1- La temperatura y el calor
La temperatura y el calor son dos conceptos muy diferentes y no debemos usarlos como sinónimos.
En el lenguaje común usamos la palabra “calor” para referirnos a una sensación opuesta al frío; así pues, confundimos el calor con la temperatura.
La temperatura es una propiedad de la materia, mientras que el calor expresa una transferencia de energía.
A continuación, revisaremos en detalle sobre los conceptos de temperatura y calor.
1.1 – ¿Qué es la temperatura?
La temperatura, al igual que la masa y el volumen, son propiedades de la materia. La temperatura es una magnitud que entrega información sobre el movimiento de las partículas que forman un cuerpo. Mientras mayor sea el movimiento de las partículas, mayor será la temperatura.
Recuerda que una magnitud, es una propiedad que se puede medir, expresándose con un número y una unidad de medida. Para medir la temperatura, se utiliza un instrumento llamado termómetro, el cuál puede tener graduaciones en diferentes escalas de medida, como la escala Kelvin (K) y la escala Celsius (°C).
Entonces, la temperatura es la medida del grado de agitación térmica que tienen las partículas que componen un cuerpo. Ese movimiento produce la dilatación y los cambios de estado.
Revisemos la siguiente situación.
Tenemos lo siguiente: un vaso de jugo muy frío y una taza de café muy caliente. ¿En qué caso las partículas se mueven con mayor facilidad?
Recordemos que cuando las partículas de un cuerpo se mueven con mayor energía cinética, su temperatura es mayor. En la situación anterior, la velocidad de las partículas del café es mayor que las del jugo. Por lo tanto, la temperatura del café es mayor.
1.2- ¿Qué es el calor?
Es una de las manifestaciones de la energía. El calor se debe a la energía cinética de las moléculas del cuerpo y esta función depende de la temperatura. Las unidades de medida del calor son el Joule (J) y la caloría (cal).
El calor es la transferencia de energía de dos cuerpos que se encuentran a diferente temperatura. Entonces, cuando dos cuerpos se ponen en contacto, el cuerpo que posee una mayor temperatura le transfiere energía al cuerpo que está a menor temperatura. Esta energía que transita, la que se transfiere de un cuerpo a otro, se conoce como calor.
Cuando ambos cuerpos alcanzan la misma temperatura, se produce el equilibrio térmico. Este se alcanza cuando entre ambos cuerpos no se produce la transferencia de calor.
Revisemos el siguiente ejemplo.
Tenemos un vaso de agua con hielo. El agua le transfiere calor al hielo, esto quiere decir, que el calor fluye desde el agua hacia el hielo. Siempre la transferencia de calor se realizará desde el cuerpo que posee una mayor temperatura al cuerpo que posee una menor temperatura.
Después de unos minutos, cesará la transferencia de calor entre el agua y el hielo. Como ya mencionamos, esto se conoce como equilibrio térmico.
A continuación, revisaremos cuáles son los principales efectos del calor en los cuerpos:
a) Aumentar la temperatura de los cuerpos.
b) Dilataciones de los cuerpos; es decir, puede producir variaciones de longitud, de superficie y de volumen de los cuerpos.
c) Cambio de estado, ej. el hielo mediante el calor puede transformarse en agua y ésta en vapor.
d) Cambio de color. Ej. fierro al rojo.
e) Deformaciones de los cuerpos Ej. La cera cambia fácilmente de forma al calentarlos.
2- ¿Cómo se mide la temperatura?
Para poder comparar el estado calórico de los cuerpos y poder decir si un cuerpo está más frío o caliente que otro, es necesario tener algunos puntos de referencia.
Esto se consigue con los termómetros que miden la temperatura de los cuerpos y pueden graduarse de diferentes maneras.
El termómetro más conocido es el líquido (mercurio o alcohol coloreado) que se compones de un tubo capilar ensanchado en su extremo inferior o bulbo; una vez introducido el líquido, se cierra el tubo (algunas veces se cierra al vacío). Al subir la temperatura aumentará el volumen del bulbo del tubo capilar y del líquido, pero como éste se dilata más que el material del tubo, el líquido ascenderá por el capilar al producirse un calentamiento o descenderá por un enfriamiento.
Se obtienen así distintas escalas termométricas, siendo tres las más usadas:
1° La escala Celsius o centígrada, cuyos grados se abrevian " °C o t°c".
Asigna el valor 0°C (cero grados Celsius) al punto de fusión del hielo y 100°C al punto de ebullición del agua. Este intervalo divide en 100 partes iguales el tubo capilar, constituyendo cada una de ellas 1°C.
Por lo general, en Chile se utiliza la escala Celsius para medir la temperatura.
2° La escala Fahrenheit, de uso en los países anglosajones, cuyos grados se abrevian " °F o t° F ". Asigna el valor de 32°F (32 grados Fahrenheit) al punto de congelación del agua y 212°F para la ebullición. El espacio entre 32°F y 212°F se divide en 180 partes iguales constituyendo cada una de ellas 1°F.
3° Escala absoluta o de Kelvin cuyos grados se abrevian " °T o °K ". En esta escala, 273 K corresponden a la temperatura en que el agua se congela, y 373 K, a la temperatura de ebullición del agua. Esta escala posee 100 divisiones entre estos valores y se suele usar en el ámbito científico.
Para que te quede más claro, puedes guiarte con la siguiente imagen:
2.1- Tipos de termómetros
Los termómetros son utilizados para medir la temperatura de un cuerpo. A continuación, te señalamos diferentes tipos de termómetros:
a- Termómetro clínico: Es el termómetro que el médico usa para tomar la temperatura de un enfermo. Cerca del bulbo tiene una estrangulación, que no impide que el mercurio pase por ella cuando la temperatura sube. Pero cuando la temperatura baja, el mercurio no puede pasar del bulbo, quedando registrada la máxima temperatura alcanzada. Sacudiendo el termómetro se consigue que el mercurio vuelva al bulbo.
b- Termoscopio: Este termómetro fue inventado por Galileo Galilei en el siglo XVI. Funciona en base a la dilatación del alcohol que está contenido en un tubo abierto en uno de sus extremos.
c-Termómetro digital: Mide la temperatura y la convierte en una variación de corriente. Señala la temperatura registrada en una pantalla digital.
d- Termocupla: Instrumento digital que registra la temperatura con gran precisión. Tiene un sensor que registra la temperatura y la señala en una pantalla digital.
e- Pirómetro óptico: Mide la radiación infrarroja que emite un cuerpo y la expresa como temperatura.
2.3- Taller de ciencias: Estimación y medición de la temperatura
En este siguiente experimento revisaremos como estimar y medir la temperatura. Para esto, se utilizará un termómetro de laboratorio, el cual, mide la temperatura en grados centígrados o Celsius (°C).
Si debemos medir la temperatura del agua en un recipiente, el termómetro no puede tocar las paredes ni el fondo del recipiente de vidrio. Además, el termómetro no debe ser tocado directamente con las manos. Para esto se emplean pinzas o un soporte universal para sostener el termómetro.
Como mencionamos anteriormente, este experimento consiste en estimar y medir la temperatura del hielo, del agua a temperatura ambiente y del agua tibia.
Materiales
– Cubos de hielo
– Agua a temperatura ambiente
– Agua tibia
– Termómetro de laboratorio
– 3 vasos
Procedimiento
En el primer vaso, se colocan los cubos de hielo. Introduciremos el dedo de nuestra mano y estimaremos a qué temperatura puede encontrarse el hielo. Luego, lo medimos con el termómetro.
En el segundo vaso, se coloca agua a temperatura ambiente. Introduciremos el dedo de nuestra mano y estimaremos a qué temperatura puede encontrarse esta agua. Luego, la medimos con el termómetro.
En el tercer vaso, se coloca agua tibia. Antes de medir el agua tibia con el termómetro, introduciremos el dedo (procurando que el agua no esté tan caliente para no quemarnos) y estimaremos la temperatura. Posteriormente, utilizamos el termómetro para realizar la medición.
Resultados
Para registrar los resultados obtenidos, puede completarse la siguiente tabla.
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Contenido del vaso |
Hielo |
Agua a temperatura ambiente |
Agua tibia |
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Temperatura estimada (C°) |
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Temperatura real (C°) |
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Conclusión
Si realizas este experimento, puedes darte cuenta que nuestro cuerpo puede funcionar como una especie de termómetro, ya que es capaz de estimar temperaturas y podemos distinguir lo frío de lo caliente.
Esto se conoce como sensación térmica y es la percepción que posee una persona sobre la temperatura de otros cuerpos. La sensación térmica no es una medida exacta, es por esto, que luego siempre debemos corroborar la temperatura con el termómetro.
3- ¿Cómo se transfiere el calor?
Ya sabes que el calor es energía térmica en tránsito, es decir que pasa de un cuerpo a otro. Pero este transporte no siempre se produce de la misma manera.
Existen tres formas de transferencia de calor: conducción, convección y radiación.
3.1- Conducción
Cuando dos cuerpos entran en contacto, las partículas de uno de ellos chocan con las de otro transfiriéndoles energía a través de la superficie que los une, pero sin desplazamiento de materia.
Las partículas del cuerpo de mayor temperatura colisionan entre ellas y con las paredes del otro cuerpo, y así aumentan las velocidades de las partículas de su vecino. Este movimiento implica un aumento de temperatura en el cuerpo que estaba más frío.
Al chocar las partículas de un cuerpo con el otro, las energías cinéticas promedio se igualan. Este proceso continúa hasta que ambos cuerpos tengan la misma temperatura. De ese modo, se transmite el aumento de temperatura a todo el cuerpo.
Conductores y aislantes térmicos
No todos los cuerpos conducen el calor con la misma facilidad.
– Los conductores térmicos son los cuerpos que permiten la transferencia de calor, como los metales. También se denominan cuerpos buenos conductores del calor.
– Los aislantes térmicos son los cuerpos que no permiten la conducción de calor, como la madera. También se llaman cuerpos malos conductores del calor.
3.2- Convección
Cuando se hierve agua en una olla, el agua que está en el fondo (más cerca del fuego) se calienta primero. Entonces, se dilata y disminuye su densidad, por lo que comienza a subir hasta la parte más alta del recipiente. Al hacer esto, desplaza el agua fría que está más arriba y la hace descender hasta el fondo de la olla, donde se calienta. Así, se repite el proceso. Este movimiento del agua forma corrientes ascendentes y descendentes llamadas corrientes de convección.
La convección es una forma de transferencia del calor que ocurre principalmente en los líquidos y en los gases.
3.3- Radiación
Cuando un cuerpo está a una temperatura mayor que la del ambiente en que se encuentra, emite ondas electromagnéticas. Estas ondas pueden viajar en el espacio, incluso en el vacío. Si estas ondas impactan en un cuerpo más frío, aumentan la temperatura del objeto. Algunos ejemplos de radiación son la forma en que el Sol calienta la Tierra y la sensación térmica que tienes al acercar tu mano a una fogata.
La radiación es un proceso por el cual se transmite calor a través de ondas electromagnéticas. Estas ondas se propagan tanto en medios materiales como en el vacío.
