Calor y energía: transmisión de calor y dilatación de los cuerpos
1. Calor y energía térmica
En la lección 14 hemos definido la energía térmica como:
"La forma de energía que fluye de un cuerpo a otro cuando entre ellos existe una diferencia de temperatura".
Cuando un cuerpo aumenta su energía térmica se está calentando, es decir, recibiendo calor. Cuando un cuerpo disminuye su energía térmica se está enfriando, es decir, perdiendo calor.
"El calor es la variación de la energía térmica de un cuerpo".
La magnitud que aumenta o disminuye en un cuerpo es su energía térmica, y estas variaciones se reflejarán en la variación de la temperatura.
2. Calor y temperatura
La temperatura es lo que nos permite distinguir entre cuerpos calientes y fríos.
Es una magnitud escalar que mide la energía térmica media de las partículas que componen un cuerpo asociada al movimiento de sus partículas internas.
Si una fuente de calor actúa de forma regular sobre un cuerpo, el calor absorbido por dicho cuerpo es proporcional a la variación de la temperatura.
De esta experiencia se define la unidad de calor:
"La caloría es el calor que hay que suministrar a 1g de agua para que aumente 1 ºC su temperatura".
3. Equilibrio Térmico
Cuando dos cuerpos próximos poseen diferente temperatura intercambian calor hasta que sus temperaturas se igualan.
4. Transmisión de calor
El calor se puede transmitir mediante:
- Conducción: intercambio directo de energía, principalmente por contacto (choque de partículas). Los metales son buenos conductores y la lana o la madera transmiten muy mal el calor, por lo que se usan como aislantes.
- Convección: mezcla de partículas de diferentes temperaturas. La convección es responsable de fenómenos atmosféricos como las tormentas, que se producen cuando existe mucha diferencia de temperatura entre capas inferiores y superiores de la atmósfera. El ascenso del aire húmedo y caliente arrastra el vapor de agua, que se condensa al llegar a zonas más frías.
- Radiación: propagación mediante ondas. La energía radiante se transmite por el vacío, haciendo posible que nos llegue luz y calor del Sol. Todos los cuerpos emiten energía radiante.
5. Dilatación de los cuerpos
Al variar la temperatura de un cuerpo sólido se altera la energía de sus partículas, de modo que sus vibraciones se hacen más grandes o más pequeñas dependiendo si aumenta o disminuye la temperatura, produciendo variaciones de tamaño.
La dilatación puede afectar a su longitud inicial L0, a su superficie inicial S0, o a su volumen inicial V0. En todos los casos la variación es proporcional a la magnitud inicial y al incremento de temperatura ∆T.
Estas son las ecuaciones correspondientes:
Los coeficientes de dilatación lineal (), superficial (
) y cúbica (
) dependen de la naturaleza del objeto.
El coeficiente de dilatación de los cuerpos se pueden definir como:
"La variación por unidad de la magnitud correspondiente (longitud, superficie o volumen) cuando la temperatura varía un grado".
Sus unidades son ºC-1.
En los líquidos y gases sólo tiene sentido hablar de la dilatación cúbica, puesto que carecen de forma propia y se adaptan al contenedor.
En los gases, para colocarnos en una situación comparable a la de líquidos y sólidos debemos mantener el gas a presión constante al subir o bajar la temperatura.
En estas circunstancias todos los gases tienen un coeficiente de dilatación cúbica de aproximadamente
6. Equivalencia mecánica del calor
Joule demostró que 1cal = 4,18J.
La energía mecánica de un cuerpo se puede transformar íntegramente en calor de acuerdo con esta ley.
Por ejemplo, parte de la energía mecánica de un motor se transforma en calor debido al rozamiento entre sus partes.
----0----
Ejercicio:
Determinar el coeficiente de dilatación de un cuerpo, sabiendo que su longitud inicial es de 1 m, pero que se reduce a 0,99902 m cuando su temperatura pasa de 30 ºC a 10 ºC.
Solución:
Despejando el coeficiente a partir de la ecuación:
Obtenemos:
Que es el coeficiente de dilatación pedido.
----0----
