CALOR Y TEMPERATURA

• Calor

El calor es una cantidad de energía y es una expresión del movimiento de las moléculas que componen un cuerpo.

Cuando el calor entra en un cuerpo se produce calentamiento y cuando sale, enfriamiento. Incluso los objetos más fríos poseen algo de calor porque sus átomos se están moviendo. 

• Temperatura

La temperatura es la medida del calor de un cuerpo (y no la cantidad de calor que este contiene o puede rendir).

• Diferencias entre calor y temperatura

Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo, esto no es así. El calor y la temperatura están relacionadas entre sí, pero son conceptos diferentes.

Como ya dijimos, el calor es la energía total del movimiento molecular en un cuerpo, mientras que la temperatura es la medida de dicha energía. El calor depende de la velocidad de las partículas, de su número, de su tamaño y de su tipo. La temperatura no depende del tamaño, ni del número ni del tipo.

El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si añadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye.

La temperatura no es energía sino una medida de ella; sin embargo, el calor sí es energía.

• Cambios de estado

En la naturaleza existen tres estados usuales de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Al aplicarle calor a una sustancia, esta puede cambiar de un estado a otro. A estos procesos se les conoce como Cambios de estado . Los posibles cambios de estado son:

-de estado solidó a liquido, llamado fusión.

-de estado liquido a solidó, llamado solidificación.

-de estado liquido a gaseoso, llamado vaporización

-de estado gaseoso a liquido, llamado condensación

-de estado solidó a gaseoso, llamado sublimación progresiva.

-de estado gaseoso a sólido, llamado sublimación regresiva.

• Efectos del calor: Aumento o disminución de su temperatura

Si un cuerpo gana o pierde calor uno de sus efectos es que varía su temperatura. Esto depende de:

• de la cantidad de calor ganado o perdido 
• de la cantidad de sustancia ( no es lo mismo calentar 10 g que 10 kg)
• de la sustancia que calentamos o enfriamos (no es lo mismo calentar agua que un trozo de hierro). Este factor se corresponde con el calor especifico, ce, definido como la cantidad de calor que hay que suministrar a 1 kg de sustancia para elevar su temperatura 1 ºC. Cuanto mayor ser el calor específico más cantidad de calor hace falta para calentar una sustancia.

• Equilibrio térmico

Cuando se ponen en  contacto dos cuerpos a diferente temperatura, el cuerpo caliente cede energia al cuerpo frio. Esta transferencia de calor continua hasta que alcanzan ambos la misma temperatura, o temperatura de equilibrio.

Se obtiene siempre que:

--Qperdido + Qganado = 0

• Efectos del calor: Cambio de estado

Otro de los efectos del calor es el cambio de estado de los cuerpos. El cambio de estado tiene lugar a una temperatura determinada, característica para cada sustancia y mientras cambia de estado su temperatura permanece constante.

• Calor latente

Se denomina calor latente de cambio de estado (Lfusión, Lvaporización) a la energía que hay que comunicar a 1 kg de una sustancia para que cambie de estado. Esta  energía no se emplea en aumentar la velocidad de las partículas, sino en modificar las fuerzas de atracción entre ellas, diferentes en un estado y en otro. 

• Efectos del calor: Dilatación

Otro de los efectos del calor es la dilatación. Cuando un cuerpo se calienta, aumenta su temperatura, se dilata, aumentando su volumen. Esto es debido a que las partículas que lo forman tienen más energía y se mueven más rápido. La agitación térmica es mayor. Esto hace que necesiten más espacio y por lo tanto hay un aumento de volumen. Si la temperatura desciende se produce una disminución en el volumen, ya que hay menos agitacion térmica.
Un aumento de volumen por efecto del calor hace que la densidad del cuerpo disminuya.
Es esencial tener en cuenta la dilatación en la construcción de vías, puentes.... Se soluciona utilizando juntas de dilatacion, espacios vacíos que permiten que el material se dilate.

Los líquidos se dilatan más que los sólidos, ya que sus partículas están menos unidas que en estado solido y por lo tanto se separan con más facilidad.

Los gases se dilatan con gran facilidad al aumentar su temperatura, ya que sus partículas prácticamente no estan unidas. Las leyes de los gases permiten estudiar la variación del volumen de un gas con la temperatura, en este caso la ley de Gay-Lussac.

 El Universo está formado por materia y energía. La materia, además de otras propiedades posee masa, volumen y carga eléctrica y está constituida por partículas (átomos, moléculas e iones).En la naturaleza es posible distinguir distintos tipos de materia, a los que denominamos sustancias. Las sustancias pueden reconocerse por sus propiedades.

Una de las primeras propiedades que observamos en las sustancias es su estado físico. El estado físico depende del estado de agregación de las partículas que forman las sustancias. A temperatura ambiente, una sustancia puede ser sólida, líquida o gaseosa.El estado en que se encuentra una sustancia depende, fundamentalmente, de las fuerzas de interacción entre las partículas que la forman (fuerzas de cohesión) y de la agitación térmica de dichas partículas, caracterizada por la temperatura a la que se encuentra.

FÓRMULA  

 La Ley de Hooke establece que, la deformación, Δx, (en el caso unidimensional 1D) que experimenta un sistema por la acción de una fuerza externa, FExt.(F), es proporcional a la magnitud de la fuerza; es decir, Δx α FExt.

En la mayoría de los casos, la fórmula la encontraremos con un signo negativo, el signo negativo indica cuando el resorte se encuentra comprimido, y será positivo cuando el resorte esté estirado. 

-Elasticidad: La elasticidad, es una propiedad mecánica de los sistemas, decimos que un material es elástico cuando al aplicarle una fuerza, se deforma, y, al dejar de aplicar la fuerza, vuelve a su forma original.

     Un elástico, un resorte, una goma elástica, la piel, los músculos, entre otros son objetos en los que podemos observar esta propiedad.

-Elasticidad lineal: 

La teoría de la elasticidad lineal es el estudio de sólidos elásticos lineales sometidos a pequeñas deformaciones de tal manera que además los desplazamientos y deformaciones sean "lineales". En general un sólido elástico lineal sometido a grandes desplazamientos no cumplirá esta condición. Por tanto la teoría de la elasticidad lineal sólo es aplicable a:
Sólidos elásticos lineales, en los que tensiones y deformaciones estén relacionadas linealmente (linealidad material).

Deformaciones pequeñas, en ese caso puede deformaciones y desplazamientos estén relacionados linealmente. En ese caso puede usarse el tensor deformación lineal de Green-Lagrange para representar el estado de deformación de un sólido (linealidad geométrica).

EJEMPLO DE ELASTICIDAD

Si tomamos una banda elástica tendrá cierta forma de origen que cambiará de manera drástica si con mis manos la estiro hacia ambos lados. Claramente, ha sufrido una deformación, y tiene capacidad para que esa deformación se produzca. Sin embargo, esa deformación cesará cuando yo cese la fuerza que ejerzo sobre la banda elástica, y volverá a su tamaño de origen, incluso cuando en la mayoría de los casos, tras ser sometida a este tipo de fuerzas en ocasiones reiteradas y constantes (y de magnitud considerable) podrá presentar deformaciones irreversibles, que en este caso, estarán relacionadas con un aspecto más “estirado” de la banda elástica.

EJEMPLO PRÁCTICO

Tres resortes suspendidos verticalmente por un extremo; en el primero de la izquierda, su deformación corresponderá al efecto que produce sobre él su propio peso, por la acción de la gravedad actuando sobre su centro de masa, en la mayoría de los casos se usan resortes, en los que esa deformación es muy pequeña, y podemos considerar que la longitud normal, y la que adquiere el resorte deformado por su propio peso son prácticamente la misma. A los otros dos resortes, por el extremo contrario al de suspensión se les ha colocado masas tales que, la masa del tercer resorte es el doble de la del segundo. De la figura se observa que la deformación del tercer resorte es el doble de la del segundo resorte.