Biofisica del Calor UNSL 2016

UNIDAD IVUNIDAD IV

CALORCALOR

Licenciatura en Kinesiología y Fisiatría

San Luis, Octubre de 2016San Luis, Octubre de 2016

Temperatura (Cap. 17 Giancoli)Temperatura (Cap. 17 Giancoli)

La TEMPERATURA es una medida que indica qué tan caliente o frío se encuentra algo.

La TEMPERATURA es una propiedad INTENSIVA.

Muchas propiedades de la materia cambian con la temperatura, por ejemplo muchos materiales se

expanden cuando se calientan.

* Una viga de hierro es más larga cuando está caliente que cuando está fría.


* Los metales se dilatan con el aumento de la temperatura.

* Los caminos de concreto y las veredas se expanden y se contraen ligeramente en función de la temperatura.


* El color radiado por los objetos cambia con la temperatura.

QUÉ OTRAS PROPIEDADES DE LA MATERIA CAMBIAN CON LA TEMPERATURA?

Termómetro (Cap. 17 Giancoli)Termómetro (Cap. 17 Giancoli)

El TERMÓMETRO es el instrumento diseñado para medir la temperatura.

Existen muchos tipos de termómetros, donde su principio de funcionamiento siempre depende de alguna propiedad

de la materia que cambia con la temperatura.

Los termómetros más comunes se basan en la expansión de un material con el aumento de la temperatura. Por

ejemplo, los termómetros actuales consisten de un tubo de vidrio hueco con mercurio o alcohol.

Termómetro (Cap. 17 Giancoli)Termómetro (Cap. 17 Giancoli)

La cinta bimetálica tiene la forma de una espira, uno de cuyos

extremos está fijo, mientras el otro está unido a un puntero

Otro tipo de termómetros son los que utilizan cintas bimetálicas, que son dos metales distintos que tienen diferentes tasas de expansión. Cuando la temperatura

aumenta, las diferentes cantidades de expansión hacen que la cinta bimetálica se doble.

Escalas de Temperatura (Cap 17 Giancoli)Escalas de Temperatura (Cap 17 Giancoli)

Para definir una escala de temperatura se asignan valores arbitrarios a dos temperaturas fácilmente

reproducibles. Para las escalas Celsius y Fahrenheit estos dos puntos fijos se eligen como el punto de

congelación y el punto de ebullición del agua, ambos tomados a presión atmosférica estándar.

Para medir cuantitativamente la temperatura, se debe definir alguna especie de escala numérica. La escala más

común en la actualidad es la escala Celsius (°C), comúnmente llamada escala centígrada. En Estados Unidos también es común la escala Fahrenheit (°F).

La escala más importante en el trabajo científico es la escala absoluta, o Kelvin (K).


El punto de ebullición se define como aquella temperatura a la que el líquido y el gas coexisten en

equilibrio.

El punto de congelación de una sustancia se define como aquella temperatura en la que las fases sólida y líquida

coexisten en equilibrio.

De manera experimental, estos puntos ocurren sólo a una temperatura definida, a una presión dada. Por lo tanto, se debe especificar la presión (por lo general es de 1 atm).


Celsius (°C) Fahrenheit (°F)

Punto de Ebullición del Agua

Punto de Ebullición del Agua

Punto de Congelación del Agua

Punto de Congelación del Agua

100 Intervalos Iguales

180 Intervalos Iguales


El cero absoluto es la base de una escala de temperatura conocida como escala absoluta o escala Kelvin (K).

Se ha encontrado que la temperatura más baja posible es -273.15 °C, por lo que a esta temperatura se llama cero

absoluto de temperatura.

En la escala Kelvin los intervalos son los mismos que para la escala Celsius, pero el cero en esta escala (0 K)

se elige como el cero absoluto (-273.15 °C).

Si dos objetos a diferentes temperaturas se colocan en contacto térmico (lo que significa que la energía térmica

se puede transferir de uno al otro), los dos objetos finalmente alcanzarán la misma temperatura. Se dice

entonces que están en equilibrio térmico.

Dos objetos están en equilibrio térmico si, cuando se colocan en contacto térmico, no fluye energía neta de

uno al otro y sus temperaturas no cambian.

Equilibrio Térmico (Cap 17 Giancoli)Equilibrio Térmico (Cap 17 Giancoli)

Si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces están en equilibrio térmico entre sí.

Este postulado se llama Ley Cero de la Termodinámica.

Ley Cero de la TermodinámicaLey Cero de la Termodinámica

Temperatura (Cap 17 Giancoli)Temperatura (Cap 17 Giancoli)

Cuando dos sistemas (o más) están en equilibrio térmico, sus temperaturas son iguales y entre ellos no se

intercambiará energía térmica neta.

La temperatura es una propiedad de un sistema que determina si el sistema estará en equilibrio térmico con

otros sistemas.

La importancia de la ley cero reside en que permite una definición útil de la temperatura.

Calor como Transferencia de Energía (Cap 19 Giancoli)Calor como Transferencia de Energía (Cap 19 Giancoli)

El calor fluye espontáneamente de un objeto con mayor temperatura hacia otro con menor temperatura. De

hecho, un modelo de calor propuesto en el siglo XVIII concebía el flujo de calor como el movimiento de una

sustancia fluida llamada calórico. Sin embargo, el fluido calórico nunca pudo detectarse.

Comúnmente se habla del flujo de calor: el calor fluye desde la hornalla de una cocina a una olla de sopa, del

Sol a la Tierra, de la boca de una persona al termómetro, de un mate caliente al cuerpo, etc.

En el siglo XIX se encontró que diversos fenómenos asociados con el calor se podían describir mediante un modelo que concebía al calor como similar al trabajo.


Con más frecuencia que la caloría, se usa la kilocaloría (kcal), la cual equivale a 1000 calorías. Así que 1 kcal es el calor necesario para elevar la temperatura de 1 kg de

agua en 1 C°.

Una unidad común para calor es la caloría (cal) y se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la

temperatura de 1 gramo de agua en 1 grado Celsius.

Por lo general, una kilocaloría se llama Caloría (con C mayúscula), y esta Caloría (en kcal o en kJ) se usa para

especificar el valor energético de los alimentos. En el sistema inglés de unidades, el calor se mide en unidades

térmicas británicas (Btu).

Equivalente Mecánico del Calor (Cap 19 Giancoli)Equivalente Mecánico del Calor (Cap 19 Giancoli)

Joule determinó que una cantidad dada de trabajo realizado siempre era equivalente a una cantidad

particular de entrada de calor.

Los científicos del siglo XIX aceptaron la idea de que el calor estaba relacionado con la transferencia de energía;

entre ellos destaca un inglés, James Prescott Joule.

En términos cuantitativos, se encontró que 4.186 joules (J) de trabajo eran equivalentes a

1 caloría (cal) de calor.1 kcal = 4.186 kJ

1 cal = 4.186 J Esto se conoce como el Equivalente Mecánico del Calor


El calor es energía transferida de un objeto a otro debido a una diferencia en temperatura.

Los científicos determinaron que el calor se refiere a una transferencia de energía: cuando el calor fluye de un objeto caliente a uno más frío, es energía lo que se

transfiere del objeto caliente al frío.

El resultado de Joule fue crucial porque extendió el principio trabajo-energía para incluir procesos que

implicaban calor.

Calor Específico (Cap. 19 Giancoli)Calor Específico (Cap. 19 Giancoli)

Pero, ¿cuánto se eleva la temperatura?..... La cantidad de calor (Q) requerida para cambiar la temperatura de un material dado es proporcional a la masa (m) del material

presente y al cambio de temperatura (T).

Si el calor fluye hacia un objeto, la temperatura del objeto se eleva (suponiendo que no hay cambio de fase).

Donde “c” es una propiedad característica del material llamada calor específico. El calor específico se expresa

en unidades de J/(kg∙C°) (en SI) o kcal/(kg∙C°).

Calor Específico (Cap. 19 Giancoli)Calor Específico (Cap. 19 Giancoli)

CUÁL ES MÁS FÁCIL DE

CALENTARSE?

Calorimetría: Resolución de Problemas (Cap. 19 Giancoli)Calorimetría: Resolución de Problemas (Cap. 19 Giancoli)

Al analizar el calor y la termodinámica, con frecuencia haremos referencia a sistemas particulares:

* Un sistema es cualquier objeto (o conjunto de objetos) que se somete a consideración. Todo lo demás en el

universo constituye su “ambiente” o “entorno”.

* Un sistema cerrado es aquel en el que ninguna masa entra o sale (aunque el sistema puede intercambiar

energía con el ambiente).

* En un sistema abierto la masa puede entrar o salir (al igual que la energía). Muchos sistemas, incluidos los animales y las plantas, son sistemas abiertos, pues

intercambian materiales (alimento, oxígeno, productos de desecho) con el ambiente.


* Se dice que un sistema cerrado está aislado si ninguna

forma de energía pasa a través de sus

fronteras.

Cuando diferentes partes de un sistema aislado están a diferentes temperaturas, fluirá calor (es decir, se transferirá energía) de la parte que tiene mayor

temperatura hacia la parte de menor temperatura; esto ocurre, dentro del sistema. Si el sistema está

verdaderamente aislado, no se transferirá energía hacia dentro ni hacia fuera.


Tomando en cuenta la conservacion de la energía: la pérdida de calor en una parte del sistema es igual a la

ganancia de calor en otra parte, esto es:

PÉRDIDA DE CALOR = GANANCIA DE CALOR (CUERPO A) (CUERPO B)

SALIDA DE ENERGÍA DE UNA PARTE = ENTRADA DE ENERGÍA EN OTRA PARTE

Calorimetría (Cap. 19 Giancoli)Calorimetría (Cap. 19 Giancoli)

La calorimetría es la medición cuantitativa del intercambio de

calor. Para realizar tales mediciones, se usa un

calorímetro.

Es muy importante que el calorímetro esté bien aislado, de manera que casi no se intercambie calor con el

entorno.

Una aplicación importante del calorímetro es la determinación de los calores específicos de diferentes

sustancias.

Calor Latente (Cap. 19 Giancoli)Calor Latente (Cap. 19 Giancoli)

Cuando un material cambia de fase de sólido a líquido, o de líquido a gas, cierta cantidad de energía participa en

este cambio de fase.


El calor requerido para convertir 1.0 kg de una sustancia del estado sólido al líquido se llama calor de fusión y se

denota como LF. El calor de fusión del agua es 79.7 kcal/kg o 333 kJ/kg.

El calor que se requiere para cambiar una sustancia de la fase líquida a vapor se llama calor de vaporización, LV.

Para el agua es 539 kcal/kg o 2260 kJ/kg.

Los valores para los calores de fusión y vaporización, son los denominados calores latentes.


El calor que participa en un cambio de fase depende no sólo del calor latente, sino también de la masa total de la

sustancia. Esto es:

Donde L es el calor latente particular del proceso y la sustancia, m es la masa de la sustancia y Q es el calor

agregado o liberado durante el cambio de fase.

Evaporación (Cap. 19 Giancoli)Evaporación (Cap. 19 Giancoli)

El calor latente para convertir un líquido en gas no sólo es necesario en el punto de ebullición. El agua puede

cambiar de la fase líquida a la gaseosa incluso a temperatura ambiente. Este proceso se llama

evaporación.

Cuando el agua se evapora, el líquido restante se enfría, porque la energía requerida (el calor latente de

vaporización) proviene del agua misma; así que su temperatura debe disminuir.

Evaporación (Cap. 19 Giancoli)Evaporación (Cap. 19 Giancoli)

La evaporación del agua de la piel es uno de los mecanismos más importantes que usa el cuerpo para controlar su temperatura. Cuando la temperatura de la sangre se eleva ligeramente por arriba de lo normal, la región del hipotálamo del cerebro detecta este aumento

de temperatura y envía una señal a las glándulas sudoríparas para aumentar su producción. La energía requerida (el calor latente) para vaporizar esta agua proviene del cuerpo, de manera que éste se enfría.

Primera Ley de la Termodinámica (Cap. 19 Giancoli)Primera Ley de la Termodinámica (Cap. 19 Giancoli)

El calor (Q) se define como una transferencia de energía que se debe a una diferencia de temperatura. El trabajo (W) es una transferencia de energía que no se debe a

una diferencia de temperatura.

La energía interna (E) de un sistema es la suma total de la energía de las moléculas dentro del sistema.

Extendiendo el principio de la conservación de la energía, se propuso una importante ley: el cambio en la energía

interna de un sistema cerrado (E) será igual a la energía agregada al sistema mediante calentamiento menos el

trabajo realizado por el sistema sobre el entorno.

Primera Ley de la Termodinámica (Cap. 19 Giancoli)Primera Ley de la Termodinámica (Cap. 19 Giancoli)

Transferencia de Calor: Conducción, Convección y Radiación (Cap. 19 Giancoli)Transferencia de Calor: Conducción, Convección y Radiación (Cap. 19 Giancoli)

El calor se transfiere de un lugar o cuerpo a otro en tres diferentes formas: conducción, convección y radiación.

Transferencia de Calor: Transferencia de Calor: ConducciónConducción, Convección y Radiación (Cap. 19 Giancoli), Convección y Radiación (Cap. 19 Giancoli)

La conducción de calor en muchos materiales se puede ver como un transporte mediante colisiones moleculares.

Cuando un extremo del objeto se calienta, las moléculas ahí se mueven cada vez más rápido. Cuando chocan con moléculas vecinas de movimiento más lento, transfieren parte de su energía cinética a esas otras moléculas, las cuales, a la vez, transfieren energía mediante colisión a

otras moléculas todavía más alejadas en el objeto. En los metales, las colisiones de los electrones libres son las

principales responsables de la conducción.

Transferencia de Calor: Transferencia de Calor: ConducciónConducción (Cap. 19 Giancoli) (Cap. 19 Giancoli)

La conducción de calor de un punto a otro tiene lugar sólo si hay una diferencia de temperatura entre los dos puntos. Experimentalmente se encuentra que el flujo de calor Q durante un intervalo de tiempo t está dado por

la relación:

Donde A es el área transversal del objeto, “l” es la distancia entre los dos extremos, que están a las

temperaturas T1 y T2, y k es una constante de proporcionalidad llamada conductividad térmica, que es

característica del material.

Transferencia de Calor: Transferencia de Calor: ConducciónConducción (Cap. 19 Giancoli) (Cap. 19 Giancoli)

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