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En esta Unidad aprenderemos a diferenciar los conceptos de temperatura, energía térmica y calor.
También estudiaremos cómo se mide la temperatura y los factores de que depende la energía para elevar la temperatura de los objetos.
Por último, hablaremos de la dilatación de los sólidos, los líquidos y los gases y alguna de sus aplicaciones
Qué sabemos???? Anota tus respuestas en el cuaderno
1. ¿qué es el calor?
2. Estaría bien decir ¡qué calor hace! o ¡qué frío hace!
3. ¿Podemos hablar del calor que tiene un objeto?
4. ¿Cómo podemos medir la temperatura?
5. ¿De que depende que aumente más o menos la temperatura de un objeto cuando le calentamos?
¿Qué es la temperatura?
Temperatura es una propiedad de los cuerpos que percibimos a través del sentido del tacto. De acuerdo con esta percepción las cosas están más calientes o más frías. Para medir la temperatura de las cosas se utiliza el termómetro.
Experiencia.
Llena un recipiente de agua caliente, otro de agua tibia y, finalmente, otro de agua fría.
Mete la mano derecha en el recipiente de la mano caliente y la izquierda en el recipiente de agua fría. Después de unos segundos introduce las dos manos simultáneamente en el recipiente de agua templada.
¿Notas la misma sensación de calor o de frío en las dos manos?
Crees que el sentido del tacto nos permite saber la temperatura de un objeto con la misma exactitud que un termómetro? Por qué?
Calor y temperatura 1
Para tener una idea más exacta de qué es la temperatura de un objeto debemos volver a pensar que los objetos que nos rodean están constituidos por partículas. Estas partículas, tanto en los sólidos, líquidos, como en los gases, están en continuo movimiento.
La temperatura de un objeto nos indica el grado de agitación o de movimiento de las partículas que lo forman. Cuanta más temperatura tenga un objeto mayor es la velocidad con que se mueve n las partículas que lo forman.
En los sólidos el movimiento de las partículas es pequeño y queda reducido a una pequeña vibración: ya sabes que en los sólidos las partículas están fuertemente unidas entre sí. En los líquidos, las partículas vibran y forman conjuntos que se mueven y desplazan unos respecto a otros. En los gases, las partículas están muy separadas entre sí y se trasladan libremente. Calor temperatura y cambios de estado
La energía que tienen los objetos a causa se su movimiento se llamaba energía cinética. Las partículas que constituyen los objetos se mueven y decimos que también tienen energía cinética. Cuanto mayor es la temperatura de los objetos, mayor es la energía cinética de las partículas que lo constituyen. Como consecuencia, podemos decir que la temperatura que nos mide el termómetro es una medida de la energía térmica del objeto y, por tanto, directamente relacionada con el grado de movimiento de sus partículas.
Experimento.
Introduce 250 cm3 de agua caliente en un baso de precipitados. En otro echa 250 cm3 de agua fría. Echa en ambos una gotita de tinta.
¿En qué recipiente la tinta se ha difundido más rápido?
¿Cómo explicarías este hecho?
Calor y temperatura 1
Actividad 1.
Dos muestras de la misma sustancia tienen la misma temperatura. Qué podemos decir sobre las partículas que forman las dos muestras de sustancia?
Actividad 2.
¿Cómo se comportan las partículas de un sólido en el que aumenta su temperatura? ¿Y las de un líquido? ¿Qué pasa con las partículas que componen el gas?
Comportamiento de las sustancias con la temperatura
Para medir la temperatura utilizamos el termómetro. En la vida cotidiana o en el laboratorio los termómetros están formados por un tubo de vidrio cerrado por su extremo superior y unido por el otro extremo a un pequeño depósito (bulbo) en el que se encuentra un líquido –mercurio o alcohol teñido-. Este líquido se dilata cuando la temperatura aumenta y, en consecuencia, sube por el tubo. La longitud de la columna de líquido nos da de manera indirecta la medida de la temperatura. Para poder medir la temperatura de cualquier objeto, el tubo debe tener una escala graduada.
Para graduar la escala de un termómetro hay que tener dos temperaturas de referencia que utilizaremos para comparar con cualquier otra temperatura. La escala más utilizada es la escala Celsius, conocida popularmente como escala centígrada.
En la escala Celsius las temperaturas de referencia son las siguientes: la temperatura de fusión del hielo, a la cual se le asigna el valor de 0 grados Celsius (0º C) Y la temperatura de ebullición del agua cuando la presión atmosférica que nos rodea es de 1 atmósfera, a la cual se le asigna el valor de 100 grados Celsius (100ºC).
Experimento
Pon en contacto el bulbo de un termómetro sin escala con una mezcla de agua y hielo. Haz una señal en el punto donde se sitúa la columna de mercurio. A este valor le asignaremos el 0ºC.
Seguidamente, pon en contacto el bulbo del termómetro con agua hirviendo. Haz, ahora una señal en el punto exacto donde se sitúa la columna de mercurio. A este punto le asignaremos el valor 100º C.
Divide en cien partes iguales la distancia entre el valor 0 y 100. Cada separación se considera 1º C.
Mide la temperatura de la clase con tu termómetro y anota el resultado, Haz lo mismo con la temperatura en el exterior (para ello deja unos segundos que avance la columna de mercurio y se estabilice). Anota el resultado en el cuaderno de clase.
Recoge en el cuaderno todo el proceso seguido en la calibración del termómetro y la medida de temperaturas. ¿Coinciden las medidas con las que te proporciona el profesor con un termómetro previamente calibrado?
Actividad 3.
La temperatura de congelación del mercurio en de -39ºC y la del alcohol -114ºC. ¿Qué mejora representa el termómetro de alcohol en relación con el termómetro de mercurio?
Actividad 4.
¿En qué se diferencia el termómetro clínico del termómetro que utilizas en el laboratorio?
Actividad 5.
¿Qué otros tipos de termómetros conoces?
Actividad 6.
¿Qué otras escalas de temperatura conoces, además de la Celsius?
En el lenguaje cotidiano solemos confundir los términos calor y temperatura. Así, cuando hablamos del calor que hace en el verano o lo mal que saben los refrescos calientes, realmente nos referimos a la temperatura, a la mayor o menor temperatura del aire o los refrescos. La temperatura es una magnitud física que nos permite definir el estado de una sustancia, lo mismo que cuando decimos que un coche circula a 90 km/h o que una casa tiene 5 m de alto. Ya hemos dicho que:
la temperatura que nos mide el termómetro es una medida de la energía térmica del objeto y, por tanto, directamente relacionada con el grado de movimiento de sus partículas.
Calor y temperatura 2
Cuando se ponen en contacto dos sustancias a distinta temperatura, evolucionan de forma que el cuerpo a mayor temperatura la disminuye y el que tenía menor temperatura la aumenta hasta que al final los dos tienen la misma temperatura, igual que al echar un cubito de hielo a un refresco, que el refresco se enfría y el cubito de hielo se calienta y termina convirtiéndose en agua. Decimos que la sustancia a mayor temperatura ha cedido calor a la sustancia que tenía menor temperatura.
Vamos a definir calor como la energía que se transmite de un cuerpo de mayor temperatura o otros de menor temperatura.
Por lo tanto, el calor no es algo que esté almacenado en un cuerpo. Un cuerpo o un objeto no está más o menos caliente, ni tiene mucho o poco calor. Lo que si es correcto, es decir que un objeto tiene una temperatura muy elevada o muy baja ya que nos está indicando el termómetro que ese cuerpo tiene mucha o poca energía térmica.
Si un cuerpo lo tenemos a una temperatura de 80ºC y otro en contacto con él está temperatura de 20ºC, pasa energía del primero al segundo hasta igualarse las temperaturas. A esa energía que ha pasado de un cuerpo a otro se denomina CALOR.
Una catarata es agua que pasa de un sitio a otro porque están a distinta altura, de forma similar el calor es la energía que pasa de un cuerpo a otro porque están a distinta temperatura.
Experimento
Predice qué pasará con la temperatura en la siguiente experiencia:
Se mezclan 100 cm3 de agua hirviendo con otros 100 cm3 a temperatura ambiente.
Diseña un experimento que te permita contrastar tus predicciones.
Realiza el experimento en el laboratorio y anota el desarrollo de la experiencia y los resultados obtenidos. ¿Se confirman tus predicciones?
Actividad 7.
De las siguientes frases cuáles son correctas y cuáles no
a) Cuando un objeto aumenta su temperatura aumenta su energía térmica
b) El agua en ebullición tiene más calor que el agua fría.
c) Para aumentar la temperatura de un objeto ha que proporcionarle calor.
De qué depende el aumento de temperatura de un cuerpo al que se le suministra calor.
Para calentar una cosa hemos de suministrar calor o energía térmica. Cuanto mayor es la masa del objeto más calor necesita para aumentar su temperatura un valor determinado. Por ejemplo, para aumentar 1ºC la temperatura de 1000 g de agua se necesita más calor que para aumentar 1ºC la temperatura de 10 g de agua.
Por lo tanto, podemos decir que para aumentar una determinada temperatura a un objeto, necesitaremos aportar más calor cuanta más masa tenga.
Por otro lado, unos objetos necesitan más calor que otros para aumentar un determinado valor su temperatura. Por ejemplo, hay que proporcionar más calor para aumentar 1ºC la temperatura de 1g de agua que para aumentar 1ºC la temperatura de 1g de alcohol.
Por lo tanto: el calor necesario para aumentar un determinado valor la temperatura de un cuerpo, depende de: * la masa del objeto.
* la naturaleza del objeto.
El calor se mide en julios (J), al igual que el trabajo. También se utiliza de vez en cuando una antigua medida denominada caloría.
Una caloría (cal) es la cantidad de calor que hay que suministrar a 1g de agua para que se eleve su temperatura 1ºC.
La equivalencia entre estas dos unidades es la siguiente:
1 cal = 4,2 J
Actividad 8.
Si tomamos el mismo calentador, di cuál se calentará más deprisa:
a) 500 g de agua o 1Kg de agua
b) 500 g de agua o 500 g de alcohol
Actividad 9.
Indica qué producirá un mayor aumento de temperatura:
a) transferir 5000 J a 10 g de agua
b) transferir 5000 J de calor a 1 Kg de agua
Actividad 10.
¿Cuántas calorías se han de dar a 200 g de agua para elevar la temperatura de 20 a 21ºC?
Actividad 11.
¿Cuántas calorías se han de proporcionar a 500 g de agua para elevar la temperatura de 20 a 60ºC?
Actividad 12.
¿Cuántas calorías se han de proporcionar a 1 g de agua para elevar su temperatura de 20 a 25ºC?
Expresa su energía en julios (J) y en Kilojulios (KJ)
Experimento
A Diseña un experimento para comprobar que:
1. Se necesita el doble de calor para aumentar 10ºC la temperatura de 200 g de agua que de 100g de agua
2. 100 g de agua necesita más calor que 100 g de alcohol para hacer elevar su temperatura 10ºC
B. Piensa y recoge en tu cuaderno de clase:
1. Cómo medirías los volúmenes de agua y de alcohol
2. Cómo medirás la temperatura
3. Cómo calentarás la sustancia
4. Cómo medirías el calor suministrado
Puedes utilizar como materiales para tu diseño:
Un calentador eléctrico, un termómetro, un cronómetro, vasos de precipitados de 200 cm2, alcohol y agua.
C. Comenta a tus compañeros de clases tu diseño
D. Escribe un pequeño informe sobre tu diseño y las conclusiones obtenidas
Efecto del calor sobre los cuerpos
Dilatación térmica
Cuando un objeto se calienta su volumen aumenta. Este fenómeno se denomina dilatación térmica. Por el contrario, cuando un objeto se enfría, su volumen disminuye. A este fenómeno se denomina contracción térmica.
A. Dilatación en los sólidos.
Cuando se colocan los raíles del tren se deja un espacio entre un raíl y otro, ya que al aumentar la temperatura los raíles se dilatan.
La dilatación de los sólidos se produce en todas la direcciones, pero cuando tiene forma alargada, como un raíl de tren, la dilatación a lo largo del raíl o dilatación lineal es la más importante.
La interpretación de este fenómeno es la siguiente; cuando calentamos un sólido, las partículas que lo constituyen vibran más, con más energía y mayores distancias. En consecuencial el sólido aumentará su volumen en todas las direcciones.
Experimento.
Dilatación de los sólidos.
a) Observa como una bola de metal pasa muy justa a través de una anilla.
b) Calienta la bola y comprueba que es imposible que la bola pase a través de la anilla.
c) El hecho de que no pase a través de la anilla nos de muestra que ha aumentado el volumen, es decir, que se ha dilatado.
d) Explica por qué ha aumentado el volumen de la bola.
Actividad 13.
En todos los puentes de acero o de hormigón se deja un espacio para la dilatación. Explica por qué
Actividad 14.
El hormigón y el acero se dilatan de manera similar con la temperatura. Explica por qué este hecho es vital para el uso del hormigón armado en la construcción.
Actividad 15.
Cogemos una varilla metálica y medimos su longitud y la temperatura. Mide 150 cm y la temperatura es de 20ºC. A continuación calentamos y medimos de nuevo su longitud y la temperatura de la varilla. Ahora mide 150,3 cm y la temperatura es de 120ºC.
Calcula:
a. ¿Cuál ha sido la dilatación lineal de la varilla.
b. ¿Cual sería la dilatación lineal si aumentamos la temperatura 10ºC más?; supón que hay una proporcionalidad directa entre la dilatación del sólido y el incremento de temperatura.
Dilatación de los líquidos
Al igual que los sólidos, los líquidos también se dilatan al calentarse. Pero hay alguna excepción. Así, podemos decir que, en general, los líquidos se dilatan más que los sólidos. El mercurio, por ejemplo, se dilata cinco veces más que el acero.
La dilatación de los líquidos es el fundamento de los termómetros, tanto de mercurio como de alcohol.
Experimento.
Dilatación de los líquidos.
Llena hasta arriba de agua un matraz del laboratorio.
Tapa el frasco un tapón agujereado por el que atraviesa un tubo de vidrio y hacer una señal en el tubo de vidrio que nos indique el nivel del agua.
Introduce el matraz en un vaso de agua y caliéntala.
Observa, que a medida que el agua del interior del matraz se calienta, asciende el nivel del agua que hay en el tubo. Esto nos de muestra que el líquido que hay en el matraz se dilata.
Depósito de expansión del radiador de un coche. Siempre que el líquido se encuentre dentro de un recipiente cerrado, se ha de dejar un espacio libre en previsión de la expansión o dilatación que el líquido pueda sufrir
Actividad 16. No se te olvide ponerlo en el cuaderno
Explica el funcionamiento de los termómetros utilizando las palabras dilatación y contracción.
Dilatación de los gases.
La dilatación de los gases es mucho más intensa que la de los sólidos o los líquidos. Los gases se expanden o dilatan 10 veces más que un líquido y una 1000 veces más que un sólido.
La dilatación de los gases se explica a causa de la movilidad de sus partículas. Cuando se calienta un gas, sus partículas se desplazan más rápidamente y, en consecuencia, ocupan más espacio.
Actividad 17.
Por qué una pelota de playa, si está deshinchada, al ponerla al sol se hincha
Actividad 18.
a) Si calentamos un gas en un recipiente cerrado, ¿aumenta la presión del gas?
b) Pon algunos ejemplos de la vida cotidiana
c) Explica este hecho teniendo en cuenta el movimiento de las partículas que constituyen el gas
Actividad 19.
¿Qué se dilata más, un sólido, un líquido o un gas? ¿Por qué?
Experimento.
Dilatación de un gas
a) Hacer el montaje de la figura
b) Calienta con tus manos el frasco que contiene aire
c) ¿Qué observas?
d) ¿Cómo lo interpretas?
Enviado por:
Ing.+Lic. Yunior Andrés Castillo S.
"NO A LA CULTURA DEL SECRETO, SI A LA LIBERTAD DE INFORMACION"®
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Santiago de los Caballeros,
República Dominicana,
2015.
"DIOS, JUAN PABLO DUARTE Y JUAN BOSCH – POR SIEMPRE"®