura es una magnitud que expresa el nivel de agitación de las partículas queconstituyen un cuerpo. ( cuanto mayor sea la temperatura, mayor será esa agitación)

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

La temperatura es una magnitud que refleja el nivel térmico de un cuerpo (sucapacidad para ceder energía calorífica), el calor en cambio es la energía que pierde ogana en ciertos procesos (es un flujo de energía entre dos cuerpos que están adiferentes temperaturas).

3. UN DATO MUY UTILIZADO:LA TEMPERATURA

La información de la temperatura del aire es un dato importante des.de el punto de vista meteorológico. La cocción de los alimentos serealiza a determinadas temperaturas. El funcionamiento de muchosartefactos depende de una correcta regulación de la temperatura. Laconservación de determinados alimentos depende de una adecuadarefrigeración. La temperatura corporal es un signo importante paraestablecer el estado de salud o de enfermedad del organismo. La ele-vación de la temperatura del agua que refrigera ciertos motores porencima de lo normal indica la existencia de desperfectos.Los valores de la temperatura se pueden expresar en grados celsius,fahrenheit, etcétera, de acuerdo con la escala que se utiliza.Para medir la temperatura ambiente se suelen utilizar los termó-metros líquidos mientras que para las elevadas se emplean los pi-rómetros.En suma, la medición de la temperatura es una tarea necesaria endiversas actividades; puede realizarse de distintas formas, perosiempre empleando un termómetro y una escala termométrica.

La mayoría de lostermómetros que miden latemperatura del ambiente

utilizan alcohol como líquidotermo métrico.

El vidrio se dilata muchomenos que los líquidos.

(Si el vidrio se dilatara igualque los líquidos no se notaríael cambio de nivel al variar la

temperatura.)

El agua no se puede usar enlos termómetros porque su

dilatación no es lineal.

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3.2. 1.¿Cómo es un termómetro?,

Los termómetros que se usan habitualmente para medir la tempe-ratura ambiente están constituidos por un tubo capilar de vidrio, deparedes gruesas y diámetro constante, que presenta un ensancha-miento en uno de sus extremos, denominado bulbo. Dentro de esetubo se coloca una cantidad conveniente de mercurio o de alcoholy se lo cierra herméticamente, cuidando de que en su interior noquede aire. En uno de los laterales, el tubo presenta una escala ter-mométrica expresada en grados celsius.El mercurio es el líquido más apropiado porque reúne las principa-les condiciones requeridas para lograr mediciones lo más exactas yconfiables posible, tales como: es buen conductor del calor; su dila-tación es uniforme (el volumen siempre experimenta la misma va-riación por cada grado que aumenta o desciende la temperatura);no se adhiere al vidrio; su capacidad calórica es baja; solidifica atemperatura baja (-39°C) y hierve a temperatura relativamente alta(357 °C), lo cual permite medir las temperaturas más comunes.También es utilizado el alcohol, generalmente teñido de algún colorpara visualizarlo mejor. Este líquido es más económico que el mer-curio y resulta de particular utilidad para medir temperaturas bajasporque solidifica a -130°C. Sin embargo, tiene el inconveniente deque hierve a 78°C, por lo cual la formación de vapores impide su usopara temperaturas superiores a 50°C.El tubo debe ser capilar para poder visualizar claramente el ascensode la columna líquida producida por la dilatación. Asimismo, dichodiámetro debe ser uniforme en toda su extensión para que todos losgrados sean iguales.

3.2.2. ¿Cómo funciona un termómetro?

Al introducir un termómetro dentro de un líquido o de un gas (flui-do), las moléculas de éste "bombardean" al mercurio o al alcoholque hay dentro del bulbo.Cuando se incrementa la temperatura del-fluido que rodea al termó-metro, sus moléculas se mueven a mayor velocidad y, por lo tanto,aumenta la violencia de los choques moleculares contra el bulbo.Entonces, el líquido que hay en el interior del termómetro recibe ca-lor que provoca su dilatación y se observa un incremento de la tem-peratura en la escala graduada.Por el contrario, si la temperatura del fluido exterior disminuye, seobserva un proceso inverso.

3.2.3. Tipos de termómetros

En la descripción anterior sólo se ha hecho mención a los termóme-tros más conocidos, basados en la dilatación y contracción de un li-quido (mercurio, alcohol), por lo cual se denominan termómetros

- G-

La energía térmica

líquidos. Sin embargo, es necesario tener encuenta que existen termómetros basados enotros fenómenos que manifiestan las varia-ciones de la temperatura, tales como la pre-sión, la resistencia eléctrica, la radiación elec-tromagnética, etcétera.La construcción de los termómetros se debebasar en una propiedad fácil de medir (comoser: la longitud de la columna de mercurio),cuyas modificaciones al variar la temperaturase aprecien sin dificultades y que, además, sealo más lineal posible; esto significa que por ca-da grado que aumenta o desciende la temperatura, siempre experi-menta la misma variación (por ejemplo, por cada grado que aumen-ta la temperatura, la longitud siempre se incrementa en 1 rnm).Los termómetros de gas son aquellos que, en lugar de emplear un lí-quido, están completamente llenos de un gas a baja presión (hidró-geno, nitrógeno). Al subir la temperatura, la presión del gas aumentaen forma proporcional, por lo cual sus escalas son lineales. Son muyexactos pero complicados en su manejo. En los laboratorios se utili-zan como patrones y para calibrar termómetros más manuables.Los termómetros de resistencia eléctrica utilizan las variacionesque experimenta la resistencia eléctrica de ciertos materiales cuandose producen cambios en su temperatura. Su funcionamiento se basaen la medida de la corriente eléctrica que atraviesa un filamento deplatino, cobre, acero o níquel, cuya resistencia varía en función de latemperatura a la que se encuentra.Los termopares o termistores se basan en las observaciones queefectuara, en 1821, el físico alemán Thomas Iohann Seebeck:Cuando se unen los extremos de dos alambres de metales diferentesx e y (por ejemplo:oro-platino o platino-paladio) y los puntos deunión se someten a distintas temperaturas (TI YT2)' se produce unafuerza electromotriz (f.e.m.) entre dichos puntos, denominada ten-sión termoeléctrica y, consecuentemente, circula una corriente eléc-trica por el par bimetálico, llamado par termoeléctrico o termopar.Este fenómeno se conoce como Efecto Seebeck.Si en cualquier punto de este circuito se inserta un instrumento pa-ra medir la f.e.m., ésta varía de acuerdo con la diferencia de tempe-ratura entre los dos puntos de unión. Entonces, conociendo la tem-peratura de uno de los puntos de unión se puede establecer la tempe-ratura del otro, de acuerdo con la f.e.m. producida.

"' " L9!3"termómetros de tesistencia y los termistores pertenecen al gru-'~'[':P6\it~Jos termómetroséléctrlcos, con los cuales se pueden automa-,:""'tiZáÍ"iiásmediciones ci;temperaturas al conectarlos a computado-

res, usando programas adecuados a ese propósito. Se usan amplia-mente para medir temperaturas en un intervalo entre 260 a 750°C.Los pirómetros son instrümentos utilizados para medir temperatu-ras muy elevadas a cierta distancia, tales como las de ciertos hornos

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radiacióntérmica

lentes deconcentración

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sensores

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industriales, fundiciones, siderurgia, estrellas, etcétera. Su funcio_namiento se basa en lo siguiente: todos los materiales que se hallana una temperatura superior a OK emiten energía, la cual aumenta amedida que se incrementa la temperatura del objeto. Esto hace po-sible medir la temperatura a cierta distancia determinando la radia-ción electromagnética emitida, en especial si es infrarroja o visible.Se encuentran diferentes tipos de pirómetros, tales como: piróme-tro de infrarrojos, pirómetro óptico, pirómetro fotoeléctrico y piró-metro de radiación total. Estos pirómetros tienen la ventaja de quepueden medir la temperatura a cierta distancia, sin necesidad de es-tar en contacto con el objeto.En los pirómetros de radiación total se capta, mediante una lentecomún, la energía térmica emitida por el cuerpo que se quiere exa-minar en una dirección determinada y se mide la elevación de tem-peratura producida en el foco de la lente mediante un par termoe-léctrico. El aparato se completa mediante el montaje de un anteojoque permite enfocarlo exactamente hacia la zona interesada y, even-tualmente, con un dispositivo refrigerador por circulación de agua,cuando se midan temperaturas sumamente elevadas.Actualmente existen modelos equipados con láser y microcom-putador que permiten realizar mediciones a distancia con granprecisión.

Para medir la temperatura del cuerpo humano se utiliza el denomi-nado termómetro clínico, el cual tiene una escala que se extiendeentre 35 y 42°C, con intervalos de 0,1 "C.Presenta la particularidadde que la columna mercurial se detiene en el punto más alto que al-canza, sin que descienda al retirarlo de la axila, de la boca o del ano,que son los lugares en donde se determina la temperatura corporal.En razón de que registra la temperatura más elevada que ha alcan-zado se lo denomina termómetro de máxima.

3.2.4. Las escalas termométricas

Para medir la cantidad de una determinada magnitud se adopta unaunidad de medida. Así, para medir la longitud se ha tomado comounidad elmetro; para medir el volumen, el litro; para medir el tiem-po, -el segundo. Bntonces.rsiendo la temperatura una magnitud.también es necesario establecer una unidad de medida adecuadapara ella.A través del paso del tiempo se propusieron diversas unidades conlas cuales se pudieron confeccionar diferentes escalas termomé-tricas.

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la energía térmica

En la actualidad, las que tienen mayor aceptación son las de Celsius(de uso cotidiano en nuestro país), de Fahrenheit (utilizada en lospaíses de habla inglesa) y de Kelvin (de uso científico).

Escala de (elsius

En 1742 el físico sueco Anders Celsius (1701-1744) propuso la esca-la centígrada. Como el agua funde siempre a la misma temperaturay lo mismo sucede al hervida en iguales condiciones de presión, eli-gió como puntos fijos cero y cien los que corresponden a la fusión ya la ebullición del agua pura, respectivamente.

La escala de Celsius se determina de la siguiente forma:

a) Se coloca el termómetro en hielo triturado en fusión. Se observaque la columna de mercurio desciende durante unos minutos'hasta llegar a una cierta altura donde se detiene, pues ha alcan-zado la temperatura del hielo que se está fundiendo. En esa po-sición permanecerá mientras dura la fusión (durante el cambiode estado sólido a líquido, la temperatura permanece constan-te). Entonces, se hace allí una marca en el vidrio que correspon-de al punto fijo cero de la escala.

b} Se calienta agua pura hasta que entre en ebullición y se coloca eltermómetro en contacto con los vapores que se desprenden. Lacolumna de mercurio asciende hasta alcanzar un nivel estableen el cual permanece mientras se efectúa el cambio de estado lí-quido a gaseoso. En esa posición se marca el vidrio correspon-diendo la misma al punto fijo cien de la escala.

e} Ya establecidos el Oy el 100, se divide la escala en 1-00partesiguales, representando cada una de ellas un grado celsíus. (En1948, la denominación grado centígrado fue remplazada porgrado celsius). Su símbolo es °Cy se escribe 1 °C y no 1°C. (Lossímbolos ° y C son inseparables.)

Esta escala puede continuarse por encima de los 100°C y por deba-jo de O"C: en este último caso la temperatura se expresa mediantenúmeros negativos (por ejemplo: -10°C significa 10°C bajo cero).

En 1724, el físico alemán radicado en Amsterdam (Holanda), Ga-briel Fahrenheit (1686-1:736) ideó una escala que lleva su nombre yque es utilizada en los países de habla inglesa. En esta escala la uni-dad de medida se denomina grado Fahrenheit y su símbolo es °F.Con respecto a la escala de Celsius presenta las siguientes diferencias:• el cero no corresponde al punto de fusión delhielo, sino a una

mezcla frigorífica de hielo y sal que tiene una temperatura infe-rior a aquél, de modo que O°C equivale a 32 °E

• Al punto de ebullición del agua le corresponde un valor de 212 °E• Entre Oy 100°C hay 180 °E

Escala de Fahrenheit

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"1':,

"F

..!!~....ebullición del agua

32"F .• • ••••••• fusión del hielo

..<!:~.... mezcla frigorífica

K

1 373 ebullición del agua

_ .~?~.~.. fusión del hielo

, .. ,; ~ ,.~:~ •••• cero absoluto

EquivalenciasEn ciertas ocasiones resulta útil transformar los valores de tempera-tura de una escala en otra. Así, si se dan datos en grados Pahrenheit(como ocurre en ciertas películas cinematográficas) para su correc-ta interpretación es necesario convertirlos en grados celsius.Supongamos que nos dicen que la temperatura ambiente es de 86°F,¿a cuántos grados celsius corresponde?:Primero, debemos recordar que O"C equivale a 32°F, por lo cual hayque restarle esa cantidad:

86 °P - 32 °P = 54 0p

Luego, es necesario tener en cuenta que 180 °P equivalen a 100 "C,por lo tanto:

x °C _ 54°P100°C - 180 °P

de donde: x °C _ 54 °P . 100°C _ 30 "C- 1800P -

Entonces, 86 0p equivalen a 30°C.

En general, se establece la siguiente proporción:

x °C _ n °P - 32 °P100°C - 180 °P

luego: x °C = en °P - 32 °P) .100 °C1800P

ycomo 100=.,,1,.180 9

I resulta: x °C = en op -:21 . 5

Escala absoluta o de KelvinA medida que disminuye el movimiento de las moléculas de uncuerpo, desciende la temperatura hasta llegar a un punto en el quelas moléculas están inmóviles y no hay desprendimiento de calor.Esa temperatura es la menor que puede existir y se denomina ceroabsoluto.Por deducciones matemáticas se ha determinado que el cero abso-luto corresponde a -273°C. En base a esta deducción, y para que noexistan temperaturas negativas, se ha elaborado una nueva escalatermométrica, denominada escala absoluta o de Kelvin.La unidad de medida en esta escala se llama kelvin, en honor al físi-co inglés Lord Kelvin, siendo su símbolo K y no °K(no debe usarse elsímbolo de grado).En esta escala se considera al cero absoluto como cero grados kelvin(OK); la temperatura de fusión del hielo (O°C) 'corresponde a 273 Kyla temperatura d~ ebullición del agua (100°C) equivale a 373 K.Entonces, para transformar los grados celsius en kelvin se debe su-mar 273 a aquéllos;'

K = n °C + 273En cambio, para pasar de grados kelvin a grados celsius se tiene querestar 273:

°C = nK-273

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Cuadro comparativode las escalas

termo métricas.

La energía térmica

373

o-459,4 -273

o -17,77 255,22

El Sistema Métrico Legal Argentino ha adoptado como unidad detemperatura termodinámica al kelvin (K), aunque su uso está reser-vado para las áreas de la investigación científica.Además, se acepta el uso de la escala de Celsius, cuya unidad es elgrado celsius (Oe), según hemos visto.

3.2.5. ¿Cuál es la unidad SIMELA?

Figura 21.2 .AHay más energía cinéticamolecular en el cubo de aguatibia que en la pequeña taza deagua que está a una temperaturamayor.

/

310 Capítulo 21 Temperatura, calor y expansión

32 O 273

212 100

Temperatura V energía cinética- .

La temperatura se asocia con los movimientos aleatorio s de las moléculasde una sustancia. En el caso más sencillo de un: gas ideal, la temperaturaes proporcional a la energía cinética promedio debida al movimento detraslación de las moléculas (esto es, el movimiento que se da a lo largo

. de trayectorias rectas o curvas). La temperatura es más complicada enlos sólidos y en los líquidos, cuyas moléculas tienen menos libertad demovimiento y poseen energía potencial. Pero no deja de ser cierto quela temperatura guarda una relación estrecha con la energía cinéticapromedio del movimiento de traslación de las moléculas. Así pues, elcalor que sientes cuando tocas una superficie caliente es la energíacinética que transfieren las moléculas de la superficie a las moléculasde tus dedos.

Ten en cuenta que la temperatura no es una medida de la energíacinética total de las moléculas de una sustancia. Hay dos veces másenergía cinética en dos litros de agua hirviente que en un litro, pero latemperatura de ambos litros de agua es la misma porque la energíacinética promedio de las moléculas es la misma en cada caso.

* La escala Celsius se llama así en honor de la persona que la sugirió por primera vez, elastrónomo sueco Anders Celsius (1701-1744), Solía llarnársele escala centígrada, palabra queproviene de centi ("centésimo") y gradus ("grado"), La escala Fahrenheit se llama así enhonor del físico alemán Gabriel Fahrenheit (1686-1736), y la escala Kelvin en honor del físicobritánico Lord Kelvin (1824-1907),

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La energía térmica

3.1.1. ¿Qué se entiende por sensación térmica en meteorología?

Es común que en los boletines meteorológicos no sólo se indique acuántos grados Celsius ·asciende la temperatura, sino que tambiénse informe cuál es la sensación térmica. Esta expresión se refiere alas sensaciones de frío o de calor que las personas experimentancuando están expuestas al aire libre.Es conocido que la temperatura del aire exterior no siempre coinci-de con el frío o con el calor que la persona siente, porque en la per-cepción de esa sensación también influyen la velocidad del viento yla humedad relativa. ----------------~-----------En un ambiente frío y de mucho viento -por ejemplo, en las regio-nes más australes del país- las personas experimentan una sensa-ción térmica equivalente a una temperatura menor que la indicadapor el termómetro. Esto se debe a que el viento incrementa la pérdi-da de calor corporal a nivel de la piel, acelerando el proceso de en-friamiento de las zonas más expuestas (cara, orejas, manos). Así,por ejemplo, si en una mañana de invierno la temperatura es de O°Cy existen condiciones de calma (sin viento), no se siente mucho frío,pero a la misma temperatura y con viento de 40 Km/h, la sensacióntérmica será equivalente a 15 °C bajo cero.En el verano, la sensación térmica de incomodidad se incrementacuando la humedad relativa del aire es alta. Así, por ejemplo, si latemperatura del aire es de 27 °C y la humedad relativa del 40%, lasensación térmica es igual a esa temperatura, pero, si la humedad seincrementa al 80%, la persona se siente como si estuviera en un am-biente a 32 °C. En este caso, el valor de la sensación térmica excedeal de la temperatura del aire porque se inhibe el proceso de evapo-ración del sudor, que constituye un mecanismo natural-de regula-ción de la temperatura corporal.Por el contrario, si la humedad es baja, la sensación térmica es me-nor que la temperatura del aire. Existe un aumento de la sensaciónde bienestar producida por un mayor enfriamiento de la piel, debi-do a que la baja humedad del aire favorece la evaporación de latranspiración.Por otra parte, en el verano, también influye el viento en la sensa-ción térmica: cuando la temperatura es menor a 32 °C (temperaturade la piel), el viento disminuye la sensación térmica; en cambio, si latemperatura supera los 32 °C, la sensación se incrementa.A modo de ejemplo: para una temperatura de 30 °C, con humedadrelativa del 75 % Yviento calmo (menos de 12,5 krn/h), la sensacióntérmica es 36 °C; pero, si el viento es de 40 km/h. la sensación des-ciende a 34 °C.En suma, la expresión sensación térmica es usada para describir loque un ser humano siente como resultado de la combinaci6n delatemperatura y el viento en invierno, y de la temperatura, la hume-dad y el viento en verano.Existen tablas y gráficos que permiten calcular la sensación térmicaque una persona experimenta para diversas combinaciones de tem-peratura, viento y humedad relativa.

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Intercambio de energía por calorPara modificar la energía interna de un cuerpo, se le debe entregar o quitar

energía, es decir producir intercambio de energía con otro cuerpo.Para calentar la mamadera del bebé, la mamá la coloca durante cierto tiempo

dentro de un recipiente con agua caliente. El agua caliente le cede parte de suenergía interna a la leche fría, y modifica su temperatura.

Para poder tomar mate se necesita calentar el agua a la temperaturaadecuada. Los gases en combustión entregan la energía necesaria al aguade la pava, y aumenta su temperatura.

El agua caliente, los gases incandescentes de la hornalla, o una estufaestán a una temperatura mayor que los otros cuerpos. Cuando se ponen encontacto dos cuerpos que se encuentran a distinta temperatura, espontánea-mente se produce un intercambio de energía del cuerpo más caliente hacia elcuerpo más frío. Esta manera de transferir energía se llama calor.

El calor es la forma de intercambiar energía entre dos cuerpos que se encuen-tran a distintas temperaturas como se indica en el gráfico la página 61. De estemodo, se modifica la energía interna de los otros cuerpos.

Así, el calor transmitido modificó la energía interna de la leche y del agua de lapava.

Parasimbolizar la cantidad de calor intercambiada, se utiliza la letra Q (mayúscu-la). Como representa una cantidad de energía intercambiada, su unidad de medidaes el joule: J.

En el caso de intercambio por calor, también se debe tener en cuenta el Princi-pio de Conservación de la energía. Así, la cantidad de calor es igual al cambio de laenergía interna de cada uno de los dos cuerpos intervinientes.

Por ejemplo, si al colocar la pava sobre la hornalla el calor intercambiado fue100.000 J, esto significa que el gas le entregó esa cantidad de energía al agua de lapava. El gas disminuyó su energía y el agua la aumentó en 100.000 J.

El calor se trasmite, siempre desde el cuerpo más caliente hacia el más frío; elcuerpo más caliente disminuye su energía interna, mientras que aumenta en elcuerpo más frío. Elcuerpo más frío recibe o gana energía; el cuerpo caliente entre-ga o pierde energía. Debido a esto, se considera con un valor positivo la cantidadde calor recibido por un cuerpo o sistema, y con un valor negativo al calor cedido

por un cuerpo o sistema. \ ' +Q :::_ a\Q= ()??q ce e LlT

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Los gases en combustión de 'la hornalla íntercamblaron·100.000 Lesdeclr que su ' "energía disminuyó en 100.000];mientras el calor recibido por,el agua fue de 1,00.000J, ysu

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Elagua caliente cedeenergía a la leche.

Elagua de la pava recibeenergía de la combustión.

Cuando se saca una tortadel horno, se la dejaenfriar simplemente encontacto con el ambiente.Latorta cali~nt~,I~L ,

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Enfriarse es perder energíaen forma de calor.

67

21.4 Energía interna

Además de la energía cinética de traslación de las moléculas que se agi-tan, una sustancia contiene energía en otras formas. Hay energía cinéticade rotación de las moléculas y energía cinética debida a los movimientosinternos de los átomos dentro de las moléculas. Hay también energíapotencial debida a las fuerzas que se ejercen entre las moléculas. El grantotal de todas las energías que una sustancia contiene se conoce comoenergía interna. Las sustancias no contienen calor, sino energía interna. '

Cuando una sustancia absorbe o desprende calor puede cambiarcualquiera de estas energías. Así, cuando una sustancia absorbe caloresta energía puede hacer o no que las moléculas se agiten más aprisa.

La energía que se absorbe puede afectar a las sustancias de distintasmaneras. La energía absorbida que incrementa la rapidez de traslación delas moléculas causa un aumento de temperatura. La energía absorbidapuede incrementar además la rotación de las moléculasy las vibracionesinternas dentro de las moléculas, o alargar las uniones intermolecularesy almacenarse como energía potencial. Sin embargo, estos tipos deenergía no son medidas de la temperatura. La temperatura es únicamenteuna medida de la energía einética asociada al movimiento de traslación.En general, sólo una porción de la energía que una sustancia absorbeeleva su temperatura.

Mientras que un gramo de agua requiere 1 caloría de energía paraelevar su temperatura en 1°C, se necesita sólo alrededor de una octava .parte de esa energía para elevar la temperatura de un gramo de hierroen la misma medida. Los átomos de hierro de la red cristalina se agitanprincipalmente en un movimiento de traslación, en tanto que las mo-léculas de agua absorben gran cantidad de energía para movimientosde rotación, vibraciones internas y alargamiento de uniones. Así pues,el agua absorbe más calor por gramo que el hierro para un mismo cam-bio de temperatura. Decimos que la capacidad calorífica específica(llamada con frecuencia simplemente calor especifico) es mayor.

-2.3. CALORESPECiFICO

Cada sustancia tiene una capacidad calórica propia y diferente a le:-de las demás. Por lo tanto, es necesario proporcionarle distintascantidades de calor a masas iguales de. sustancias diferentes paraelevar su temperatura en 1°C. Esto llevó a establecer el concepto decalor específico, que puede definirse del siguiente modo:

Calor específico (Ce) de una sustancia es la cantidad de calornecesaria para elevar en 1°C la temperatura de un gramo dela misma.

Esta propiedad es característica distintiva de cada sustancia, puessus valores son constantes y definidos. El agua, con un calor especí- .fico de 1 cal/g. °C (4.187J/kg.oC)es la sustancia que prácticamente:tiene el valor más elevado entre todos los sólidos y líquidos conoci-dos. .... __

El agua tiene una capacidad para almacenar energía mucho mayor quecasi todos los materiales comunes. Una cantidad de agua relativamentepequeña absorbe una gran cantidad de calor que produce un aumentode temperatura de poca magnitud. Por esta razón el agua es un agenterefrigerante muy útil que se utiliza en los sistemas de enfriamiento delos automóviles y de otros motores. Si en los sistemas de enfriamientose emplease un líquido de menor capacidad ealorífica específica, elaumento de temperatura sería mayor para una misma cantidad de calorabsorbido. (Desde luego que, si la temperatura del líquido se hace iguala la del motor, ya no habrá enfriamiento). El agua también tarda mástiempo en enfriarse, un hecho que les resultaba útil a tus abuelos,

14-

Ce=_Q-m.At

Ce = calor específico.Q = cantidad de calor.

.m = masa de la sustancia.At= variación de la

temperatura.

Ce:Sustancia Cal J

g.oe kg.oe

Agua 1,000 4187Alcohol et. 0,580 2428Aluminio 0,236 988Cinc 0,092 385Cobre 0,093 389Hielo 0,530 2219Hierro 0,110 460Mercurio 0,033 138Madera 0,400 1675Plata 0,050 209Plomo 0,031 130Petróleo 0,500 2093

\quienes en las frías noches de invierno quizá metían botellas de aguacaliente entre las sábanas para calentarse los pies.

Esta propiedad del agua de resistirse a los cambios de temperaturamejora el clima en muchos lugares. La próxima vez que examines un globoterráqueo observa la elevada latitud de Europa. Si la capacidad caloríficadel agua no fuese grande, los países europeos serían tan fríos como lasregiones del noreste de Canadá, porque Europa y Canadá reciben aproxi-madamente la misma cantidad de energía del Sol por kilómetro cuadrado.La corriente atlántica que conocemos como Corriente del Golfo trans-porta agua caliente hacia el noreste desde el Caribe. La corriente guardauna buena parte de su energía interna el tiempo suficiente para alcanzarel Atlántico Norte frente a las costas de Europa, donde se enfría. Los vien-tos del oeste difunden la energía que se desprende (una caloría por gradopor cada gramo de agua que se enfría) sobre el continente europeo.

Hay una diferencia similar entre los climas de la costa oriental y lacosta occidental de Norteamérica. En las latitudes de Norteamérica losvientos vienen del oeste. En la costa occidental el aire se desplaza delOcéano Pacífico hacia tierra. Debido a la gran capacidad calorífica delagua la temperatura del océano no varía mucho del verano al invierno.El agua está más caliente que el aire en el invierno, y más fría que el aireen el verano. En invierno el agua calienta el aire que se desplaza sobreella, el cual calienta a su vez las regiones costeras occidentales deNorteamérica. En verano el agua enfría el aire y las regiones costerasoccidentales se enfrían. En la costa oriental el aire se desplaza desdetierra hacia el Océano Atlántico. La tierra, cuya capacidad calorífica es

r>.

. menor, se calienta en el verano pero se enfría rápidamente en invierno.Como consecuencia de la elevada capacidad calorífica del agua y de ladirección del viento, la ciudad de San Francisco, situada en la costa occi-dental, es más cálida en invierno y más fresca en verano que la ciudadde Washington, D.c., ubicada en la costa oriental a una latitud similar.

El centro de los grandes continentes experimenta en general tem-peraturas extremas. Por ejemplo, las altas temperaturas estivales y lasbajas temperaturas invernales de Manitoba y de los estados de Dakotadel Norte y Dakota del Sur se deben en gran medida a la ausencia degrandes cuerpos de agua. Los europeos, los isleños y las personas queviven cerca de las corrientes de aire oceánicas deben alegrar-sede que elagua tenga una capacidad calorífica específica tan grande, ¡como sinduda lo hacen los habitantes de San Francisco!

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..

21.8 Expansión térmicaCuando la temperatura de una sustancia aumenta, sus moléculas se agi-tan más aprisa y normalmente tienden a separarse. Esto da por resul-tado una expansión de la sustancia. Con pocas excepciones, la materiaen todas sus formas (sólidos, líquidos y gases) se expande cuando secalienta y se contrae cuando se enfría. En general, para presiones y cam-bios de temperatura comparables los gases se expanden o se contraenmucho más que los líquidos, y éstos se expanden o se contraen más quelos sólidos:

I

-)5--* Esta regla es válida si el sólido, el líquido y el gas se expanden contra una presión constante.

Se puede impedir que un gas c~ntenido en un recipiente se expanda, pero en ese caso lapresión no es constante.

Figura 21.8 AEl agua tiene una elevadacapacidad calorífica específicay es transparente, por lo cualnecesita más energía que elsuelo para calentarse. ¿Porqué afecta el hecho de que seatransparente?

311

~!ir!"l.

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\Silas aceras de concreto y el pavimento de las carreteras se tendiesen

como una pieza co~tinua, se formarían grietas a causa de la expansión yla contrac~IOnocasionadas por la diferencia entre las temperaturas esti-vales y las mvernales. Para evitar esto, la superficie se tiende en seccionespequeñas, cada una separada de la siguiente por un pequeño espacio quese llena con una sustancia como la brea. En los días calurosos de veranola expansión suele hacer que este material surja de las uniones.

En la construcción de estructuras y dispositivos de todo tipo se debetomar en cuenta la expansión de los materiales. Los dentistas usanmate.riales de re.l~enoque se expanden en la misma proporción quelos dientes. El diámetro de los pistones de aluminio de un motor deautomóvil es suficientemente más pequeño que el de los cilindrosde acero, en función de la mayor razón de expansión del alumino. Parareforzar elconcreto los ingenieros civiles emplean acero cuya razónde e~pansión es igual a la del concreto. Los puentes de acero de granlongitud suelen tener un extremo fijo, mientras que el otro descansaso?re un pedestal de oscilación que permite la expansión. La calzadamisma se construye en segmentos unidos por junturas de cremallerallamadas juntas de expansión (Figura 21.9).

Figura 21.9 .!Este espacio es una junta de expansión que permite al puente expandirse ycontraerse.

Los distintos materiales se expanden en diferente proporción. Unatira bimetálica consiste en dos tiras de metales distintos, por ejemplo,latón y hierro, unidas por medio de soldadura o de remaches (Figura21.10). Cuando la tira se calienta se ve claramente la diferencia en lamagnitud de la expansión del latón y del hierro. Un lado de la tira doblese hace más largo que el otro, y esto hace que la tira se curve; cuando latira se enfría, se dobla en sentido contrario, porque el metal que seexpande en mayor medida también se contrae más. Se puede usar elmovimiento de la tira para mover un indicador, para regular una válvulao para accionar un interruptor.

El termostato es una aplicación práctica de la tira bimetálica(Figura 21.11). Las expansiones y contracciones de la bobina birnetálicaabren y cierran un circuito eléctrico. Cuando la habitación se enfríademasiado, la bobina se curva hacia el lado del latón, y al hacerlo cierraun interruptor eléctrico que pone en marcha el calentador. Cuando lahabitación se calienta demasiado, la bobina se curva hacia el lado delhierro, abre éste y desconecta la unidad de calefacción. Los refrigera-dores están provistos de termostatos especiales que impiden que secalienten o se enfríen demasiado. Se utilizan tiras bimetálicas en lostermómetros de horno, los tostadores eléctricos, losestranguladoresautomáticos de carburador y en otros dispositivos.

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~~A~

HIERRO}TEMPERATURA AMBIENTE

ª' ni -

LATÓN,.!~~ HIERRO!

nFigura 21.10 ATira bimetálica. El latón seexpande (o se contrae) más queel hierro cuando se calienta (o seenfría), y la tira se curva comose muestra en la figura.

-;lC -

Cómo se transmite el calor

Miren lasfotos. Entodas ellas se produce una transferencia de energía por calor,ya que los cuerpos que intercambian energía están adiferentes temperaturas. ¿Pue-den decir que esa energía llega a cada cuerpo de la misma manera?

La transferencia de energía por calor está presente en casi todas las actividadesde la vida: al cocinar los alimentos, al calefaccionar lascasas,al refrigerar bebidas, alelegir la vestimenta para estar abrigados, al exponerse al sol. Encada una de estasactividades hay transmisión de calor. Pero no siempre se realiza de la misma manera.Hay tres formas de transmitir el calor: conducción, convección y radiación. Gene-ralmente en un mismo proceso, se producen las tres formas juntas, pero muchasveces alguna de ellas prevalece sobre las otras.

ConducciónUn ama de casa sabe muy bien que no debe revolver la comida que está sobre

el fuego con una cuchara metálica, porque la energía se transmite desde la comidacaliente hacia la cuchara fría y luego a través de ella, hasta el extremo que seencuen-tra fuera de la olla. Laenergía setransmitió de un extremo al otro de lacuchara.

Este proceso de transmisión del calor se denomina conducción. En la conduc-ción, la transmisión de energía se produce desde la zona de mayor temperaturahacia la de menor temperatura, sin movimiento de materia.

Para poder explicar este fenómeno es necesario observar microscópicamentela cuchara: al sumergirla en la comida caliente, se aumenta la energía interna de esa

'." , .,',.,' ,c~.ti.re.9.i<)nde,la cuchara, con lo que aumentaasí la enerqía cinética de las partículas.deL');".,~.,:1\,,'~::;1~~:~I~~~~'·Te~~Jq~~laforrnan, lcque haceqy~vib.[eD~i~ráPido. De esamanera, lai;q~~~i~º~~f:i,,'r.J;:,;T')~{:'

"é~:';?i"':;'mas'E!nergíatransmiten partede,5u,energía~las'par:tículas que tienen menos ener?iía:""""Conducción de la energra. . I~scualesa suvez lntercambían energía c~nj~;ssiguientes. Así,laenergía seconduce a '

través de toda la cuchara, hasta llegar a lazona que está en contacto con la mano.

68 I capítulo 3 I La energía

" -11--

Buenos y malos conductoresCon las cucharas de madera o de plástico, en cambio la energía no llega a la

mano, o tarda mucho en hacerlo. Los materiales están formados por distintos tiposde partículas y éstas están dispuestas de distintas maneras, lo que hace que cadasustancia conduzca el calor de manera diferente. Esta diferencia permite clasificarlos materiales en buenos y en malos conductores del calor.

Los metales son muy buenos conductores del calor, en cambio, la madera, algu-nos plásticos, el papel, por ejemplo son malos conductores.

En realidad esta clasificación no es absoluta, sino que un material esbuen o mal conductor en comparación con otro. Es decir que transmi-te el calor más o menos rápidamente que otro material. Por ejemplo elvidrio es mal conductor comparado con un metal, pero es mejor con-ductor que la goma.

Cuanto más lenta sea esa transmisión del calor, mejor aislante térmico es un mate-rial. No existe el aislante perfecto, sino que algunos materiales tardan mucho tiempoen conducir el calor o retrasan mucho la transferencia de calor hacia el otro extremo,por esto son útiles en las situaciones en las que se necesita aislar un cuerpo.

Volvamos al caso de pisar descalzos el piso de cerámica y la alfombra. Ambosestán a la misma temperatura, pero el piso de cerámica es mejor conductor que laalfombra, y por lo tanto, el pie le entrega más rápidamente energía al piso, y percibela sensación de frío.

En general, los cocinerosusan cucharas de maderao con mangos de plástico.De lo contrario, al cabo deun instante se quemaríanlas manos.

Características de la conducciónSe pueden hacer experiencias sencillas que permitenobservar las características de la conducción.

Necesitarán:I dos trozos de alambre de diferentes materialespero igual grosor (pueden ser dos agujas de tejer delmismo número pero de diferentes metales),1 una vela,14 o 5 chinches.

~.------=----- ...•----Paso1: un extremo de uno de los alambres,peguen con cera blanda de la vela 4 05chinches, dejando unos 3 cm entre ellas.

Paso 3: ahora peguen con ia cera unachinche en cada alambre, a unos 7 cmde uno de los extremos, y coloquenambos al fuego de la vela.

Paso 2: una vez que están bien fijas, coloquenun extremo de la aguja al fuego de la vela yesperen a que caigan todas laschinches.

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a. ¿Cayerontbdas las chinches al mlsro'otiempo? ¿por qué? ... ... ....-b •.¿Quécaracterística de I~conducción del ealor se (ompr~eb~ -con~5t~'experiencia?

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Lasestufas se colocanen la parte inferior deuna habitación, paraque las corrientes deconvección calienten todoel ambiente.

¡GlosarioFluidos: tanto los líquidoscomo los gases carecende forma propia por esoadoptan la forma delrecipiente que los contiene.Tienen así la propiedad defluir iibremente y debidoa esto se los denominafluidos.

70 I Capítulo 3 I La energía

ConvecdónLos fluidos son malos conductores del calor. En ellos el calor se propaga

fundamentalmente por conveccíón. En este proceso, la transmisión del calorse produce por corrientes en el fluido llamadas corrientes de convección.

Para observarías, basta con colocar agua y unos granos de arroz en un recipien-te y calentarlo al fuego de una hornalla. Cuando el líquido comienza a calentarse,se empieza a notar cierto movimiento del agua. Al comienzo, este movimiento

es desordenado, pero luego los granos de arroz son arrastrados por las corrien-tes producidas por el agua. Si el recipiente es transparente, se puede observarla circulación de las corrientes de convección.

Cuando se coloca la olla sobre la hornalla, el fuego le transmite calor al fon-do del recipiente y éste a las capas inferiores del agua, por conducción. Estas capas

se calientan y disminuye su densidad, entonces comienzan a ascender. Su lugar esocupado por las capas de agua más frías que descienden porque tienen más densi-dad. El fondo del recipiente calienta las nuevas capas de agua fría, y se repite todoel proceso. Las corrientes de convección generan así un movimiento de circulaciónqué permite calentartoda el agua del recipiente. En este caso, la energía setransmi-te con movimiento de materia.

La convección se produce en cualquier fluido. Las corrientes de convección dela atmósfera provocan vientos y corrientes de aire ascendentes que son aprovecha-das por los aladeltistas, los planeadores y las aves para mantenerse en vuelo sin des-gaste de energía.

La brisa marina también se produce por las corrientes de convección del aire.Durante el día,la arena se calienta más fácilmente que el agua, por lo tanto el aire quese encuentra sobre ella se eleva y una corriente proveniente del mar ocupa su lugar. Ala noche, el proceso se invierte, y se produce una brisa desde la playa hacia el mar.

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Abrigarse o aislarseSi el calor se define como una energía en tránsito, el término frío no tiene sen-

tido para la Física. Esdecir, si se trasmite energía entre dos cuerpos que tienen dis-tintas temperaturas, esta se llama calor. Si no se produce tal transmisión, no hayfenómeno para estudiar.

Las casas.se aísla n para que'nosalg~ ----.calor de su interior. Cuando una'casa seenfría n9 es porquehaya entrado el frío, .sino porque'la energía.se ha escapado'énformade'calo( ,< "!',"'-'\':, ,:"":' '",;,' ·~"':':·,,:r;';: "~'o

En la realidad, las personas sentimos frío en invierno y calor en verano. Las sen-saciones de frío o de calor son parte de la vida y no se pueden ignorar. Estas se rela-cionan con la conducción del calor desde el cuerpo hacia el ambiente o viceversa. Sise toca un objeto que está a la temperatura de la piel, no se produce intercambio deenergía, y por lo tanto no se percibe sensación de frío ni de calor. Si se toca un obje-to que está más caliente que el cuerpo, el calor se transfiere desde el objeto hacia lapiel, provocando la sensación de calor. Si en cambio el objeto ~está más frío, el calorpasa desde el cuerpo hacia el objeto: la pérdida de energía produce la sensación defrío. La rapidez con que se produzca este intercambio de energía entre la piel yelobjeto aumenta las sensaciones de frío o calor.

En invierno, para no sentir frío, se debe evitar el intercambio de energía desdeel cuerpo hacia el aire del ambiente que se encuentra a menor temperatura. Esteintercambio se produce a través de la piel por conducción. Abrigarse no es calen-tar el cuerpo, sino mantenerlo aislado del aire exterior. Las telas y lanas son malosconductores que transmiten mal el calor. Los mejores abrigos son aquellos queretienen aire entre sus fibras o pelos. El aire en reposo es muy mal conductor delcalor, y las fibras no permiten la convección, con lo que evitan el intercambio deenergía.

En verano, se debe evitar la transferencia de energía desde el ambiente hacia elcuerpo. Si la temperatura exterior no es muy elevada, es suficiente usarropas llvia-

'; nas. Pero sllastemperaturas superan los 40°C,lomejor es usar unavestímenta que _.aísle el2.u~rpO:'corrio 'cuando hace frío. - -~.- .~

-:20-

Cuando la fiebre no baja_con el antitérmico, el_. .

médko suele indicar-·colocar-paños fríos en la

frente y las axilas.

71

RadiaciónPara hacer un asado, una vez que el asador prendió el fuego, distribuye las bra-

sas por toda la base de la parrilla. Un buen parrillero sabe que si coloca la carne enalgún sector de la parrilla que no tenga brasas, esta no se cocina. Incluso para

retrasar la cocción de algún trozo, lo aparta y lo coloca en algún lugar que noesté expuesto al carbón encendido. ¿En qué se basa esta estrategia de losasadores? ¿De qué manera llega la energía desde las brasas hasta el asado?

La cocción del asado no se realiza por conducción ni por convección.Este es uno de los casos en los que la energía se transfiere de un cuerpo

a otro sin que exista una sustancia o material que lo transporte. Tampoco seaplican fuerzas ni se ponen en contacto dos cuerpos a diferentes temperaturas.

En esos casos, la transmisión se produce a través de ondas electromagnéticas.Dentro de las ondas electromagnéticas se encuentran las ondas de radio, micro-

ondas, radiación infrarroja, la luz visible, radiación ultravioleta, rayos x, rayos gam-ma. Una característica en común de estas ondas es que no necesitan un materialque les permita trasladarse, sino que pueden hacerlo aun en él vacío.

La energía que se transmite por radiación se llama energía radiante. Para sirn-bolizarla se suele utilizar una R (mayúscula cursiva). Lo mismo que el trabajo y elcalor, se mide en J: joule.

En algunos casos, esta energía radiante modifica la temperatura del otro cuerpo,y por lo tanto se la considera una forma de transferencia de calor. Se la denominaradiación térmica.

El carbón encendido emite radiación infrarroja que permite-cocinar la carne.

L GlosarioRadiación: esta palabratiene varios significadospara la Física. En este casose usa para designar unaforma de propagación de laenergía. En Física atómica,se la aplica a la emisión denúcleos radiactivos, como eluranio y el radio.

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72 I capítulo 3 I La energía

Emisión y absorción de energía radianteTodos los cuerpos emiten energía radiante, pero algunos irradian más cantidad

que otros. Cuanto mayor es la temperatura de un cuerpo, mayor es la cantidad deenergía radiante que emite por unidad de tiempo. Si se acerca la mano a una larn-parita encendida, se puede percibir la radiación que emite. Un tostador de pan quese calienta en la hornalla emite radiación que se percibe a una distancia de más de15020cm.

Cuando un cuerpo está lo suficientemente caliente, una parte de la energíaradiante que emite está en la región de las ondas de luz visible, como el filamentode una lamparita.

Cuando la energía radiante llega a un cuerpo, puede absorberla, reflejarla oambas cosas, Esto depende de la superficie del cuerpo. Por ejemplo, las superficiesbrillantes reflejan casi toda la radiación que les llega, mientras que las oscuras onegras reflejan muy poca radiación y absorben casi toda la energía.

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• 1

la radiación como transferencia de calorLa energía del Sol llega a la atmósfera luego de haber atravesado el espacio

vacío. Por eso es que no pudo haberse transmitido por conducción ni por convec-ción. El Sol emite ondas electromagnéticas que, mediante el proceso de radiación,atraviesan la atmósfera y llegan a la superficie de la Tierra.

La radiación puede atravesar algunos objetos que son transparentes, como porejemplo la atmósfera, el vidrio y capas delgadas de agua. Si se colocan al Sol en unlugar reparado del viento, pueden percibir calor por la radiación solar. Lo mismosucede cuando se colocan detrás de un vidrio.

Para que un cuerpo reciba la radiación térmica, debe estar frente al cuerpo emisor.Lasestufas infrarrojas calientan mucho más cuando se está expuesto directamente. Sise coloca una de estas estufas en el medio de una habitación, los cuerpos que esténenfrentados a ella estarán a mayor temperatura que aquellos que estén atrás.

La radiación como transferencia de energíaEn otras situaciones, la energía radiante provoca modificaciones en otros cuer-

pos, pero no a causa de la temperatura.Los controles remotos de los televisores o equipos de audio emiten radiación infra-

rroja que permite activar las funciones del aparato y modificar sus características.Las radios son equipos receptores de ondas de radio que, al recibir su energía,

pueden transmitir una señalo sonido.Los hornos de microondas cocinan o aumentan la temperatura de las comidas

modificando algunas moléculas de los alimentos.Los teléfonos celulares funcionan porque la señal viaja a través de ondas desde

la antena emisora hasta la antena receptora. Esta señal es energía radiante.Los rayos X son otra forma de radiación cuyos usos están vinculados con la medici-

na. Luego de atravesar el tejido corporal, impactan en una placa e imprimen la imagen.En todos estos ejemplos hay transferencia de energía por radiación desde un

cuerpo hacia otro.

La radiación electromagnéticapuede atravesar algunoscuerpos transparentes, comoel vidrio.

~ ~~Influencia del coloren la absorción de laenergía radiante.Tomen dos latas y

quítenles el papel que lasrecúbre. A una píntenlao recubranla de negro.Coloquen hielo de igualtamaño dentro de cadalata y expongan ambasal sol. ¿Tardó el mismotiempo en derretirse elhielo en las dos latas?Expliquen por qué.

'j!~ii~~}~!f!!",;~'«;\' , .", ..,,':f\;'\'1" ....• ., ,~P:.BQ)pPA.iAá)fí~i~á~n..(ªYidªfqt!q.'anat Sí9IOXXI..•editor~s, ••..•.•..•iDi~~f'.~.(,.Fr"Rg~iero·~~'ozon~i'y'RrádiaciÓTJ.sO(ar,

i'; •• ,'.'~ ..:{:'~y~:r8.~AJr~~i.~9Rt~:iD~:f¡ft;!',:.;){;~;,;,,·,;'·/~'.:.\,',\;~>-,.•·;,.;~,';:::-.,;·.J~~M.~;s.:~?nPkNr,~Stl~98;.:,;:'•.·.··'·"~·J\:.;:·i,'" >;c;7~;':''.>' /;l'E)'R~,i~S;.:,~~~~tél;p:rEIfib.ro'(je'O$'.C{~n.tí~toj,L~m'e~;.BuW~s,:.TTr.i~~tí~~',~:,':jOp~:fC1f0r!~L~meri,Bu~n9sAires;'j991;" ."

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Repaso del capitulo

Preguntas de repaso

1. ¿Cómo se mide la temperatura comúnmente?(21.1)

2. ¿Cuántos grados hay entre el punto de fusióndel hielo y el punto de ebullición del agua en laescala Celsius? ¿Yen la escala Fahrenheit?(21.1)

3. ¿Por qué es incorrecto decir que la materiacontiene calor? (21.2)

4. En términos de diferencias de temperaturaentre objetos que están en contacto térmico,¿~n qué sentido fluye el calor? (21.2)

5. ¿Qué queremos decir cuando afirmamos queun termómetro mide su propia temperatura?(21.3)

6. ¿Qué es el equilibrio térmico? (21.3)

7. ¿Qué es la energía interna? (21.4)

8. ¿Cuál es la diferencia entre una caloría y unaCaloría? (21.5)

9. ¿Qué significa afirmar que un material tieneuna capacidad calorífica específica grande opequeña? (21.6)

io. ¿Cómo es la capacidad calorífica específica delas sustancias que se calientan rápidamente:grande o pequeña? (21.6)

n. ¿Cómo es la capacidad calorífica específica delagua en comparaci6n con la de otras sustan-cias comunes? (21.7)

12. ¿Por qué la costa occidental de Norteaméricaes más cálida durante el invierno y más frescaen el verano que la costa oriental? (21.7)

13. ¿Por qué se curva una tira bimetálica cuandose calientaIo se enfría)? (21.8)

14. ¿Qué se expande más cuando aumenta la tem-peratura: los sólidos, los líquidos o los gases?(21.8)

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15. ¿Aqué temperatura alcanza el agua su máximadensidad? (21.9)

16. El hielo es menos denso que el agua a causa desu estructura cristalina abierta. Pero, ¿por quéel agua a O°Ces menos densa que el aguaa4°C? (21.9)

, 17. ¿Por qué los lagos y estanques se congelan dearriba hacia abajo y no de abajo hacia arriba?(21.9)

18. ¿Por qué los lagos poco profundos se congelanrápidamente en invierno, mientras que loslagos profundos no llegan a congelarse? (21.9)

la práctica ::'5 ~.:: " '

La transferencia de calor en calorías está dada porla expresión Q = mcsl', donde m es la masa engramos, e es la capacidad calorífica específica encal/ gOCy !:.T está dada en 0C.

1. Calcula cuántas calorías se necesitan paracambiar la temperatura de 500 gramos deagua en 50 grados Celsius. __ ()

~5000eM{

2. Calcula cuántas calorías desprenden 500"gramos de agua cuando se enfrían de 50°C ()a 2~C. _ /5000 CO{'

3. Un trozo de hierro de 30 gramos se calientaa 100°Cy luego se pone en agUafría dondesu temperatura baja a 30°C. ¿Cuántascalorías cede el hierro al agua? (Lacapacidad calorífica específica del hierro_ nes de 0.11 cal/g°C.) - _ 231 (JO)(

, 4. Supón que el mismo trozo de hierro de 30gramos se deposita en otro recipiente conagua donde cede 165 calorías al enfriarse.Calcula el cambio de temperatura del hierro.

- SOoC/ .: ...,.,:.5. ¿Qué masa de agua cede 240 calorías cuando

su temperatura ~aja de 80°C a 68°C? ~ r6. Cuando un trozo de aluminio de 50 gramos a

100°Cse deposita en agua, cede 735 caloríasmientras se enfría hasta 30°C. Calcula lacapacidad calorífica especifica del aluminio.

q2~en/) (-'-'A--..

CALOR Y TEMPERATURAIMarca con untsirculo la respuesta correcta:

1. Cuando un cuerpo absorbe la cantidad de 1csloris, podemos afirmar que

A. ') Su energía interna ha perdido 1 caloría, o sea 4,18 J

B. ') Su energía interna ha aumentado 4,18 J

C. ? Su energía interna permanece igual, aumentando sólola temperatura

D. ') Su energía interna ha aumentado 1°C

2. ¿Escorrecto pensar que la temperatura es la cantidad de calor quealmacena un cuerpo?

A. ? No, la temperatura mide la energía media de agitaciónde las partículas de un cuerpo

B. ? No, la temperatura mide la energía total de agitaciónde las partículas de un cuerpo

C. ? Sí, la temperatura mide el calor total de las partículasde un cuerpo

D. ? Sí, la temperatura mide el calor medio de las partículasde un cuerpo

3. Podríamos definir el calor como:

A. ? Una forma positiva de energía, mientras que el frío esuna forma negativa

B. ? Un fluido que pasa de los cuerpos calientes a loscuerpos fríos

c. ') La temperatura que tiene un cuerpo

D. ') Una forma de comunicarse energía entre diferentescuerpos

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f!

,FISICA

T. P : TEMPERATURA Y CALOR

1) Teniendo en cuenta el significado fisico de CALOR, TEMPERATURA YENERGÁ CINÉTICA INTERNA DE UN CUERPO; señala cual de las siguientesfrases son correctas o no y justifica :

a) Un litro de agua a 40°C posee mas calor que un litro de agua a 20°C.b) Un litro de agua a 40°C posee mas energía interna que un litro de agua a

20°C.e) Un cuerpo puede perder parte de su energía interna transfiriéndola en

forma de calor a otro cuerpo.d) A la misma temperatura, 2kg de cobre tienen mas energía interna que un

kg de cobre.

2) Si el avión en el que viajas aterriza en Nueva York y la azafata les dice que la.temperatura exterior es de 25°F ¿Qué temperatura en °C hace? 7:-~8e2) Un cuerpo a 20°C se pone en contacto con otro que se encuentra a 293,15°K ¿se

producirá un flujo de calor entre los cuerpos? Justifica. ,/{rA ;; SI.3) Que cantidad de calor se necesita para aumentar 25°C la temperatura de un litro

de agua que estaba a temperatura ambiente? ~,...~:: fJ5000 ea{4) ¿Cuanto calor debe perder 500gr de hierro a 150°C para que su temperatura _ ()

descienda a 25°C? ~r~ ~ _ 6J'~S ~

¿cuál es la potencia del calefactor expresada en watt?Si no se pierde calor al ambiente ¿cuánto tiempo se necesita para quehierva el agua? AJrA -= '3 ZOO 7

7) Se colocan 1000 gr. De agua líquida a 10° en un calorímetro ideal con el fin deenfriar un trozo de 200gr de mármol( 0,19 cal /gr 0) que está a 50°C, se lo colocadentro del agua. Encontrar:

a) la temperatura de equilibriob) cantidad de calor absorbida por el aguae) cantidad de calor cedida por el mármol

5) En un calorímetro hay 200gr de agua a 20°C y se agrega un cuerpo metálico de100gr a 150°C, si la temperatura de equilibrio en el calorímetro es 23°C, ¿cuál esel Ce del metal? ¿de que metal se trata? t?j.", ::T aO4 r~ ~

6) Un calefactor eléctrico entrega 50cal/seg ,es sumergido en 2 litros de agua a20°C.

a)b)

RTAS:ll,46°C1460 cal1460 cal

- ...:!- -Ó:.: - "/: i

-26-

físic9 T.P CALOR- TEMPERATURA-Ce

1) Lee las siguientes afirmaciones y responde verdadero o falso ( justificando enambos casos):

ill La cantidad de calor que contiene un cuerpo depende de su masaQ} Masas iguales de cualquier sustancia requieren la misma cantidad de calor para

variar su temperatura en 30°C9 La temperatura es la expresión del grado de agitación promedio de las partículas

de una sustancia.ill La capacidad calorífica del agua es muy baja.s:} El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para que lKg

de la misma eleve su temperatura en 1°C

2)Si dos cafeteras de igual forma, una de aluminio y otra de acero, contienen elmismo volumen de café a 80°C ¿en cuál de ellas el líquido se enfriará antes?Justifica tu respuesta.

ALGUNOS CÁLCULOS:

3) Completa la siguiente tabla con el valor de temperatura Celsius que equivale a cadauna de las temperaturas Fahenheit.

i360F i1220F ¡1580F i1760F ¡_4_0_00_F__ ---i

4) Completa la siguiente tabla con el valor de temperatura Celsius que equivale a cadauna de las temperaturas Kelvin

1_-I_8_80_K__ I_-5_3_K 4_2_K__ I_~_2_5_2K__ +--_OO_K_-----1

5) ¿cuál es el Ce de una sustancia cuya masa de 20gr absorbe 2093J para pasar de 20 a473°K? Rta: 0,13 cal/gr °C

6) ¿qué cantidad de calor pierden 350gr de agua para pasar de 90 a 20°CRta: - 24500 cal

7) ¿cuál es la variación de temperatura que experimenta una masa de medio Kg dehierro, si ha absorbido 1200J al exponerla a la llama.

Rta: 5,21 °C

8) Un bloque de hierro de 0,400kg se calienta desde los 29SOkhasta los 125,6°F .¿Cuánto calor absorbió el hierro? Rta: 5517 1

9) Un bloque de metal de 500gr, absorbe 5,0161 cuando su temperatura se eleva de293°K a 30°C. Calcular el Ce del metal

Rta: O,24cal/gr °C

" -27 -

10) Calcular la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de una ollade aluminio de 0,3kg , desde 77°F hasta los 373°K.

Rta: 4770 cal

11) Sabiendo que la densidad del alcohol es de 0,76 Kg/lt, calcular la cantidad de calorque es necesario suministrarle a medio litro de alcohol para que su temperatura se elevedesde los 91,4°P hasta su punto de ebullición (78°C). Expresar el resultado en J y en cal.

Rta: 9918 cal = 41457,24 J

12) Calcular la masa de mercurio que al pasar de 68°F hasta 372°K, absorbió 22572 J.Rta:2071,35 gr

13) En un calorímetro con 0,49lt de agua a 17°C, se coloca un alambre de cobre de 65gr a 373°K. Calcular el calor específico del cobre si la temperatura de equilibrio selogró s 18°C. (densidad del agua: 1kg/lt)

Rta: 0,092cal/gr °C

14) Un recipiente aislado térmicamente contiene 100gr de agua a 60°C. Se introduce enel agua un trozo de 40gr de cobre a 100°C, luego la temperatura se equilibra. Averiguardicha temperatura final de la mezcla.

Rta: 58,45°C

15) Por un alambre de cobre de 165gr pasa una corriente eléctrica durante un eortotiempo, elevando su temperatura, de 21°C a 39°C. ¿Qué cantidad mínima de energíaeléctrica fue convertida en energía térmica?

Rta: 273,24 cal

16) Calcular la energía térmica en Kcal que deben ceder 1600gr de agua líquida que seencuentran a 212°F para disminuir su temperatura hasta los 10°C.

Rta: -144 Kcal

17) En un calorímetro ideal que contiene 300gr de agua a 20°C se introduce un cuerpode Ce desconocido a 100°C y que tiene una masa de 800gr. ¿cuál es .el calor específicodel cuerpo si el equilibrio térmico se logró a los 104°F.

Rta: 0, 125cal/gr °C

18) Un bloque de bronce de 100gr a 90°C se coloca en un calorímetro que contiene200gr de agua a 20°C. Suponga que no hay pérdida de calor. ¿cuál es la temperaturafinal de la mezcla? (Ce del bronce: O,088cal/gr °C )

Rta: 22,9°C

19)¿ Cuál sería la temperatura final de la mezcla de 21t de agua a 20°C con 1 lt deagua a 40°C? Rta: 33,33°C

20) Cuantas calorías ceden 50kg de cobre al enfriarse desde 36°C hasta -4°C.Rta: -186000cal

Importante: Ce del acero: 0,114cal/grOC

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el eq¡uilibrio térmico lam.asa ~

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7 los cambiosde estado

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