Unidad 2 Conceptos básicos

Calor

Temperatura

Se define como el movimiento e intercambio de energía entre cuerpos. Es la suma de la energía cinética total de las moléculas de un cuerpo. El calor siempre fluye desde el cuerpo con mayor temperatura hacia el de menor temperatura y no deja de transferirse hasta que los dos cuerpos se igualan en temperatura y quedan en equilibrio. El calor puede transmitirse de varias formas, por radiación, conducción o convección. Imagen 2.1 El carbón emite calor para cocinar o calentar.

Se caracteriza por la agitación de las moléculas de un cuerpo.   Es la suma de la energía cinética promedio de las moléculas de un cuerpo. Mide la vibración o la energía interna de las partículas que componen ese cuerpo de forma que un cuerpo más caliente tendrá una temperatura mayor. La temperatura no se transmite.  Imagen 2.2 El termómetro es un instrumento que mide la temperatura.

Mecanismos de transmisión de calor

• La conducción: Es la manera de transferir calor desde una masa de temperatura más elevada a otra de temperatura inferior por contacto directo. El coeficiente de conducción de un material mide la capacidad del mismo para conducir el calor a través de la masa del mismo. Los materiales aislantes tienen un coeficiente de conducción pequeño por lo que su capacidad para conducir el calor es reducida, de ahí su utilidad.

Imagen 2.3 El calor transferido por conducción a través de la barra,hace que el herrero use guantes para evitar quemarse.

Convección: La transmisión por convección es típica de los fluidos (líquidos y gases). En ella se produce un transporte de energía asociado al desplazamiento de masas de fluido dentro del propio fluido, debido a las diferencias de densidad originadas por las distintas temperaturas de unas zonas y otras.

• En la convección natural la fuerza impulsora es originada por diferencias de densidades debidas a gradientes de temperaturas en el seno del fluido, como consecuencia de las cuales las partes calientes, menos densas, ascienden, y las frías, más densas, descienden. La circulación que se produce por este efecto explica el calentamiento uniforme de un fluido cuando se pone en contacto con una superficie sólida a mayor temperatura.

Imagen 2.4 El aire caliente dentro del globo le permite flotar debido a la diferencia de densidades, sin necesidad de tener turbinas.

• En la convección forzada el movimiento del fluido es originado por un dispositivo mecánico, como un agitador, o por los remolinos característicos de una corriente en régimen turbulento al ser impulsado el fluido por una bomba. En ocasiones, ambos tipos de convección pueden presentarse simultáneamente, siendo ésta última la que proporciona mayores velocidades de transmisión del calor.

Imagen 2.5 El ventilador libera el aire caliente dentro del CPU por convección forzada para evitar el calentamiento.

Radiación: Es un mecanismo de transmisión de calor en el que el intercambio se produce mediante la absorción y emisión de energía por ondas electromagnéticas, por lo que no existe la necesidad de que exista un medio material para el transporte de la energía. El sol aporta energía exclusivamente por radiación.

Imagen 2.6 Los paneles solares transforman la radiación solar en energía.

Estados de agregación

Los estados de agregación de la materia también se conocen como estados físicos y las propiedades de cada uno dependen de las uniones que se establecen entre las diferentes moléculas que conforman la materia.  Solo se consideran tres estados porque son los que coexisten en la naturaleza. 

El estado sólido. Las propiedades de los sólidos son: masa constante, volumen constante y forma constante. En este caso, las partículas que lo constituyen tienen una gran cohesión y por ello son capaces de adoptar formas bien definidas. Las moléculas se encuentran ordenadas y perfectamente juntas.	Imagen 2.7 El agua en fase sólida ocupa mayor volumen debido a su estructura molecular.
Imagen 2.8 El agua en estado líquido es el fluido más importante para la vida.	Estado líquido Las propiedades de los líquidos son: masa constante, volumen constante y forma variable. Se trata de un estado de agregación de la materia en el que tenemos un fluido incomprensible, es decir, mantiene su volumen hasta un rango bastante elevado de presión. Las moléculas del líquido se mantienen unidas entre sí mediante enlaces intermoleculares.Las partículas de líquido tienden a adoptar la forma del recipiente que los contiene, pero no se expanden ni se dispersan para llenar cada espacio del contenedor. Los líquidos suelen tener una densidad constante.
Estado gaseoso El estado gaseoso puede resultarnos el más peculiar de todos. Las moléculas gaseosas no crean enlaces entre sí por lo que estas tienden a separarse y expandirse. A diferencia de los líquidos, los gases son fluidos altamente comprensibles, que además sufren grandes cambios de densidad cuando las condiciones de temperatura y presión cambian.	Imagen 2.9 En estado gas, las moléculas se dispersan ocupando todo el espacio del recipiente que las contiene.

 

	Existe un cuarto estado de la materia llamado plasma, que se forman bajo temperaturas y presiones extremadamente altas, haciendo que los impactos entre los electrones sean muy violentos, separándose del núcleo y dejando sólo átomos dispersos.
En física, el condensado de Bose-Einstein es el estado de agregación de la materia que se da en ciertos materiales a temperaturas cercanas al cero absoluto.​ La propiedad que lo caracteriza es que una cantidad macroscópica de las partículas del material pasan al nivel de mínima energía, denominado estado fundamental

Cambios de fase

• Fusión: Es el paso de un sólido al estado líquido por medio del calor; durante este proceso endotérmico (proceso que absorbe energía para llevarse a cabo este cambio) hay un punto en que la temperatura permanece constante. El “punto de fusión” es la temperatura a la cual el sólido se funde, por lo que su valor es particular para cada sustancia.
• Solidificación: Es el paso de un líquido a sólido por medio del enfriamiento; el proceso es exotérmico. El “punto de solidificación” o de congelación es la temperatura a la cual el líquido se solidifica y permanece constante durante el cambio, y coincide con el punto de fusión si se realiza de forma lenta (reversible); su valor es también específico. 
• Vaporización y ebullición: Son los procesos físicos en los que un líquido pasa a estado gaseoso. Si se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión continuar calentándose el líquido, éste absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión del agua en estado líquido en agua en estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura del gas.
• Condensación: Se denomina condensación al cambio de estado de la materia que se pasa de forma gaseosa a forma líquida. Es el proceso inverso a la vaporización. Si se produce un paso de estado gaseoso a estado sólido de manera directa, el proceso es llamado sublimación inversa. Si se produce un paso del estado líquido a sólido se denomina solidificación.
• Sublimación: Es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido.
• Sublimación inversa: es el proceso inverso de la sublimación, es cuando el estado gaseoso pasa a estado sólido, sin pasar por líquido.
• Calor latente: Es la energía requerida por una cantidad de sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). Se debe tener en cuenta que esta energía en forma de calor se invierte para el cambio de fase y no para un aumento de la temperatura. Lo que implica que la temperatura permanece constante.

Imagen 2.10 El calor producido por el volcán en Yellowstone, hace que el agua cambie de liquido a gas. Este calor, es el calor latente.

Calor sensible: El calor sensible sí se percibe, puesto que aumenta la temperatura de la sustancia, haciendo que se perciba como "más caliente", o por el contrario, si se le resta calor, la percibimos como "más fría". Para aumentar la temperatura de un cuerpo hace falta aplicarle una cierta cantidad de calor (energía).

Imagen 2.11 El calor sensible permite elevar la temperatura del vidrio hasta el punto donde el artesano puede trabajar, sin cambiar de estado el material. Dato importante sobre el vidrio dar clic aquí.