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Calor

Se denomina calor a la energía en tránsito que se reconoce solo cuando se cruza la frontera de un sistema termodinámico.[1]​ Una vez dentro del sistema, o en los alrededores, si la transferencia es de adentro hacia afuera, el calor transferido se vuelve parte de la energía interna del sistema o de los alrededores, según su caso. El término calor, por tanto, se debe de entender como transferencia de calor y solo ocurre cuando hay diferencia de temperatura y en dirección de mayor a menor. De ello se deduce que no hay transferencia de calor entre dos sistemas que se encuentran a la misma temperatura.

Naturaleza del calor

 
La temperatura de un gas monoatómico es una medida relacionada con la energía cinética promedio de sus moléculas al moverse.

A menudo en el habla coloquial se usan expresiones como: Cantidad de calor de un cuerpo o ganancia de calor y se hace porque no producen ningún malentendido y quizás porque no hay ninguna alternativa técnica que sea tan intuitiva, pero en un sentido técnico son incorrectas. El calor, visto desde la física, no se tiene, el calor es una transferencia.[2]​ Lo que tiene un cuerpo, es energía térmica, mejor aún, si se considera el cuerpo como un sistema termodinámico, la energía total del sistema tiene dos formas: macroscópica y microscópica. La energía macroscópica es la que tiene el sistema con referencia a un origen exterior, como la energía cinética y la potencial. La microscópica es su grado de actividad molecular, que es independiente del sistema de referencia externo y es lo que se conoce como Energía interna del sistema y se representa por  .

Las moléculas de un sistema se agitan con cierta velocidad, además giran y vibran de manera irregular y todo este movimiento les confiere una energía cinética que es la parte de la energía interna que es energía sensible, porque la velocidad promedio de las moléculas es proporcional a la temperatura, que es lo que podemos percibir. Pero también las moléculas están unidas por fuerzas de atracción que son más fuertes en los sólidos, disminuyen en los líquidos y aún más en los gases, de forma que un sistema en estado gaseoso implica una energía que ha sido necesaria para vencer las fuerzas intermoleculares. Esta energía que tiene que ver con la fase en que está el sistema, se llama energía latente. Los átomos están unidos por enlaces que se forman y se destruyen en las reacciones químicas. La energía interna asociada con los enlaces atómicos, es la energía química Y por fin, las fuerzas de atracción en el núcleo de los átomos constituye la energía nuclear, que se libera en las reacciones nucleares. Todas estas formas de energía, se almacenan en el interior del sistema y conforman su energía interna.

Pero hay formas de energía que no se pueden almacenar, que solo aparecen cuando hay interacción y constituyen lo que llamamos la energía ganada o perdida por el sistema. Estas formas de energía, son la transferencia de calor y el trabajo. Cuando el origen o la fuerza motriz de la interacción es una diferencia de temperatura, decimos que es calor, en caso contrario es trabajo.

Resumiendo, es muy común referirse a la energía sensible y latente como calor y está bien coloquialmente, pero en realidad es energía térmica, que es muy distinta de la transferencia de calor.

Historia de la teoría del calor

La primera referencia formal sobre la importancia del fuego se encuentra en Heráclito (540 a. C.-475 a. C.), quien sostenía que el fuego era el origen primordial de la materia.

Para Anaxímenes lo caliente y lo frío son estados comunes de la materia. Consideraba que lo comprimido y condensado era frío, y que lo raro y “laxo” era caliente, por tanto, según él, la ‘‘rarefacción’’ daba cuenta del proceso mediante el cual se calentaban las cosas, hasta quedar convertidas en vapor.

Aristóteles (384 a. C.-322 a. C.), agregó dos pares de cualidades fundamentales: caliente y frío, seco y húmedo. La razón por la cual un cuerpo tenía cierta temperatura, venía dada por las cantidades que en él se encontraban estas dos cualidades fundamentales.

Galeno (129-199) propuso una escala cualitativa que costaba de cuatro estados de calor y cuatro de frío, el punto neutro se obtenía agregando cuatro partes de agua hirviendo y cuatro partes de hielo.[3]

Estas ideas se mantuvieron durante más de 23 siglos. Es curioso observar, que en este período ya se apreciaba que algunos de los fenómenos físicos, como la dilatación de sólidos y líquidos, y la expansión térmica del aire y el vapor, dependían del calor, pero no se prestaba atención a las temperaturas porque no eran parte de las cualidades referidas en la física aristotélica.

Las ideas de Aristóteles comienzan a ser cuestionadas a mediados del siglo XVI, cuando se propone la existencia de una quintaesencia de la materia, la existencia de un agente universal responsable de todas las reacciones químicas. Robert Boyle (1627-1691), negó al fuego todo carácter corpóreo y consideró que debía existir cierta unidad de la materia, lo que implicaba que debería estar compuesta por corpúsculos.

Mientras, en el siglo XVII y los primeros años del XVIII, se originaron discusiones sobre la estructura de la materia y ocurrió otro acontecimiento importante en la historia del calor, Georg Stahl (1660-1734) enuncia la teoría del flogisto. Este no debe ser confundido con el fuego material, el que se manifiesta en la llama y en el calor cuando se producen combustiones, sino que es un elemento inaccesible que poseen todos los cuerpos combustibles.

En el transcurso del siglo XVII se oponen dos teorías sobre el calor, la del flogisto, y la que defendían los seguidores de los atomistas griegos, quienes admitían la corporeidad del fuego, considerando que este se constituía por partículas pequeñas, ligeras y sutiles, que tenían a su vez una enorme movilidad para penetrar en la materia en sus diferentes estados, capaces de operar simplemente con su presencia en forma de fluido imponderable, el calórico. Entre 1775 y 1787 Lavoisier elaboró una teoría de los gases, en las que introducía el principio del calórico. En este periodo surgía el concepto de temperatura y empezaron a construirse termómetros, para medir la frialdad de las cosas. Joseph Black (1728-1799) utilizó estos termómetros para estudiar el calor, observando cómo las diferentes sustancias que se encontraban a desiguales temperaturas tendían a llegar a un equilibrio cuando se les ponía en contacto.[4]

En 1798 Benjamin Thompson, conde de Rumford, observó en Baviera, que al perforar cañones, la cantidad de calor que se obtenía dependía del estado del taladro y llegó a la conclusión de que el calor no era un fluido, sino una forma de movimiento. Dedujo la posibilidad de generar por rozamiento una cantidad ilimitada de calor, ya que el calor generado era aproximadamente proporcional al trabajo realizado, hecho que no era fácilmente argumentable con la teoría del calórico. En 1812 Humphry Davy confirmó la presunción anterior. Esta idea culmina con los trabajos del médico y físico Julio R. von Mayer en 1842 y posterior y definitivamente en 1850 con James Prescott Joule, que establecen que el calor y el trabajo no son más que manifestaciones de la energía térmica, la cual puede ser convertida en un porcentaje en trabajo, mientras que el trabajo puede ser totalmente convertido en calor.[5]

Finalmente se comprobó que el calor no podía ser entendido como una sustancia material, sino que es una forma de energía. Las medidas del equivalente mecánico del calor señalaron el fin de la teoría del calórico. De todo esto surge la termodinámica y de ella la máquina térmica. En la misma época en que se inició la termodinámica, estaba desarrollándose la teoría molecular de la materia, que permite formarse una idea coherente del calor y de los fenómenos que intervienen. La teoría cinética de los gases explicaba muchos de los fenómenos que por medio de la teoría del calórico no podían ser explicados.

Calor específico

El calor específico es un parámetro que depende del material y relaciona el calor que se proporciona a una masa determinada de una sustancia con el incremento de temperatura:

 

donde:

  es el calor aportado al sistema.
  es la masa del sistema.
  es el calor específico del sistema.
  y   son las temperaturas inicial y final del sistema respectivamente.
  es el diferencial de temperatura.

Las unidades de calor específico son   El calor específico de un material depende de su temperatura; no obstante, en muchos procesos termodinámicos su variación es tan pequeña que puede considerarse que el calor específico es constante.

 
Calentamiento o enfriamiento de un líquido. Calor específico

Si se representa en un gráfico el calentamiento de un líquido llevando las cantidades de calor por unidad de masa   como ordenadas y las temperaturas   como abcisas. Entre dos temperaturas cualesquiera, el calor específico medio se expresa:[6]

 

En la que   es la cantidad de calor que la sustancia recibe o cede entre las temperaturas   y  . Sin embargo, el calor específico verdadero para   será

 

El calor específico verdadero está dado por la variación de la cantidad de calor intercambiado por unidad de masa con respecto a la temperatura, o gráficamente, por la pendiente de la tangente geométrica en el punto de la curva de estado. Se puede ver en la figura, la diferencia entre los calores específicos verdaderos, representados por las pendientes de las tangentes a la curva y los calores específicos medios entre dos temperaturas, representados por la pendiente de la cuerda que une ambos puntos.

Para la mayoría de los cuerpos, el calor específico aumenta con la temperatura y la diferencia entre valores medios y verdaderos es pequeña, siempre que la variación de temperatura sea también pequeña. Para el agua, la curva q-t es prácticamente una recta, lo cual indica que su calor específico se mantiene, dentro de ciertos límites, prácticamente constante, normalmente se toma como 4186 kJ/kg.

Calor específico molar

Con frecuencia es muy útil hablar de calor específico molar denotado por cmol, y definido como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un mol de una sustancia en 1 grado es decir, está definida por:

 

donde n indica la cantidad de moles en la sustancia presente.

Capacidad calorífica

La capacidad calorífica de una sustancia es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Se denota por  , se mide en  , y se define como:

 

Dado que:

 

De igual forma se puede definir la capacidad calorífica molar como:

 

Cambios de fase

En la naturaleza existen tres estados usuales de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Al aplicarle calor a una sustancia, ésta puede cambiar de un estado a otro. A estos procesos se les conoce como cambios de fase. Los posibles cambios de fase son:

 
El agua en diferentes estados en equilibrio térmico en el lado groenlandés de la bahía de Baffin

Calor latente

Que un cuerpo sólido puede estar en equilibrio térmico con un líquido o un gas, o que un líquido y un gas pueden estar en equilibrio térmico entre sí, en una amplia gama de temperaturas, es algo normal y frecuente. Pero lo que no es tan normal es que dos fases o estados de agregación distintos de una misma sustancia, puedan estar en equilibrio térmico entre sí, naturalmente en circunstancias apropiadas.

Un sistema que consiste en formas sólida y líquida de determinada sustancia, a una presión constante dada, puede estar en equilibrio térmico, pero únicamente a una temperatura llamada punto de fusión simbolizado a veces como  . A esta temperatura, todo el calor agregado se invierte en fundir el material mientras quede una partícula sólida, sin que haya un cambio significativo de su temperatura. La cantidad de energía agregada, se llama calor de fusión, calor latente de fusión o entalpía de fusión, y es diferente para cada sustancia. Se denota por  .

Para pasar de líquido a sólido se necesita la misma cantidad de energía, por ello el calor de fusión representa la energía necesaria para cambiar del estado sólido al líquido, y viceversa.

De manera similar, un líquido y un vapor de una misma sustancia pueden estar en equilibrio térmico a una temperatura llamada punto de ebullición simbolizado por  . El calor necesario para evaporar una sustancia en estado líquido ( o condensar una sustancia en estado de vapor ) se llama calor de ebullición o calor latente de ebullición o entalpía de ebullición, y se mide en las mismas unidades que el calor latente de fusión. Se denota por  .

En la siguiente tabla[7]​ se muestran algunos valores de los puntos de fusión y ebullición, y los calores latentes de fusión y evaporación de algunas sustancias:

sustancias   [°C]   [kJ/kg]   [°C]   [kJ/kg]
Agua - Hielo 0, 00 334 100, 00 2260
Alcohol etílico -114, 00 105 78, 3 846
Acetona -94, 3 96 56, 2 524
Benceno 5, 5 127 80, 2 396
Aluminio 658, 7 322-394 2300 9220
Estaño 231, 9 59 2270 3020
Hierro 1530 293 3050 6300
Cobre 1083 214 2360 5410
Mercurio -38, 9 11, 73 356, 7 285
Plomo 327, 3 22, 5 1750 880
Potasio 64 60, 8 760 2080
Sodio 98 113 883 4220

Transmisión de calor

En general, se admiten tres formas distintas de transmitir el calor: por conducción, por convección y por radiación. En rigor, solo la conducción y la radiación son formas de transmisión del calor, que para producirse dependen exclusivamente de la existencia de un desequilibrio térmico. El caso de la convección depende además del transporte mecánico de masa, sin embargo como sigue habiendo una transferencia de calor desde una zona de mayor temperatura a otra de temperatura inferior, se adopta la expresión transmisión de calor por convección.

 
Esquema de la transferencia de calor por conducción
  • Conducción térmica: Siempre que existe un gradiente de temperatura en un medio sólido, el calor fluye desde la región o cuerpo con mayor temperatura a la región o cuerpo con menor temperatura.
  • Convección térmica: se compone de dos mecanismos que operan al mismo tiempo; transferencia de energía generada por el movimiento molecular, es decir, conducción, y transferencia de energía mediante el movimiento de partes de fluido impulsadas por una fuerza externa, que puede ser natural en el caso de un gradiente de densidad, o forzada en el caso de un ventilador o una bomba.
  • Radiación térmica: Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética con una intensidad que depende de su temperatura y de la longitud de onda considerada.

La transmisión simple, es decir, debida exclusivamente a una de las tres formas es en la práctica inexistente y se produce siempre en forma simultánea, al menos por la combinación de dos de las formas de transmisión y muy a menudo por las tres.

Medida del calor

Si se tiene un cuerpo en equilibrio termodinámico y se le deja en un medio que tiene una temperatura diferente, se produce una transferencia de energía entre el cuerpo y los alrededores hasta que se alcanza el equilibrio térmico, es decir, hasta que ambos están a la misma temperatura, en cuyo momento cesa la transferencia. Se dice que la energía se ha transferido en forma de calor.

La termodinámica estudia los estados de equilibrio y nos permite por la primera ley, determinar la diferencia de calor entre el estado 1 y el estado 2, tanto del cuerpo, como del medio en que se le sumergió. Si se admite que no ha habido más interacción que la debida a la diferencia de temperatura, la variación de energía interna del cuerpo y del medio son iguales y tanto una como la otra, informan sobre la cantidad de calor necesaria para pasar del estado 1 al 2, pero no nos dicen nada de cómo ha sido el flujo de calor entre ambos estados, ni cuál ha sido el tiempo necesario para la transferencia.

 

Como forma de energía, el calor tiene unidades de energía, por lo que si nos atenemos al Sistema Internacional de Unidades, se medirá en Julios  .[8]​ Teniendo en cuenta que esta unidad es muy pequeña y que la unidad de masa es el kg, se toma normalmente el kilojulio  , que definido como calor sería:

Un kiloJulio es el calor que hay que transferir a 1 kg de agua para aumentar su temperatura 0,24 K aproximadamente.[9]

Cuando es necesario conocer el flujo de calor o cantidad de calor transferido por unidad de tiempo, lo que se busca es   y se medirá en kJ/s, es decir, en kW. El cálculo del flujo de calor y de sus modos de transmisión no corresponden a la termodinámica, sino a otra parte de la física que es la Transferencia de calor.

El calor es una magnitud con dirección, por tanto es necesario darle un signo para completar la información. No hay un acuerdo total sobre el signo convencional, pero el más aceptado es:

La transferencia de calor hacia un sistema es positiva y la transferencia de calor desde el sistema es negativa.[10]

Calorimetría

Para determinar de manera directa el calor que se pone de manifiesto en un proceso de laboratorio, se suele emplear un calorímetro. En esencia se trata de un recipiente que contendrá el líquido en el que se va a estudiar la variación de energía por transferencia de calor, cuya envolvente debe estar perfectamente aislada para garantizar que el proceso se acerque lo más posible al adiabático.

Termodinámica y transferencia de calor

La termodinámica informa de transferencia de calor de un proceso, sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni el tiempo necesario para efectuar la transferencia. Un estudio termodinámico determina cuánto calor debe transferirse para que se realice el paso de un estado a otro, apoyándose en el Primer principio o principio de conservación de la energía. Desde un punto de vista de la ingeniería, el problema clave es calcular la velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura determinada. La Termodinámica trata de los estados de equilibrio y de los cambios que ocurren entre un estado de equilibrio y otro. La Transferencia de calor sin embargo se ocupa de los fenómenos que se producen a partir de que existe un desequilibrio térmico y por tanto, exige una condición de no equilibrio. En consecuencia, el estudio de la transferencia de calor no puede basarse solo en los principios de la termodinámica, sin embargo estos y cualquier ley física que tenga que ser satisfecha por un proceso, proporcionan ecuaciones que pueden utilizarse en el análisis.

La forma de aplicar la primera ley de la termodinámica es establecer un volumen de control que es una región fija del espacio limitada por una superficie de control y a través de la cual puede pasar calor, trabajo y masa. A partir de ahí se puede realizar un balance de energía:[11]

La velocidad a la cual las energías térmica y mecánica entran en un volumen de control, más la velocidad a la que se genera energía en el interior del mismo, menos la velocidad a la cual las energía térmica y mecánica salen de él, deben ser iguales a la velocidad a la que se acumula energía en el interior de este volumen.

Anteriormente mencionamos que el análisis termodinámico no se ocupa de la velocidad de la transferencia de calor en una dirección pero se puede decir que este parámetro depende de la magnitud del gradiente de temperatura, o diferencia de temperatura por unidad de longitud, o la razón o relación de cambio de la temperatura en esa dirección. A mayor gradiente de temperatura, mayor es la velocidad de transferencia de calor.

Transferencia de calor en la ingeniería

Los problemas de capacidad nominal se ocupan de la determinación de la velocidad de transferencia de calor en un sistema existente con una diferencia dada de temperatura. Los problemas de dimensionamiento, se ocupan de la determinación del tamaño de un sistema, con el fin de transferir calor a una velocidad determinada con una diferencia dada de la temperatura. Un proceso o un equipo de transferencia de calor puede ser analizado de forma experimental o de forma analítica. El procedimiento experimental tiene la ventaja de tratar con el sistema físico real y, gracias a ello, la cantidad deseada se determina mediante medición, dentro de los límites del error experimental. El procedimiento analítico tiene la ventaja de que es rápido y barato, pero los resultados obtenidos dependen de la exactitud de las hipótesis e idealizaciones establecidas en el análisis. En los estudios de transferencia de calor a menudo se logra una buena aproximación reduciendo, mediante el análisis, las opciones a solo unas cuantas y, a continuación, verificando los hallazgos experimentalmente.

Sensación de calor en el ser humano

Intentar cuantificar calor en el sentido en que lo usamos coloquial y cotidianamente, es más complicado de lo que parece, ya que ello depende de muchas más variables y sobre todo más impredecibles de las que se han apuntado hasta ahora. Empezando por el país, zona, clima, pasando por la luminosidad o el color predominante y hasta el sexo y la situación anímica del individuo pueden influir en la sensación térmica.

Generalmente en la mayoría de los países, se habla ya de calor cuando la temperatura supera los 26 °C en cualquier hora del día, aunque varía mucho según la estación del año. Por ejemplo, 20 °C en verano es considerado una temperatura fresca, mientras que en invierno, esta temperatura es considerada templada o cálida.

El fenómeno "ola de calor" se anuncia cuando las temperaturas diurnas superan los 32 °C y las nocturnas (o al amanecer) no bajan de los 23 °C durante tres días. Es común en casi todo tipo de climas en época veraniega, a excepción de los países cerca de los polos, donde es muy infrecuente o casi nulo, y se hace más frecuente a medida que los países están más cerca de los trópicos. Esta denominación de ola de calor, no quiere decir necesariamente calor excesivo ni temperaturas inusuales para la estación, sino que pretende alertar sobre consecuencias perjudiciales en personas o colectivos vulnerables.

Se tiene una sensación de más calor cuando hay más humedad en el ambiente. Por ejemplo, una temperatura de 30 °C, con humedad ambiental del 10 %, se sentirá como si el ambiente fuese de solo 28 °C. Pero con humedad ambiental del 90 %, se sentirá como si el ambiente fuese de 40 °C.

Véase también

Referencias

  1. Bernal, José Alfredo Jiménez; Torres, Claudia del Carmen Gutiérrez; Saldaña, Juan Gabriel Barbosa (21 de octubre de 2014). Termodinámica. Grupo Editorial Patria. ISBN 9786074389388. Consultado el 8 de febrero de 2018. 
  2. Gómez, Pedro & Esteban Glez. Termodinámica.
  3. Taton, René. Historia General de las ciencias. Las ciencias en el mundo grecorromano. isbn 84-4020-16-13.
  4. Asimov, Isaac. Introducción a la ciencia, página 335.
  5. Facorro, J. A. Curso de Termodinámica, página 30.
  6. Facorro Ruiz, L. A. Curso de Termodinámica, página 12. Ediciones Melior (1989).
  7. Koshkin, N. I. & M. G. Shirkévich. Manual de física elemental, pp. 74-75. Edit. Mir. (1975).
  8. Sigue utilizándose en algunos textos, en las especificaciones de algunos aparatos de calefacción y sobre todo en el poder energético de los alimentos, la caloría y la kilocaloría, pero se recomienda el abandono de estas unidades y el uso exclusivo del Sistema Internacional de Unidades. Lo mismo ocurre con la BTU
  9. Es aproximada porque habría que definir las condiciones del agua en todos los aspectos, no solo en su temperatura inicial, ya que su calor específico puede variar mucho.
  10. El aporte de calor es positivo y la extracción de calor es negativa. Por ejemplo: las pérdidas de calor de un local en invierno son negativas y el calor aportado por el sistema de calefacción para compensarlas, es positivo.
  11. Kreith, Frank & Mark S. Bohn. Principios de Transferencia de calor, página 47. Thomson Editores. (2001)

Bibliografía

  • Çengel, Yunus A. & Michael A. Boles. (1995). Termodinámica. Mc Graw-Hill. isbn970-10-0909-6
  • Kreith, Frank & Mark S. Bohn. (2001)Principios de Transferencia de calor. Thomson Editores.isbn 84-9732-061-1
  • Cengel, Yunus A. (2004), Transferencia de calor (2ª edición), México: McGraw-Hill .
  • Abbott, M. M.; Vanness, H. C. (1991), Termodinámica (2ª edición), México: McGraw-Hill .
  • Callen, H. B. (1985), Thermodynamics, New York: Wiley & Sons .
  • Valderrama, J. O. (2009), Apuntes de Termodinámica Básica .
  • Wark, K. (1991), Termodinámica (5ª edición), México: McGraw-Hill .
  • Faires, V. M. (1973), Termodinámica, México: Uteha .

Enlaces externos

  •   Wikcionario tiene definiciones y otra información sobre calor.
  •   Datos: Q44432
  •   Multimedia: Heat
  •   Citas célebres: Calor

calor, denomina, calor, energía, tránsito, reconoce, solo, cuando, cruza, frontera, sistema, termodinámico, dentro, sistema, alrededores, transferencia, adentro, hacia, afuera, calor, transferido, vuelve, parte, energía, interna, sistema, alrededores, según, c. Se denomina calor a la energia en transito que se reconoce solo cuando se cruza la frontera de un sistema termodinamico 1 Una vez dentro del sistema o en los alrededores si la transferencia es de adentro hacia afuera el calor transferido se vuelve parte de la energia interna del sistema o de los alrededores segun su caso El termino calor por tanto se debe de entender como transferencia de calor y solo ocurre cuando hay diferencia de temperatura y en direccion de mayor a menor De ello se deduce que no hay transferencia de calor entre dos sistemas que se encuentran a la misma temperatura Indice 1 Naturaleza del calor 2 Historia de la teoria del calor 3 Calor especifico 3 1 Calor especifico molar 3 2 Capacidad calorifica 4 Cambios de fase 4 1 Calor latente 5 Transmision de calor 6 Medida del calor 6 1 Calorimetria 7 Termodinamica y transferencia de calor 7 1 Transferencia de calor en la ingenieria 8 Sensacion de calor en el ser humano 9 Vease tambien 10 Referencias 11 Bibliografia 12 Enlaces externosNaturaleza del calor Editar La temperatura de un gas monoatomico es una medida relacionada con la energia cinetica promedio de sus moleculas al moverse A menudo en el habla coloquial se usan expresiones como Cantidad de calor de un cuerpo o ganancia de calor y se hace porque no producen ningun malentendido y quizas porque no hay ninguna alternativa tecnica que sea tan intuitiva pero en un sentido tecnico son incorrectas El calor visto desde la fisica no se tiene el calor es una transferencia 2 Lo que tiene un cuerpo es energia termica mejor aun si se considera el cuerpo como un sistema termodinamico la energia total del sistema tiene dos formas macroscopica y microscopica La energia macroscopica es la que tiene el sistema con referencia a un origen exterior como la energia cinetica y la potencial La microscopica es su grado de actividad molecular que es independiente del sistema de referencia externo y es lo que se conoce como Energia interna del sistema y se representa por U displaystyle U Las moleculas de un sistema se agitan con cierta velocidad ademas giran y vibran de manera irregular y todo este movimiento les confiere una energia cinetica que es la parte de la energia interna que es energia sensible porque la velocidad promedio de las moleculas es proporcional a la temperatura que es lo que podemos percibir Pero tambien las moleculas estan unidas por fuerzas de atraccion que son mas fuertes en los solidos disminuyen en los liquidos y aun mas en los gases de forma que un sistema en estado gaseoso implica una energia que ha sido necesaria para vencer las fuerzas intermoleculares Esta energia que tiene que ver con la fase en que esta el sistema se llama energia latente Los atomos estan unidos por enlaces que se forman y se destruyen en las reacciones quimicas La energia interna asociada con los enlaces atomicos es la energia quimica Y por fin las fuerzas de atraccion en el nucleo de los atomos constituye la energia nuclear que se libera en las reacciones nucleares Todas estas formas de energia se almacenan en el interior del sistema y conforman su energia interna Pero hay formas de energia que no se pueden almacenar que solo aparecen cuando hay interaccion y constituyen lo que llamamos la energia ganada o perdida por el sistema Estas formas de energia son la transferencia de calor y el trabajo Cuando el origen o la fuerza motriz de la interaccion es una diferencia de temperatura decimos que es calor en caso contrario es trabajo Resumiendo es muy comun referirse a la energia sensible y latente como calor y esta bien coloquialmente pero en realidad es energia termica que es muy distinta de la transferencia de calor Historia de la teoria del calor EditarLa primera referencia formal sobre la importancia del fuego se encuentra en Heraclito 540 a C 475 a C quien sostenia que el fuego era el origen primordial de la materia Para Anaximenes lo caliente y lo frio son estados comunes de la materia Consideraba que lo comprimido y condensado era frio y que lo raro y laxo era caliente por tanto segun el la rarefaccion daba cuenta del proceso mediante el cual se calentaban las cosas hasta quedar convertidas en vapor Aristoteles 384 a C 322 a C agrego dos pares de cualidades fundamentales caliente y frio seco y humedo La razon por la cual un cuerpo tenia cierta temperatura venia dada por las cantidades que en el se encontraban estas dos cualidades fundamentales Galeno 129 199 propuso una escala cualitativa que costaba de cuatro estados de calor y cuatro de frio el punto neutro se obtenia agregando cuatro partes de agua hirviendo y cuatro partes de hielo 3 Estas ideas se mantuvieron durante mas de 23 siglos Es curioso observar que en este periodo ya se apreciaba que algunos de los fenomenos fisicos como la dilatacion de solidos y liquidos y la expansion termica del aire y el vapor dependian del calor pero no se prestaba atencion a las temperaturas porque no eran parte de las cualidades referidas en la fisica aristotelica Las ideas de Aristoteles comienzan a ser cuestionadas a mediados del siglo XVI cuando se propone la existencia de una quintaesencia de la materia la existencia de un agente universal responsable de todas las reacciones quimicas Robert Boyle 1627 1691 nego al fuego todo caracter corporeo y considero que debia existir cierta unidad de la materia lo que implicaba que deberia estar compuesta por corpusculos Mientras en el siglo XVII y los primeros anos del XVIII se originaron discusiones sobre la estructura de la materia y ocurrio otro acontecimiento importante en la historia del calor Georg Stahl 1660 1734 enuncia la teoria del flogisto Este no debe ser confundido con el fuego material el que se manifiesta en la llama y en el calor cuando se producen combustiones sino que es un elemento inaccesible que poseen todos los cuerpos combustibles En el transcurso del siglo XVII se oponen dos teorias sobre el calor la del flogisto y la que defendian los seguidores de los atomistas griegos quienes admitian la corporeidad del fuego considerando que este se constituia por particulas pequenas ligeras y sutiles que tenian a su vez una enorme movilidad para penetrar en la materia en sus diferentes estados capaces de operar simplemente con su presencia en forma de fluido imponderable el calorico Entre 1775 y 1787 Lavoisier elaboro una teoria de los gases en las que introducia el principio del calorico En este periodo surgia el concepto de temperatura y empezaron a construirse termometros para medir la frialdad de las cosas Joseph Black 1728 1799 utilizo estos termometros para estudiar el calor observando como las diferentes sustancias que se encontraban a desiguales temperaturas tendian a llegar a un equilibrio cuando se les ponia en contacto 4 En 1798 Benjamin Thompson conde de Rumford observo en Baviera que al perforar canones la cantidad de calor que se obtenia dependia del estado del taladro y llego a la conclusion de que el calor no era un fluido sino una forma de movimiento Dedujo la posibilidad de generar por rozamiento una cantidad ilimitada de calor ya que el calor generado era aproximadamente proporcional al trabajo realizado hecho que no era facilmente argumentable con la teoria del calorico En 1812 Humphry Davy confirmo la presuncion anterior Esta idea culmina con los trabajos del medico y fisico Julio R von Mayer en 1842 y posterior y definitivamente en 1850 con James Prescott Joule que establecen que el calor y el trabajo no son mas que manifestaciones de la energia termica la cual puede ser convertida en un porcentaje en trabajo mientras que el trabajo puede ser totalmente convertido en calor 5 Finalmente se comprobo que el calor no podia ser entendido como una sustancia material sino que es una forma de energia Las medidas del equivalente mecanico del calor senalaron el fin de la teoria del calorico De todo esto surge la termodinamica y de ella la maquina termica En la misma epoca en que se inicio la termodinamica estaba desarrollandose la teoria molecular de la materia que permite formarse una idea coherente del calor y de los fenomenos que intervienen La teoria cinetica de los gases explicaba muchos de los fenomenos que por medio de la teoria del calorico no podian ser explicados Calor especifico EditarArticulo principal Calor especifico El calor especifico es un parametro que depende del material y relaciona el calor que se proporciona a una masa determinada de una sustancia con el incremento de temperatura Q m T i T f c d T displaystyle Q m int T mathrm i T mathrm f c mathrm d T donde Q displaystyle Q es el calor aportado al sistema m displaystyle m es la masa del sistema c displaystyle c es el calor especifico del sistema T i displaystyle T mathrm i y T f displaystyle T mathrm f son las temperaturas inicial y final del sistema respectivamente d T displaystyle mathrm d T es el diferencial de temperatura Las unidades de calor especifico son J k g K displaystyle J kg K El calor especifico de un material depende de su temperatura no obstante en muchos procesos termodinamicos su variacion es tan pequena que puede considerarse que el calor especifico es constante Calentamiento o enfriamiento de un liquido Calor especifico Si se representa en un grafico el calentamiento de un liquido llevando las cantidades de calor por unidad de masa q displaystyle q como ordenadas y las temperaturas t displaystyle t como abcisas Entre dos temperaturas cualesquiera el calor especifico medio se expresa 6 c m q 2 q 1 t 2 t 1 tan b displaystyle c m frac q 2 q 1 t 2 t 1 tan beta En la que q 2 q 1 displaystyle q 2 q 1 es la cantidad de calor que la sustancia recibe o cede entre las temperaturas t 1 displaystyle t 1 y t 2 displaystyle t 2 Sin embargo el calor especifico verdadero para t 1 displaystyle t 1 sera c lim t 2 t 1 0 q 2 q 1 t 2 t 1 d q d t tan a displaystyle c lim t 2 t 1 to 0 frac q 2 q 1 t 2 t 1 frac dq dt tan alpha El calor especifico verdadero esta dado por la variacion de la cantidad de calor intercambiado por unidad de masa con respecto a la temperatura o graficamente por la pendiente de la tangente geometrica en el punto de la curva de estado Se puede ver en la figura la diferencia entre los calores especificos verdaderos representados por las pendientes de las tangentes a la curva y los calores especificos medios entre dos temperaturas representados por la pendiente de la cuerda que une ambos puntos Para la mayoria de los cuerpos el calor especifico aumenta con la temperatura y la diferencia entre valores medios y verdaderos es pequena siempre que la variacion de temperatura sea tambien pequena Para el agua la curva q t es practicamente una recta lo cual indica que su calor especifico se mantiene dentro de ciertos limites practicamente constante normalmente se toma como 4186 kJ kg Calor especifico molar Editar Con frecuencia es muy util hablar de calor especifico molar denotado por cmol y definido como la cantidad de energia necesaria para elevar la temperatura de un mol de una sustancia en 1 grado es decir esta definida por c m 1 n d Q d T Q n D T displaystyle c m frac 1 n frac mathrm d Q mathrm d T approx Q over n Delta T donde n indica la cantidad de moles en la sustancia presente Capacidad calorifica Editar La capacidad calorifica de una sustancia es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor Se denota por C displaystyle C se mide en J K displaystyle J K y se define como C Q D T displaystyle C frac Q Delta T Dado que c Q m D T m c Q D T C m c displaystyle c Q over m Delta T Longrightarrow mc Q over Delta T Longrightarrow C mc De igual forma se puede definir la capacidad calorifica molar como C n n c displaystyle C n nc Cambios de fase EditarArticulos principales Cambio de fasey Estado de agregacion En la naturaleza existen tres estados usuales de la materia solido liquido y gaseoso Al aplicarle calor a una sustancia esta puede cambiar de un estado a otro A estos procesos se les conoce como cambios de fase Los posibles cambios de fase son de estado solido a liquido llamado fusion de estado liquido a solido llamado solidificacion de estado liquido a gaseoso llamado evaporacion o vaporizacion de estado gaseoso a liquido llamado condensacion de estado solido a gaseoso llamado sublimacion progresiva de estado gaseoso a solido llamado sublimacion regresiva o deposicion de estado gaseoso a plasma llamado ionizacion de estado plasma a gaseoso llamado Desionizacion El agua en diferentes estados en equilibrio termico en el lado groenlandes de la bahia de Baffin Calor latente Editar Articulo principal Calor latente Que un cuerpo solido puede estar en equilibrio termico con un liquido o un gas o que un liquido y un gas pueden estar en equilibrio termico entre si en una amplia gama de temperaturas es algo normal y frecuente Pero lo que no es tan normal es que dos fases o estados de agregacion distintos de una misma sustancia puedan estar en equilibrio termico entre si naturalmente en circunstancias apropiadas Un sistema que consiste en formas solida y liquida de determinada sustancia a una presion constante dada puede estar en equilibrio termico pero unicamente a una temperatura llamada punto de fusion simbolizado a veces como t f displaystyle t mathrm f A esta temperatura todo el calor agregado se invierte en fundir el material mientras quede una particula solida sin que haya un cambio significativo de su temperatura La cantidad de energia agregada se llama calor de fusion calor latente de fusion o entalpia de fusion y es diferente para cada sustancia Se denota por L f displaystyle L mathrm f Para pasar de liquido a solido se necesita la misma cantidad de energia por ello el calor de fusion representa la energia necesaria para cambiar del estado solido al liquido y viceversa De manera similar un liquido y un vapor de una misma sustancia pueden estar en equilibrio termico a una temperatura llamada punto de ebullicion simbolizado por t e displaystyle t mathrm e El calor necesario para evaporar una sustancia en estado liquido o condensar una sustancia en estado de vapor se llama calor de ebullicion o calor latente de ebullicion o entalpia de ebullicion y se mide en las mismas unidades que el calor latente de fusion Se denota por L e displaystyle L mathrm e En la siguiente tabla 7 se muestran algunos valores de los puntos de fusion y ebullicion y los calores latentes de fusion y evaporacion de algunas sustancias sustancias t f displaystyle t mathrm f C L f displaystyle L mathrm f kJ kg t e displaystyle t mathrm e C L e displaystyle L mathrm e kJ kg Agua Hielo 0 00 334 100 00 2260Alcohol etilico 114 00 105 78 3 846Acetona 94 3 96 56 2 524Benceno 5 5 127 80 2 396Aluminio 658 7 322 394 2300 9220Estano 231 9 59 2270 3020Hierro 1530 293 3050 6300Cobre 1083 214 2360 5410Mercurio 38 9 11 73 356 7 285Plomo 327 3 22 5 1750 880Potasio 64 60 8 760 2080Sodio 98 113 883 4220Transmision de calor EditarArticulo principal Transmision de calor En general se admiten tres formas distintas de transmitir el calor por conduccion por conveccion y por radiacion En rigor solo la conduccion y la radiacion son formas de transmision del calor que para producirse dependen exclusivamente de la existencia de un desequilibrio termico El caso de la conveccion depende ademas del transporte mecanico de masa sin embargo como sigue habiendo una transferencia de calor desde una zona de mayor temperatura a otra de temperatura inferior se adopta la expresion transmision de calor por conveccion Esquema de la transferencia de calor por conduccion Conduccion termica Siempre que existe un gradiente de temperatura en un medio solido el calor fluye desde la region o cuerpo con mayor temperatura a la region o cuerpo con menor temperatura Conveccion termica se compone de dos mecanismos que operan al mismo tiempo transferencia de energia generada por el movimiento molecular es decir conduccion y transferencia de energia mediante el movimiento de partes de fluido impulsadas por una fuerza externa que puede ser natural en el caso de un gradiente de densidad o forzada en el caso de un ventilador o una bomba Radiacion termica Todos los cuerpos emiten radiacion electromagnetica con una intensidad que depende de su temperatura y de la longitud de onda considerada La transmision simple es decir debida exclusivamente a una de las tres formas es en la practica inexistente y se produce siempre en forma simultanea al menos por la combinacion de dos de las formas de transmision y muy a menudo por las tres Medida del calor EditarSi se tiene un cuerpo en equilibrio termodinamico y se le deja en un medio que tiene una temperatura diferente se produce una transferencia de energia entre el cuerpo y los alrededores hasta que se alcanza el equilibrio termico es decir hasta que ambos estan a la misma temperatura en cuyo momento cesa la transferencia Se dice que la energia se ha transferido en forma de calor La termodinamica estudia los estados de equilibrio y nos permite por la primera ley determinar la diferencia de calor entre el estado 1 y el estado 2 tanto del cuerpo como del medio en que se le sumergio Si se admite que no ha habido mas interaccion que la debida a la diferencia de temperatura la variacion de energia interna del cuerpo y del medio son iguales y tanto una como la otra informan sobre la cantidad de calor necesaria para pasar del estado 1 al 2 pero no nos dicen nada de como ha sido el flujo de calor entre ambos estados ni cual ha sido el tiempo necesario para la transferencia d Q d U U 2 U 1 displaystyle dQ dU U 2 U 1 Como forma de energia el calor tiene unidades de energia por lo que si nos atenemos al Sistema Internacional de Unidades se medira en Julios J displaystyle J 8 Teniendo en cuenta que esta unidad es muy pequena y que la unidad de masa es el kg se toma normalmente el kilojulio k J displaystyle kJ que definido como calor seria Un kiloJulio es el calor que hay que transferir a 1 kg de agua para aumentar su temperatura 0 24 K aproximadamente 9 Cuando es necesario conocer el flujo de calor o cantidad de calor transferido por unidad de tiempo lo que se busca es d Q d t displaystyle dQ dt y se medira en kJ s es decir en kW El calculo del flujo de calor y de sus modos de transmision no corresponden a la termodinamica sino a otra parte de la fisica que es la Transferencia de calor El calor es una magnitud con direccion por tanto es necesario darle un signo para completar la informacion No hay un acuerdo total sobre el signo convencional pero el mas aceptado es La transferencia de calor hacia un sistema es positiva y la transferencia de calor desde el sistema es negativa 10 Calorimetria Editar Para determinar de manera directa el calor que se pone de manifiesto en un proceso de laboratorio se suele emplear un calorimetro En esencia se trata de un recipiente que contendra el liquido en el que se va a estudiar la variacion de energia por transferencia de calor cuya envolvente debe estar perfectamente aislada para garantizar que el proceso se acerque lo mas posible al adiabatico Termodinamica y transferencia de calor EditarLa termodinamica informa de transferencia de calor de un proceso sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni el tiempo necesario para efectuar la transferencia Un estudio termodinamico determina cuanto calor debe transferirse para que se realice el paso de un estado a otro apoyandose en el Primer principio o principio de conservacion de la energia Desde un punto de vista de la ingenieria el problema clave es calcular la velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura determinada La Termodinamica trata de los estados de equilibrio y de los cambios que ocurren entre un estado de equilibrio y otro La Transferencia de calor sin embargo se ocupa de los fenomenos que se producen a partir de que existe un desequilibrio termico y por tanto exige una condicion de no equilibrio En consecuencia el estudio de la transferencia de calor no puede basarse solo en los principios de la termodinamica sin embargo estos y cualquier ley fisica que tenga que ser satisfecha por un proceso proporcionan ecuaciones que pueden utilizarse en el analisis La forma de aplicar la primera ley de la termodinamica es establecer un volumen de control que es una region fija del espacio limitada por una superficie de control y a traves de la cual puede pasar calor trabajo y masa A partir de ahi se puede realizar un balance de energia 11 La velocidad a la cual las energias termica y mecanica entran en un volumen de control mas la velocidad a la que se genera energia en el interior del mismo menos la velocidad a la cual las energia termica y mecanica salen de el deben ser iguales a la velocidad a la que se acumula energia en el interior de este volumen Anteriormente mencionamos que el analisis termodinamico no se ocupa de la velocidad de la transferencia de calor en una direccion pero se puede decir que este parametro depende de la magnitud del gradiente de temperatura o diferencia de temperatura por unidad de longitud o la razon o relacion de cambio de la temperatura en esa direccion A mayor gradiente de temperatura mayor es la velocidad de transferencia de calor Transferencia de calor en la ingenieria Editar Los problemas de capacidad nominal se ocupan de la determinacion de la velocidad de transferencia de calor en un sistema existente con una diferencia dada de temperatura Los problemas de dimensionamiento se ocupan de la determinacion del tamano de un sistema con el fin de transferir calor a una velocidad determinada con una diferencia dada de la temperatura Un proceso o un equipo de transferencia de calor puede ser analizado de forma experimental o de forma analitica El procedimiento experimental tiene la ventaja de tratar con el sistema fisico real y gracias a ello la cantidad deseada se determina mediante medicion dentro de los limites del error experimental El procedimiento analitico tiene la ventaja de que es rapido y barato pero los resultados obtenidos dependen de la exactitud de las hipotesis e idealizaciones establecidas en el analisis En los estudios de transferencia de calor a menudo se logra una buena aproximacion reduciendo mediante el analisis las opciones a solo unas cuantas y a continuacion verificando los hallazgos experimentalmente Sensacion de calor en el ser humano EditarIntentar cuantificar calor en el sentido en que lo usamos coloquial y cotidianamente es mas complicado de lo que parece ya que ello depende de muchas mas variables y sobre todo mas impredecibles de las que se han apuntado hasta ahora Empezando por el pais zona clima pasando por la luminosidad o el color predominante y hasta el sexo y la situacion animica del individuo pueden influir en la sensacion termica Generalmente en la mayoria de los paises se habla ya de calor cuando la temperatura supera los 26 C en cualquier hora del dia aunque varia mucho segun la estacion del ano Por ejemplo 20 C en verano es considerado una temperatura fresca mientras que en invierno esta temperatura es considerada templada o calida El fenomeno ola de calor se anuncia cuando las temperaturas diurnas superan los 32 C y las nocturnas o al amanecer no bajan de los 23 C durante tres dias Es comun en casi todo tipo de climas en epoca veraniega a excepcion de los paises cerca de los polos donde es muy infrecuente o casi nulo y se hace mas frecuente a medida que los paises estan mas cerca de los tropicos Esta denominacion de ola de calor no quiere decir necesariamente calor excesivo ni temperaturas inusuales para la estacion sino que pretende alertar sobre consecuencias perjudiciales en personas o colectivos vulnerables Se tiene una sensacion de mas calor cuando hay mas humedad en el ambiente Por ejemplo una temperatura de 30 C con humedad ambiental del 10 se sentira como si el ambiente fuese de solo 28 C Pero con humedad ambiental del 90 se sentira como si el ambiente fuese de 40 C Vease tambien EditarCalorimetria Temperatura Termodinamica Bolsa de agua caliente Teoria calorica Teoria cinetica de los gases ideales Introduccion a la mecanica de fluidosReferencias Editar Bernal Jose Alfredo Jimenez Torres Claudia del Carmen Gutierrez Saldana Juan Gabriel Barbosa 21 de octubre de 2014 Termodinamica Grupo Editorial Patria ISBN 9786074389388 Consultado el 8 de febrero de 2018 Gomez Pedro amp Esteban Glez Termodinamica Taton Rene Historia General de las ciencias Las ciencias en el mundo grecorromano isbn 84 4020 16 13 Asimov Isaac Introduccion a la ciencia pagina 335 Facorro J A Curso de Termodinamica pagina 30 Facorro Ruiz L A Curso de Termodinamica pagina 12 Ediciones Melior 1989 Koshkin N I amp M G Shirkevich Manual de fisica elemental pp 74 75 Edit Mir 1975 Sigue utilizandose en algunos textos en las especificaciones de algunos aparatos de calefaccion y sobre todo en el poder energetico de los alimentos la caloria y la kilocaloria pero se recomienda el abandono de estas unidades y el uso exclusivo del Sistema Internacional de Unidades Lo mismo ocurre con la BTU Es aproximada porque habria que definir las condiciones del agua en todos los aspectos no solo en su temperatura inicial ya que su calor especifico puede variar mucho El aporte de calor es positivo y la extraccion de calor es negativa Por ejemplo las perdidas de calor de un local en invierno son negativas y el calor aportado por el sistema de calefaccion para compensarlas es positivo Kreith Frank amp Mark S Bohn Principios de Transferencia de calor pagina 47 Thomson Editores 2001 Bibliografia EditarCengel Yunus A amp Michael A Boles 1995 Termodinamica Mc Graw Hill isbn970 10 0909 6 Kreith Frank amp Mark S Bohn 2001 Principios de Transferencia de calor Thomson Editores isbn 84 9732 061 1 Cengel Yunus A 2004 Transferencia de calor 2ª edicion Mexico McGraw Hill Abbott M M Vanness H C 1991 Termodinamica 2ª edicion Mexico McGraw Hill Callen H B 1985 Thermodynamics New York Wiley amp Sons Valderrama J O 2009 Apuntes de Termodinamica Basica Wark K 1991 Termodinamica 5ª edicion Mexico McGraw Hill Faires V M 1973 Termodinamica Mexico Uteha Enlaces externos Editar Wikcionario tiene definiciones y otra informacion sobre calor Datos Q44432 Multimedia Heat Citas celebres CalorObtenido de https es wikipedia org w index php title Calor amp oldid 136722632, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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