TERMODINAMICA

La Cantidad de Calor en la Vida Real

Desde tiempos remotos, la humanidad ha tenido la posibilidad de apreciar directamente el calor, ya sea en una fogata o bien analizando lo que ocurre dentro de su propio organismo. Pese a esto, la comprensión del calor tardó mucho tiempo en aclararse por completo.

El estudio del calor, que comenzó sistemáticamente en el siglo XVII, constituye un ejemplo de cómo el quehacer científico por medio del trabajo metódico y riguroso, logra importantes descubrimientos que benefician a la humanidad.

Actualmente, sabemos que cuando hablamos de calor nos estamos refiriendo a una forma de energía, pero ¿Qué sucede cuando queremos convertir energía calórica en energía mecánica?.

En el presente trabajo, hablaremos de este tema, relacionando otros aspectos tales como el equivalente mecánico del calor o el calor específico, que nos ayudarán a tener una visión más amplia del tema en cuestión y a comprender mejor la naturaleza de esta interesante “energía en tránsito”.



En un principio, la teoría que el ser humano tenía sobre el calor era la siguiente: El físico escocés Joseph Black en el siglo XVIII estableció que el calor era una sustancia fluida que contenía todo cuerpo y la denominó “calórico”. El “calórico” contenido en un cuerpo podía mezclarse y pasar a otro cuerpo. Así, el agua hirviendo contenía más “calórico” que el agua fría, y al mezclarlas, éste se repartía por igual en toda la mezcla. El calor, según Black, era una sustancia que se podía mezclar y pasar de un cuerpo a otro, pero su hipótesis no tardó en ser refutada; a fines del siglo XVIII, Sir Benjamin Thompson, conde de Rumford, uno de los primeros científicos estadounidenses, demostró que ésta no permitía explicar algunas conclusiones, producto de observaciones experimentales relativas al calor.

Thomson razonó en relación a lo siguiente:

•Si un cuerpo se enfría es porque pierde parte del calor que contiene.

•Si el calor fuera un fluido (calórico), el cuerpo al estar más frío debería tener una masa menor.

•Un cuerpo tiene la misma masa, esté caliente o frío.

Estas conclusiones, llevaron a Thompson a formular una nueva hipótesis sobre el calor.

Él había observado que al frotar un cuerpo contra otro, ambos se calentaban. El calor, razonaba Thompson, debía estar relacionado con el movimiento de las partículas que forman la materia; y ese movimiento es el calor que el cuerpo posee. Si las partículas de un cuerpo se mueven más aprisa, el cuerpo se calienta; por el contrario, cuando las partículas que lo conforman se mueven con menor rapidez, el cuerpo se enfría.

Cabe destacar que, simultáneamente al trabajo de Thompson, los hombres de Ciencia, como el caso de Joule, de quien hablaremos más adelante, ya comenzaban a formular otras hipótesis, que, respaldadas por los estudios que establecían que toda la materia está formada por pequeñas partículas en constante movimiento, siguen vigentes hasta el día de hoy.

En conclusión, el calor no es un fluido, así como lo es el agua o el aire, no es algo que tenga una masa determinada ni que ocupe un lugar en el espacio, el calor es, simplemente, movimiento de partículas. Se relaciona directamente con la energía cinética a nivel molecular, por lo que podemos afirmar que el calor es una forma de energía.


La calorimetría es una rama de la física que se distingue de la termometría en que ésta se efectúan medidas de la temperatura como parámetro del estado de un cuerpo; en cambio, en la calorimetría, se evalúa el calor, que es una forma de energía. Según el procedimiento experimental utilizado, la calorimetría se divide en “isotérmica” y “no isotérmica”.


Se caracteriza por la utilización de un tipo de calorímetro que permanece a temperatura constante. De este modo, la variación de calor produce un cambio de fase en el material contenido en el calorímetro, tanto más acentuado cuanto mayor ha sido el aumento térmico que el aparato ha experimentado.


Se basa en la utilización de un tipo de calorímetro que aumenta de temperatura cuando se le transmite calor. Conocida como “capacidad calorífica del calorímetro”, la temperatura alcanzada por éste proporciona directamente la medida de la cantidad de calor añadido. De manera inversa, si se conoce el calor que se ha transmitido al aparato, puede obtenerse su capacidad calorífica midiendo la temperatura que ha alcanzado. Otro tipo más generalizado de calorímetro no isotérmico es el llamado calorímetro adiabático; en el caso ideal, sin pérdidas, no existe transferencia de calor entre el calorímetro y el medio, de tal modo que todo calor comunicado al calorímetro se emplea en producir un cambio de estado del material que contiene. Conociendo el grado en que el calorímetro adiabático real se aparta del caso ideal, es decir, pudiendo evaluar con precisión las pérdidas de calor, se hace posible determinar la cantidad de calor que se ha añadido, que se deduce directamente a partir de la temperatura de fusión o vaporización del cuerpo calorímetro.

El método experimental más frecuentemente utilizado en calorimetría es el llamado “método de las mezclas”. Consiste fundamentalmente en mezclar de la manera más completa posible un cuerpo a temperatura conocida con un cuerpo a otra temperatura, y medir la temperatura de la mezcla resultante, una vez ha sido alcanzado el equilibrio térmico. Si se conoce la capacidad calorífica del primero de los cuerpos, la misma magnitud referente al segundo cuerpo se calcula en función de las temperaturas medidas. El método de las mezclas es de empleo muy frecuente en calorimetría a causa de la simplicidad de los instrumentos que se necesitan para llevarlo a cabo, sin embargo, su precisión es escasa, especialmente cuando intervienen temperaturas muy altas.

Unidades de Cantidad de Calor Existente

El calor es posible definirlo como energía transferida entre dos cuerpos o sistemas, se puede asociar al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia. El calor puede ser generado por reacciones químicas (como en la combustión), reacciones nucleares (como en la fusión nuclear de los átomos de hidrógeno que tienen lugar en el interior del Sol), disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) o por disipación mecánica (fricción). Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibre.

La cantidad de energía térmica intercambiada se mide en calorías, que es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua para elevar su temperatura de 14,5 a 15,5 grados celsius. El múltiplo más utilizado es la kilocaloría (kcal):

1 kcal = 1000 cal

De aquí se puede deducir el concepto calor específico de una sustancia, que se define como la energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de dicha sustancia un grado celsio, o bien el concepto capacidad calorífica, análogo al anterior pero para una masa de un mol de sustancia (en este caso es necesario conocer la estructura química de la misma).

Joule, tras múltiples experimentaciones en las que el movimiento de unas palas, impulsadas.por un juego de pesas, se movían en el interior de un recipiente con agua, estableció el equivalente mecánico del calor, determinando el incremento de temperatura que se producía en el fluido como consecuencia de los rozamientos producidos por la agitación de las palas:

1 cal = 4.184 J

El joule (J) es la unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidades, (S.I.).

El BTU, (o unidad térmica británica) es una medida para el calor muy usada en Estados Unidos y en muchos otros países de América. Se define como la cantidad de calor que se debe agregar a una libra de agua para aumentar su temperatura en un grado Fahrenheit, y equivale a 252 calorías.

Escalas Termometricas

En todo cuerpo material la variación de la temperatura va acompañada de la correspondiente variación de otras propiedades medibles, de modo que a cada valor de aquélla le corresponde un solo valor de ésta. Tal es el caso de la longitud de una varilla metálica, de la resistencia eléctrica de un metal, de la presión de un gas, del volumen de un líquido, etc. Estas magnitudes cuya variación está ligada a la de la temperatura se denominan propiedades termométricas, porque pueden ser empleadas en la construcción de termómetros.

Para definir una escala de temperaturas es necesario elegir una propiedad termométrica que reúna las siguientes condiciones:

1.La expresión matemática de la relación entre la propiedad y la temperatura debe ser conocida.
2.La propiedad termométrica debe ser lo bastante sensible a las variaciones de temperatura como para poder detectar, con una precisión aceptable, pequeños cambios térmicos.
3.El rango de temperatura accesible debe ser suficientemente grande.

¿Como influye el calor en la temperatura?

Todos los seres vivos experimentamos procesos homeostáticos que intentan mantener las condiciones internas de una determinada manera que permita que se lleven a cabo todos los procesos vitales.

Uno de estos procesos está relacionado con la adaptación al calor y los cambios de temperatura.

Los animales de "sangre caliente" contamos con un mecanismo interno de regulación de la temperatura. Cuando la temperatura es muy elevada, los humanos (que debemos mantener nuestra temperatura próxima los los 37,5 º), por ejemplo, sudamos de manera que el vapor del sudor que parte de nuestra piel se lleve consigo el calor. Otros animales no pueden sudar y se las ingenian de otra manera, como el perro cuando jadea permitiendo la pérdida de calor por su lengua. Cuando hace mucho frío, temblamos de manera que la fricción produzca algo de calor y muchas veces se aceleran los procesos metabólicos de manera a condumir nuestras reservas energéticas y liberar calor.

Los animales de "sangre fría" no cuentan con este mecanismo por lo que actúan como una especie de "unidad de captación de calor" exponiéndose a la luz del sol de manera a elevar su temperatura u ocultándose de la luz para reducirla.

Sistemas Cerrados

a) Sistemas cerrados: Son los sistemas que no presentan intercambio con el medio ambiente que los rodea, pues son herméticos a cualquier influencia ambiental. Así, los sistemas cerrados no reciben ninguna influencia del ambiente, y por otro lado tampoco influencian al ambiente. No reciben ningún recurso externo y nada producen la acepción exacta del término. Los autores han dado el nombre de sistema cerrado a aquellos sistemas cuyo comportamiento es totalmente determinístico y programado y que operan con muy pequeño intercambio de materia y energía con el medio ambiente.

El término también es utilizado para los sistemas completamente estructurados, donde los elementos y relaciones se combinan de una manera peculiar y rígida produciendo una salida invariable. Son los llamados sistemas mecánicos, como las máquinas.

b) Sistemas abiertos: son los sistemas que presentan relaciones de intercambio con el ambiente, a través de entradas y salidas. Los sistemas abiertos intercambian materia y energía regularmente con el medio ambiente. Son eminentemente adaptativos, esto es, para sobrevivir deben reajustarse constantemente a las condiciones del medio.

Mantienen un juego recíproco con las fuerzas del ambiente y la calidad de su estructura es óptima cuando el conjunto de elementos del sistema se organiza, aproximándose a una operación adaptativa. La adaptabilidad es un continuo proceso de aprendizaje y de auto-organización. Los sistemas abiertos no pueden vivir aislados. Los sistemas cerrados-esto es, los sistemas que están aislados de su medio ambiente- cumplen el segundo principio de la termodinámica que dice que “una cierta cantidad, llamada entropía, tiende a aumentar a un máximo”.

La conclusión es que existe una “tendencia general de los eventos en la naturaleza física en dirección a un estado de máximo desorden”. Sin embargo, un sistema abierto “mantiene así mismo, un continuo flujo de entrada y salida, un mantenimiento y sustentación de los componentes, no estando a lo largo de su vida en un estado de equilibrio químico y termodinámico, obtenido a través de un estado firme llamado homeostasis”. Los sistemas abiertos, por lo tanto, “evitan el aumento de la entropía y pueden desarrollarse en dirección a un estado decreciente orden y organización” (entropía negativa).

A través de la interacción ambiental, los sistemas abiertos” restauran su propia energía y raparan pérdidas en su propia organización”. El concepto de sistema abierto puede ser aplicado a diversos niveles de enfoque: al nivel del individuo, al nivel del grupo, al nivel de la organización y al nivel de la sociedad, yendo desde un microsistema hasta un suprasistema en términos más amplios, va de la célula al universo.

¿Como se conserva la cantidad en un sistema cerrado?

Un sistema cerrado o sistema aislado es un sistema físico (o químico) que no interacciona con otros agentes físicos situados fuera de él y por tanto no está conectado "causalmente" ni correlacionalmente con nada externo a él.

Una propiedad importante de los sistemas cerrados es que las ecuaciones de evolución temporal, llamadas "ecuaciones del movimiento" de dicho sistema solo dependen de variables y factores contenidas en el sistema. Para un sistema de ese tipo por ejemplo la elección del origen de tiempos es arbitraria y por tanto las ecuaciones de evolución temporal son invariantes respecto a las traslaciones temporales. Eso último implica que la energía total de dicho sistema se conserva (ver conservación de la energía), de hecho, un sistema cerrado al estar aislado no puede intercambiar energía con nada externo a él.

El universo entero considerado como un todo es probablemente el único sistema realmente cerrado, sin embargo, en la práctica muchos sistemas no completamente aislados pueden estudiarse como sistemas cerrados con un grado de aproximación muy bueno o casi perfecto.

¿Como funciona un Termometro?

El termómetro es un instrumento que se usa para medir la temperatura. Su presentación más común es de vidrio, el cual contiene un tubo interior con mercurio, que se expande o dilata debidos a los cambios de temperatura. Para determinar la temperatura, el termómetro cuenta con una escala debidamente graduada que la relaciona con el volumen que ocupa el mercurio en el tubo. Las presentaciones más modernas son de tipo digital, aunque el mecanismo interno suele ser el mismo.


Este aparato es comúnmente empleado para tomar la temperatura, de una persona. Asimismo, el termómetro, se utiliza de igual manera, para medir la temperatura, en los animales, por parte de los veterinarios. En la actualidad, es la manera más práctica, para saber o conocer, qué temperatura corporal posee una persona.

Situación fundamental, en aquellos casos, donde la persona se encuentra enferma. Ya que las altas temperaturas, no constatadas, pueden llevar a la muerte de neuronas cerebrales, con lo que la persona, puede quedar con serios problemas cognitivos, incluso pudiendo llegar a la muerte cerebral.

Como mencionamos anteriormente, lo que se utiliza, para medir la temperatura, es el mercurio. Y esto se debe, a que el mercurio es una sustancia, que con el calor, no sólo se dilata, sino que cuando llega a la temperatura promedio, permanece estable por bastante tiempo. Y es por lo mismo, que se puede llegar a conocer con certeza, la temperatura de una persona.

Lo que se debe de tener claro, es que el mercurio es un producto altamente tóxico, por lo que un termómetro, debe ser manipulado, sólo por un adulto.

Con respecto, a los principales avances dentro de la historia del termómetro, podemos señalar los siguientes: En 1592, Galileo Galilei, construye el primer termómetro rudimentario. En 1612, Santorre Santorio, da un uso médico al termómetro. En 1714, Daniel Fahrenheit, inventa el termómetro a base de mercurio. Por último, en 1885, Calendar Van Duessen, inventa el sensor de temperatura, con la resistencia de platino.

Con respecto a las temperaturas, la escala más utilizada en el mundo, es la Celsius. Aquella que mide la temperatura en grados centígrados. Ha sido nombrada como tal, en honor a Andrés Celsius.

Con respecto a la temperatura normal, que se debe registrar en un termómetro, en un adulto humano, esta debe ser de 36,5 grados Celsius. Por sobre aquella temperatura, se podrá considerar que se posee fiebre. Ahora, sobre los 40 grados Celsius, se deben de tomar precauciones, ya que pueden llevar a desmayos, convulsiones y perdida progresiva de neuronas.

Relacion entre Energia y Calor

Cuando un cuerpo interactúa con otro intercambia energía con él. Esto lo puede hacer de dos manera: macroscopicamente o microscópicamente. En el primer caso se habla de trabajo y en el segundo de calor. Por lo tanto el calor es intercambio de energía microscópico. Aquí microscópico quiere decir que se realiza en tiempos tan cortos por partículas tan pequeñas que no es posible "verlo".

Las nociones científicas de calor y temperatura se apoyan en la idea intuitiva que nos transmite nuestro propio cuerpo. Así, esa sensación fisiológica revelada por el tacto, que permite clasificar los cuerpos en fríos y calientes, da lugar a la idea de temperatura y por extensión a la de calor. Sin embargo, la física va más allá de estas nociones intuitivas y busca representaciones que puedan ser expresadas en forma numérica, esto es, como magnitudes o atributos medibles o mesurables.

¿Que es Calor?
El calor es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico.

El calor puede ser transferido por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado.

El calor que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es la transferencia de parte de dicha energía interna (energía calorífica) de un sistema a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura.

La conducción de calor es un mecanismo de transferencia de energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas sin flujo neto de materia y que tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo y entre diferentes cuerpos en contacto por medio de ondas.

La conducción del calor es muy reducida en el espacio vacío y es nula en el espacio vacío ideal, espacio sin energía.

El principal parámetro dependiente del material que regula la conducción de calor en los materiales es la conductividad térmica, una propiedad física que mide la capacidad de conducción de calor o capacidad de una substancia de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias moléculas adyacentes o a otras substancias con las que está en contacto. La inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

MOV. ARMONICO SIMPLE

A contimuación veremos unos videos para tener una idea mas sobre lo que es El Movimiento Armonico Simple