Energía, Calor y Temperatura: Conceptos Básicos de Física Térmica

Resumen

Este apunte explica los conceptos básicos de la física térmica: energía, calor y temperatura, con sus escalas. Trata también la capacidad calorífica, el calor latente y la dilatación de sólidos, líquidos y gases, incluida la dilatación anómala del agua. Por último, describe las tres formas de transmisión del calor: conducción, convección y radiación.

Puntos clave

La energía es la capacidad de un cuerpo para producir cambios en sí mismo o en otros cuerpos.
El calor es energía que pasa del cuerpo con mayor temperatura al cuerpo más frío.
La relación entre las escalas es K = °C + 273.
El calor específico es la energía necesaria para elevar 1 °C o 1 K la temperatura de 1 kg de una sustancia.
El calor latente es la cantidad de calor que hay que aplicar a 1 kg de sustancia para que cambie de estado, a presión determinada y a la temperatura del cambio de estado.
El agua se contrae de 0 °C a 4 °C y se dilata a partir de 4 °C. A 4 °C tiene la máxima densidad y el mínimo volumen.
La conducción transmite energía a través de un sólido, la convección la transmite por el movimiento de un fluido y la radiación se transporta por ondas electromagnéticas, sin medio material.

Ponte a prueba

Energía

La energía es la propiedad de todos los cuerpos que mide la capacidad que tienen de producir cambios en ellos mismos o en otros cuerpos. El trabajo y el calor son energías en tránsito, lo que significa que los cuerpos solo tienen energía, no trabajo ni calor. Q y W son distintas formas de intercambiar energía.

Calor

El calor es una forma de transferencia de energía que se produce cuando se ponen en contacto dos cuerpos a distinta temperatura. El cuerpo con mayor temperatura cede energía en forma de calor al cuerpo más frío. Cuando ambos tienen la misma temperatura, están en equilibrio térmico.

Temperatura

La temperatura es la propiedad de los cuerpos que mide su grado de calor. Es una magnitud escalar y se mide con el termómetro.

Escalas de temperatura

Se utilizan la escala Celsius (°C) y la escala Kelvin (K), esta última en el Sistema Internacional (SI).

Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la energía térmica y la energía cinética de las partículas.

K = °C + 273

Capacidad calorífica y calor específico

La capacidad calorífica o calor específico de un cuerpo (Ce) mide la energía necesaria para elevar 1 °C o 1 K la temperatura de 1 kg de masa del cuerpo. El calor específico es característico de cada sustancia y está asociado a los cambios de temperatura. A mayor calor específico, más difícil será aumentar su temperatura.

Calor latente

El calor latente es el calor asociado a los cambios de estado. Se define como la cantidad de calor que hay que aplicar a 1 kg de sustancia para que cambie de estado a una presión determinada y a la temperatura del cambio de estado.

El calor latente de fusión es el mismo que el de solidificación.
El calor latente de vaporización es el mismo que el de condensación.

Dilatación de sólidos

La dilatación de sólidos es el cambio de dimensiones que experimentan al variar su temperatura.

De longitud:
De superficie:
De volumen:

Dilatación de líquidos

La dilatación aparente de un líquido es la dilatación del líquido menos la que tenga el recipiente que lo contiene.

Dilatación anómala del agua

De 0 °C a 4 °C el agua se contrae; a partir de 4 °C se dilata. A 4 °C alcanza la máxima densidad y el mínimo volumen.

Dilatación de gases

Las variables de un gas son la presión, el volumen y la temperatura. Al variar la temperatura de un gas, el volumen varía manteniendo la presión constante.

Ley de Gay-Lussac: KvnN5YnAgFsFL1ka1g8uiqQjkOjrKqgUmoLasF1F

Transmisión del calor

Conducción

Es el proceso por el que la energía térmica se transmite a través de un sólido. Las partículas del sólido a mayor temperatura tienen más energía cinética y ceden parte de ella a las partículas vecinas de menor temperatura. Solo hay transporte de energía. Los materiales pueden ser conductores o aislantes térmicos.

Convección

Proceso en el que se transmite energía térmica en un fluido por el movimiento del propio fluido. La materia está en movimiento debido a la diferencia de densidad entre los fluidos a diferente temperatura. Estas corrientes se denominan corrientes de convección.

Radiación

Es la emisión continua de energía de los cuerpos sin que haya ningún medio material entre el emisor y el receptor. Esta energía radiante se transporta por ondas electromagnéticas.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre calor y temperatura?

La temperatura es la propiedad de los cuerpos que mide su grado de calor, y se mide con el termómetro. El calor es la transferencia de energía que se produce al poner en contacto dos cuerpos a distinta temperatura.

¿Qué es el calor latente?

Es la cantidad de calor que hay que aplicar a 1 kg de sustancia para que cambie de estado, a una presión determinada y a la temperatura del cambio de estado. El calor latente de fusión es igual al de solidificación.

¿Por qué el agua no se dilata siempre al calentarse?

Entre 0 °C y 4 °C el agua se contrae. A partir de 4 °C se dilata, y a 4 °C alcanza su máxima densidad y su mínimo volumen.