- Característiques de la calor
- Equilibri tèrmic i conservació de l'energia
- Com es mesura la calor?
- Què es requereix per fer un termòmetre?
- Escales de temperatura
- exemples
- exercicis
- - Exercici 1
- solució
- - Exercici 2
- solució
- referències
El calor en física es defineix com l'energia tèrmica transferida sempre que es posen en contacte objectes o substàncies que estan a diferent temperatura. Aquesta transferència d'energia i tots els processos vinculats a ella, és l'objecte d'estudi de la termodinàmica, una important branca de la física.
La calor és una de les múltiples formes que adopta l'energia, i una de les més familiars. Per això cal preguntar d'on procedeix. La resposta està en els àtoms i molècules que conformen la matèria. Aquestes partícules a l'interior de les coses no es troben estàtiques. Podem imaginar-les com petites comptes unides per ressorts tous, capaços d'encongir i estirar amb facilitat.
Els àtoms i molècules vibren dins de les substàncies, el que es tradueix en energia interna. Font: P. Tippens. Física: Conceptes i Aplicacions.
D'aquesta manera, les partícules són capaços de vibrar i la seva energia es pot transferir fàcilment a altres partícules, i també des d'un cos a un altre.
La quantitat de calor que un cos absorbeix o cedeix, depèn de la naturalesa de la substància, la seva massa i la diferència de temperatura. Es calcula així:
On Q és la quantitat de calor transferida, m és la massa de l'objecte, C i és la calor específica propi de la substància i At = T final - T inicial, és a dir, la diferència de temperatura.
Com totes les formes d'energia, la calor es mesura en joules, en el Sistema Internacional (SI). Altres unitats apropiades són: ergios en el sistema cgs, Btu en el sistema britànic, i la caloria, un terme d'ús comú per a conèixer el contingut energètic dels aliments.
Característiques de la calor
La calor de la foguera és energia en transferència. Font: Pixabay
Hi ha diversos conceptes clau que cal tenir en compte:
-El calor es tracta d'energia en trànsit. Els objectes no posseeixen calor, només el cedeixen o l'absorbeixen segons la circumstància. El que sí posseeixen els objectes és energia interna, en virtut de la seva configuració interna.
Aquesta energia interna al seu torn, està composta d'energia cinètica associada a el moviment vibratori i energia potencial, pròpia de la configuració molecular. Segons aquesta configuració, una substància transferirà amb més o menys facilitat la calor i això es reflecteix en la seva calor específica C i, el valor que es va esmentar en l'equació per calcular Q.
-El segon concepte important és que la calor sempre es transfereix des del cos més calent cap al més fred. L'experiència indica que la calor de el cafè calent sempre passa cap a la porcellana de la tassa i el plat, o a l'metall de la cullereta amb la qual es regira, mai a l'contrari.
-La quantitat de calor cedida o absorbida depèn de la massa de el cos en qüestió. Afegiu-hi la mateixa quantitat de calories o d'joules a una mostra amb X massa no escalfa de la mateixa manera a una altra la massa sigui 2X.
¿La raó? Hi ha més partícules en la mostra més gran, i cadascuna estaria rebent de mitjana a penes la meitat de l'energia que la mostra més petita.
Equilibri tèrmic i conservació de l'energia
L'experiència ens diu que quan posem en contacte dos objectes a diferent temperatura, passat un temps la temperatura de tots dos serà la mateixa. Llavors es pot afirmar que els objectes o sistemes, com també se'ls pot anomenar, estan en equilibri tèrmic.
D'altra banda, reflexionant sobre com augmentar l'energia interna d'un sistema aïllat, s'arriba a la conclusió que hi ha dos mecanismes possibles:
i) Escalfar-, és a dir, transferir energia des d'un altre sistema.
ii) Realitzar algun tipus de treball mecànic sobre ell.
Tenint en compte que l'energia es conserva:
En el marc de la termodinàmica, a aquest principi de conservació se li coneix la Primera Llei de la Termodinàmica. Diem que el sistema ha d'estar aïllat, perquè si no caldria considerar en el balanç altres entrades o sortides d'energia.
Com es mesura la calor?
La calor es mesura d'acord a l'efecte que produeix. Per tant és el sentit de l'tacte el que ràpidament informa què tan calenta o freda està una beguda, un dinar o qualsevol objecte. Ja que cedir o absorbir calor es tradueix en canvis de temperatura, mesurant aquesta es té una idea de quant calor s'ha transferit.
L'instrument utilitzat per mesurar temperatura és el termòmetre, un dispositiu proveït d'una escala graduada per dur a terme la lectura. El més conegut és el termòmetre de mercuri, que consisteix en un fi capil·lar de mercuri el qual s'expandeix a l'escalfar-se.
Un termòmetre amb graduació en escales Celsius i Fahrenheit. Font: Pixabay.
Seguidament el capil·lar ple de mercuri s'insereix dins d'un tub de vidre amb una escala i es posa en contacte amb el cos la temperatura s'ha de mesurar fins que assoleixin l'equilibri tèrmic i la temperatura de tots dos sigui la mateixa.
Què es requereix per fer un termòmetre?
Per començar, es requereix tenir alguna propietat termomètrica, és a dir, una que variï amb la temperatura.
Per exemple un gas o un líquid com el mercuri, s'expandeixen a l'escalfar-se, tot i que també serveix una resistència elèctrica, que emet calor a l'ésser travessada per un corrent. En fi, qualsevol propietat termomètrica que sigui fàcilment mesurable es pot utilitzar.
Si la temperatura t és directament proporcional a la propietat termomètrica X, llavors es pot escriure:
On k és la constant de proporcionalitat a ser determinada quan es fixen dues temperatures apropiades i es mesuren els corresponents valors de X. Temperatures apropiades vol dir fàcils d'obtenir en el laboratori.
Un cop establertes les parelles (t 1, X 1) i (t 2, X 2), es divideix l'interval entre elles en parts iguals, aquests seran els graus.
Escales de temperatura
La selecció de les temperatures necessàries per construir una escala de temperatura es fa amb el criteri que siguin fàcils d'obtenir en el laboratori. Una de les escales més usades a tot el món és l'escala Celsius, creada pel científic suec Anders Celsius (1701- 1744).
El 0 de l'escala Celsius és la temperatura a la qual gel i aigua líquida estan en equilibri a 1 atmosfera de pressió, mentre que el límit superior s'escull quan aigua líquida i vapor d'aigua estan igualment en equilibri ia 1 atmosfera de pressió. Aquest interval es divideix en 100 graus, cadascun dels quals rep el nom de grau centígrad.
Aquesta no és l'única manera de construir una escala, ni molt menys. Hi ha altres escales diferents, com l'escala Fahrenheit, en la qual els intervals s'han escollit amb altres valors. I està l'escala Kelvin, que només té un límit inferior: el zero absolut.
El zero absolut correspon a la temperatura a la qual tot moviment de partícules en una substància cessa completament, però, tot i que s'ha arribat bastant a prop, encara no s'ha pogut refredar cap substància a l'zero absolut.
exemples
Tots experimenten la calor diàriament, ja sigui de manera directa o indirecta. Per exemple quan es pren una beguda calenta, a l'rebre el sol de l'migdia, examinant la temperatura de l'motor d'un automòbil, en una habitació plena de persones i en innombrables situacions més.
A la Terra, la calor és necessari per mantenir els processos de la vida, tant el que prové de el Sol com el que surt de l'interior de la planeta.
Així mateix, el clima és impulsat pels canvis en l'energia tèrmica que es succeeixen en l'atmosfera. La calor de el Sol no arriba per igual a tot arreu, a les latituds equatorials arriba més que als pols, així que l'aire més calent dels tròpics s'eleva i es desplaça cap al nord i cap al sud, per aconseguir l'equilibri tèrmic de què es va parlar abans.
D'aquesta manera s'estableixen corrents d'aire a diferents velocitats, que transporten núvols i pluja. D'altra banda, la col·lisió brusca entre fronts d'aire calent i fred, origina fenòmens com ara tempestes, tornados i huracans.
En canvi, a un nivell més proper, la calor pot no ser tan benvingut com el d'un capvespre a la platja. La calor causa problemes d'operació en els motors dels cotxes i en els processadors dels ordinadors.
També fa que es perdi energia elèctrica en els cables de conducció i es dilatin els materials, per això el tractament de la calor és tan important en totes les àrees de l'enginyeria.
exercicis
- Exercici 1
A l'etiqueta d'una llaminadura es llegeix que aporta 275 calories. A quanta energia en joules equival aquesta llaminadura?
solució
A l'començament s'havia esmentat a la caloria com a unitat per la calor. Els aliments contenen energia que habitualment es mesura en aquestes unitats, però les calories alimentàries en realitat són quilocalories.
L'equivalència és la següent: 1 kcal = 4186 J, i es conclou que la llaminadura té:
275 quilocalories x 4186 joule / quilocaloria = 1.15 10 6 J.
- Exercici 2
S'escalfen 100 g d'un metall fins a 100 ° C i l'hi col·loca en un calorímetre amb 300 g d'aigua a 20 ° C. La temperatura que adquireix el sistema quan arriba a l'equilibri és de 21.44 ° C. Es demana determinar la calor específica de l'metall, suposant que el calorímetre no absorbeix calor.
solució
En aquesta situació el metall cedeix calor, a el qual anomenarem Q cedit i se li anteposa un signe (-) per indicar pèrdua:
Per la seva banda, l'aigua de l'calorímetre absorbeix calor, que es denotarà com Q absorbit:
L'energia es conserva, de la qual cosa es desprèn que:
A partir d'l'enunciat es pot calcular At:
Important: 1 ºC té la mateixa mida que 1 kelvin. La diferència entre les dues escales és que l'escala kelvin és absoluta (els graus kelvin sempre són positius).
La calor específica de l'aigua a 20 ºC és 4186 J / kg. K i amb això ja es pot calcular la calor absorbida:
Per concloure es buida la calor específica de l'metall:
referències
- Bauer, W. 2011. Física per Enginyeria i Ciències. Volum 1. McGraw Hill.
- Cuellar, JA Físca II: Enfocament per Competències. McGraw Hill.
- Kirkpatrick, L. 2007. Física: Una mirada a l'món. 6 ta Edició abreujada. Cengage Learning.
- Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson.
- Tippens, P. 2011. Física: Conceptes i Aplicacions. 7dt Edició. McGraw Hill