EL CALOR
El calor es un concepto utilizado principalmente por la física y la química. Se define como una energía relacionada con el movimiento de átomos y moléculas de la materia; más adelante veremos la definición técnica en términos de calorías o Joules. La noción popular de que algo está "caliente", en realidad está lejos de ser cierta en términos físicos, ya que la sensación táctil o subjetiva que tenemos de este concepto viene dada por la transferencia de energía, en términos de temperatura, entre objetos: sentimos que algo está "caliente" cuando nos "quita" energía en términos de temperatura, y por otro lado sentimos a un objeto como "frío" cuando le cedemos energía.
Puede ser generado por reacciones químicas, nucleares o disipación mecánica. Se basa en el principio cero de la termodinámica que consiste en que al poner en contacto dos cuerpos de dos temperaturas distintas, éstos intercambiarán energía, equilibrando la temperatura. Este intercambio de energía interna se puede dar por tres mecanismos:
- Radiación: por medio de la propagación de ondas electromagnéticas. La energía experimenta transformaciones.
- Conducción: por contacto directo entre las partículas de los dos cuerpos. Sólo se presenta para materiales sólidos. Aquí la temperatura dependerá del tipo de material.
- Convección: por medio de un fluido (aire agua) que cumple la misión de transportar el calor a zonas de diferentes temperaturas. Siempre está acompañada de la conducción, pues debe existir un contacto directo entre partículas.
La cantidad de energía transferida por unidad de área y de tiempo se conoce con el nombre de flujo calorífico, y se caracteriza por un flujo que va desde el cuerpo que tiene mayor temperatura al de menor. El tiempo que tarda el flujo de calor es proporcional a la gradiente de temperatura.
Una unidad popular para medir el calor es la caloría (cal), y es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua para que ésta eleve su temperatura a 15ºC aproximadamente. Dentro del ámbito científico esta es una medida en desuso, ya que ha sido reemplazada por el Joule, que equivale a la energía equivalente a una fuerza de 1 Newton moviéndose 1 metro en la dirección de la fuerza, por lo que se denomina también Newton-Metro..
El calor específico (c), o también conocido como capacidad calorífica específica consiste en la cantidad de calor que se le debe entregar a un gramo de una sustancia en particular, para que ésta eleve su temperatura a un grado Celsius.
La capacidad calorífica (C) consiste la dificultad que presenta un cuerpo en experimentar cambios en su temperatura al suministrarle una cierta cantidad de calor.
Cuando se habla de calor latente consiste en la energía absorbida por una sustancia para cambiar de estado (sólido – líquido – gaseoso). Por ejemplo de sólido a líquido se le llama calor latente de fusión, y de líquido a gaseoso se le llama calor latente de vaporización.
Para medir con exactitud el calor, los laboratorios utilizan un instrumento llamado calorímetro, que consta de un recipiente aislado completamente del exterior, y que contiene una sustancia determinada, la que se someterá a un estudio para determinar las variaciones de energía que presente al transferirle calor. En otras palabras mide el calor específico de los cuerpos. Por ejemplo, un termo cumple la función de un calorímetro.
TEMPERATURA:
La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente o frío. Por lo general, un objeto más "caliente" que otro puede considerarse que tiene una temperatura mayor, y si es frío, se considera que tiene una temperatura menor. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como "energía sensible", que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida de que sea mayor la energía sensible de un sistema, se observa que éste se encuentra más "caliente"; es decir, que su temperatura es mayor.
En el caso de un sólido, los movimientos en cuestión resultan ser las vibraciones de las partículas en sus sitios dentro del sólido. En el caso de un gas ideal monoatómico se trata de los movimientos traslacionales de sus partículas (para los gases multiatómicos los movimientos rotacional y vibracional deben tomarse en cuenta también).
Dicho lo anterior, se puede definir la temperatura como la cuantificación de la actividad molecular de la materia.
El desarrollo de técnicas para la medición de la temperatura ha pasado por un largo proceso histórico, ya que es necesario darle un valor numérico a una idea intuitiva como es lo frío o lo caliente.
Multitud de propiedades fisicoquímicas de los materiales o las sustancias varían en función de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su estado (sólido, líquido, gaseoso, plasma), su volumen, la solubilidad, la presión de vapor, su color o la conductividad eléctrica. Así mismo es uno de los factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar las reacciones químicas.
La temperatura se mide con termómetros, los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a unidades de medición de la temperatura. En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin (K), y la escala correspondiente es la escala Kelvin o escala absoluta, que asocia el valor "cero kelvin" (0 K) al "cero absoluto", y se gradúa con un tamaño de grado igual al del grado Celsius. Sin embargo, fuera del ámbito científico el uso de otras escalas de temperatura es común. La escala más extendida es la escala Celsius (antes llamada centígrada); y, en mucha menor medida, y prácticamente sólo en los Estados Unidos, la escala Fahrenheit. También se usa a veces la escala Rankine (°R) que establece su punto de referencia en el mismo punto de la escala Kelvin, el cero absoluto, pero con un tamaño de grado igual al de la Fahrenheit, y es usada únicamente en Estados Unidos, y sólo en algunos campos de la ingeniería.
TRABAJO:
Ya que por definición el trabajo es un tránsito de energía,[2] nunca se refiere a él como incremento de trabajo, ni se simboliza como ΔW.
Matemáticamente se expresa como:
W = F•d = F d cos
Cuando el vector fuerza es perpendicular al vector desplazamiento del cuerpo sobre el que se aplica, dicha fuerza no realiza trabajo alguno. Asimismo, si no hay desplazamiento, el trabajo también será nulo. Se denomina trabajo infinitesimal, al producto escalar del vector fuerza por el vector desplazamiento.
Donde Ft es la componente de la fuerza a lo largo del desplazamiento, ds es el módulo del vector desplazamiento dr, y q el ángulo que forma el vector fuerza con el vector desplazamiento.
El trabajo total a lo largo de la trayectoria entre los puntos A y B es la suma de todos los trabajos infinitesimales
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| Su significado geométrico es el área bajo la representación gráfica de la función que relaciona la componente tangencial de la fuerza Ft, y el desplazamiento s. |
Ejemplo: Calcular el trabajo necesario para estirar un muelle 5 cm, si la constante del muelle es 1000 N/m.
La fuerza necesaria para deformar un muelle es F=1000·x N, donde x es la deformación. El trabajo de esta fuerza se calcula mediante la integral
El área del triángulo de la figura es
(0.05·50)/2=1.25 J
Cuando la fuerza es constante, el trabajo se obtiene multiplicando la componente de la fuerza a lo largo del desplazamiento por el desplazamiento.
W=Ft·s
Ejemplo:
Calcular el trabajo de una fuerza constante de 12 N, cuyo punto de aplicación se traslada 7 m, si el ángulo entre las direcciones de la fuerza y del desplazamiento son 0º, 60º, 90º, 135º, 180º
- Si la fuerza y el desplazamiento tienen el mismo sentido, el trabajo es positivo
- Si la fuerza y el desplazamiento tienen sentidos contrarios, el trabajo es negativo
- Si la fuerza es perpendicular al desplazamiento, el trabajo es nulo.
ENERGIA CINETICA:
Cuando un cuerpo está en movimiento posee energía cinética ya que al chocar contra otro puede moverlo y, por lo tanto, producir un trabajo.
Para que un cuerpo adquiera energía cinética o de movimiento, es decir, para ponerlo en movimiento, es necesario aplicarle una fuerza. Cuanto mayor sea el tiempo que esté actuando dicha fuerza, mayor será la velocidad del cuerpo y, por lo tanto, su energía cinética será también mayor.
Otro factor que influye en la energía cinética es la masa del cuerpo.
Por ejemplo, si una bolita de vidrio de 5 gramos de masa avanza hacia nosotros a una velocidad de 2 km / h no se hará ningún esfuerzo por esquivarla. Sin embargo, si con esa misma velocidad avanza hacia nosotros un camión, no se podrá evitar la colisión.
La fórmula que representa la Energía Cinética es la siguiente:
E c = Energía cinética
m = masa
v = velocidad
Cuando un cuerpo de masa m se mueve con una velocidad v posee una energía cinética que está dada por la fórmula escrita más arriba.
En esta ecuación, debe haber concordancia entre las unidades empleadas. Todas ellas deben pertenecer al mismo sistema. En el Sistema Internacional (SI), la masa m se mide en kilogramo (kg) y la velocidad v en metros partido por segundo ( m / s), con lo cual la energía cinética resulta medida en Joule (J)
