La energía térmica y los cambios físicos

La fuerza de atracción entre dos cuerpos es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Matemáticamente se expresa de la siguiente forma:...F=G⋅M⋅mr2...donde:+G es la constante de gravitación universal, G = 6,67·10^-11 N·m²/kg^2.+M y m son las masas de los cuepos que interaccionan.+r es la distancia que los separa.

Principio de Acción Reacción:

Cuando un cuerpo
A ejerce una fuerza sobre otro cuerpo B, B reaccionará ejerciendo otra fuerza sobre A de igual intensidad y dirección aunque de sentido contrario. La primera de las fuerzas recibe el nombre de fuerza de acción y la segunda fuerza de reacción. Debes tener en cuenta que ambas fuerzas no se anulan entre sí ya que se ejercen en cuerpos distintos. Si empujo una caja, aplico una fuerza sobre la caja y la caja la aplica sobre mí. Si esto no fuese así nunca podríamos mover la caja…

Principio de Inercia:

La primera Ley de Newton establece que si no se aplica ninguna fuerza o la suma de fuerzas que se le aplica a un cuerpo es nula, este permanecerá en reposo si estaba en reposo, o en movimiento rectilíneo uniforme si se encontraba en movimiento.Todo cuerpo mantiene su estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme a menos que la acción de alguna fuerza le oblige a modificarlo.Los cuerpos en general, tienden a oponerse al cambio de su estado de movimiento. Esta oposición recibe el nombre de inercia….

Principio Fundamental:

Como hemos visto en apartados anteriores,las fuerzasson capaces de producir cambios en el movimiento de los cuerpos. Por otro lado, sabemos que laaceleraciónes unamagnitudque refleja precisamente estos cambios. Por tanto,las fuerzas son las causas de la aceleración.
Tras realizar una serie de experimentos, se comprobó que:

+

Si se aplica la misma fuerza a cuerpos con distintamasa, se consiguen aceleraciones diferentes.

+

La fuerza es directamente proporcional a la aceleración que experimenta el cuerpo, y la constante de proporcionalidad del cuerpo utilizado corresponde con su masa.
+
Si la fuerza resultante que se aplica a un cuerpo no es nula, este experimentará un cambio en su estado de reposo o de movimiento, o lo que es lo mismo, experimentará una aceleración.La ecuación segundo principio de Newton y se expresa de la siguiente forma

F=m⋅a

De aquí podemos deducir que si no se aplica ninguna fuerza a un cuerpo o la resultante de las fuerzas aplicadas es 0, no existe aceleración, o lo que es lo mismo, si un cuerpo no tiene aceleración, sobre el cuerpo no actúa ninguna fuerza o la resultante es 0

El peso (P) de un cuerpo en un punto es la fuerza gravitatoria que actúa sobre él. Su unidad en el S.I. Es el Newton (N)
 y matemáticamente se expresa como:P⃗ =−G⋅M⋅mr2⋅u⃗ r

donde:

+

M :es la masa del cuerpo, generalmente un cuerpo celeste como la Tierra, la Luna, el Sol, etc.,  que ejerce fuerza sobre otra masa m
.+r :es la distancia que las separa.
.+u⃗ r: es un vector unitario que expresa la dirección de actuación de la fuerza.

Tal y como vimos en el apartado de fuerza gravitatoria, la gravedad es la aceleración con que un cuerpo atrae a otro por la acción de la fuerza gravitatoria y su expresión es:

G⃗ =−G⋅MTrT2⋅u⃗ r

Sustituyendo el valor de la gravedad, en la expresión del peso obtenemos una expresión más simplificada y comúnmente utilizada:.P⃗ =m⋅g⃗donde:
.+m es la masa del cuerpo que sufre la fuerza gravitatoria.
.+g⃗ es la gravedad en el punto en el que se encuentra dicho cuerpo

En concreto su módulo es

.+

P=m⋅g

Diferencias entre masa y peso:

La unidad de medida en el S.I. De masa es el kilogramo (Kg), mientras que el peso se mide en Newtons (N).
El peso es una magnitud vectorial, mientras que la masa es una magnitud escalar.
Sólo podemos hablar de peso cuando el cuerpo se encuentra en un lugar donde hay gravedad. En la Tierra esta gravedad tiene un valor aproximado g = 9.8 m/s2 en los puntos próximos a la superficie terrestre. 
Cuanto más alejados del centro de la Tierra nos encontremos, menor será nuestro peso, ya que la gravedad disminuye a medida que nos alejamos de dicho centro.  
La masa de un cuerpo es inherente a él independientemente de si existe gravedad o no.Si quieres conocer la masa puedes utilizar un instrumento de medida de masas como la balanzamientras que para conocer el peso se utilizan instrumentos de medidas de fuerzas, tales como el dinamómetro

Energía:

es la capacidad que tiene un cuerpo o sistema físico de producir trabajo.

Relación Energía – Trabajo:

Como hemos dicho anteriormente la energía y el trabajo se encuentran íntimamente relacionados. Mientras que la energía representa la capacidad de los cuerpos de producir un trabajo, es decir, una transformación en ellos mismos o en el entorno, el trabajo representa el proceso de transformación en sí.


Energía y trabajo se encuentran relacionados a través de la siguiente expresión::W=∆E=Ef−Ei.Donde:

.+

W: Trabajo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional (S.I.) es el Julio (J)
.+∆E, E_f, E_i: Incremento de energía, energía final y energía inicial del proceso respectivamente. Su unidad de medida en el Sistema Internacional (S.I.) es el Julio (J)

+

Como puede observar el trabajo y la energía se miden en Julios. Por otro lado, a través del trabajo se transforma la energía del cuerpo:

.+++

El cuerpo gana energía => E_f > E_i  => Trabajo positivo => Se realiza trabajo sobre el cuerpo.---El cuerpo pierde energía => E_f <>E_i  => Trabajo negativo => El cuerpo realiza trabajo sobre el sistema.

.:::

El cuerpo ni gana ni pierde energía => Trabajo nulo => No se realiza ni se recibe trabajo.

Carácterísticas de la Energía

La energía de un sistema o cuerpo físico cuenta con las siguientes carácterísticas.+La cantidad de energía se conserva en cualquier proceso. 

Permanece constante

.+

Es necesaria para que el sistema pueda realizar transformaciones ya sea sobre sí mismos o sobre otros cuerpos.

.+

Existen diversos tipos de energía. Se puede convertir de un tipo a otro

Definimos la energía cinética

como aquella que posee un cuerpo por el hecho demoverse. Su valor viene dado por:Ec=12⋅m⋅v2.Donde:

.+

Ec: Es laenergía cinéticadel cuerpo en movimiento. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Julio (J)
.+m:Masadel cuerpo en movimiento. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Kilogramo (Kg)
.+v:Valor de la velocidaddel cuerpo en movimiento. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el metro por segundo (m/s)

Relación energía cinética - momento lineal:

Podemos relacionar laenergía cinéticacon elvalor del momento linealde un cuerpop=m⋅v  multiplicando y dividiendo la expresión anterior porm:Ec=12⋅m⋅v2=m2v22⋅m=p22m;

Definimos la energía potencial gravitatoria

Como la energía que posee un cuerpo por el hecho de encontrarsebajo la acción de la gravedad.
Su valor,para el caso de alturas pequeñas sobre la superficie terrestre, viene dado por:Ep=m⋅g⋅h.Donde:.+Ep: Es laenergía potencialdel cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Julio (J).+m:
Masadel cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Kilogramo (kg)+g: Valor de la aceleración que provoca lagravedad.
Su unidad de medida en el SIstema Internacional es el metro por segundo al cuadrado (m/s²).+h:
Alturaa la que se encuentra el cuerpo . Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el metro (m).+La fórmula anterior es un caso particular quesólo es válida cuando nos encontramos a poca altura sobre la superficie de la Tierra, ya que, en otro caso, el valor degvaría. En niveles posteriores veremos la expresión general para la energía potencial gravitatoria.

¿Cómo se obtiene la fórmula de la Energía Potencial Gravitatoria?

Para obtener el valor de la energía potencial gravitatoria razonamos de la siguiente manera.Vamos a elevar un cuerpo desde el sueloh₁ = 0 a una alturah₂= h.Para elevar el cuerpo, debemos ejercer una fuerza igual (al menos) a su peso. Con esto conseguimos que el cuerpo ascienda con velocidad constante hasta la alturah, no variando en ningún momento su energía cinética.El valor del trabajo realizado por nosotros sobre el cuerpo:W1→2=F⃗⋅∆r⃗ =F⋅∆h⋅cos(0)=m⋅g⋅∆h=m⋅g⋅h2−m⋅g⋅h1=m⋅g⋅h.Donde hemos tenido en cuenta queP= m·ges el peso.El cuerpo, que ha recibido el trabajo, ha adquirido energía. Considerando que el trabajo que realiza una fuerza sobre un cuerpo es igual a su variación de energía y que el cuerpo al encontrarse en el suelo no tenía energíaE₁= 0, nos queda:.W=E2−E1⇒W=E2=m⋅g⋅h

Trabajo Realizado por la Fuerza Gravitacional o Peso:

Si queremos calcular el trabajo realizado por la fuerza gravitacional (peso
) sobre un cuerpo que se encuentra a cierta altura h y se deja caer hasta el suelo, hemos de tener en cuenta que:Será la Tierra la que realizará el trabajo sobre el cuerpo a través del peso..P⃗ =−m⋅g⋅j⃗..Eldesplazamientotambién es vertical y su valor viene dado por:
++∆r⃗ =−j⃗⋅(h−hsuelo)

Con todo lo anterior nos queda:.

+

W=F⃗⋅∆r⃗ =(−j)⋅m⋅g⋅(h−hsuelo)⋅(−j)=m⋅g⋅(h−hsuelo)
.+∆h=hfinal−hinicial=hsuelo−h

.+

Finalmente, con estas dos expresiones podemos concluir que:
W=m⋅g⋅(h−hsuelo
)=−m⋅g⋅∆h=−∆Ep
Es decir, :

El trabajo realizado por la fuerza peso es igual a la variación negativa de la energía potencial del cuerpo

.

Carácterísticas de la Energía Potencial Gravitatoria.+

Laenergía potencial gravitatoriacumple con las siguientes carácterísticas:

.+

Para que exista energía potencial gravitatoria tiene que existir la gravedad.Sin gravedad, todas las posiciones de un cuerpo serían equivalentes

.+

El valor de la energía potencial en un punto es relativo. Depende del nivel de referencia elegido para la altura

.+

Puede ser positiva o negativa, según donde se sitúe el nivel 0 de altura

La diferencia de energía potencial∆E_pentre dos puntos es un valor absoluto, que coincide con el trabajo necesario para llevar el cuerpo desde el primer punto hasta el segundo yes independiente del sistema de referencia elegido

Se incrementa con la altura

La expresiónE_p = m·g·hsólo es válida para alturas pequeñas, donde podemos considerargconstante ya que, en realidad,gvaría con la altura

.Energía Mecánica:

La rama de la física que estudia y analiza elmovimiento y reposode los cuerpos, y su evolución en el tiempo, bajo la acción defuerzasse denominamecánica.
En un cuerpo existen fundamentalmente dos tipos de energía que pueden influir en su estado de reposo o movimiento: laenergía cinéticay lapotencial.

Llamamos energía mecánica de un cuerpo a la suma de laenergía cinética
E_c y potencialE_p que posee:
Em=
Ec+
Ep

.

Es importante señalar que laenergía potencial, de modo general, cuenta con distintas contribuciones. En este tema nos centraremos en laenergía potencial gravitatoriay laenergía potencial elástica
…Ep=Epg+Epe

Principio de Conservación de la Energía Mecánica.++

Laenergía mecánicade un cuerpo se mantieneconstantecuando todas las fuerzas que actúan sobre él sonconservativas.
.+"la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma". En realidad, tal afirmación es uno de los principios más importantes de la Física y se denominaPrincipio de Conservación de la Energía.
Vamos a particularizarlo para el caso de la energía mecánica. .Para ententer mejor este concepto vamos a ilustrarlo con un ejemplo. Imagina una pelota colgada del techo que cae sobre un muelle. Según el principio de conservación de la energía mecánica,la energía mecánica de la bola es siempre la mismay por tanto durante todo el proceso dicha energía permanecerá constante, tan solo cambiarán las aportaciones de los distintos tipos de energía que conforman la energía mecánica Antes de caer, la energía mecánica de la bola está formada únicamente por energía potencial gravitatoria. Al caer y adquirir una velocidad, la energía potencial gravitatoria se convierte en energía cinética, dejando constante la energía mecánica. Por último, al impactar contra el muelle, lo comienza a comprimir, provocando que la energía mecánica se componga de energía cinética, energía potencial gravitatoria y energía potencial elástica.

Se define la potencia como la rapidez con la que se realiza un trabajo.
Su expresión viene dada por::

P=Wt

.Donde:

.+

P: Potencia desarrollada por la fuerza que realiza el trabajo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Vatio (W)

.+

W: Trabajo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Julio (J)
.+t: Tiempo durante el cual se desarrolla el trabajo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el segundo (s)..Aunque existen otras unidades de medida de la potencia, el sistema internacional mide la potencia en vatios (W). La ecuación de dimensiones de la potencia relaciona los vatios con julios y segundos o bien con kilogramos, metros y segundos:.+[P]=M⋅L2⋅T−3

.++

P=Wt⇒1W=1J1s=1J⋅s−1=1kg⋅m2⋅s−3;

La fuerza eléctrica con la que se atraen o repelen dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de las mismas, inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y actúa en la dirección de la recta que las une..
F=K⋅Q⋅qr2
.+donde:.+F es la fuerza eléctrica de atracción o repulsión. En el S.I. Se mide en Newtons (N).+Q y q son lo valores de las dos cargas puntuales. En el S.I. Se miden en Culombios (C).
+r es el valor de la distancia que las separa. En el S.I. Se mide en metros (m).

+

K es una constante de proporcionalidad llamada constante de la ley de Coulomb. No se trata de una constante universal y depende del medio en el que se encuentren las cargas. En concreto para el vacío k es aproximadamente 9·10⁹ N·m²/C² utilizando unidades en el S.I.

++

Si te fijas bien, te darás cuenta que si incluyes el signo en los valores de las cargas, el valor de la fuerza eléctrica en esta expresión puede venir acompañada de un signo. Este signo será:

.*positivo

 cuando la fuerza sea de repulsión (las cargas se repelen).  ( + · + = + o - · - = + )

.*negativo

cuando la fuerza sea de atracción (las cargas se atraen). ( + · - = - o - · + = - )

.+

Por tanto, si te indican que dos cargas se atraen con una fuerza de 5 N, no olvides que en realidad la fuerza es  -5 N, porque las cargas se atraena capacidad eléctrica de un conductor es una magnitud escalar que relaciona la carga almacenada en un conductor y el potencial que adquiere de forma aislada..

C=qV

..donde:

.+

C es la capacidad eléctrica. En el S.I. Se mide en faradios (F).
.+q es el exceso de carga del conductor. En el S.I. Se mide en culombios (C).

.+

V es el potencial eléctrico en cualquier punto del conductor. En el S.I. Se mide en voltios (V).

.++

La capacidad eléctrica siempre es una cantidad positiva y depende de la geometría del conductor..

Unidad de Capacidad Eléctrica:

La unidad de capacidad eléctrica en el Sistema Internacional de Unidades (S.I.) es el faradio y se define como la capacidad que posee un conductor que al ser cargado con un culombio adquiere un potencial de un voltio.El faradio, al igual que el culombio, se trata de una unidad muy grande por lo que es común que debamos trabajar con submúltiplos de esta. A continuación puedes encontrar algunos de los más utilizados:

Milifaradio. 1 mF = 10^-3 F

Microfaradio. 1 µF = 10^-6 F

Nanofaradio. 1 nF = 10^-9 F

Picofaradio. 1 pF = 10^-12 F 

Qué es un condensador eléctrico?:

Cuando estudiamos el concepto decapacidad eléctrica, comprobamos quelos conductores son capaces de almacenaren su interior una determinada cantidad decarga eléctrica
. Esta capacidad es utilizada por una serie de dispositivos utilizados en los circuitos eléctricos denominadoscondensadores.
Uncondensador eléctricoes un dispositivo formado por dos conductores separados por un material dieléctrico o aislante.El tipo de condensador más famoso es el construido por medio de dos placas conductoras planas y paralelas. Se caracterizan principalmente porque su capacidad depende directamente del tamaño de sus placas y adicionalmente crean uncampo eléctricouniforme en su interior.

Capacidad de un condensador:

La capacidad de un condensador es el cociente entre la carga que almacena y la diferencia de potencial eléctrico que se crea entre sus dos placas conductoras, de tal forma que

:C=qVA−VB

Ondas de materia:

En 1924, el físicofrancés, Louis-Víctor de Broglie(1892-1987), formuló una hipótesisen la que afirmaba que:Toda la materia presenta carácterísticas tanto ondulatorias como corpusculares comportándose de uno u otro modo dependiendo del experimento específico.Para postular esta propiedad de la materia De Broglie se basó en la explicación del efecto fotoeléctrico, que poco antes había dado Albert Einsteinsugiriendo la naturaleza cuánticade la luz. Para Einstein, la energía transportada por las ondas luminosas estaba cuantizada, distribuida en pequeños paquetes energía o cuantos de luz, que más tarde serían denominados fotones, y cuya energía dependía de la frecuencia de la luz a través de la relación: , donde es la frecuencia de la onda luminosa y la constante de Planck. Albert Einstein propónía de esta forma, que en determinados procesos las ondas electromagnéticas que forman la luz se comportan como corpúsculos. De Broglie se preguntó que por qué no podría ser de manera inversa, es decir, que una partícula material (un corpúsculo) pudiese mostrar el mismo comportamiento que una onda.El físico francés relaciónó la longitud de onda, λ(lambda) con la cantidad de movimientode la partícula, mediante la fórmula:

,

donde λes la longitud de la onda asociada a la partícula de masa mque se mueve a una velocidad v, y h es la constante de Planck. El producto es también el módulo del vector , o cantidad de movimiento de la partícula. Viendo la fórmula se aprecia fácilmente, que a medida que la masa del cuerpo o su velocidad aumenta, disminuye considerablemente la longitud de onda.Esta hipótesis se confirmó tres años después para los electrones, con la observación de los resultados del experimento de la doble rendijade Youngen ladifracciónde electrones en dos investigaciones independientes. En la Universidad de Aberdeen, George Paget Thomsonpasó un haz de electrones a través de una delgada placa de metal y observó los diferentes esquemas predichos. En los Laboratorios Bell, Clinton Joseph Davissony Lester Halbert Germerguiaron su haz a través de una celda cristalina.La ecuación de De Broglie se puede aplicar a toda la materia. Los cuerpos macroscópicos, también tendrían asociada una onda, pero, dado que su masa es muy grande, la longitud de onda resulta tan pequeña que en ellos se hace imposible apreciar sus carácterísticas ondulatorias…Lente en la que los rayos que la atraviesan se refractan divergiendo de un mismo punto.

Existen 3 tipos de lentes divergentes:
+lentes bicóncavas.+lentes plano-cóncavas. Lentes convexo-cóncavas

Lente que concentra en un punto los rayos que la atraviesan. Dicho punto recibe el nombre de foco.

Podemos distinguir  3 tipos de lentes convergentes

.+biconvexas.+plano-convexas.+cóncavo-convexas

Estado en el que se encuentran dos o mas cuerpos cuando estos se hayan a la misma temperatura, y por tanto no intercambian calor.
La ecuación de equilibrio térmico indica que el calor que absorve un cuerpo es igual que el calor que cede el otro, es decir::mA⋅cA⋅(T−TA)=mB⋅cB⋅(TB−T).Donde:+m_A ,m_B : Masas de los cuerpos A y B respectivamente. Es la cantidad de sustancia considerada de cada cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kilogramo ( kg ).+c_{A ,} c_B : Calor específico del cuerpo A y del cuerpo B respectivamente. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Julio por kilogramo por kelvin ( J/kg·K ) aunque también se usa con frecuencia la caloría por gramo y por grado centígrado ( cal/g·ºC ).+Temperaturas T_A, T_B y T : Temperatura inicial del cuerpo A, del cuerpo B y temperatura final de equilibrio térmico respectivamente. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Kelvin ( K )

Comprobación

.:Un aislante térmico es un material que, idealmente, no intercambia calor con el entorno. Si ponemos en contacto en el interior de un aislante térmico dos cuerpos A y B a distintas temperaturas T_A y T_B con T_A > T_B , se comprueba empíricamente que las tempteraturas de ambos cuerpos tienden a igualarse si dejamos que pase el suficiente tiempo a una temperatura T. Esto sucede por que la temperatura es una variable de estado y las variables de estado tienen igual valor en todos los puntos del sistema (en este caso, el sistema formado por los dos cuerpos, completamente aislados del exterior). La variación de temperatura se produce debido a un intercambio de calor entre ambos cuerpos de manera que el calor que absorve el primero debe ser igual al calor que cede el segundo, quedando:Elcalores el proceso a través del cual se transfiere energía térmica entre los cuerpos

Concepto de calor:

Las partículas de los cuerpos no están en reposo sino que se encuentran en constante agitación. Como consecuencia de esta agitación, los cuerpos poseen una determinadaenergía térmica
. La temperatura es un indicador de la energía térmica que tienen los cuerpos. De modo general podemos decir que, a mayor temperatura, mayor energía térmica. Pues bien,los cuerpos y los sistemas pueden intercambiar energía térmica. A esta energía térmica intercambiada se le denominacalor.
En ocasiones también se denomina calor al propio proceso de transferencia de energía.

Elcalores laenergía intercambiadaentre un cuerpo y su entorno por el hecho de encontrarse a distinta temperatura. El calor, como eltrabajo, es energía en tránsito, por lo que se puede entender también como unmétodo para transferir energía

.

¿Es lo mismo calor que temperatura?:

No, calor y temperatura no son la misma cosa. Es muy posible que esta idea te parezca extraña porque cotidianamente la solemos confundir. Sin embargo te proponemos el siguiente experimento.Llena dos ollas de agua, una con la mitad o la tercera parte de agua que la otra

Ponlas ambas sobre una llama de igual intensidad. Anota el tiempo que tarda cada una de ellas en empezar a hervir

Mide la temperatura de cada una en el momento en que empiezan a hervir 

Si lo haces comprobarás que:La que tiene menos agua empieza a hervir antes, o lo que es lo mismo, ha necesitado menos energía para llegar al punto de ebullición.Si mides la temperatura al comenzar a hervir en los dos casos, ambas temperaturas son iguales (en torno a 100 ºC).Esto es debido a que el fuego transfiere energía a la olla y esta a su vez al agua. A esa energía transmitida la conocemos comocalor.
En la que tiene menos agua se ha empleado menos calor para llegar a la misma temperatura. Por ende,temperatura y calor no son la misma cosa.

Capacidad calorífica-.:

Cuando colocas aceite en una sartén y enciendes el fuego, el aceite comenzará a aumentar su temperatura. En general, cuando suministramos calor a un cuerpo este puedeaumentar su temperatura.Lacapacidad caloríficade un cuerpo es la relación que hay entre el calor suministrado al cuerpo y su incremento de temperatura. Se puede calcular a través de la expresión:C=Q∆T.Donde:

.+

C :Capacidad calorífica. Es la cantidad de calor que el cuerpo tiene que intercambiar con su entorno para que su temperatura varíe un kelvin. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Julio por kelvín (J/K), aunque también se usa con frecuencia la caloría por grado centígrado (cal/ºC)

.+

Q : Calor intercambiado. Cantidad de energía térmica intercambiada con el entorno. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Julio (J), aunque también se usa con frecuencia la caloría (cal). 1cal= 4.184J
.+∆T : Variación de temperatura. Viene determinada por la diferencia entre la temperatura inicial y la final ∆T=T_f-T_i . Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kelvín (K) aunque también se suele usar el grado centígrado o celsius (ºC)

.

Puedes entender la capacidad calorífica comola dificultad con que un cuerpo aumenta su temperatura cuando le suministramos una determinada cantidad de calor. Así, a mayor capacidad calorífica, menor incremento de temperatura para una determinada cantidad de calor suministrado. Losaislantes térmicostienen una capacida calorífica alta.

¿De qué depende la capacidad calorífica?:

La capacidad caloríficade un cuerpodepende de dos factores:

+

La sustancia por la que está formado el cuerpo: No aumentan su temperatura de igual manera un gramo de agua que un gramo de aceite o un gramo de hierro, aún cuando se sitúen sobre un fuego de igual intensidad: El hierro sería el primero en aumentar su temperatura, seguido del aceite y finalmente el agua.

+

La cantidad de masa del cuerpo: Tal y como has podido comprobar en el experimento anterior, no aumenta su temperatura de igual manera un gramo y un kilogramo de agua, aún cuando se sitúen sobre un fuego de igual intensidad: un gramo de agua variará su temperatura más rápidamente que un kilogramo de esta misma sustancia

.+

Estos dos factores nos permiten definir elcalor específicode una sustancia..

Calor específico:

Elcalor específicose obtiene a partir de la capacidad calorífica y representa la dificultad con queuna sustanciaintercambia calor con el entorno. Es una carácterística de las sustancias que forman los cuerpos y esindependiente de la masa.Elcalor específicode una sustancia es su capacidad calorífica por unidad de masa. Viene dada por la expresión:c=

Cm

.Donde:
..+c :Calor específico. Es la cantidad de calor quela unidad de masa de la sustanciatiene que intercambiar con su entorno para que su temperatura varíe un kelvin. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Julio por kilogramo por kelvin (J/kg·K) aunque también se usa con frecuencia la caloría por gramo y por grado centígrado (cal/g·ºC)

.+

C:Capacidad calorífica. Es la cantidad de calor que elcuerpotiene que intercambiar con su entorno para que su temperatura varíe un kelvin. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Julio por kelvín (J/K), aunque también se usa con frecuencia la caloría por grado centígrado (cal/ºC) 
.+m:Masa. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kilogramo (kg)

Calor específico molar:

En ocasiones, particularmente en el caso de sustancias gaseosas, conviene usar el mol como unidad de masa. De esta manera, el calor específico queda referido a la unidad de masa según la expresión:
c=

Cn

.

Donde:+nen este caso es el número de moles. En cuanto a las unidades de medida del calor específico molar, se suele utilizar elJ/mol·Kaunque también se usa con frecuencia elcal/mol·ºC…

Carácterísticas del calor específico

:.+

Cuanto mayor es el calor específico de una sustancia, más calor hay que intercambiar para conseguir variar su temperatura

.+

Existe un rango de temperaturas dentro del cual el calor específico es constante. Aunque a la hora de resolver los ejercicios de este nivel se consideracconstante,en realidad el calor específico de cualquier sustancia varía con la temperatura

.+

Según si el proceso de intercambio de energía (calor) tiene lugar apresiónconstante o a volumen constante se habla decalor específico a presión constantec_p ocalor específico a volumen constantec_v.Si no se especifica, el proceso se supone a presión constante de 1 atm

Normalmente en sólidos y líquidosc_p≈ c_v

Normalmente en gases  c_p≠ c_v

Ecuación fundamental de la termología:

Gracias al concepto de calor específico disponemos de una expresión para determinar el calor agregado o extraído de una sustancia a partir del incremento en su temperatura, su calor específico y la cantidad de masa que tenemos. A esta expresión se la conoce como laecuación fundamental de la termología.
La ecuación fundamental de la termologíaestablece la relación entre el incremento de temperatura experimentado por una determinada cantidad de sustancia y el calor que intercambia:Q=m⋅c⋅∆TDonde:

.+

Q:Calor intercambiado. Cantidad de energía térmica intercambiada con el entorno. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Julio (J), aunque también se usa con frecuencia la caloría (cal). 1cal= 4.184J
.+m:Masa. Cantidad de sustancia considerada. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kilogramo ( kg ) 
.+c :Calor específico. Representa la facilidad que una sustancia tiene para variar su temperatura cuando intercambia calor con el entorno. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Julio por kilogramo por kelvin ( J/kg·K ) aunque también se usa con frecuencia la caloría por gramo y por grado centígrado ( cal/g·ºC ). Cuando conocemos el número de moles de sustancia en lugar de su peso (nos danmen moles), podemos usar el calor específico molar que se suele específicar enJ/mol·K  ó cal/g·ºC
.+∆T :Variación de temperatura. Viene determinada por la diferencia entre la temperatura inicial y la final ∆T = T_f -T_i . Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kelvín ( K ) aunque también se suele usar el grado centígrado o celsius ( ºC )

.Signo del calor:

Si la temperatura aumenta, T_f>T_i ⇒ ∆T > 0 ⇒ Q > 0⇒ el calor es positivo, el cuerpo gana energía térmica

Si la temperatura disminuye, T_f<>T_i  ⇒ ∆T< 0="">⇒ Q <>⇒ el calor es negativo, el cuerpo pierde energía térmica

Unidades de medida del calor

Lasunidades de medidamás usadas para el calor son:

El Julio (J). Es la unidad del calor en el Sistema Internacional.Las unidades del calor son iguales a las unidades del trabajo ya que ambos son procesos de intercambio de energía.La caloría (cal). Representa la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua para que aumente su temperatura 1ºC..1cal= 4.184J…La kilocarloría (kcal). También conocida como caloría grande, en contraposición a la caloría, que se conoce como caloría pequeña. Normalmente se usa en nutrición..1kcal= 1000cal..La unidad térmica británica (BTU). Representa la cantidad de calor que hay que suministrar a una libra de agua para que aumente su temperatura 1ºF..1BTU= 252cal

Calor y cambios de estado de agregación de la materia

Otro efecto del calor sobre los cuerpos, junto con el cambio de temperatura, es elcambio en el estado de agregación de la materia.
Recuerda que la materia se encuentra fundamentalmente en uno de estos tres estados de agregación posibles:sólido

.¨*

líquido

.*

gaseoso.En los cambios de estado se producen los siguientes fenómenos, relacionados con el calor:El cuerpo intercambia calor con su entorno: Si el cuerpo no puede absorber o ceder calor, permanecerá en el mismo estado

El cambio de estado es unproceso térmicamente reversible, es decir, la cantidad de calor absorbida en la transformación directa (proceso endotérmico) es exactamente igual a la cantidad cedida en la transformación inversa (proceso exotérmico): Por ejemplo para pasar de hielo a agua líquida se necesita suministrar el mismo calor que se desprende cuando se pasa de agua líquida a hielo.

La temperatura permanece constante: El calor absorbido o cedido se emplea en el cambio de estado y no en variar la temperatura.

La cantidad decalorabsorbida o cedida durante un proceso decambio de estadoviene dada por la expresión:…Q=m⋅L..Donde:.+Q :Calor intercambiado. Cantidad de energía térmica intercambiada con el entorno. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Julio (J), aunque también se usa con frecuencia la caloría (cal). 1cal= 4.184J.+m:Masa. Cantidad de sustancia considerada. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kilogramo ( kg ).+L:Variación de entalpíaocalor latente. Es la cantidad de calor por unidad de masa necesaria para realizar el cambio de estado. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Julio por kilogramo (J/kg) aunque también se suele usar la caloría por gramo (cal/g).Lavariación de entalpía o calor latente Les una carácterística de cada sustanciapara cada cambio de estado. Así, por ejemplo, la fusión de 1 gramo de hielo a 0ºCy a 1atmconsume 335Jde calor, por lo queL_fusión = 335J/kg . Como puedes suponer, cuando 1 gramo de agua a 0ºCy a 1atmse convierte en hielo, se liberan exactamente 335 J.

Equilibrio térmico:

Cuando dos cuerpos a distinta temperatura se ponen en contacto se inicia un proceso de intercambio de calor que iguala sus temperaturas. Imagina que sumerges una barra de hierro al rojo vivo en un recipiente con agua a temperatura ambiente. Cuando pasa el tiempo, la temperatura final del agua habrá subido, y la de la barra de hierro habrá bajado, pero ambas son iguales: han llegado alequilibrio térmico.
Se dice que dos cuerpo están enequilibrio térmicocuando están a la misma temperatura, y por tanto no intercambian calor. La ecuación de equilibrio térmico indica que el calor que absorbe un cuerpo es igual que el calor que cede el otro, es decir:mA⋅cA⋅(T−TA)=mB⋅cB⋅(TB−T)Donde:
+m_A ,m_B :Masas de los cuerposA y B respectivamente. Es la cantidad de sustancia considerada de cada cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kilogramo ( kg )
+++c_{A ,} c_B :Calor específicodel cuerpo A y del cuerpo B respectivamente. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Julio por kilogramo por kelvin ( J/kg·K ) aunque también se usa con frecuencia la caloría por gramo y por grado centígrado ( cal/g·ºC )

++

TemperaturasT_A,T_ByT : Temperatura inicial del cuerpo A, del cuerpo B y temperatura final de equilibrio térmico respectivamente. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Kelvin (K)

Comprobación

Un aislante térmico es un material que, idealmente, no intercambia calor con el entorno. Si ponemos en contacto en el interior de un aislante térmico dos cuerpos A y B a distintas temperaturasT_A yT_BconT_A >T_B, se comprueba empíricamente que las tempteraturas de ambos cuerpos tienden a igualarse si dejamos que pase el suficiente tiempo a una temperaturaT. Esto sucede por quela temperatura es una variable de estadoy las variables de estado tienen igual valor en todos los puntos del sistema (en este caso, el sistema formado por los dos cuerpos, completamente aislados del exterior). La variación de temperatura se produce debido a un intercambio de calor entre ambos cuerpos de manera queel calor que absorbe el primero debe ser igual al calor que cede el segundo, quedando:

QA=−QB⇒mA⋅cA⋅(T−TA)=−mB⋅cB⋅(T−TB)⇒mA⋅cA⋅(T−TA)=mB⋅cB⋅(TB−T)

Propagación del calor:

Existen 3 mecanismos por los cuales los cuerpos intercambian su energía térmica: Conducción, convección y radiación. Vamos a estudiarlos.

Conducción

En la conducción dos cuerpos que se encuentrandirectamente en contacto(o partes de un mismo cuerpo a distinta temperatura) intercambian energía sin que exista transporte de materia. Se basa en la transferencia directa deenergía cinéticaa escala molecular. Cada sustancia tiene un valor asociado deconductividad térmica que indica larapidezcon que es capaz de transferir la energía. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el watio por metro y por grado kelvin (W·m^-1·K^-1). Las sustancias pueden ser:

Buenos conductores térmicos: Poseen una alta conductividad

Malos conductores térmicos: Poseen una baja conductividad

En el ejemplo anterior de equilibrio térmico, las dos cajas intercambian calor por conducción.

Convección

Se produce en líquidos y gases. En este caso si existe transporte de materia. El calor se propaga debido a unas corrientes denominadascorrientes de convecciónque se producen entre las distintas partes de la sustancia. Aquellas a mayor temperatura (por estar en contacto con la fuente de calor) disminuyen sudensidadrespecto a las más frías. Las partes menos densas (más calientes) se desplazan a las capas altas y las más densas (más frías) a las bajas. Al cabo del tiempo, se repite el proceso al enfriarse las capas superiores y calentarse las inferiores, dando lugar así a una corriente de convección. Este fenómeno se da, por ejemplo, cuando calentamos un agua en una olla.

Radiación

Se produce por la propagación de energía electromagnética a través del espacio. No es necesaria la presencia de materia. Por ejemplo, cuando el Sol calienta la Tierra, su energía recorre una gran distancia en el espacio vacío. El sol es un claro ejemplo de cuerpo que emite radiación electromagnética debido a su temperatura. Sin embargo todos los cuerpos, por el hecho de encontrarse a cierta temperatura, emitenradiación térmica
. Dicha radiación es de naturaleza electromagnética y, en el caso de los cuerpos muy calientes, como el sol, está dentro del rango de luz visible. Para otros objetos la radiación es invisible a nuestros ojos. 

Ley de Stefan-Boltzmann:

La energía radiada por un radiador de cuerpo negropor segundo, por unidad de superficie, es proporcional a la cuarta potencia de latemperatura absolutay está dada por

Para objetos calientes distintos de los radiadores ideales, la ley se expresa en la forma:

donde e es la emisividad del objeto (e = 1 para el radiador ideal). Si el objeto caliente está radiando energía hacia su entorno mas frío a un temperatura T_c, la tasa de pérdida de radiaciónneta, toma la forma

La fórmula de Stefan-Boltzmann, tambié, está relacionada con ladensidad de energíaen la radiación hacia un volumen de espacio determinado

Escalas de temperatura:

La temperatura se mide indirectamente a través de las magnitudes termométricas. Como vamos a ver, usaremos los valores de estas magnitudes en ciertos estados fijos para calibrar los termómetros, estableciendo, así, una escala. Ejemplos de estos estados fijos son la congelación o la ebullición del agua..Existen tres grandes escalas para medir la temperatura:

+

CelsiusFarenheitKelvin

Veamos el proceso en cada escala concreta.

Escala centígrada o Celsius

Se asigna el valor 0 del termómetro al punto normal de congelación del agua

Se asigna el valor 100 del termómetro al punto normal de ebullición del agua

Dicho intervalo se divide en 100 partes iguales. Cada una de ellas se denominagrado Celsius(ºC)

Escala Fahrenheit

Se asigna el valor 32 del termómetro al punto normal de congelación del agua

Se asigna el valor 212 del termómetro al punto normal de ebullición del agua

Dicho intervalo se divide en 180 partes iguales. Cada una de ellas se denomina grado Fahrenheit ( ºF )

Escala Kelvin, absoluta o Kelvin

Es la escala usada en el Sistema Internacional de Unidades. Para definir la escala absoluta vamos a definir primeramente el cero absoluto de temperatura y el punto triple del agua.

Cero absoluto de temperatura

Es el estado de mínima temperatura que puede tener un cuerpo. En él, el movimiento de los átomos y moléculas que componen el cuerpo sería nulo. Es una temperatura teórica que no puede alcanzarse en la práctica…

Punto triple del agua

El punto triple del agua es aquella pareja temperatura-presión en la que coexiste el agua en estado sólido, liquido y gaseoso. Concretamente la temperatura sería 0.01 ºC y la presión 611.73 Pa…

Proceso

Se asigna el valor 0 del termómetro a la temperatura más baja que puede existir, el cero absoluto 

Se asigna el valor 273.16 al punto triple del agua

Se hace coincidir el tamaño de los grados Kelvin con los Grados Celsius

ElKelvines la unidad de temperatura usada en el Sistema Internacional de Unidades…Dado que asignamos el 0 K al cero absoluto,en la escala Kelvin no existen temperaturas negativas…Dado que el tamaño de los grados es el mismo en la escala Kelvin y Celsius,un incremento de temperatura en grados Kelvin coincide con el incremento de grados centígrados.

Conversión de escalas:

Tendiendo en cuenta quet_C,t_F yT es la temperatura expresada en grados centígrados, Fahrenheit y Kelvin respectivamente, usaremos las siguientes expresiones para convertir entre escalas.

Conversión entre Celsius y Farenheit:

tC−0100=tF−32180⇒tC5=tF−329

Conversión entre Celsius y Kelvin

T=tC+273.15.El cero absoluto corresponde con -273.15 º C…

Conversión entre Farenheit y Kelvin

T−273.155=tF−329..El cero absoluto corresponde con -459.67 º F

La dilatación térmica es el proceso por el cual los cuerpos aumentan su volumen cuando se aumenta su temperatura.Cuando en lugar de aumentar, la temperatura disminuye, el volumen del cuerpo también lo hace, hablándose en estos casos decontracción térmica.
Estos fenómenos son especialmente importantes a la hora de fabricar determinadas estructuras como por ejemplo las vías de tren. Las industrias que fabrican los rieles los entregan con una longitud de unos 12 m. Es necesario unirlos (generalmente abulonados) para formar las vías. Durante el día la temperatura ambiente que pueden llegar a soportar ronda entorno a los 40° e incluso el acero puede alcanzar una temperatura muy superior. Dicha temperatura provoca dilataciones en las vías favoreciendo que en las uniones se provoquen deformaciones. Por esta razón,  justamente en dichas uniones se deja una separación de unos 5 mm denominadojunta de dilatación.

El problema de esta separación es que es incompatible con el desplazamiento de los trenes de alta velocidad (250 km/h) ya que generan mucho ruido al circular el tren por ellas y las ruedas y rieles sufrirían roturas. La tecnología moderna ha logrado soldaduras especiales que absorben las dilataciones, por lo tanto hay tramos de muchos kilómetros (varias decenas) sin separaciones aunque en las cercanías de las estaciones de ferrocarril se siguen utilizando ya que por esas zonas los trenes deben disminuir mucho su velocidad.

Dilatación de sólidos:

De entrelosestados de agregación de la materiaestudiados, elestado sólidoes el que tiene las fuerzas de cohesión más fuertes, por lo que resulta más difícil observar la dilatación que en líquidos y gases. En función del número de dimensiones que predominan en el cuerpo, podemos distinguir tres casos:

Dilatación lineal

Se produce cuandopredomina una dimensión frente a las otras dos.
Ejemplos de cuerpos que se dilatan linealmente son: varillas, alhambres, barras...Ladilatación linealde un cuerpo viene dada por la expresión:l=l0⋅(1+λ⋅∆T)Donde:
.+l,l₀ :Longitudfinal e inicial respectivamente del cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el metro ( m )
.+λ:Coeficiente de dilatación lineal. Es específico de cada material y representa el alargamiento que experimenta la unidad de longitud de un sólido, cuando su temperatura se eleva 1K. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es elK^-1, aunque también se usa elºC^-1
.+∆T:Incremento de temperaturaque experimenta el cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kelvin ( K ), aunque también se usa el ºC

.

Observa que, aunque la unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el kelvin, por comodidad también se usa elºC, en cuyo caso el coeficiente de dilatación lineal λse expresa en ºC^-1, aunque su valor es el mismo

Valores típicos del coeficiente de dilatación

:Elcoeficiente de dilataciónen el caso de los líquidossuele mantenerse constantepara cambios de temperatura∆Tmenores de 100 grados. Algunos valores típicos para el coeficiente de dilatación lineal son:

Dilatación superficial

Se produce cuandopredominan dos dimensiones (una superficie) frente a una tercera
.  Ejemplos de cuerpos que se dilatan superficialmente son: láminas, planchas...

Ladilatación superficialde un cuerpo viene dada por la expresión:S=S0⋅(1+σ⋅∆T)Donde:.+S,S₀ :Áreafinal e inicial respectivamente del cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el metro al cuadrado ( m² ).+σ:Coeficiente de dilatación superficial. Es específico de cada material y representa el aumento de superficie de un sólido de área unidad, cuando su temperatura se eleva 1K. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es elK^-1, aunque también se usa elºC^-1.+∆T:Incremento de temperaturaque experimenta el cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kelvin ( K), aunque también se usa el ºC……..La relación entre el coeficiente de dilatación linealλ y el coeficiente de dilatación superficialσ esσ=2⋅λ .

Observa que, aunque la unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el kelvin, por comodidad también se usa el ºC, en cuyo caso el coeficiente de dilatación superficial σ se expresa en ºC^-1, aunque su valor es el mismo.