Calor y temperatura

Prof.  ERNESTO G. SCIARINI                                                                                                              

egsciarini@gmail.com

En qué se diferencian Calor y Temperatura?

Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y temperatura es lo mismo. Sin embargo esto no es asi. El calor y la temperatura están relacionadas entre si, pero son conceptos diferentes.

El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de la energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo. Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua puede ser la misma que la temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene más calor porque tiene más agua y por lo tanto más energía térmica total.

El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si añadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye. Las temperaturas más altas tienen lugar cuando las moléculas se están moviendo, vibrando y rotando con mayor energía.

LA TEMPERATURA

Si tomamos dos objetos que tienen la misma temperatura y los ponemos en contacto, no habrá transferencia de energía entre ellos porque la energía media de las partículas en cada objeto es la misma. Pero si la temperatura de uno de los objetos es mayort que la otra, habrá una transferencia de energía del objeto más caliente al objeto más frío hasta que los dos objetos alcancen la misma temperatura.

La temperatura no es energía sino una medida de ella, sin embargo el calor sí es energía.

¿Qué es? 

Todos sabemos intuitivamente de qué estamos hablando. Por medio del tacto notamos la temperatura al tocar un cuerpo ya que unas terminaciones nerviosas situadas en la piel se encargan de ello.

Los gatos poseen termosensores en la nariz que les permiten distinguir variaciones de 0.2ºC.


Vamos estudiar el comportamiento de un gas para tratar de asociar esta sensación a una magnitud (algo que podemos medir) y para comprender qué cualidades de la materia manifiesta.

Toda la materia está formada por partículas en continua agitación:. incluso los sólidos, que a simple vista parecen estar en reposo, la tienen.

En los sólidos las vibraciones son pequeñas. Si la energía de agitación es muy grande, se pueden llegar a romper los enlaces entre las moléculas y entre los átomos.

Las partículas se desenlazan y vibran libres, rotan, chocan entre si y contra las paredes del recipiente.

Este estado de la materia se llama gaseoso. El gas trata de ocupar todo el volumen del recipiente que lo contiene: trata de expandirse.

No todas las partículas se mueven en la misma dirección y con la misma velocidad. A cada estado concreto se le puede asignar una velocidad media.

En esta animación puedes ver las moléculas de un gas en continua agitación.

En un gas la temperatura es una magnitud (algo que podemos medir) que se relaciona con la medida de la velocidad media con que se mueven las partículas (por lo tanto con su energía cinética o nivel de agitación).

La temperatura no depende del número de partículas que se mueven sino de su velocidad media: a mayor temperatura mayor velocidad media. No depende por tanto de la masa total del cuerpo: si dividimos un cuerpo con una temperatura "T" en dos partes desiguales las dos tienen la misma temperatura.

La temperatura es una magnitud que refleja el nivel térmico de un cuerpo (su capacidad para ceder energía calorífica) y el calor es la energía que pierde o gana en ciertos procesos (es un flujo de energía entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas).

Nivel térmico es el nivel de agitación. Comparando los niveles térmicos sabemos hacia donde fluye el calor.

La temperatura refleja el nivel térmico de un cuerpo e indica el sentido en que fluye el calor.

La temperatura está relacionada con la presión

ESTADO TÉRMICO

¿Cómo se mide la temperatura?

Nuestro tacto detecta la temperatura, pero carece de la capacidad de medirla con rigor.

Realizando esta experiencia lo comprenderás:

Introduce una mano en un recipiente frío y la otra en uno caliente, y luego las dos manos juntas en otro recipiente con agua templada.

La primera mano la encontrará caliente y la otra fría.

Del cuerpo que está a mayor temperatura decimos que "está más caliente" y a veces, erróneamente, se dice "que tiene más calor". Los cuerpos no tienen calor, tienen energía interna y tienen temperatura. Reservamos el término "calor" para la energía que se transfiere de un cuerpo a otro. Esta energía es fácil de medir, pero la energía total que tiene el cuerpo no.

Si un cuerpo recibe energía calorífica aumenta la agitación de las partículas que lo forman (átomos, moléculas o iones) y se pueden producir también cambios en la materia: dilatación, cambios de color (piensa en una barra de metal al calentarla), variación de su resistencia a la conducción, etc. Estos cambios se pueden utilizar para hacer una escala de temperatura.

Al poner en contacto dos sustancias la agitación de las partículas de una se transmite, mediante choques, a las partículas de la otra hasta que se igualan sus velocidades. Las partículas de la sustancia más caliente son más rápidas y poseen más energía. En cada impacto ceden parte de la energía a las partículas más lentas con las que entran en contacto. Las partículas de la sustancia que está a mayor T se frenan un poco, pero al mismo tiempo hacen que la más lentas aceleren.

Finalmente las partículas de las dos sustancias alcanzan la misma velocidad media y por lo tanto la misma temperatura: se alcanza el "equilibrio térmico". Para diseñar un instrumento que mida la temperatura debemos escoger una cualidad de la materia que sea fácilmente observable, que varíe de manera importante con la agitación de sus partículas, que sea fácil de medir y que nos permita relacionar su variación con la agitación que tiene el cuerpo.

SENSACIÓN TÉRMICA

La temperatura es una medida del calor que tiene un cuerpo. Para determinarla se utilizan los termómetros, instrumentos basados en algún fenómeno físico cuantificable que brindan una medida objetiva de la temperatura (el fenómeno más utilizado es el de la expansión térmica). Por el contrario, nuestras sensaciones son subjetivas, poco exactas y difícilmente repetibles. Por esta razón, ya en un primer análisis, llama la atención que se haya propuesto cuantificar la sensación térmica.

Todos hemos experimentado que la sensación de calor o frío no sólo depende de la temperatura sino de otros factores. Si la temperatura es baja y además sopla viento, la sensación de frío es mayor; si la temperatura es alta, un ambiente húmedo aumenta la sensación de bochorno. Creo que todos estamos de acuerdo con esto, pero desde hace algunos años se hace referencia a la sensación térmica en forma cuantitativa. Es decir, se pretende determinar lo que las personas sienten con precisión en términos de una temperatura equivalente, lo que a diario se nos informa por la radio y la televisión.

El Termómetro

La cualidad elegida en los termómetros de mercurio es la dilatación, pero existen otros tipos de termómetros basados en otras cualidades.Se utiliza el mercurio para construir termómetros porque es un metal, que es líquido y porque se dilata mucho. Encerramos el metal dentro de un tubo fino (capilar) para que al dilatarse un poco avance mucho por el tubo (cuanto más fino sea el tubo más centímetros avanza). Midiendo longitudes de la columna podemos establecer una relación entre la dilatación y el nivel de agitación de la sustancia a medir.

¡Medimos la temperatura midiendo una longitud!

Se pueden tomar como base para medir las temperaturas otras propiedades que cambien con ella como el color, la resistencia eléctrica, etc. Aparatos basados en las anteriores propiedades son el pirómetro óptico, el termopar....

Esto posibilita el medir en distintos rangos de temperaturas. Piensa en lo que pasaría si midieras la temperatura de un alto horno con un termómetro de mercurio.

Calibrado del termómetro. Escala Celsius de temperatura

Celsius, eligió como cero de temperatura para su escala la temperatura del hielo en contacto con agua. Las temperaturas inferiores, por lo tanto, serán negativas.

Para marcar ese punto en el termómetro, lo introducimos en una mezcla de agua y hielo y esperamos hasta que se estabilice la posición del mercurio de la columna. Marcamos ese punto en el vidrio (es el extremo de la columna de mercurio en ese momento) como punto 0.


Calentamos agua en un Erlenmeyer cerrado con un tapón bihoradado. Por un agujero del tapón sale un tubo y por él vapor, por el otro introducimos el termómetro. Se inserta hasta que el bulbo quede en un punto próximo a la superficie del agua.

La columna de mercurio sube pero cuando el agua empieza a hervir se para y no sube más. Marcamos el vidrio en ese punto como punto 100. Si la presión no es 1 atm. la temperatura de ebullición no será 100 ºC. Dividimos la longitud del vidrio entre 0 y 100 en 100 partes iguales. A cada división le corresponde 1 grado centígrado.

Esacalas de temperatura 

A lo largo de los años se establecieron diferentes escalas.

En 1967 se adoptó la temperatura del punto triple del agua como único punto fijo para la definición de la escala absoluta de temperaturas y la separación centígrada de la escala Celsius. El nivel cero quedaba a -273,15 K del punto triple y se definía como el cero absoluto o 0 K. Esta escala sustituyó a la escala centígrada o Celsius al definir el cero como el punto más bajo posible e inalcanzable en la práctica.

A la temperatura del cero absoluto no hay movimiento y desde él no se puede sacar calor. En ese estado todo el movimiento atómico y molecular se detiene, es la temperatura más baja posible. Todos los objetos tienen una temperatura más alta que el cero absoluto y por lo tanto emiten energía térmica o calor. El espacio interestelar casi vacío tiene temperatura ligeramente superior al 0 K.

En este esquema comparativo puedes ver las escalas más importantes:

Comparación de escalas

Conversión de valores de temperaturas

La escala Celsius y la escala Kelvin tiene una transformación muy sencilla:

grados K=273.15 + grados C

En la transformación de grados centígrados a grados Fahrenheit debes tener en cuenta que cada grado centígrado vale 1,8 ºF ( 0 - 100 en la escala centígrada equivale a 32 - 210 en la escala Fahrenheit). Por lo tanto debes multiplicar los grados centígrados por 1,8 que equivale a 9/5 . Como el cero Celsisus corresponde al 32 Fahrenheit debes sumar 32:

grados F=(9/5)*gradosC+32

Para la transformación inversa se despeja y queda:

grados C=(5/9)*( grados F-32)

con él puedes realizar conversiones de grados F a Celsius.

Tipos de Termómetros más usados
Termómetro de vidrio: es un tubo de vidrio sellado que contiene un líquido, generalmente mercurio o alcohol, cuyo volumen cambia con la temperatura de manera uniforme. Este cambio de volumen se visualiza en una escala graduada que por lo general está dada en grados celsius. El termómetro de mercurio fue inventado por Farenheit en el año 1714.

Termómetro de resistencia: consiste en un alambre de platino cuya resistencia eléctrica cambia cuando cambia la temperatura.

Termopar: un termopar es un dispositivo utilizado para medir temperaturas basado en la fuerza electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dos metales distintos.

Pirómetro: los pirómetros se utilizan para medir temperaturas elevadas


Termómetro de lámina bimetálica: formado por dos láminas de metales de coeficientes de dilatación muy distintos y arrollados dejando el de coeficiente más alto en el interior. Se utiliza sobre todo como censor de temperatura en el termohigrógrafo.

Digitales: Incorporan un microchip que actúa en un circuito electrónico y es sensible a los cambios de temperatura ofreciendo lectura directa de la misma


Termómetros especiales:

Termómetro de máxima y mínima

Termómetro de máxima. Registra la temperatura más alta del día.

Descripción

Es un termómetro de mercurio que tiene un estrechamiento del capilar cerca del bulbo o depósito. Cuando la temperatura sube, la dilatación de todo el mercurio del bulbo vence la resistencia opuesta por el estrechamiento, mientras que cuando la temperatura baja y la masa de mercurio se contrae, la columna se rompe por el estrechamiento y su extremo libre queda marcando la temperatura máxima. La escala tiene una división de 0,5ºC y el alcance de la misma es de -31.5 a 51.5ºC

Termómetro de mínima.Registra la temperatura más baja del día.

Descripción

Están compuestos de líquido orgánico (alcohol) y llevan un índice coloreado de vidrio o marfil sumergido en el líquido. El bulbo tiene en general forma de horquilla (para aumentar la superficie de contacto del elemento sensible). Cuando la temperatura baja, el líquido arrastra el índice porque no puede atravesar el menisco y se ve forzado a seguir su recorrido de retroceso. Cuando la temperatura sube, el líquido pasa fácilmente entre la pared del tubo y el índice y éste queda marcando la temperatura más baja por el extremo más alejado del bulbo. La escala está dividida cada 0,5ºC y su amplitud va desde -44,5 a 40,5ºC


Interacción del calor

Dos cuerpos que se encuentran a distinta temperatura, al ponerse en contacto alcanzan la misma temperatura, luego de transcurrido un cierto tiempo. Si ninguno de los dos cuerpos tiene la capacidad de regular su propia temperatura, la lograda por ambos al interactuar es de un valor intermedio entre las que tenía, inicialmente, cada uno.

Esto significa que el cuerpo más “frío” aumenta su temperatura y el más “caliente” la disminuye.

Lo que ocurre cuando se ponen en contacto dos cuerpos que se encuentran a distinta temperatura, es que se produce un pasaje o transferencia de energía del cuerpo más “caliente” (con mayor temperatura) al más “frío” (con menor temperatura). .

Al dejar un plato de sopa “caliente” en un ambiente frío ,al entrar en contacto con el aire “frío”, se transfiere energía (pasa calor) de la sopa al aire. Al transferirse energía (perder calor), la sopa disminuye su temperatura y el aire de su entorno la aumenta, aunque en menor proporción.


Interacción del calor.Interacción significa intercambio, acción mutua. En el caso de cuerpos a diferentes temperaturas, cuando interactúan, uno “pierde o cede calor”, mientras que el otro lo “gana o absorbe”.

Transferencia del calor

La propagación del Calor

Si recortas una espiral de cartulina y la cuelgas de un hilo sobre un radiador, verás que empieza a girar. El motivo es que el aire caliente ocupa más espacio que el aire frío y es más ligero . Por ello sube y empuja la cartulina. El aire frío de alrededor baja para ocupar el hueco del aire caliente, y se forma una corriente de aire.

El fenómeno se llama convección. La propagación por convección se da en líquidos y gases.

El calor también puede propagarse a través del espacio vacío, por radiación.Esta es la forma en que nos llega la energía del Sol. Entre la Tierra y el Sol está el espacio vacío, y la energía se propaga por radiación.

El calor puede transferirse de un lugar a otro por tres métodos diferentes: conducción en sólidos, convección en fluidos (líquidos o gases) y radiación a través de cualquier medio transparente a ella. El método elegido en cada caso es el que resulta más eficiente. Si hay una diferencia de temperatura el calor siempre viajará del lugar más caliente al más frío.

CONDUCCIÓN:

La conducción tiene lugar cuando dos objetos a diferentes temperaturas entran en contacto. El calor fluye desde el objeto más caliete hasta más frío, hasta que los dos objetos alcanzan a la misma temperatura. La conducción es el transporte de calor a través de una sustancia y se produce gracias a las colisiones de las moléculas. En el lugar donde los dos objetos se ponen en contacto, las moléculas del objeto caliente, que se mueven más deprisa, colisionan con las del objeto frío, que se mueven más despacio. A medida que colisionan las moléculas rápidas dan algo de su energía a las más lentas. Estas a su vez colisionan con otras moléculas en el objeto frío. Este proceso continúa hasta que la energía del objeto caliente se extiende por el objeto frío. Algunas sustancias conducen el calor mejor que otras. Los sólidos son mejores conductores que los líquidos y éstos mejor que los gases. Los metales son muy buenos conductores de calor, mientras que el aire es muy mal conductor. Puede experimentar como el calor se transfiere por conducción siempre que toca algo que está más caliente o más frío que su piel, por ejemplo cuando se lava las manos en agua caliente o fría.




CONVECCIÓN:

En líquidos y gases la convección es usualmente la forma más eficiente de transferir calor. La convección tiene lugar cuando áreas de fluido caliente ascienden hacia las regiones de fluido frío. Cuando ésto ocurre, el fluido frío desciende tomando el lugar del fluido caliente que ascendió. Este ciclo da lugar a una continua circulación en que el calor se transfiere a las regiones frías. Puede ver como tiene lugar la convección cuando hierve agua en una olla. Las burbujas son las regiones calientes de agua que ascienden hacia las regiones más frías de la superficie. Probablemente usted este familiarizado con la expresión: "el aire caliente sube y el frío baja" - que es una descripción de el fenómeno de convección en la atmósfera. El calor en este caso se transfiere por la circulación del aire

RADIACIÓN:

Tanto la conducción como la convección requieren la presencia de materia para transferir calor. La radiación es un método de transferencia de calor que no precisa de contacto entre la fuente y el receptor del calor. Por ejemplo, podemos sentir el calor del Sol aunque no podemos tocarlo. El calor se puede transferir a través del espacio vacío en forma de radiación térmica. Esta, conocida también como radiación infrarroja, es un tipo de radiación electromagnética (o luz). La radiación es por tanto un tipo de transporte de calor que consiste en la propagación de ondas electromagnéticas que viajan a la velocidad de la luz. No se produce ningún intercambio de masa y no se necesita ningún medio.





EQUILIBRIO TÉRMICO

¿Qué ocurre si en una taza con agua a 15 º C introducimos un huevo cocido que está a 80ºC?.

Lógicamente , el huevo se enfría y el agua se calienta. Al cabo de un rato, el huevo y el agua tienen la misma temperatura: decimos que han alcanzado el equilibrio térmico.

El huevo ha perdido energía, y el agua ha recibido energía. Siempre que ponemos en contacto un cuerpo caliente y uno frío, pasa energía desde el caliente al frío. Este paso de energía se llama calor.


PROPIEDADES DE LOS CUERPOS QUE CAMBIAN CON EL CALOR


1. Los cambios de Estado

En los cambios de estado ocurre lo siguiente:

  • La materia requiere de energía calórica para pasar de sólido a líquido, a vapor o gas. Es decir quita energía del sistema.
  • La materia libera energía calórica cuando se enfría es decir pasa de estado gaseoso o vapor a líquido o sólido

2. Cambio de color:

En general, los metales van cambiando de color a medida que se eleva su temperatura. Los colores van desde el rojo para las temperaturas no demasiado altas, hasta el azul y el blanco para las mayores.

3. Cambio de tamaño (dilatación):

El aumento de volumen de los cuerpos con la temperatura es más notable en los gases que en los líquidos o en los sólidos, pero ocurre en todos los casos.

4. Cambio de presión de los gases:

si un gas está encerrado en un recipiente tapado y se lo calienta, al intentar aumentar su volumen presiona más intensamente sobre las paredes del recipiente. Habrás visto cómo se mueve la tapa de una olla, por este efecto, al presionar el vapor de agua sobre ella.

5. Cambio en la resistencia eléctrica de los metales:

los metales presentan una resistencia al paso de la corriente eléctrica. Cuando la temperatura aumenta, esta resistencia también lo hace, lo que produce una disminución en a cantidad de corriente que puede atravesar al metal.

Caloría y calor especifico

La caloría (Cal) es una de las unidades en que se puede medir el calor. El valor de una caloría es el de la cantidad de calor que hay que entregarle a un gramo de agua para que aumente su temperatura en 1 °C. Así, si se quiere que 80 gramos de agua aumenten su temperatura en 1 °C es necesario suministrarle 80 calorías.

La cantidad de calor necesaria para elevar en 1 °C la temperatura de un gramo de cualquier otra sustancia varía según la sustancia de que se trate. Así, para elevar en 1 °C la temperatura de un gramo de alcohol común es necesario proporcionarle 0,6 calorías

Calor específico de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1 °C la temperatura de un gramo de esa sustancia.
Se puede decir, en términos relativos, que una sustancia tiene un calor específico grande si, al proporcionarle mucho calor, su temperatura aumenta poco, y que tiene un calor específico chico si, al suministrarle poco calor, su temperatura aumenta mucho




Conductores y aislantes del calor

Conductores.

Hay materiales que transmiten muy rápidamente el calor por conducción: se los llama conductores.
En general, los metales son buenos conductores del calor. Otros materiales, en cambio, transmiten el calor muy lentamente, son malos conductores y se los llama aislantes (aunque no existe ningún aislante perfecto). Ejemplos de materiales aislantes son el telgopor, la madera, el aire, el plástico, la lana de vidrio, el corcho. El agua, si bien es mala conductora, no es tan aislante como los materiales antes nombrados.
Es por esta característica de los materiales que, si caminás descalzo por un piso de baldosas, lo sentís frío. Al ser la baldosa un material conductor y estar a menor temperatura que tu cuerpo, “te quita” calor rápidamente. En cambio, como una alfombra es mala conductora, entonces “te quita” calor lentamente, por lo que no da sensación de frío aunque se encuentre a la misma temperatura que el piso de baldosas.
Por la misma razón parece “más frío” al tacto un objeto de metal que uno de madera.

Aislantes

Los tejidos de lana, los tapados de piel, los acolchados de plumas, abrigan, pero ¿transmiten calor? La respuesta es no. Lo que se logra con ellos es aislarse del ambiente frío. Como el ambiente está a menor temperatura, se siente frío porque se le cede el calor que produce el cuerpo humano. Es necesario aislarse del ambiente, para que no se produzca esta transferencia de calor.

Los materiales mencionados son adecuados para producir esta aislación porque retienen mucho aire (que es mal conductor) entre sus fibras, pelos o plumas y, además, porque no permiten su circulación entorpeciendo la convección El aire en reposo transmite muy poco calor por conducción y no transmite calor por convección. Entonces, lo correcto es decir que hay que abrigarse para aislarse del medio exterior en lugar de decir que hay que abrigarse para calentarse. De la misma manera, en un día muy caluroso podemos mantener más tiempo una bebida fría envolviendo la botella con una manta que la aísle del ambiente exterior. Las personas que víven en lugares tórridos, como el desierto, se visten con muchas capas de ropa para que el aire que circula entre ellas las aísle del ambiente

RADIACIÓN Y EFECTO INVERNADERO

¿Entraste alguna vez a un auto que estuvo estacionado largo tiempo al sol con sus ventanillas cerradas? La causa de la alta temperatura a la que llega su interior es similar a la que se produce en el llamado “efecto invernadero”.

Un invernadero es una construcción de vidrio, usada habitualmente para proteger cultivos de vegetales del “frío” (bajas temperaturas del ambiente exterior). El vidrio es un material transparente para ciertas ondas electromagnéticas (luz y ultravioleta) y opaco para otras (infrarrojo). Por otro lado, todos los cuerpos emiten radiación electromagnética de distinto tipo según a qué temperatura se encuentren. Gran parte de la radiación emitida por el Sol atraviesa el vidrio y calienta el interior del invernadero; por su parte, la radiación emitida por los objetos que están en el invernadero, que es principalmente infrarroja, queda atrapada dentro del mismo. Así la temperatura del interior va aumentando.

En nuestro planeta, la atmósfera produce un efecto similar a la del vidrio del invernadero: algunos gases que contiene impiden la salida de a radiación infrarroja hacia el espacio exterior. Esto causa que la temperatura de la Tierra sea alrededor de 30 ‘C mayor de lo que sería sin atmósfera. Es decir que el efecto invernadero ha permitido el desarrollo de la vida en nuestro planeta. Pero un aumento exagerado de este efecto ocasionaría graves consecuencias. Si la temperatura de la Tierra aumentara sólo unos pocos grados en promedio, parte de los hielos que rodean los polos se derretiría aumentando el nivel de los océanos, que podrían llegar a cubrir muchas islas y grandes extensiones de las costas de los continentes.

El clima en general se alteraría trayendo cambios impredecibles para todos los seres vivos.

En los últimos años se ha incrementado la cantidad de gases que producen el efecto invernadero en la atmósfera, debido fundamentalmente a la actividad industrial del ser humano.

La emisión y absorción de radiación electromagnética depende de la temperatura del cuerpo y también del tipo de superficie de éste. Las superficies rugosas y oscuras absorben y emiten más radiación que las superficies lisas y claras. Los depósitos de combustibles se pintan de colores brillantes y claros para que reflejen la radiación solar evitando el calentamiento. Lo mismo se logra con las membranas plateadas que se colocan en los techos y con la pintura a base de oro o plata con que se recubren los satélites artificiales. En verano usamos ropa de colores claros, que reflejan más la radiación solar, y en invierno, de colores oscuros, que la absorben.

Los gases (metano, clorofluorcarbonados o CC, dióxido de carbono, etc.) provienen de diversas fuentes: los sistemas de refrigeración y los aerosoles que utilizan CEC; la quema de gas, petróleo, carbón y madera que libera dióxido de carbono (por ejemplo, en los automóviles y máquinas industriales o en incendios forestales y quema de basura)

Invernadero

Un colector solar es una trampa de calor, similar a un invernadero pero pequeño. Se usa para calefaccionar una casa o calentar agua. Ésta es una de las tantas formas de aprovechamiento de la inmensa cantidad de energía solar que llega a la Tierra.

Se puede construir un colector solar con una caja de madera pintada de negro en su interior, con tapa de vidrio; dentro de la caja se ubica una serpentina por donde circula el agua, La caja debe estar herméticamente cerrada para evitar pérdidas de calor.

Máquinas térmicas

Desde épocas remotas, las personas buscaron reemplazar su fuerza muscular por otros tipos de fuerza motriz, como la del viento o la del agua de los ríos. En la era moderna comenzó el uso de otras fuentes de energías. La expansión de gases y vapores, calentados con el uso de combustibles y fuego, fue la primera fuente artificial de energía.

Pava con un molinillo



Olla a Presión



LA TURBINA A VAPOR

En el pasado, se buscó el modo de transformar directamente la energía del vapor en energía de movimiento de un eje giratorio.
Esto es de aplicación en las centrales térmicas, que generan energía eléctrica para abastecer a los bogares e industrias, en las que existen calderas inmensas donde se genera vapor caliente (a más de 500 ‘C) y a alfa presión. La corriente de vapor mueve las aletas curvas de unas turbinas haciéndolas girar rápidamente.
Corte transversal de una turbina, donde se observa el recorrido o circulación del vapor que hace girar las paletas del rotor de la turbina



LA MÁQUINA A VAPOR

En Inglaterra, en el siglo XVII se necesitaba extraer el agua del interior de las minas y bombearla a la superficie; para eso se inventaron mecanismos que constituirían formas primitivas de la máquina de vapor. Esto fue mucho antes que se arribara a los conocimientos teóricos de los fenómenos involucrados.

Quienes buscaron aprovechar la presión del vapor se preguntaron, en primer lugar, cómo hacerla utilizable en una máquina.

El agua se calentaba quemando carbón, de manera que, en realidad, se trataba de transformar la energía del carbón (que era el combustible más común en Inglaterra en esa época) en energía mecánica para bombear, para mover un molino de trigo, para hacer funcionar una sierra o una locomotora.

Básicamente, la primitiva máquina a vapor del siglo XVII constaba de un cilindro metálico con agua dentro, que se calentaba por la combustión del carbón. El cilindro estaba tapado por un émbolo móvil que era empujado por la presión del vapor El movimiento del émbolo se transmitía mediante un mecanismo para ser utilizado en algún trabajo.



EL MOTOR DE EXPLOSIÓN

Hace poco más de 1OO años fue creado el motor de explosión que ha ido reemplazando paulatinamente a la máquina de vapor. En este motor se utiliza como combustible algún líquido (nafta o gasoil). Esquema de las fases de trabajo de un motar de cuatro tiempos





MÁQUINAS FRIGORÍFICAS

Una máquina frigorífica funciona tomando calor de su interior y cediéndolo al exterior. Es decir que tiene por finalidad mantener en el interior una temperatura menor que la de su entorno, generalmente el medio ambiente.

Como el entorno tiene mayor temperatura va a transmitir calor al interior de la máquina, por lo que ésta debe realizar un trabajo para absorberlo y mantener la temperatura baja.

Para realizar el trabajo, estas máquinas funcionan con un liquido especial, llamado refrigerante, que circula por una red de conductos, y con un motor eléctrico. En general, estos elementos funcionales se encuentran detrás del frigorífico (llamado heladera), por lo que habitualmente quedan ocultos contra una pared.

Muchos de los líquidos refrigerantes que se utilizan habitualmente son los freones, compuestos clorofluorcarbonados (CCI3F, CCI2F2, CCIF3). Estas sustancias químicas que poseen cloro contribuyen a agrandar el agujero de ozono en la atmósfera.

1. Al llegar al congelador, el líquido refrigerante pasa por una válvula de expansión y se distribuye por una serie de conductos. Estos permiten que el líquido se expanda para convertirse en vapor, absorbiendo el calor del interior del compartimiento. Entonces, los alimentos que están dentro del frigorífico se enfrían.

2. El refrigerante, en estado gaseoso, sale de los conductos llevándose el calor y va hacia el compresor

3. El compresor es una bomba conectada a un motor eléctrico. Allí, el refrigerante en estado gaseoso se comprime porque aumenta su presión y se licua, es decir que cambia nuevamente al estado líquido y empieza a ceder calor.

4. Al salir del compresor, el refrigerante recorre una serie de conductos —que constituyen el condensador— que están conectados con unas varillas metálicas, a través de las cuales se elimina el calor al aire del medio ambiente.

5. Una vez cedido el calor, el líquido vuelve a recorrer el circuito.

6. El termostato es un dispositivo que regula la temperatura del refrigerador Cuando la temperatura empieza a subir en el interior, el compresor se pone en marcha y bombea líquido refrigerante; cuando el contenido se refrigera lo suficiente y llega a la temperatura deseada, el compresor deja de funcionar




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Ernesto Sciarini,
22 de mar. de 2009 13:58
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