La temperatura:

La temperatura es la medida de la energía térmica de una sustancia. Se mide con un termómetro. Las escalas más empleadas para medir esta magnitud son la Escala Celsius (o centígrada) y la Escala Kelvin. 1ºC es lo mismo que 1 K, la única diferencia es que el 0 en la escala Kelvin está a - 273 ºC.

En la escala Celsius se asigna el valor 0 (0 ºC) a la temperatura de congelación del agua y el valor 100 (100 ºC) a la temperatura de ebullición del agua. El intervalo entre estas dos temperaturas se divide en 100 partes iguales, cada una de las cuales corresponde a 1 grado.

En la escala Kelvin se asignó el 0 a aquella temperatura a la cual las partículas no se mueven (temperatura más baja posible). Esta temperatura equivale a -273 ºC de la escala Celsius.

Para convertir ambas temperaturas, tenemos que tener en cuenta que:

T (K) = t(ºC) + 273

La energía térmica:

La energía térmica es la energía cinética (relacionada con el movimiento) media de un conjunto muy grande de átomos o moléculas. Esta energía cinética media depende de la temperatura, que se relaciona con el movimiento de las partículas (átomos y moléculas) que constituyen las sustancias.

Calor y equilibrio térmico:

Cuando dos cuerpos a distintas temperaturas se ponen en contacto, terminan igualando sus temperaturas. Entonces se dice que se ha alcanzado el equilibrio térmico.

Cuando dos sistemas entran en contacto, las partículas con mayor energía cinética transfieren, mediante choques, parte de su energía a las restantes partículas, de manera que al final la energía cinética media de todo el conjunto es la misma.

Cuando dos sistemas en desequilibrio térmico entran en contacto, el de mayor temperatura transfiere energía térmica al de menor temperatura hasta conseguir el equilibrio térmico.

El calor es la transferencia de energía desde un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura hasta otro de menor temperatura. Cuando ambos cuerpos igualan sus temperaturas se detiene la transmisión de energía.

Calor:

calor está definido como la forma de energía que se transfiere entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo en termodinámica generalmente el término calor significa simplemente transferencia de energía. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia).

La energía puede ser transferida por diferentes mecanismos de transferencia, estos son la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado. Cabe resaltar que los cuerpos no tienen calor, sino energía térmica. La energía existe en varias formas. En este caso nos enfocamos en el calor, que es el proceso mediante el cual la energía se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura.

Unidades de medida del calor

El calor se mide en unidades de energía. Por tanto, en el Sistema Internacional su unidad es el julio (J). Sin embargo, la unidad tradicional para medir el calor es la caloria (cal). La equivalencia es:

1 cal = 4,184 J ó 1 J = 0,24 cal

Conducción:

El proceso por el que se transmite calor de un punto a otro de un sólido se llama Conducción.

En la conducción se transmite energía térmica, pero no materia. Los átomos del extremo que se calienta, empiezan a moverse más rápido y chocan con los átomos vecinos transmitiendo la energía térmica.

Dilatación:
Se denomina dilatación térmica al aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura que se provoca en él por cualquier medio. La contracción térmica es la disminución de propiedades métricas por disminución de la misma.

El calor y los cambios de estado. Calor latente

Iceberg

La materia se presenta en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Según las condiciones externas de presión y temperatura, un mismo cuerpo puede existir en cualquiera de ellos.

Imagen: Tipos de cambios de estado

En algunas circunstancias, cuando se aporta energía calorífica a un cuerpo, este no aumenta su temperatura, sino que esa energía se invierte en modificar las fuerzas que unen unas moléculas con otras, provocando que la materia cambie su estado de agregación. Los cambios de estado más corrientes son sólido ↔ líquido y líquido ↔ gas. Los cambios sólido ↔ gas son mas raros y, en general, se producen en circunstancias no ordinarias.

Los cambios de estado se caracterizan por lo siguiente:

No cambian la naturaleza de la sustancia.

Se producen a temperatura constante para cada presión.

La sustancia absorbe o cede calor. El calor invertido en el proceso para la unidad de masa recibe el nombre de calor latente de cambio de estado.

El valor de la temperatura a la que se producen y el valor del calor latente correspondiente son característicos de cada cambio de estado y de la naturaleza de la sustancia.

La energía necesaria para que una sustancia cambie de estado es:

Q = m · L

Donde m es la masa de la sustancia considerada y L es una propiedad característica de cada sustancia, llamada calor latente. El calor latente se mide en J/kg en unidades del SI.

La representación gráfica de la temperatura de un sistema físico en función del tiempo, cuando el sistema absorbe o libera un calor constante por unidad de tiempo, se llama gráfica de calentamiento o enfriamiento.

Imagen:

Aparte del lógico aumento de la temperatura en los cuerpos, cuando se calienta un cuerpo pueden producirse otra serie de efectos, entre los que destacan dos:

Imagen 12. Elaboración propia

1) Cambios de estado

Al comunicar energía a una sustancia, según la teoría cinética de la materia aumenta la energía cinética de sus partículas, de forma que comienzan a moverse más rápidamente, siendo más probable que adquieran la energía necesaria como para vencer las fuerzas que las mantienen unidas, cambiando su configuración.

Cuando se calienta un sólido, las partículas que se encuentran en posiciones prácticamente fijas comienzan a vibrar con mayor amplitud y velocidad, hasta que se funde. Al alcanzar el punto de energía cinética máxima, la energía adicional se emplea en vencer las fuerzas que mantienen las partículas unidas entre sí, abandonando sus posiciones y pasando al estado líquido.

En este proceso de cambio de estado se produce un intercambio de calor, positivo en el caso de paso de sólido a líquido y negativo pero de igual valor que el anterior en el paso de líquido a sólido, que se utiliza en romper las uniones que mantienen unidas las partículas

Un cuerpo puede cambiar de un estado a otro al proporcionarle o extraerle calor. Los diferentes cambios de estado de un cuerpo son:

Fusión: de sólido a líquido.
Vaporización: de líquido a gas.
Condensación: de gas a líquido.
Solidificación: de líquido a sólido.
Sublimación: cambio directo de sólido a gas o de gas a sólido sin pasar por el estado líquido.

Cuando se calienta un cuerpo sólido cristalino, el movimiento vibratorio de los átomos aumenta. Si el cuerpo alcanza cierta temperatura, la agitación térmica puede ser tan intensa que la estructura cristalina comienza a modificarse. En ese momento se inicia la fusión del sólido y líquido en equilibrio térmico se llama punto de fusión.

Si continúa calentándose y la fusión concluye, la agitación térmica de las moléculas del líquido se incrementa aún más y tienden a separarse; es decir, la sustancia comienza a cambiar de la fase líquida a la gaseosa. El valor de la temperatura a la cual ocurre esto (coexisten líquido y vapor en equilibrio térmico) se llama punto de ebullición.

Cuando un sólido cristalino se está fundiendo y continúa suministrándosele calor, su temperatura no se incrementa debido a que la acción de la energía consiste en separar las moléculas de la fase sólida, efectuándose un cambio de fase. Los sólidos no cristalinos se funden dentro de un intervalo de temperaturas.

Mientras un líquido hierve, su temperatura no cambia aunque se le proporcione calor adicional, ya que la energía excedente es empleada en provocar un cambio de fase. La temperatura a la cual se produce dicho cambio tiene un valor determinado para cada sustancia, conforme a una presión dada.

El calor que participa en un cambio de fase sin incrementar la temperatura se llama calor latente (oculto).

Puntos de fusión y ebullición. Factores que los modifican
En el siguiente cuadro se indican, en grados Celsius (°C), los puntos de fusión y ebullición de algunas sustancias a la presión de una atmósfera.

Puntos de fusión y ebullición de algunas sustancias a la presión de una atmósfera

Sustancia

Punto de fusión (°C)

Punto de ebullición (°C)

Alcohol etílico

-117

Alcohol metílico

-98

Aluminio

658

2 057

Amoniaco

-75

-34

Cobre

1 080

2 310

Helio

-270

-269

Plomo

327

1 620

Mercurio

-39

358

Nitrógeno

-210

-196

Oxígeno

-219

-183

Plata

961

2 193

Agua

100

Siempre que se indica el punto de ebullición o de fusión de una sustancia, debe especificarse la presión a la que se realiza, ya que si ésta cambia, se modifica la temperatura de cambio de fase

Radiación, convección, conducción

Conducción

La conducción es el fenómeno consistente en la propagación de calor entre dos cuerpos o partes de un mismo cuerpo a diferente temperatura debido a la agitación térmica de las moléculas, no existiendo un desplazamiento real de estas.

Convección

La convección es la transmisión de calor por movimiento real de las moléculas de una sustancia. Este fenómeno sólo podrá producirse en fluidos en los que por movimiento natural (diferencia de densidades) o circulación forzada (con la ayuda de ventiladores, bombas, etc.) puedan las partículas desplazarse transportando el calor sin interrumpir la continuidad física del cuerpo.

Radiación

La radiación a la transmisión de calor entre dos cuerpos los cuales, en un instante dado, tienen temperaturas distintas, sin que entre ellos exista contacto ni conexión por otro sólido conductor. Es una forma de emisión de ondas electromagnéticas (asociaciones de campos eléctricos y magnéticos que se propagan a la velocidad de la luz) que emana todo cuerpo que esté a mayor temperatura que el cero absoluto. El ejemplo perfecto de este fenómeno es el planeta Tierra. Los rayos solares atraviesan la atmósfera sin calentarla y se transforman en calor en el momento en que entran en contacto con la tierra.

Radiación térmica:

La radiación térmica tiene básicamente tres propiedades:

Radiación absorbida. La cantidad de radiación que incide en un cuerpo y queda retenida en él, como energía interna, se denomina radiación absorbida. Aquellos cuerpos que absorben toda la energía incidente de la radiación térmica, se denominan cuerpos negros.
Radiación reflejada. Es la radiación reflejada por un cuerpo gris.
Radiación transmitida. La fracción de la energía radiante incidente que atraviesa un cuerpo se llama radiación transmitida

La asociación mutua de los procesos de emisión, absorción, reflexión y transmisión de energía radiante por diferentes sistemas de cuerpos se conoce como intercambio de energía radiante.
El aire, por lo tanto, en los sistemas de transmisión de calor, es un elemento totalmente pasivo, que no ejerce ninguna función fundamental en los resultados térmicos de un local.

Calentar objetos, personas, paredes, suelos, etc. sin calentar el aire fundamentalmente es el proceso térmico que genera una instalación radiante, obteniendo beneficios sustanciales en cuanto a la mejora de confort, modificación de la humedad ambiental y consumo.

Aplicación real en la construcción de la radiación térmica.
Si queremos aprovechar las características propias de la radiación térmica, estamos obligados a crear nuevos aparatos, a replantear los espacios que emiten calor de una manera diferente, en definitiva, a modificar el concepto convencional que solo se ocupa de incorporar a los locales un elemento capaz de convertir el aire frío en caliente, esté colocado en una u otra parte del local y con más o menos potencia instalada.

Por ello será importante analizar en los siguientes capítulos todas las variantes que puedan influir en una calefacción por radiación para obtener unos resultados óptimos.

ley de charles

La Ley de Charles y Gay-Lussac, o simplemente Ley de Charles, es una de las leyes de los gases. Relaciona el volumen y la temperatura de una cierta cantidad de gas ideal, mantenido a una presión constante, mediante una constante de proporcionalidad directa.

En esta ley, Jacques Charles dice que para una cierta cantidad de gas a una presión constante, al aumentar la temperatura, el volumen del gas aumenta y al disminuir la temperatura, el volumen del gas disminuye. Esto se debe a que la temperatura está directamente relacionada con la energía cinética (debido al movimiento) de las moléculas del gas. Así que, para cierta cantidad de gas a una presión dada, a mayor velocidad de las moléculas (temperatura), mayor volumen del gas.

Volumen sobre temperatura: Kelvin

\frac{V}{T} = k_2

o también:

V = k_2T \qquad

donde:

V es el volumen.

T es la temperatura absoluta (es decir, medida en Kelvin).

k2 es la constante de proporcionalidad.

Además puede expresarse como:

\frac {V_1}{T_1} =

\frac {V_2}{T_2}

donde:

V_1\,= Volumen inicial

T_1\,= Temperatura inicial

V_2\,= Volumen final

T_2\,= Temperatura final

Despejando T₁ se obtiene:

T_1 =\frac {V_1 \cdot T_2}{V_2}

Despejando T₂ se obtiene:

T_2 =\frac {V_2 \cdot T_1}{V_1}

Despejando V₁ es igual a:

V_1 =\frac {V_2 \cdot T_1}{T_2}

Despejando V₂ se obtiene:

V_2 =\frac {V_1 \cdot T_2}{T_1}

Un buen experimento para demostrar esta ley es el de calentar una lata con un poco de agua, al hervir el agua se sumerge en agua fría y su volumen cambia.

ley de gay lussac

La ley de Gay-Lussac dice:

En aumentar la temperatura, el volumen del gas aumenta si la presión se mantiene constante

Si el volumen de una cierta cantidad de gas a presión moderada se mantiene constante, el cociente entre presión y temperatura (Kelvin) permanece constante:

$\frac{P}{T} =k_3$

o también:

$P = k_3T \qquad$

donde:

P es la presión
T es la temperatura absoluta (es decir, medida en Kelvin)
k₃ la constante de proporcionalidad

Esta ley fue enunciada en 1802 por el físico y químico francés Louis Joseph Gay-Lussac.

calor y temperatura

1.- La energía térmica


Ejemplo de trayectoria caótica seguida por una molécula de una sustancia gaseosa.

2.- La temperatura

En la escala Kelvin se asignó el 0 a aquella temperatura a la cual las partículas no se mueven (temperatura más baja posible). Esta temperatura equivale a -273 ºC de la escala Celsius.

Calor y equilibrio térmico

Cuando dos cuerpos a distintas temperaturas se ponen en contacto, terminan igualando sus temperaturas. Entonces se dice que se ha alcanzado el equilibrio térmico.

Cuando dos sistemas en desequilibrio térmico entran en contacto, el de mayor temperatura transfiere energía térmica al de menor temperatura hasta conseguir el equilibrio térmico.