EPET N:---ALUMNO:------PROFESOR:-----

Por que estudiar Fsica .?

La Fsica es absolutamente fundamental, es una asombrosa forma de llegara la ltima comprensin acercade qu est hecho el mundo, qu materiales forman los elementos, las preguntas bsicas que buscandescribir el tiempo,el espacio y el universo en que vivimos, desde lo infinitamente grande a loinmensamente pequeo.

Toda persona en la Tierra nace curiosa, todos somos curiosos acerca del mundo en que vivimos, dednde venimos, en qu universo estamos viviendo, cul ser nuestro futuro ...Siempre estamoshacindonos preguntas simples, por qu el cielo es azul? por qu las mariposas y las flores tienenesos maravillosos colores? es o no verde ese rayo que aparece en las puestas de sol? por qu elhielo flota en elaqua?Esasson las preguntas que las personas se hacen, tengan S, 15, 35 70 aos, ellas se preguntan por lanaturaleza y el mundo. La Fsica es una manera de responder esos preguntas, explico el mundo en quevivimos., Un signo de dignidad humana es ser capaz de hacer preguntas. La Fsica se pregunta cmo funciona elmundo. Y para eso no hay un fin. Con frecuencia, la gente dice "OK, hemos descubierto todo".Absolutamente no. No hay una comprensin bsica de los-factores fundamentales del Universo. Hayhiptesis, pero no existe una visin clara. Podra haber algn descubrimiento que amenazara lo quesabemos, por tanto es una lucha sin fin para intentar comprender el mundo.

Esencalmente.es.uagran viaje, de una pregunta a otra y a otra. Yese viale debe ser guiado, hay que ponerorden en su comprensin, 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 das hay reglas bsicas que dan formaal mundo. Esto es muy potente y no es tarea de la gente descubrirlo, deben ser guiados. Y ste es, una vez

ms, el rol de los profesores. &de e4 ~ ~f6. e4 lid ~fo {etJIIJ ~ ~ e.f,e fl4tede4,J

Goery Delacote destacado FSICO y EDUCADOR francs deca en una entrevista:tiA todos los profesores, de todas las disciplinas y de todos los niveles, quierodecirles que ser profesor es el trabajo ms maravilloso del mundo. Cuidar a losnios, ayudarles a aprender, preparar/os para e/futuro, formar/os comomiembros de la sociedad, guiar los en su socializacin tanto con sus parescomo con otras personas, y adems ensear/es conocimientos sobre elmundo: arte, historia, ciencias, es un trabajo muy importante.

Esta mezcla de cuidados a los jvenes estudiantes para luego dejar/os ir armados de conocimientos; hacea este trabajo (docente) ,nico y apasionante ..'

lI~medde~~a~fa4~~It64edMCeItta de ea~ de eae ~fo-. mM taJtdetrJ ~. un e44.tD ltJ,fU eJe ~ lile ~ e4 ~ ea, Ga .ef'n. ~ e4 liletMlafo- de ltII4 ~ ~ e~. fU 4e tbda.. rHde ea,~ ...III

TU PROF: Carmen Schenone-2-\-,

',,--

FSICA DE 3 Ao

PR&tiIlM VE C&NTFNIV&S

EpetnO _

AO 2014UNIDAD N 1 CALOR Y TEMPERA TVRACalor y temperatura. Equilibrio trmico. Termmetros. Puntos fijos. Escalas relativas detemperatura: Celsius y Fahrenheit. Escalas absoluta de temperatura.: Kelvin. Equivalenciaentre escalas de temperatura. Teora cintica molecular. Energa interna. El calor, diferenciacon calor especifico. Calor sensible. Calores latentes de fusin y vaporizacin. Calormetro demezclas. Cambios de estado de la materia. Propagacin del calor: conduccin, conveccin yradiacin. Equivalente mecnico del calor. ProblemasDilatacin: Dilatacin de slidos: lineal, superficial y cbica. Coeficiente de dilatacin.Aplicaciones. Dilatacin de lquidos: real y aparente. Comportamiento anmalo del agua.Densidad mxima.

UNIDAD N 2 ELECTROSTTICAAcciones electrostticas. Carga elctrica. Unidades de carga elctrica. Formas de cargar uncuerpo:frotamiento, contacto e induccin .Cuerpos conductores y aisladores. Pndulo yelectroscopio. Ley de Coulomb. Distribucin de cargas en conductores. Densidad elctrica.Campo elctrico. Intensidad de campo, concepto de carga exploradora, lneas de campo.Problemas.Trabajo elctrico. Potencial elctrico y diferencia de potencial.Capacitores: Caractersticas y utilidad. Capacidad elctrica. Carga y descarga. Capacidad encapacitores de placas paralelas. Dielctrico. Energa almacenada en un capacito. Asociacin decapacitores en serie y paralelo.

UNIDAD N 3 ELECTRODINMICACaractersticas de un circuito y utilidad. Corriente elctrica. Intensidad de corriente. Sentidos dela corriente. Cada de tensin. Voltmetro y ampermetro. Fuerza electromotriz. Resistenciaelctrica de un conductor, resistividad, influencia de la temperatura. Ley de Ohm. Potencia yenerga elctrica. Efecto Joule. Problemas. Circuitos con asociacin 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 magntica. Campo magntico. Induccin magntica. Magnetismo terrestre.Brjula. Declinacin e inclinacin magntica.

UNIDAD N 4 ELECTROMAGNETISMOCampo magntico generado por una corriente elctrica. Ley de Faraday o ley de induccinelectromagntica. Ley de Lenz. Generador de corriente alterna. Motores elctricos.Transformadores Comparacin de motor con un generador. Transmisin de energa elctrica.Ondas electromagnticas.

UNIDAD N 5 ONDAS.Concepto de onda. Ondas mecnicas y electromagnticas. Amplitud periodo y frecuencia. Ondaslongitudinales y transversales. Velocidad y longitud de onda. Propagacin de ondas. El sonido.Produccin. Altura, intensidad y timbre. Propagacin. Reflexin. Eco

Blogde la profesora e Schenone:Profesora: ~VIIt~

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

TERMOMETRA

V CALOR

BIBLIOGRAFA:

e FSICA CONCEPTUAL de la Editorial:

PEARSON (P.G. HEWITT)

FS1CO-QUIMICA 2 Editorial: Tinta

fresca. FSICA POllMODALEditoria[ Stetla

fSiCA: Heineman

LA TEMPERATURA Ques?

Todos sabemos intuitivamente de qu 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.2C.

Pero ... qu es exactamente la temperatura? Desde un punto de vista mJcttlSc@i':O,la temperatura de un cuerpo est relacionada con el movimiento o agitacin de laspartculas que lo constituyen: a medida que aumenta este movimiento, ms enttt'IJ'i~!lil tiene dentro de s el cuerpo y mayor es su temperatura.

La temperatura es una magnitud que expresa el nivel de agitacin de las partculas queconstituyen un cuerpo. ( cuanto mayor sea la temperatura, mayor ser esa agitacin)

La temperatura no depende del nmero de partculas 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 "T" en dos partesdesiguales las dos tienen la misma temperatura.

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

--- ...

3. UN DATO MUY UTILIZADO:LA TEMPERATURA

La informacin de la temperatura del aire es un dato importante des.de el punto de vista meteorolgico. La coccin de los alimentos serealiza a determinadas temperaturas. El funcionamiento de muchosartefactos depende de una correcta regulacin de la temperatura. Laconservacin de determinados alimentos depende de una adecuadarefrigeracin. La temperatura corporal es un signo importante paraestablecer el estado de salud o de enfermedad del organismo. La ele-vacin 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 celsus,fahrenhet, etctera, de acuerdo con la escala que se utiliza.Para medir la temperatura ambiente se suelen utilizar los term-metros lquidos mientras que para las elevadas se emplean los p-rmetros.En suma, la medicin de la temperatura es una tarea necesaria endiversas actividades; puede realizarse de distintas formas, perosiempre empleando un termmetro y una escala termomtrica.

En el blog

www.fisicaparaenten

dermas.blogspot.com

hay material en

Videos, muy claro

sobre la diferencia

entre Calor y

Temperatura.

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----~-3--.-.-.

La mayora de lostermmetros que miden latemperatura del ambiente

utilizan alcohol como lquidotermo mtrico.

El vidrio se dilata muchomenos que los lquidos.

(Si el vidrio se dilatara igualque los lquidos no se notarael cambio de nivel al variar la

temperatura.)

~,!-, ----~--...,.."

a'4o~',

3.2.1. Cmo es un termmetro?Los termmetros que se usan habitualmente para medir la tempe-ratura ambiente estn constituidos por un tubo capilar de vidrio, deparedes gruesas y dimetro 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 hermticamente, cuidando de que en su interior noquede aire. En uno de los laterales, el tubo presenta una escala ter-momtrica expresada en grados celsius.El mercurio es el lquido ms apropiado porque rene las principa-les condiciones requeridas para lograr mediciones lo ms exactas yconfiables posible, tales como: es buen conductor del calor; su dila-tacin es uniforme (el volumen siempre experimenta la misma va-riacin por cada grado que aumenta o desciende la temperatura);no se adhiere al vidrio; su capacidad calrica es baja; solidifica atemperatura baja (-39C) y hierve a temperatura relativamente alta(357C), lo cual permite medir las temperaturas ms comunes.Tambin es utilizado el alcohol, generalmente teido de algn colorpara visualizarlo mejor. Este lquido es ms econmico que el mer-curio y resulta de particular utilidad para medir temperaturas bajasporque solidifica a -130C. Sin embargo, tiene el inconveniente deque hierve a 78C, por lo cual la formacin de vapores impide su usopara temperaturas superiores a 50C.El tubo debe ser capilar para poder visualizar claramente el ascensode la columna lquida producida por la dilatacin. Asimismo, dichodimetro debe ser uniforme en toda su extensin para que todos losgrados sean iguales.

3.2.2. Cmo funciona un termmetro?

Al introducir un termmetro dentro de un lquido o de un gas (flui-do), las molculas de ste "bombardean" al mercurio o al alcoholque hay dentro del bulbo.Cuando se incrementa la temperatura del-fluido que rodea al term-metro, sus molculas se mueven a mayor velocidad y, por lo tanto,aumenta la violencia de los choques moleculares contra el bulbo.Entonces, el lquido que hay en el interior del termmetro recibe ca-lar que provoca su dilatacin 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 termmemn

En la descripcin anterior slo se ha hecho mencin a los termme-tros ms conocidos, basados en la dilatacin y contraccin de un l-quido (mercurio, alcohol), por lo cual se denominan ~ermmetros

- G-~eir~ Dnlimn~~l

r.;La energa trmica

lquidos. Sin embargo, es necesario tener encuenta que existen termmetros basados enotros fenmenos que manifiestan las varia-ciones de la temperatura, tales como la pre-sin, la resistencia elctrica, la radiacin elec-tromagntica, etctera.La construccin de los termmetros se debebasar en una propiedad fcil de medir (comoser: la longitud de la columna de mercurio),cuyas modificaciones al variar la temperaturase aprecien sin dificultades y que, adems, sealo ms lineal posible; esto significa que por ca-da grado que aumenta o desciende la temperatura, siempre experi-menta la misma variacin (por ejemplo, por cada grado que aumen-ta la temperatura, la longitud siempre se incrementa en 1mm).Los termmetros de gas son aquellos que, en lugar de emplear un l-quido, estn completamente llenos de un gas a baja presin (hidr-geno, nitrgeno). Al subir la temperatura, la presin 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 termmetros ms manuables.Los termmetros de resistencia elctrica utilizan las variacionesque experimenta la resistencia elctrica de ciertos materiales cuandose producen cambios en su temperatura. Su funcionamiento se basaen la medida de la corriente elctrica que atraviesa un filamento deplatino, cobre, acero o nquel, cuya resistencia vara en funcin de latemperatura a la que se encuentra.Los termopares o termistores se basan en las observaciones queefectuara, en 1821, el fsico alemn Thomas Iohann Seebeck:Cuando se unen los extremos de dos alambres de metales diferentesx e y (por ejemplo.oro-platino o platino-palado) y los puntos deunin se someten a distintas temperaturas (TI YT2)' se produce unafuerza electro motriz (f.e.m.) entre dichos puntos, denominada ten-sin termoelctrica y, consecuentemente, circula una corriente elc-trica por el par bimetlico, llamado par termoelctrico o termopar.Este fenmeno se conoce como Efecto Seebeck.Si en cualquier punto de este circuito se inserta un instrumento pa-ra medir la f.e.m., sta vara de acuerdo con la diferencia de tempe-ratura entre los dos puntos de unin. Entonces, conociendo la tem-peratura de uno de los puntos de unin se puede establecer la tempe-ratura del otro, de acuerdo con laf.e.m. producida .

. :',i,.Lg~,;!l!rmmetrosde resistencia y los termistores pertenecen al gru--f\p;'~los termmetroslctrcos, con los cuales se pueden automa-.::_,tizit;'f~smediciones de'"temperaturas al conectarlos a computado-

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

- 7--

!,.....!:.,'I.r\j.,' ':,

T,\

computadoray programa

p"mfiotarjeta de

fibra obtencinptica , _

radiacintrmica

red dedifracin

sensores

industriales, fundiciones, siderurgia, estrellas, etctera. Su funcio_namiento se basa en lo siguiente: todos los materiales que se hallana una temperatura superior a OK emiten energa, la cual aumenta amedida que se incrementa la temperatura del objeto. Esto hace po- sible medir la temperatura a cierta distancia determinando la radia-cin electromagntica emitida, en especial si es infrarroja o visible.Se encuentran diferentes tipos de pirmetros, tales como: pirme-tro de infrarrojos, pirmetro ptico, pirmetro fotoelctrico y pir-metro de radiacin total. Estos pirmetros tienen la ventaja de quepueden medir la temperatura a cierta distancia, sin necesidad de es-tar en contacto con el objeto.En los pirmetros de radiacin total se capta, mediante una lentecomn, la energa trmica emitida por el cuerpo que se quiere exa-minar en una direccin determinada y se mide la elevacin de tem-.peratura producida en el foco de la lente mediante un par termo e-lctrico. 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 circulacin de agua,cuando se midan temperaturas sumamente elevadas.Actualmente existen modelos equipados con lser y microcom-putador que permiten realizar mediciones a distancia con granprecisin.

Para medir la temperatura del cuerpo humano se utiliza el denomi-nado termmetro clnico, el cual tiene una escala que se extiendeentre 35 y 42C, con intervalos de 0,1 "C.Presenta la particularidadde que la columna mercurial se detiene en el punto ms 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 razn de que registra la temperatura ms elevada que ha alcan-zado se lo denomina termmetro de mxima.

3.2.4. Las escalas termomtricas

Para medir la cantidad de una determinada magnitud se adopta unaunidad de medida. As, para medir la longitud se ha tomado comounidad el metro; para medir el volumen, el litro; para medir el tiem-po.velsegundo. Entonces.ssendo la temperatura una magnitud,

~ tambin es necesario establecer una unidad de medida adecuadapara ella.A travs del paso del tiempo se propusieron diversas unidades conlas cuales se pudieron confeccionar diferentes escalas termom-tricas.

-2- Fsica Polirnodai

la energa trmica

f!tI,jt!

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En la actualidad, las que tienen mayor aceptacin son las de Celsius(de uso cotidiano en nuestro pas), de Fahrenheit (utilizada en lospases de habla inglesa) y de Kelvin (de uso cientfico).

Escala de (elsius

En 1742 el fsico sueco Anders Celsius (1701-1744) propuso la esca-la centgrada. Como el agua funde siempre a la misma temperaturay lo mismo sucede al hervirla en iguales condiciones de presin, eli-gi como puntos fijos cero y cien los que corresponden a la fusin ya la ebullicin del agua pura, respectivamente.

La escala de Celsius se determina de la siguiente forma:

a) Se coloca el termmetro en hielo triturado en fusin. Se observaque la columna de mercurio desciende durante unos minutoshasta llegar a una cierta altura donde se detiene, pues ha alcan-zado la temperatura del hielo que se est fundiendo. En esa po-sicin permanecer mientras dura la fusin (durante el cambiode estado slido a lquido, la temperatura permanece constan-te). Entonces, se hace all una marca en el vidrio que correspon-de al punto fijo cero de la escala.

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

c) Ya establecidos el Oy el 100, se divide la escala en 100 partesiguales, representando cada una de ellas un grado celsius. (En1948, la denominacin grado centgrado fue remplazada porgrado celsus). Su smbolo es Cy se escribe 1 Cy no 1C. (Lossmbolos y C son inseparables.)

Esta escala puede continuarse por encima de los 100C y por deba-jo de OC; en este ltimo caso la temperatura se expresa mediantenmeros negativos (por ejemplo: -10C significa 10 C bajo cero).

Escala de FahrenheitEn 1724, el fsico alemn radicado en Amsterdam (Holanda), Ga-briel Fahrenheit (1686-1:736) ide una escala que lleva su nombre yque es utilizada en los pases de habla inglesa. En esta escala la uni-dad de medida se denomina grado Fahrenheit y su smbolo es F.Con respecto a la escala de Celsius presenta las siguientes diferencias: el cero no corresponde al punto de fusin del hielo, sino a una

mezcla frigorfica de hielo y sal que tiene una temperatura infe-rior a aqul, de modo que OC equivale a 32 E

Al punto, de ebullicin del agua le corresponde un valor de 212 E Entre Oy 100C hay 180 E

.

i

Detetmtnacin del punto ~j c~~

, .~~:f...fusin del hielo..K1 373 ebullicin del agua

_ .??~.~.. fusin del hielo

~ .. "; '-; 7- "

EquivalenciasEn ciertas ocasiones resulta til transformar los valores de tempera-tura de una escala en otra. As, si se dan datos en grados Pahrenheit(como-ocurre en ciertas pelculas cinematogrficas) para su correc-ta interpretacin es necesario convertidos en grados celsius.Supongamos que nos dicen que la temperatura ambiente es de 86F,a cuntos grados celsius corresponde?:Primero, debemos recordar que O"Cequivale a 32F, por lo cual hayquerestarle 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 e _ 54P100 e - 180 0p

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

Entonces, 86 "Fequivalen a 30 "C.

En general, se establece la siguiente proporcin:

x e _ n P - 32 P1000e - 1800P

luego: x "C = (n ~P- 32 P) . 100 e1800P

y como 100 =..5..180 9

Escala absoluta o de KelvinA medida que disminuye el movimiento de las molculas de uncuerpo, desciende la temperatura hasta llegar a un punto en el quelas molculas estn inmviles y no hay desprendimiento de calor.Esa temperatura es la menor que puede existir y se denomina ceroabsoluto.Por deducciones matemticas se ha determinado que el cero abso-luto corresponde a -273 "C. En base a esta deduccin, y para que noexistan temperaturas negativas, se ha elaborado una nueva escalatermomtrica, denominada escala absoluta o de Kelvin.La unidad de medida en esta escala se llama kelvin, en honor al fsi-co ingls Lord Kelvin, siendo su smbolo Ky no K(no debe usarse elsmbolo de grado).En esta escala se considera al cero absoluto como cero grados kelvin(OK); la temperatura de fusin del hielo (O"C) 'corresponde a 273 Kyla temperatura de ebullicin del agua (100 "Cl equivalea 373 K.Entonces, para transformar los grados celsus en kelvin se debe su-mar 273 a aqullos:"

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

"C = nK-273

~e;r~ D~l;m~~~l

Jf

La energa trmica

-459,4 -273 o

Cuadro comparativode las escalas

termomtricas. 212 100 373

o -17,77 255,22

12.5.(ul es la unidad SIMELA?

32 o 273

El Sistema Mtrico Legal Argentino ha adoptado como unidad detemperatura termodinmica al kelvin (K), aunque su uso est reser-vado para las reas de la investigacin cientfica.Adems, se acepta el uso de la escala de Celsius, cuya unidad es elgrado celsius (OC), segn hemos visto.

Figura 21.2 .AHay ms energa cinticamolecular en el cubo de aguatibia que en la pequea taza deagua que est a una temperaturamayor.

Fe ,

310

Temperatura y energa cintieaLa temperatura se asocia con los movimientos aleatorio s de las molculasde una sustancia, En el caso ms sencillo de un' gas ideal, la temperaturaes proporcional a la energa cintica promedio debida al movimento detraslacin de las molculas (esto es, elmovimiento que se da a lo largo.de trayectorias rectas o curvas). La temperatura es ms complicada enlos slidos y en los lquidos, cuyas molculas tienen menos libertad demovimiento y poseen energa potencial. Pero no deja de ser cierto quela temperatura guarda una relacin estrecha con la energa cinticapromedio del movimiento de traslacin de las molculas. As pues, elcalor que sientes cuando tocas una superficie caliente es la energacintica que transfieren las molculas de la superficie a las molculasde tus dedos.

Ten en cuenta que la temperatura no es una medida de la energacintica total de las molculas de una sustancia. Hay dos veces msenerga cintica en dos litros de agua hirviente que en un litro, pero latempetatura de ambos litros de agua es la misma porque la energacintica promedio de las molculas es la misma en cada caso.

* La escala Celsius se llama as en honor de la persona que la sugiri por primera vez, elastrnomo sueco Anders Celsius (1701-1744). Sola llarnrsele escala centgrada, palabra queproviene de centi ("centsimo") y gradus ("grado"), La escala Fahrenheit se llama as enhonor del fsico alemn Gabriel Fahrenheit (1686-1736), y la escala Kelvin en honor del fsicobritnico Lord Kelvin (1824-1907),

Captulo 21 Temperatura, calor y expansin

-JA-

La energa trmica

3.1.1. Qu se entiende por sensacin trmica en meteorologa?

Es comn que en los boletines meteorolgicos no slo se indique acuntos grados Celsius asciende la temperatura, sino que tambinse informe cul es la sensacin trmica. Esta expresin se refiere alas sensaciones de fro o de calor que las personas experimentancuando estn expuestas al aire libre.Es conocido que la temperatura del aire exterior no siempre coinci-de con el fro o con el calor que la persona siente, porque en la per-cepcin de esa sensacin tambin influyen la velocidad del viento yla humedad relativa. ~...-----.---En un ambiente fro y de mucho viento -por ejemplo, en las regio-nes ms australes del pas- las personas experimentan una sensa-cin trmica equivalente a una temperatura menor que la indicadapor el termmetro. Esto se debe a que el viento incrementa la prdi-da de calor corporal a nivel de la piel, acelerando el proceso de en-friamiento de las zonas ms expuestas (cara, orejas, manos). As,por ejemplo, si en una maana de invierno la temperatura es de OCy existen condiciones de calma (sin viento), no se siente mucho fro,pero a la misma temperatura y con viento de 40 Km/h, la sensacintrmica ser equivalente a 15C bajo cero.En el verano, la sensacin trmica de incomodidad se incrementacuando la humedad relativa del aire es alta. As, por ejemplo, si latemperatura del aire es de 27C y la humedad relativa del 40%, lasensacin trmica es igual a esa temperatura, pero, si la humedad seincrementa al 80%, la persona se siente como si estuviera en un am-biente a 32C. En este caso, el valor de la sensacin trmica excedeal de la temperatura del aire porque se inhibe el proceso de evapo-racin del sudor, que constituye un mecanismo naturalde regula-cin de la temperatura corporal.Por el contrario, si la humedad es baja, la sensacin trmica es me-nor que la temperatura del aire. Existe un aumento de la sensacinde bienestar producida por un mayor enfriamiento de la piel, debi-do a que la baja humedad del aire favorece la evaporacin de latranspiracin.Por otra parte, en el verano, tambin influye el viento en la sensa-cin trmica: cuando la temperatura es menor a 32C (temperaturade la piel), el viento disminuye la sensacin trmica; en cambio, si latemperatura supera los 32C, la sensacin se incrementa.Amodo de ejemplo: para una temperatura de 30C, con humedadrelativa del 75 %y viento calmo (menos de 12,5 km/h), la sensacintrmica es 36C; pero, si el viento es de 40 km/h, la sensacin des-ciende a 34C.En suma, la expresin sensacin trmica es usada para describir loque un ser humano siente como resultado de la combinacin de latemperatura y el viento en invierno, y de la temperatura, la hume-dad y el viento en verano.Existen tablas ygrficps que permiten calcular la sensacin trmicaque una persona experimenta para diversas combinaciones de tem-peratura, viento y humedad relativa. .

-J2-

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

energa, es decir producir intercambio de energa con otro cuerpo.Para calentar la mamadera del beb, la mam la coloca durante cierto tiempo

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

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

El agua caliente, los gases incandescentes de la hornalla, o una estufaestn auna temperatura mayor que los otros cuerpos. Cuando se ponen encontacto dos cuerpos que se encuentran a distinta temperatura, espontnea-mente, se produce un intercambio de energa del cuerpo ms caliente hacia elcuerpo ms fro. Esta manera de transferir energa se llama calor.

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

As, el calor transmitido modific la energa interna de la leche y del agua de lapava.

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

En el caso de intercambio por calor, tambin se debe tener en cuenta el Princi-pio de Conservacin de la energa. As, la cantidad de calor es igual al cambio de laenerga 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 entreg esa cantidad de energa al agua de lapava. Elgas disminuy su energa y el agua la aument en 100.000 J.

El calor se trasmite, siempre desde el cuerpo ms caliente hacia el ms fro; elcuerpo ms caliente disminuye su energa interna, mientras que aumenta en elcuerpo ms fro. Elcuerpo ms fro recibe o gana energa; el cuerpo caliente entre-ga o pierde energa. 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 = _ G '\Q= o- ceo LlTLos gases en combustin de ;la hornalla intercambiar~n-100.000 J, esdecir quesu .:energa disminuy en 100.000J;mientras el calor recibido 'porel agua fue de 100.000J,Y-su,

:., ' .' energ~interna aument en '

. Q,,'lPOOOO! ,~~~;;Ii':~",,;;,;~~"':.13-

Elagua caliente cedeenerga a la leche.

Elagua de la pava recibeenerga de la combustin.

Cuando se saca una tortadel horno, se la dejaenfriar simplemente encontacto con el ambiente.La torta calientE~)~_

'-~~Z:)~:~~~~F~J~~~~i;~~;"::::'". . ,se encuentra infffo. .

Enfriarse es perder'fmergaen forma de calor.

67

21.4 Energa interna

En el blog:www.fisicaparaentenderma~.blogspgt.com,hay unQPunte muyclaro sobreCalor y EInterna.

Adems de la energa cintica de traslacin de las molculas que se agi-tan, una sustancia contiene energa en otras formas. Hay energa cinticade rotacin de las molculas y energa cintica debida a los movimientosinternos de los tomos dentro de las molculas. Hay tambin energapotencial debida a las fuerzas que se ejercen entre las molculas. El grantotal de todas las energas que una sustancia contiene se conoce comoenerga interna. Las sustancias no contienen calor, sino energa interna.

Cuando una sustancia absorbe o desprende calor puede cambiarcualquiera de estas energas. As, cuando una sustancia absorbe caloresta energa puede hacer o no que las molculas se agiten ms aprisa.

La energa que se absorbe puede afectar a las sustancias de distintasmaneras. La energa absorbida que incrementa la rapidez de traslacin delas molculas causa un aumento de temperatura. La energa absorbidapuede incrementar adems la rotacin de las molculasy las vibracionesinternas dentro de las molculas, o alargar las uniones intermolecularesy almace-?-arsecomo energa potencial. Sin embargo, estos tipos deenerga no son medidas de la temperatura. La temperatura es nicamenteuna medida de la energa cintica asociada al movimiento de traslacin.En general, slo una porcin de la energa que una sustancia absorbeeleva su temperatura. '

Mientras que un gramo de agua requiere 1 calora de energa paraelevar su temperatura en 1C, se necesita slo alrededor de una octava 'parte de esa energa para elevar la temperatura de un gramo de hierroen la misma medida. Los tomos de hierro de la red cristalina se agitanprincipalmente en un movimiento de traslacin, en tanto que las mo-lculas de agua absorben gran cantidad de energa para movimientosde rotacin, vibraciones internas y alargamiento de uniones. As pues,el agua absorbe ms calor por gramo que el hierro para un mismo cam-bio de temperatura. Decimos que la capacidad calorfica especfica(llamada con frecuencia simplemente calor especifico) es mayor.

j, 2.3. CALOR ESPECIFICO----------------~Cada sustancia tiene una capacidad calrica propia y dfer=nte a lz 'de las dems. Por lo tanto, es necesario proporcionarle distintascantidades de calor a masas iguales de. sustancias diferentes paraelevar su temperatura en 1 "C. Esto llev a establecer el concepto decalor especfico, que puede definirse del siguiente modo:

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

Esta propiedad es caracterstica distintiva de cada sustancia, puessus valores son constantes y definidos. El agua, con un calor espec-fico de 1 cal/g. C (4.187 J/kg.oCl es la sustancia que prcticamente.tiene el valor ms elevado entre todos los slidos y lquidos conoci-dos.'" __'

El agua tiene una capacidad para almacenar energa mucho mayor quecasi todos los materiales comunes. Una cantidad de agua relativamentepequea absorbe una gran cantidad de calor que produce un aumentode temperatura de poca magnitud. Por esta razn el agua es un agenterefrigerante muy til que se utiliza en los sistemas de enfriamiento delos automviles y de otros motores. Si en los sistemas de enfriamientose emplease un lquido de menor capacidad calorfica especfica, elaumento de temperatura sera mayor para una misma cantidad de calorabsorbido. (Desde luego que, si la temperatura del lquido se hace iguala la del motor, ya no habr enfriamiento). El agua tambin tarda mstiempo en enfriarse, un hecho que les resultaba til a tus abuelos,

14 -

Ce=_Q_m.M

Ce = calor especfico.Q = cantidad de calor..m = masa de la sustancia.M = variacin 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 130Petrleo 0,500 2093

quienes en las fras noches de invierno quiz metan botellas de aguacaliente entre las sbanas para calentarse los pies.

Esta propiedad del agua de resistirse a los cambios de temperaturamejora el clima en muchos lugares. La prxima vez que examines un globoterrqueo observa la elevada latitud de Europa. Si la capacidad calorficadel agua no fuese grande, los pases europeos seran tan fros como lasregiones del noreste de Canad, porque Europa y Canad reciben aproxi-madamente la misma cantidad de energa del Sol por kilmetro cuadrado.La corriente atlntica que conocemos como Corriente del Golfo trans-porta agua caliente hacia el noreste desde el Caribe. La corriente guardauna buena parte de su energa interna el tiempo suficiente para alcanzarel Atlntico Norte frente a las costas de Europa, donde se enfra. Losvien-tos del oeste difunden la energa que se desprende (una calora por gradopor cada gramo de agua que se enfra) sobre el continente europeo.

Hay una diferencia similar entre los climas de la costa oriental y lacosta occidental de Norteamrica. En las latitudes de Norteamrica losvientos vienen del oeste. En la costa occidental el aire se desplaza delOcano Pacfico hacia tierra. Debido a la gran capacidad calorfica delagua la temperatura del ocano no vara mucho del verano al invierno.El agua est ms caliente que el aire en el invierno, y ms fra 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 deNorteamrica. En verano el agua enfra el aire y las regiones costerasoccidentales se enfran. En la costa oriental el aire se desplaza desdetierra hacia el Ocano Atlntico. La tierra, cuya capacidad calorfica es

r>. . menor, se calienta en el verano pero se enfra rpidamente en invierno.Como consecuencia de la elevada capacidad calorfica del agua y de ladireccin del viento, la ciudad de San Francisco, situada en la costa occi-dental, es ms clida en invierno y ms 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 isleos y las personas queviven cerca de las corrientes de aire ocenicas deben alegrarse de que elagua tenga una capacidad calorfica especfica tan grande, como sinduda lo hacen los habitantes de San Francisco!

21.8 Expansin trmicaCuando la temperatura de una sustancia aumenta, sus molculas se agi-tan ms aprisa y normalmente tienden a separarse. Esto da por resul-tado una expansin de la sustancia. Con pocas excepciones, la materia'en todas sus formas (slidos, lquidos y gases) se expande cuando secalienta y se contrae cuando se enfra. En general, para presiones y cam-bios de temperatura comparables los gases se expanden o se contraenmucho ms que los lquidos, y stos se expanden o se contraen ms quelos slidos:

* Esta regla es vlida si el slido, el lquido y el gas se expanden contra una presin constante,Se puede impedir que un g~s contenido en un recipiente se expanda, pero en ese caso lapresin no es constante.

Figura 21.8 ~El agua tiene una elevadacapacidad calorfica especficay es transparente, por lo cualnecesita ms energa que elsuelo para calentarse, Porqu afecta el hecho de que seatransparente?

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\Silas aceras de concreto yel pavimento de las carreteras se tendiesen

como una pieza cor:tinua, se formaran grietas a causa de la expansin yla contrac~lOn ocasionadas por la diferencia entre las temperaturas esti-vales y las mvernales. Para evitar esto, la superficie se tiende en seccionespequeas, cada una separada de la siguiente por un pequeo espacio quese llena con una sustancia como la brea. En los das calurosos de verano

- la expansin suele hacer que este material surja de las uniones.En la construccin de estructuras y dispositivos de todo tipo se debe

tomar en cuenta la expansin de los materiales. Los dentistas usanmate,riales de re.l~enoque se expanden en la misma proporcin quelos dientes. El dimetro de los pistones de aluminio de un motor deautomvil es suficientemente ms pequeo que el de los cilindrosde acero, en funcin de la mayor razn de expansin del alumino. Parareforzar el concreto los ingenieros civiles emplean acero cuya razn .de e~ansin 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 oscilacin que permite la expansin. La calzadamisma se construye en segmentos unidos por junturas de cremallerallamadas juntas de expansin (Figura 21.9).

Figura 21.9 .

Este espacio es una junta de expansin que permite al puente expandirse ycontraerse.

Los distintos materiales se expanden en diferente proporcin. Unatira birnetlica consiste en dos tiras de metales distintos, por ejemplo,latn 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 expansin del latn y del hierro. Un lado de la tira doblese hace ms largo que el otro, y esto hace que la tira se curve; cuando latira se enfra, se dobla en sentido contrario, porque el metal que seexpande en mayor medida tambin se contrae ms. Se puede usar elmovimiento de la tira para mover un indicador, para regular una vlvulao para accionar un interruptor.

El termostato es una aplicacin prctica de la tira bimetlica(Figura 21.11). Las expansiones y contracciones de la bobina bimetlicaabren y cierran un circuito elctrico. Cuando la habitacin se enfrademasiado, la bobina se curva hacia el lado del latn, y al hacerla cierraun interruptor elctrico que pone en marcha el calentador. Cuando lahabitacin se calienta demasiado, la bobina se curva hacia el lado delhierro, abre ste y desconecta la unidad de calefaccin. Los refrigera-dores estn provistos de termostatos especiales que impiden que secalienten o se enfren demasiado. Se utilizan tiras bimetlicas en lostermmetros de horno, los tostadores elctricos, los estranguladoresautomticos de carburador y en otros dispositivos.

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HiERROJTEMPERATURA AMBIENTEI ; . -j. , _.,

Figura 21.10 ATira bimetlica. El latn seexpande (o se contrae) ms queel hierro cuando se calienta (o seenfra), y la tira se curva comose muestra en la figura.

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Cmo se transmite el calor

Te invito a que veas losvideos sobre Transmisinde Calor que estn en elblog:www.fisicaparaentendermas.blogspot.com

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

Latransferencia de energa por calor est presente en casi todas lasactividadesde 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 transmisin de calor. Perono siempre serealizade lamisma manera.Hay tres formas de transmitir el calor: conduccin, conveccin y radiacin. Gene-ralmente en un mismo proceso, se producen las tres formas juntas, pero muchasveces alguna de ellas prevalece sobre lasotras.

ConduccinUn ama de casa sabe muy bien que no debe revolver la comida que est sobre

el fuego con una cuchara metlica, porque la energa se transmite desde la comidacaliente hacia la cuchara fra y luego a travs de ella, hastael extremo que seencuen-tra fuera de laolla. Laenerga setransmiti de un extremo al otro de la cuchara.

Este proceso de transmisin del calor se denomina conduccin. En la conduc-cin, la transmisin de energa se produce desde la zona de mayor temperaturahacia la de menor temperatura, sin movimiento de materia.

Para poder explicar este fenmeno es necesario observar microscpicamentela cuchara: al sumergirla en la comida caliente, se aumenta la energa interna de esa

.'"'c;r~gin de.Jacuchara, con lo que aurnentaasla enerqa cintica de las partc~las_del,c';,.,,;al,;';;::;~r~'~,~'!,~'~~~~I;q~~afdrman,loque haceqU~ViQ{~n~1~rPi~0. De esamanera, laS.q~~!~~P~~~lE{f.;;:2)~::'

":=::f;:'.:>"rpas energla transmiten parte de,s,u.e,nerglagI4s'partlculasquetienen menos enrglat' ,Conduccin de la energa. lascualesasuvez intrca~bian energacd~~'~siguiertes.As/laenerga se~onduce a '.

travs de toda la cuchara,hasta llegar a lazonaque esten contacto con lamano.

68 1 captulo 3 [La energa -{1-

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

mano, o tarda mucho en hacerlo. Los materiales estn formados por distintos tiposde partculas y stas estn 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 plsticos, el papel, por ejemplo son malos conductores.

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

Cuanto ms lenta sea esa transmisin del calor, mejor aislante trmico 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 tiles en las situaciones en las que se necesita aislar un cuerpo.

Volvamos al caso de pisar descalzos el piso de cermica y la alfombra. Ambosestn a la misma temperatura, pero el piso de cermica es mejor conductor que laalfombra, y por lo tanto, el pie le entrega ms rpidamente energa al piso, y percibela sensacin de fro.

Engeneral, los cocinerosusan cucharas de maderao con mangos de plstico.De lo contrario, al cabo deun instante se quemaranlas manos.

Caractersticas de la conduccinSepueden hacer experiencias sencillas que permitenobservar las caractersticas de la conduccin.

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

Q.,Pasol: 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 la 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 estn bien fijas, coloquenun extremo de la aguja al fuego de la vela yesperen aque caigan todas laschinches.

a., Cayeron todas las chinches al mismo tieOlRP? p'orqu? . ..'C:~;~', .. ,~'" L,'.:'~': .....b .Qucaracterstica de I~conduccin del calor se compr~eb~\:o~;-'~st~'experiencia r

-/9-

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

fundamentalmente por convecci~. En este proceso, la transmisin del calorse produce por corrientes en el fluido llamadas corrientes de conveccin.

Para observarlas, basta con colocar agua y unos granos de arroz en un recipien-te ycalentarlo al fuego de una hornalla. Cuando el lquido comienza a calentarse,se empieza a notar cierto movimiento del agua. Al comienzo, este movimientoes 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 circulacin de las corrientes de conveccin.

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

se calientan y disminuye su densidad, entonces comienzan a ascender. Su lugar esocupado por las capas de agua ms fras que descienden porque tienen ms densi-dad. El fondo del recipiente calienta las nuevas capas de agua fra, y se repite todoel proceso. Las corrientes de conveccin generan as un movimiento de circulacinqu permite calentar toda el agua del recipiente. En este caso, la energa setransrni-te con movimiento de materia.

La conveccin se produce en cualquier fluido. Las corrientes de conveccin dela atmsfera 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 energa.

La brisa marina tambin se produce por las corrientes de conveccin del aire.Durante el da, la arena se calienta ms fcilmente 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.

Lasestufas se colocanen la parte inferior deuna habitacin, paraque las corrientes deconveccin calienten todoel ambiente.

GlosarioFluidos: tanto los lquidoscomo los gases carecende forma propia por esoadoptan la forma delrecipiente que los contiene.Tienen as la propiedad defluir iibrernente y debidoa esto se los denominafluidos.

70 ICaptulo 3 ILa energa

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- 49-

Abrigarse o aislarseSi el calor se define como una energa en trnsito, el trmino fro no tiene sen-

tido para la Fsica. Esdecir, si se trasmite energa entre dos cuerpos que tienen dis-tintas temperaturas, esta se llama calor. Si no se produce tal transmisin, no hayfenmeno para estudiar.

-

L3Scasas.se aslan para'quenosalga "\, ,,'calor de su interir. CUando uhac'lsa senfr~n? es pOrlluehayaentrdoel fr(), ,.sino pOrque'la e.n.erga,$e ha~scapado", .'

. ..~~'f~r~~ 'de~~'alo'r~'".::,; .,;-

--~

RadiacinPara hacer un asado, una vez que el asador prendi el fuego, distribuye las bra-

sas por toda la base de la parrilla. Un bu~n parrillero sabe que si coloca la carne enalgn sector de la parrilla que no tenga brasas, esta no se cocina. Incluso pararetrasar la coccin de algn trozo, lo aparta y lo coloca en algn lugar que no. est expuesto al carbn encendido. En qu se basa esta estrategia de losasadores? De qu manera llega la energa desde las brasas hasta el asado?

La coccin del asado no se realiza por conduccin ni por conveccin.Este es uno de los casos en los que la energa 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 transmisin se produce a travs de ondas electromagnticas.Dentro de las ondas electromagnticas se encuentran las ondas de radio, rnlcro-

ondas, radiacin infrarroja, la luz visible, radiacin ultravioleta, rayos X, rayos gam-ma. Una caracterstica en comn de estas ondas es que no necesitan un materialque les permita trasladarse, sino que pueden hacerlo aun en l vaco.

La energa que se transmite por radiacin se llama energa radiante. Para sim-bolizarla se suele utilizar una R (mayscula cursiva). Lo mismo que el trabajo y elcalor, se mide en J: joule.

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

El carbn encendido emite radiacin infrarroja que permite cocinar la carne.

GIOS;;iORadiacin: esta palabratiene varios significadospara la Fsica. En este casose usa para designar unaforma de propagacin de laenerga. En Fsica atmica,se la aplica a la emisin dencleos radiactivos, como eluranio y el radio.

72 I captulo 3 I La energia

Emisin y absorcin de energa radianteTodos los cuerpos emiten energa radiante, pero algunos irradian ms cantidad

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

Cuando un cuerpo est lo suficientemente caliente, una parte de la energaradiante que emite est en la regin de las ondas de luz visible, como el filamentode una lamparita.

Cuando la energa 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 radiacin que les llega, mientras que las oscuras onegras reflejan muy poca radiacin y absorben casi toda la energa.

-2/-

la radiacin como transferencia de calorLa energa del Sol llega a la atmsfera luego de haber atravesado el espacio

vaco. Por eso es que no pudo haberse transmitido por conduccin ni por convec-cin. El Sol emite ondas electromagnticas que, mediante el proceso de radiacin,atraviesan la atmsfera y llegan a la superficie de la Tierra.

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

Para que un cuerpo reciba la radiacin trmica, debe estar frente al cuerpo emisor.Lasestufas infrarrojas calientan mucho ms cuando se est expuesto directamente. Sise coloca una de estas estufas en el medio de una habitacin, los cuerpos que estnenfrentados a ella estarn a mayor temperatura que aquellos que estn atrs.

la radiacin como transferencia de energaEn otras situaciones, la energa 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 radiacin infra-

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

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

modificando algunas molculas de los alimentos.Los telfonos celulares funcionan porque la seal viaja a travs de ondas desde

la antena emisora hasta la antena receptora. Esta seal es energa radiante.Los rayos X son otra forma de radiacin cuyos usos estn 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 energa por radiacin desde un

cuerpo hacia otro.

La radiacin electromagnticapuede atravesar algunoscuerpos transparentes, comoel vidrio.

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Influencia del coloren la absorcin de laenerga radiante.Tomen dos latas yqutenles el papel que lasrecbre. A una pntenlao recubranla de negro.Coloquen hielo de igualtamao dentro de cadalata y expongan ambasal sol. Tard el mismotiempo en derretirse elhielo en las dos latas?Expliquen por qu.

el equilibrio termico

joulecalculas

ate: sI' cambia, hay,E. INTERNAde un cuerpo

( conc~Pt~)~ti'ene un

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en distintas escalastermomtric:as

LA SUMA DE I los cambios. (Epi+Eci) de estado

.}ta . / ti, . ~ ~ ~tadonada eon

lE;.~n!J cE~:~~6\debida a

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con untermmetro

La Temperatura

del moY~miento demolculas V tomos

las 'uer~asentre partfculas

de la masa J

~JRepas

Preguntas de repaso

1. Cmo se mide la temperatura comnmente?(21.1)

2. Cuntos grados hay entre el punto de fusindel hielo y el punto de ebullicin del agua en laescala Celsius? Yen la escala Fahrenheit?(21.1)

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

4. En trminos de diferencias de temperaturaentre objetos que estn en contacto trmico,en qu sentido fluye el calor? (21.2)

5. Qu queremos decir cuando afirmamos queun termmetro mide su propia temperatura?(21.3)

6. Qu es el equilibrio trmico? (21.3)

7. Qu es la energa interna? (21.4)

8. Cul es la diferencia entre una calora y unaCalora? (21.5)

9. Qu significa afirmar que un material tieneuna capacidad calorfica especfica grande opequea? (21.6)

io, Cmo es la capacidad calorfica especfica delas sustancias que se calientan rpidamente:grande o pequea? (21.6)

11. Cmo es la capacidad calorfica especfica delagua en comparacin con la de otras sustan-cas comunes? (21.7)

12. Por qu la costa occidental de Norteamricaes ms clida durante el invierno y ms frescaen el verano que la costa oriental? (21.7)

13. Por qu se curva una tira bimetlica cuandose calienta Io se enfra)? (21.8)

14. Qu se expande ms cuando aumenta la tem-peratura: los slidos, lbs lquidos o los gases?(21.8)

t"t'

de ea -Itulo15. Aqu temperatura alcanza el agua su mxima

densidad? (21.9)

16. El hielo es menos denso que el agua a causa desu estructura cristalina abierta. Pero, por quel agua a OCes menos densa que el agua a4C? (21.9)

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

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

La prctica ;~"r; r: " 'La transferencia de calor en caloras est dada porla expresin Q = mcts'I, donde m es la masa engramos, e es la capacidad calorfica especfica encal! gOCy t::.T est dada en 0C.

1. Calcula cuntas caloras se necesitan paracambiar la temperatura de 500 gramos deagua en 50 grados Celsius. . _ ~ ()

t25000~2. Calcula cuntas caloras desprenden 500

gramos de agua cuando se enfran de 50C na2~C. _ /5000 (?.O.{

3. Un trozo de hierro de 30 gramos se calientaa 100Cy luego se pone en agua fra dondesu temperatura baja a 30C. Cuntascaloras cede el hierro al agua? (Lacapacidad calorfica especfica del hierro_o nes de 0.11 cal/gC.) . _ 231 CJOX...

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

-SQo .- ....

CALOR Y TEMPERATURA'1Marca con un f;;Jrculola respuesta correcta:

1. Cuando un cuerpo absorbe la cantidad de1cslaris, podemos afirmar que

A. 7 Su energa interna ha perdido 1 calora, o sea 4,18 J

B. 7 Su energa interna ha aumentado 4,18 J

C. ? Su energa interna permanece igual, aumentando slola temperatura

D. 7 Su energa interna ha aumentado 10(

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

A. ? No, la temperatura mide la energa media de agitacinde las partculas de un cuerpo

B. ? No, la temperatura mide la energa total de agitacinde las partculas de un cuerpo

C. ? S, la temperatura mide el calor total de las partculasde un cuerpo

D. ? S, la temperatura mide el calor medio de las partculasde un cuerpo

3. Podramos definir el calor como:

A. ? Una forma positiva de energa, mientras que el fro esuna forma negativa

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

C. 7 La temperatura que tiene un cuerpo

D. ? Una forma de comunicarse energa entre diferentes, cuerpos

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T. P : TEMPERATURA Y CALOR

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

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

20C.e) Un cuerpo puede perder parte de su energa interna transfirindola en

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

kg de cobre.

2) Si el avin en el que viajas aterriza en Nueva York y la azafata les dice que latemperatura exterior es de 25F Qu temperatura en C hace? ~ _ ~ 82) Un cuerpo a 20C se pone en contacto con otro que se encuentra a 293, 15K se

producir un flujo de calor entre los cuerpos? Justifica.AfA :; 5/.

3) Que cantidad de calor se necesita para aumentar 25C la temperatura de un litrode agua que estaba a temperatura ambiente? ~,...~:: /25'OOCJ ea{

4) Cuanto calor debe perder 500gr de hierro a 150C para que su temperatura _ ()descienda a 25C? If'r/l.7 _ 6';;'S eor

5) En un calormetro hay 200gr de agua a 20C y se agrega un cuerpo metlico de100gr a 150C, si la temperatura de equilibrio en el calormetro es 23C, cul esel Ce del metal? de que metal se trata? ro-;I/ :7 9O 4 r~ ~

6) Un calefactor elctrico entrega 50callseg ,es sumergido en 2 litros de agua a20C.

a)b)

cul es la potencia del calefactor expresada en watt?Si no se pierde calor al ambiente cunto tiempo se necesita para quehierva el agua? A'rA -:;3 ZC07

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

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

RTAS:l1,46C1460 cal1460 cal

-2&-

fsic9 T.P CALOR- TEMPERATURA-Ce

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

a) La cantidad de calor que contiene un cuerpo depende de su masah2 Masas iguales de cualquier sustancia requieren la misma cantidad de calor paravariar su temperatura en 30C9 La temperatura es la expresin del grado de agitacin promedio de las partculasde una sustancia.

ill. La capacidad calorfica del agua es muy baja ..cl El calor especfico de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para que 1Kgde la misma eleve su temperatura en 1C

2)Si dos cafeteras de igual forma, una de aluminio y otra de acero, contienen elmismo volumen de caf a 80C en cul de ellas el lquido se enfriar antes?Justifica tu respuesta.

ALGUNOS CLCULOS:

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

136F I 122F I 158F I 176F I 400F4) Completa la siguiente tabla con el valor de temperatura Celsius que equivale a cadauna de las temperaturas Kelvin

1_-_18_80_K__ I_-S_3_K 42_K__ -t-I_' _2_5_2_K_-+- __ O_oK__

5) cul es el Ce de una sustancia cuya masa de 20gr absorbe 2093J para pasar de 20 a473K? Rta: 0,13 cal/gr C

6) qu cantidad de calor pierden 3S0gr de agua para pasar de 90 a 20CRta: - 24500 cal

7) cul es la variacin de temperatura que experimenta una masa de medio Kg dehierro, si ha absorbido 12001 al exponerla a la llama.

Rta: 5,21 C

8) Un bloque de hierro de 0,400kg se calienta desde los 295k hasta los 125,6F .Cunto calor absorbi el hierro? Rta: 5517 J

9) Un bloque de metal de 500gr, absorbe 5,016J cuando su temperatura se eleva de293K a 30C. Calcular el Ce del metal

Rta: 0,24cal/gr C

-2 -;-

Rta: 22,9C

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

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 91,4P hasta su punto de ebullicin (78C). Expresar el resultado en J y en cal.

Rta: 9918 cal = 41457,24 J

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

13) En un calormetro con O,49lt de agua a 17C, se coloca un alambre de cobre de 65gr a 373K. Calcular el calor especfico del cobre si la temperatura de equilibrio selogr s 18C. (densidad del agua: 1kg/It)

Rta: 0,092cal/gr C

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

Rta: 58,45C

15) Por un alambre de cobre de 165gr pasa una corriente elctrica durante un cortotiempo, elevando su temperatura, de 21C a 39C. Qu cantidad mnima de energaelctrica fue convertida en energa trmica?

Rta: 273,24 cal

16) Calcular la energa trmica en Kcal que deben ceder 1600gr de agua lquida que seencuentran a 212F para disminuir su temperatura hasta los 10C.

Rta: -144Kcal

17) En un calormetro ideal que contiene 300gr de agua a 20C se introduce un cuerpode Ce desconocido a 100C y que tiene una masa de 800gr. cul es el calor especficodel cuerpo si el equilibrio trmico se logr a los 104F.

Rta: O,125cal/gr C

18) Un bloque de bronce de 100gr a 90C se coloca en un calorimetro que contiene200gr de agua a 20C. Suponga que no hay prdida de calor. cul es la temperaturafinal de la mezcla? (Ce del bronce: 0,088cal/gr C )

19) Cul seria la temperatura final de la mezcla de 2It de agua a 20C con 1 1tdeagua a 40C? Rta: 33,33C

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

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

FSICA: CANTIDAD DE CALOR

MS PROBLEMAS PARA PRACTICAR:

1) Calcular la cantidad de calor, en caloras y en Joules, para elevar la temperatura de 12 Kg.de plomo, desde 176F hasta 453K. (R= 22.320 cal)

2) Qu cantidad de calor se libera cuando 50 9 de agua, contenida en un vaso de aluminiode 40 9 se enfra en 60C?(R= 3.504 cal)

3) Se tiene un tanque que contiene 20 kg de agua a 10C. Cuntas kcal absorbe cuando secalienta hasta 40C? (R= 600 Keal)

4) En un recipiente se han colocado 10 Kg de agua fra a 9C. Qu masa de agua hirviendoes necesario agregar al recipiente para que la temperatura de la mezcla sea de 303K? No seconsidere la energa absorbida por el recipiente. (R= 3 Kg)

5) Se mezclan 30 Kg. de agua a 140F con 20 Kg de agua a 30C. Cul ser latemperatura de equilibrio de la mezcla? (R= 48C)

6) En 300 9 de agua a 453K se introducen 250 g de hierro a 392F. Determina latemperatura de equilibrio. (R= 33,28 C)

7) Se tiene un pedazo de metal de masa 80 g a 100C. Determinar el calorespecfico de ese metal, sabiendo que al sumergirlo en 150 g de agua a 291K, se obtiene unatemperatura de equilibrio de 22C. (R= 0,096 caf/g. C.)

8) A qu temperatura ser necesario calentar 2000 Kg de un lquido, de calorespecfico 1,5 caJlg.oC, que est a 20C, para que sea capaz de desprender2.500.000 Kcal? (R= 853,33 C)

9)Un pedazo de plomo de 250 9 se calienta hasta 112C y se introduce en 0,5 Kg de agua,incalmente a 18C, Cul es la temperatura finatdel plomo y et agua? (R= 19,38 C)

10) Se tiene un recipiente de aluminio, de 450 g, que contiene 120 9 de agua a 289K. Si dentrodel recipiente se deja caer un bloque de hierro de 220 9 a 84 G,Cul es la temperatura final del sistema? (R= 22,89C)

11) Se tiene un recipiente de hierro de 40 g que contiene 180 g de agua a 15C.Dentro se colocan70 9 de perdigones de hierro a 110C. Calcular la temperatura resultante. (R= 18,96 C)

12) Se introducen 2 Kg de latn a 212F en 5 Kg de agua a 1,67 C, logrndose unatemperatura de equilibrio de 5,11 C. Cul es el calor especfico dellatn?(R= 0.09 callg. C)

13) Se deja caer un bloque de 500 9 de cobre, que est a la temperatura de 140 De, dentro deun recipiente que contiene 400 9 de agua a 75,2F. Cul es la temperatura de equilibrio delbloque y el agua? (R= 35,7 (le)

14) Se tienen 200 9 de agua a 68F y se mezclan con 300 9 de alcohol a 323K. Sabiendo queel calor especfico del alcohol es 0,6 cal/g. C, cul es la temperatura final de la mezcla?(R= 34,9 e).----------------------------------------------------------------------------------------------------~~~-~-~--~------

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