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Aprendizajes esperados
• Comprender los conceptos de calor y temperatura.
• Reconocer las distintas formas de transmisión del calor.
• Reconocer las distintas escalas termométricas.
• Identificar la dilatación de los cuerpos.
• Comprender el fenómeno de la Anomalía del Agua.
1.1 Definición
Calor
Se define como la energía en tránsito
que fluye, natural y espontáneamente,
desde un cuerpo o sistema más caliente
hacia otro más frio.
Es una magnitud escalar y se mide en:
S.I.: [joule] = [J]C.G.S.: [ergio] = [erg]
También se suele expresar en
[calorías] = [cal].
Temperatura
Se puede decir que es una medida de la
energía cinética promedio de las
partículas de un cuerpo o sistema.
Mientras más se muevan (vibren) las
partículas de un cuerpo, mayor será su
“temperatura”.
Es una magnitud escalar y se puede
expresar en grados Celsius, Fahrenheit o
kelvin.
1. Calor y temperatura
Calor y temperatura
Escala Celsius
Creada en 1742 por el sueco Anders
Celsius. En esta escala, a la temperatura
de fusión del hielo se le asigna el 0 [ºC], y
a la temperatura de ebullición del agua se
le asigna el valor 100 [ºC].
La temperatura de un cuerpo puede expresarse según diferentes escalas termométricas.
Las más usadas son: Celsius, Fahrenheit y kelvin.
5( 32)
9C FT T
Escala Fahrenheit
Creada en 1724 por Gabriel Fahrenheit
(alemán); en esta escala, la temperatura
de fusión del hielo corresponde a 32 [ºF],
y la temperatura de ebullición del agua
corresponde a 212 [ºF].
Tº
ebullición
del agua
Tº fusión
del hielo
Escalas termométricas
Calor y temperatura
Escala kelvin o absoluta
Creada en 1848 por el británico William Thomson (lord Kelvin). La escala absoluta
incluye la temperatura teórica más baja posible, el cero absoluto o 0 [kelvin] .
En esta escala, la temperatura de fusión del hielo corresponde, aproximadamente, al
273 [K], y la de ebullición del agua al 373 [K].
273K CT T
Escalas termométricas
Tº ebullición
del agua
Tº fusión del
hielo
Cero absoluto
¿A cuántos grados Celsius equivalen, respectivamente, 0 [K], 100 [K] y
273 [K]?
A) 0, 100 y 273
B) 0, 173 y 273
C) 0, -173 y -273
D) -273, -173 y 0
E) -273, 373 y 546
DAplicación
Ejercicios
El calor puede transmitirse de tres formas distintas, que dependerá del medio
por el cual se propague.
Transmisión del calor
Formas de transmisión del calor
Conducción
El calor (energía) se transmite de
una partícula a otra, avanzando
paulatinamente por el material.
Esta forma de propagación del calor
ocurre solo en los sólidos.
En el interior
de la Tierra
Convección
Corresponde a la transmisión del calor en los
fluidos (líquidos y gases), debido a corrientes
cálidas ascendentes y frías descendentes.
Transmisión del calor
Formas de transmisión del calor
Corrientes cálidas
ascendentes
Corrientes frías
descendentes
En la atmósfera
En una lámpara de
magma
Radiación
Corresponde a la transmisión del calor por medio de ondas
electromagnéticas (principalmente del espectro infrarrojo), pudiendo viajar
grandes distancias a través del vacío, sin calentar el espacio intermedio.
Transmisión del calor
Formas de transmisión del calor
Fotografía térmica: los seres
vivos irradiamos calor
Respecto de la transmisión del calor por convección, es correcto afirmar
que
I) se requiere de una fuente de calor para que se produzca.
II) se produce en un medio material.
III) se produce solo en los fluidos.
A) Solo I
B) Solo II
C) Solo III
D) Solo I y II
E) I, II y III
EReconocimiento
Ejercicios
Dilatación y contracción
Efectos de la variación de temperatura en los cuerpos
Al variar la temperatura de un cuerpo son varios los efectos que este puede
experimentar. Algunos de ellos son: los cambios de fase, la incandescencia,
deformación, el aumento de tamaño (dilatación) o la disminución de tamaño
(contracción).
Botellas deformadas por calorCambios de fase
Metal fundido
incandescente
Falla producida por dilatación
Chocolate fundido
por calor
Dilatación y contracción
Cuerpos lineales, superficiales y volumétricos
Dentro de los efectos mencionados, nos detendremos en los cambios de tamaño
que experimentan los cuerpos cuando varía su temperatura, es decir,
estudiaremos la dilatación y contracción.
Cuerpos lineales
En la naturaleza todos los cuerpos poseen 3 dimensiones: alto, largo y ancho.
Sin embargo, en algunos cuerpos una (o dos) de esas dimensiones puede ser
mucho menor y, por tanto, despreciable respecto de las demás. Por ejemplo, en
un alambre delgado y largo, el alto y el ancho, comparados con su longitud,
pueden llegar a ser dimensiones despreciables.
Cuando un cuerpo posee una sola dimensión importante, siendo las otras dos
despreciables respecto de la primera, se dice que es un cuerpo “lineal”.
Un alambre es un cuerpo “lineal” En los cuerpos lineales,
nos fijamos solo en su
longitud.
Dilatación y contracción
Cuerpos superficiales
En cambio, otros cuerpos poseen dos dimensiones importantes (largo y ancho),
siendo la tercera (alto) despreciable respecto de las otras dos; en este caso se
dice que el cuerpo es “superficial”.
Una lámina, una hoja o una membrana, son cuerpos “superficiales”
En los cuerpos
superficiales, nos
interesa solo la superficie
del cuerpo.
Cuerpos lineales, superficiales y volumétricos
Dilatación y contracción
Cuerpos volumétricos
Cuando todas las dimensiones de un cuerpo son relevantes, no existiendo
dimensiones despreciables respecto de las demás, entonces se dice que el
cuerpo es “volumétrico”.
Un cubo, un cilindro, un balón de futbol y un microondas, son cuerpos “volumétricos”.
En los objetos volumétricos,
todas las dimensiones del
cuerpo son relevantes y, por lo
tanto, nos interesa su volumen.
Cuerpos lineales, superficiales y volumétricos
Dilatación y contracción
Dilatación – contracción de cuerpos lineales
Dilatación - contracción lineal
En general, al variar la temperatura de un cuerpo lineal, su longitud cambiará
aumentando si esta se eleva, o disminuyendo si esta decrece. Así, el cuerpo se
dilatará al calentarse, y se contraerá al enfriarse.
Por ejemplo: en un riel de ferrocarril.
iL L T
LiL
Juntas de dilatación: son
espacios que permiten la
dilatación y contracción en
las estructuras.
El espacio, medido en centímetros, que debe existir entre dos rieles de acero de 6
[m] de longitud cada uno, si se prevé una variación de temperatura de 100[ºC], es
(Considere que el coeficiente de dilatación lineal del acero es 11 · 10-6 [ºC]-1)
A) 0,33
B) 0,66
C) 0,99
D) 1,32
E) 1,88
BAplicación
Ejercicios
Dilatación y contracción
iS S T
S
iS
Dilatación – contracción de cuerpos superficiales
Dilatación - contracción superficial
En general, al variar la temperatura de un cuerpo superficial su área o superficie
cambiará, dilatándose al calentarse o contrayéndose al enfriarse.
Por ejemplo: en una lámina delgada de metal. Las estructuras deben tener
espacio suficiente para dilatarse,
de lo contrario, pueden colapsar.
Dilatación y contracción
Dilatación volumétrica
La dilatación o contracción afecta el volumen del cuerpo; todo el cuerpo “crece
o se encoge” al variar su temperatura.
Por ejemplo: en un cubo de metal.
iV V T
iV
V¿Sabías que la torre
Eiffel crece 6 [cm] en
los veranos?
Dilatación – contracción de cuerpos volumétricos
Un líquido de coeficiente de dilatación volumétrica igual a 6,9 ∙ 10-5 [°C]-1 se
encuentra contenido en un recipiente de metal, cuyo coeficiente de dilatación
lineal es 2,3 ∙ 10-5 [°C]-1. Si el líquido llena completamente el recipiente y el
conjunto es sometido a un aumento de temperatura de 40 [°C], es correcto
afirmar que el líquido se dilatará
A) el triple de lo que lo hará el recipiente.
B) el doble que el recipiente.
C) lo mismo que el recipiente.
D) la mitad de lo que se dilatará el recipiente.
E) la tercera parte de lo que se dilate el recipiente.
CASE
Ejercicios
Anomalía del agua
El agua, una excepción
Como acabamos de ver, en general los materiales se dilatan cuando se calientan y se
contraen cuando se enfrían. Sin embargo, cuando enfriamos agua, a partir de los
4 [ºC] comienza a dilatarse, aún cuando su temperatura siga disminuyendo.
Por otro lado, si tenemos agua a 0 [ºC], al aumentar su temperatura comenzará a
contraerse, al contrario de lo esperado; esto sucederá así hasta los 4 [ºC]. A partir de
esta temperatura, el agua comienza a comportarse de manera “normal”, es decir, se
dilatará al calentarse y se contraerá al enfriarse.
Recuerda, este comportamiento anómalo del agua solo se presenta entre los
0 [ºC] y los 4 [ºC]. Volumen v/s temperatura Densidad v/s temperatura
Den
sid
ad (
g/m
L)
Temperatura (ºC)
Anomalía del agua
Dos fenómenos curiosos
Normalmente, un material en estado sólido es más
denso que en estado líquido, por lo que un sólido se
hunde en su propio líquido.
Sin embargo, ¡el hielo flota en el agua!....¿por qué?
Si ponemos agua en una botella y la dejamos en el
congelador a 0 [ºC], veremos que todo el volumen
de agua se congela.
Sin embargo, en los lagos de zonas muy frías, aun
cuando la temperatura en invierno puede alcanzar
varias decenas de grados bajo cero, solo se
congela la capa superior del agua. ¿Por qué no se
congela el lago completo? ¿Qué importancia puede
tener este fenómeno?
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