10. Transferir energía por calor. Q

6. TRANSFERENCIAS DE ENERGÍA: CALOR.

Cuando se ponen en contacto dos cuerpos o sistemas cuyas temperaturas son diferentes, disminuye la energía interna del que está a mayor temperatura y aumenta la energía interna del que está a menor temperatura. El proceso continúa hasta que ambos sistemas se encuentran a la misma temperatura. En ese proceso hay una transferencia de energía desde el cuerpo que está a mayor temperatura al cuerpo que esta a menor temperatura.

El proceso ocurre por los choques entre las moléculas de los dos sistemas. las de mayor temperatura tienen mayor velocidad y transfieren cantidad de movimiento a las otras en cada choque. Al final ambos sistemas de moléculas tienen la misma energía cinética y por tanto la misma temperatura.

Los científicos llaman CALOR, Q a la cantidad de energía transferida entre dos sistemas a causa de una diferencia de temperatura entre ambos.

Los cuerpos no tienen calor, tienen energía interna térmica. El calor pasa de unos cuerpos a otros, es energía en tránsito.

Actividad 47:

a) Pon tres ejemplos en los que podamos llamar calor a la cantidad de energía transferida entre dos sistemas.

b)Pon tres ejemplos en los que existiendo transferencia de energía entre dos sistemas, no debe­mos llamarla calor.

c)Escribe alguna frase del lenguaje cotidiano en la que se utilice la palabra calor en un sentido diferente al que se le da en la ciencia.

d)En un lenguaje científico ¿es el frío lo contrario del calor, ¿es algo distinto del calor?

¿CÓMO CALCULAMOS LA ENERGÍA QUE INTERCAMBIA UN CUERPO (CALOR) DEBIDO A LA DIFERENCIA DE TEMPERATURAS?

Aunque caben situaciones más complicadas con cambios de estado vamos a centrarnos en la más frecuente. Cuando el cuerpo cambia de temperatura (pero no de volumen).

Por ejemplo, cuando calentamos un trozo de hierro desde 20ºC hasta 200ºC. Su volúmen es aproxima­damente constante. Si suponemos que es m la masa del cuerpo, t_i su temperatura inicial y t_f su temperatura final, la variación de energía interna de ese cuerpo se puede calcular por la expresión:

E= Q = m. c_e. (t_f-t_i)

c_e se le llama calor específico. Es una propiedad característica de cada sustancia y representa la energía necesaria para cambiar en un grado centígrado la temperatura de un gramo de dicha sustancia. Se pueden encontrar los valores para el calor específico de las sustancias en los libros de texto.

Actividad 48:

a) Queremos calentar desde 10ºC a 20ºC un kilo­gramo de hierro, un kilogramo de agua y un kilogramo de al­cohol. ¿Necesitaremos la misma energía en todos los casos? Explica la respuesta.

b) Calcula la variación de energía en los procesos siguien­tes:

-Se calienta el agua para una ducha (10 litros) desde la temperatura de 17 ºC hasta la de 45 ºC.

-Se calienta una pieza de hierro de 10 kilogramos desde la temperatura de 17ºC hasta 45ºC.

-Se enfrían 10 litros de agua que se introducen en el fri­gorífico desde la temperatura de 22ºC hasta la de 5ºC.

Dada la expresión utilizada para su cálculo, Q puede ser positivo o negativo:

Si t_i> t_f ..... Qá O disminuye la energía interna del sistema

Si t_iá t_f ..... Q> O aumenta la energía interna del sistema

¿SON LOS CIENTÍFICOS CAPRICHOSOS CON EL LENGUAJE?

A veces parece que los científicos utilizan un lenguaje re buscado y que son un poco caprichosos en las expresiones que utilizan. Sin embargo no es así, es necesario un lenguaje preciso para expresar sin ambigüedad el mensaje que se quiere transmitir. Es el caso que nos ocupa respecto al uso de los términos calor y energía interna.

Al principio los científicos no diferenciaban entre calor y temperatura. De hecho, a la temperatura le llamaban los grados de calor de un cuerpo (a veces, aún se oye a algún periodista decir que el termómetro marca 28 grados de calor). Durante el siglo XVIII se desarrollaron los termómetros y eso permitió comenzar las medidas, introduciéndose términos que han llegado hasta nues tros días: calor específico, calor latente de cambio de estado, etc. En esa época sí se diferenciaba claramente entre calor y tempera tura, aunque no se tenía claro en qué consistía cada cosa.

A finales del siglo XVIII y primeros años del siglo XIX, se pensaba que el calor era una especie de fluido material, e incluso Lavoisier lo clasificó como si fuese una sustancia simple. (En esa época recibía el nombre de calórico).

Hacia mediados del siglo XIX se había llegado a establecer una relación entre lo que en aquel momento se llamaba efecto mecánico y lo que se llamaba calor. Se veía la necesidad de distinguir entre el calor recibido por un cuerpo y el calor contenido en ese cuerpo. Por ejemplo, Clausius distinguía en 1552 entre el calor contenido en un cuerpo. llamaba calor sensible, y el calor ganado o perdido por un cuerpo. Para simplificar las expresiones, se propuso llamarle energía interna a lo que Clausius llamaba calor sensible. Clausius aceptó inmediatamente el nombre de energía interna.

Una de las características de la ciencia es la precisión, en la medidas como en el lenguaje. El tener dos expresiones diferentes, energía interna y calor, nos permite expresar con mayor precisión los fenómenos que ocurren en la naturaleza.

Veamos un ejemplo: podemos aumentar la temperatura de la broca de una máquina de taladrar de dos maneras diferentes, colocándola sobre el fuego, o haciendo un agujero con la misma; en ambos casos ha aumentado la energía interna de la broca, pero el mecanismo por el que se le ha transferido la energía es diferente, al colocarla sobre el fuego a la cantidad de energía transferida se le llama calor, mientras que al hacer elagujero, a la cantidad de energía transferida se le llama trabajo.

Actividad 49:

Explica tres procesos radicalmente diferentes para aumentar la energía térmica de un recipiente con agua. ¿Qué nombre recibe cada una de esas maneras en física?