miércoles, 10 de diciembre de 2008
termoscopio
datos
utilice un peso de 2kg
a un metro de altura
con 100 g de agua
en un baso de unicel
2 soportes universales
2 poleas
marco de pesas
si la formula para sacar el calor ganado es q:mcAT entonces los datos quedan asi:
qH2o:(100g)(4.184j/gk)(25-24): 418.4
q:418.4
para sacar la fuerza utilizada para tansolo subir un grado de temperatura es
F:MA F:(2Kg)(9.8m/s2): 19.6
F:19.6 esas son las veces que tube que dejar caer la pesa para tansolo subir un grado de temperatura
utilice un peso de 2kg
a un metro de altura
con 100 g de agua
en un baso de unicel
2 soportes universales
2 poleas
marco de pesas
si la formula para sacar el calor ganado es q:mcAT entonces los datos quedan asi:
qH2o:(100g)(4.184j/gk)(25-24): 418.4
q:418.4
para sacar la fuerza utilizada para tansolo subir un grado de temperatura es
F:MA F:(2Kg)(9.8m/s2): 19.6
F:19.6 esas son las veces que tube que dejar caer la pesa para tansolo subir un grado de temperatura
lunes, 8 de diciembre de 2008
petroleo
economico:
la economia es muy mala para mexico por que no hay maquinas especiales para transformar el petroleo en otros recursos y como en paises extranjeron si tienen ese tipo de maquinarias mexico vende su crudo a muy bajo costo y los demas paises se lo regresan con un costo elevado.
en otros casos gracias al petroleo se obtienen bolsas de platico llantas, medicinas etc.
politico:
yo creo que en los politico es una guerra de quien tiene mas poder y en este caso mexico tiene petroleo pero otros paises de otro tipo de politica vienen a querer mandar
social:
Los beneficios que deja el petróleo a todas las personas del planeta Tierra, no sólo se ven en las botas de caucho que calzan nuestros pies, o en el cepillo de dientes y jabón de baño que usamos cada mañana para sentirnos limpios. Sin el petróleo no habría gasolina o acpm, combustibles que mueven los carros, aviones, lanchas y motos, esos vehículos que utilizamos para transportarnos de manera cómoda y rápida de un lugar a otro.
También lo encontramos hasta en el lazo de nylon que los campesinos usan para arrear el ganado, en los baldes plásticos para recoger el agua, en el radio y en el televisor que nos informan qué pasa en el mundo; en las velas o los mechones de petróleo que nos iluminan en la oscuridad de la noche.
salud:
El petróleo crudo es una mezcla de químicos, muchos de los cuales son cancerígenos, por lo cual, si uno está expuesto permanentemente a ellos, corre un riesgo mucho mayor de tener cáncer
También han sido comprobados los efectos cancerígenos de los hidrocarburos aromáticos polinucleares en la piel, escroto, vejiga urinaria y pulmón.
la economia es muy mala para mexico por que no hay maquinas especiales para transformar el petroleo en otros recursos y como en paises extranjeron si tienen ese tipo de maquinarias mexico vende su crudo a muy bajo costo y los demas paises se lo regresan con un costo elevado.
en otros casos gracias al petroleo se obtienen bolsas de platico llantas, medicinas etc.
politico:
yo creo que en los politico es una guerra de quien tiene mas poder y en este caso mexico tiene petroleo pero otros paises de otro tipo de politica vienen a querer mandar
social:
Los beneficios que deja el petróleo a todas las personas del planeta Tierra, no sólo se ven en las botas de caucho que calzan nuestros pies, o en el cepillo de dientes y jabón de baño que usamos cada mañana para sentirnos limpios. Sin el petróleo no habría gasolina o acpm, combustibles que mueven los carros, aviones, lanchas y motos, esos vehículos que utilizamos para transportarnos de manera cómoda y rápida de un lugar a otro.
También lo encontramos hasta en el lazo de nylon que los campesinos usan para arrear el ganado, en los baldes plásticos para recoger el agua, en el radio y en el televisor que nos informan qué pasa en el mundo; en las velas o los mechones de petróleo que nos iluminan en la oscuridad de la noche.
salud:
El petróleo crudo es una mezcla de químicos, muchos de los cuales son cancerígenos, por lo cual, si uno está expuesto permanentemente a ellos, corre un riesgo mucho mayor de tener cáncer
También han sido comprobados los efectos cancerígenos de los hidrocarburos aromáticos polinucleares en la piel, escroto, vejiga urinaria y pulmón.
martes, 2 de diciembre de 2008
BULIMIA
La bulimia es una enfermedad que se define por comilonas o episodios recurrentes de ingestión excesiva de alimento, acompañados de una sensación de pérdida de control. Luego, la persona utiliza diversos métodos, tales como vomitar o consumir laxantes en exceso, para prevenir el aumento de peso.
Causas, incidencia y factores de riesgo
En la bulimia, pueden presentarse episodios de ingestión excesiva de alimentos con una frecuencia de varias veces al día durante muchos meses. Dichos episodios provocan una sensación de autorrechazo, que lleva a la adopción de comportamientos compensatorios, como el vómito provocado o el ejercicio excesivo. Una persona con bulimia consume también laxantes, diuréticos o enemas en forma excesiva con el fin de evitar el aumento de peso.
Tales comportamientos pueden ser muy peligrosos y llevar a que se presenten complicaciones médicas graves con el tiempo. Por ejemplo, el ácido estomacal que se introduce en el esófago (el tubo que va de la boca al estómago) durante los vómitos frecuentes puede causar daños permanentes en esta área.
Muchas más mujeres que hombres padecen de bulimia y el trastorno es más común en niñas adolescentes. La persona afectada generalmente es consciente de que su patrón de alimentación es anormal y puede experimentar miedo o culpa asociada con los episodios de ingestión excesiva de alimento y purgas. Aunque el comportamiento generalmente es secreto, las claves para descubrir este trastorno incluyen actividad excesiva, hábitos o rituales de alimentación peculiares y verificación frecuente del peso.
El peso corporal usualmente es normal, aunque la persona se puede percibir a sí misma con sobrepeso. Si la bulimia está acompañada de anorexia, el peso corporal puede ser extremadamente bajo.
Se desconoce la causa exacta de la bulimia, pero los factores genéticos, del organismo en su conjunto, psicológicos, traumáticos, familiares, sociales o culturales pueden jugar un papel. Un caso dado probablemente se debe a más de un factor.
Causas, incidencia y factores de riesgo
En la bulimia, pueden presentarse episodios de ingestión excesiva de alimentos con una frecuencia de varias veces al día durante muchos meses. Dichos episodios provocan una sensación de autorrechazo, que lleva a la adopción de comportamientos compensatorios, como el vómito provocado o el ejercicio excesivo. Una persona con bulimia consume también laxantes, diuréticos o enemas en forma excesiva con el fin de evitar el aumento de peso.
Tales comportamientos pueden ser muy peligrosos y llevar a que se presenten complicaciones médicas graves con el tiempo. Por ejemplo, el ácido estomacal que se introduce en el esófago (el tubo que va de la boca al estómago) durante los vómitos frecuentes puede causar daños permanentes en esta área.
Muchas más mujeres que hombres padecen de bulimia y el trastorno es más común en niñas adolescentes. La persona afectada generalmente es consciente de que su patrón de alimentación es anormal y puede experimentar miedo o culpa asociada con los episodios de ingestión excesiva de alimento y purgas. Aunque el comportamiento generalmente es secreto, las claves para descubrir este trastorno incluyen actividad excesiva, hábitos o rituales de alimentación peculiares y verificación frecuente del peso.
El peso corporal usualmente es normal, aunque la persona se puede percibir a sí misma con sobrepeso. Si la bulimia está acompañada de anorexia, el peso corporal puede ser extremadamente bajo.
Se desconoce la causa exacta de la bulimia, pero los factores genéticos, del organismo en su conjunto, psicológicos, traumáticos, familiares, sociales o culturales pueden jugar un papel. Un caso dado probablemente se debe a más de un factor.
ANOREXIA
ANOREXIA
La anorexia consiste en un trastorno de la conducta alimentaria que supone una pérdida de peso provocada por el propio enfermo y lleva a un estado de inanición. La anorexia se caracteriza por el temor a aumentar de peso, y por una percepción distorsionada y delirante del propio cuerpo que hace que el enfermo se vea gordo aun cuando su peso se encuentra por debajo de lo recomendado. Por ello inicia una disminución progresiva del peso mediante ayunos y la reducción de la ingesta de alimentos.
La anorexia consiste en un trastorno de la conducta alimentaria que supone una pérdida de peso provocada por el propio enfermo y lleva a un estado de inanición. La anorexia se caracteriza por el temor a aumentar de peso, y por una percepción distorsionada y delirante del propio cuerpo que hace que el enfermo se vea gordo aun cuando su peso se encuentra por debajo de lo recomendado. Por ello inicia una disminución progresiva del peso mediante ayunos y la reducción de la ingesta de alimentos.
EFECTOS O PROBLEMAS
En caso de que la anorexia se desarrolle a un nivel peligroso, con el fin del individuo de sólo bajar y bajar de peso, el organismo llegaría a estar gravemente afectado en algún momento. Como por ejemplo en algunas mujeres se interrumple el período menstrual, en otros casos existe un gran deterioro mental, y como hemos dicho muchas veces, la muerte no es una consecuencia tan extraña
La anorexia consiste en un trastorno de la conducta alimentaria que supone una pérdida de peso provocada por el propio enfermo y lleva a un estado de inanición. La anorexia se caracteriza por el temor a aumentar de peso, y por una percepción distorsionada y delirante del propio cuerpo que hace que el enfermo se vea gordo aun cuando su peso se encuentra por debajo de lo recomendado. Por ello inicia una disminución progresiva del peso mediante ayunos y la reducción de la ingesta de alimentos.
La anorexia consiste en un trastorno de la conducta alimentaria que supone una pérdida de peso provocada por el propio enfermo y lleva a un estado de inanición. La anorexia se caracteriza por el temor a aumentar de peso, y por una percepción distorsionada y delirante del propio cuerpo que hace que el enfermo se vea gordo aun cuando su peso se encuentra por debajo de lo recomendado. Por ello inicia una disminución progresiva del peso mediante ayunos y la reducción de la ingesta de alimentos.
EFECTOS O PROBLEMAS
En caso de que la anorexia se desarrolle a un nivel peligroso, con el fin del individuo de sólo bajar y bajar de peso, el organismo llegaría a estar gravemente afectado en algún momento. Como por ejemplo en algunas mujeres se interrumple el período menstrual, en otros casos existe un gran deterioro mental, y como hemos dicho muchas veces, la muerte no es una consecuencia tan extraña
OBESIDAD
OBESIDAD
La obesidad es una condición patológica en la cual las reservas naturales de energía, almacenadas en el tejido adiposo de los humanos y otros mamíferos, se incrementa hasta un punto donde está asociado con ciertas condiciones de salud o un incremento de la mortalidad. Está caracterizada por un Índice de masa corporal o IMC aumentado (mayor o igual a 30). Forma parte del Síndrome metabólico. Es un factor de riesgo conocido para enfermedades crónicas como: enfermedades cardíacas, diabetes, hipertensión arterial, ictus y algunas formas de cáncer. La evidencia sugiere que se trata de una enfermedad con origen multifactorial: genético, ambiental, psicológico entre otros. Acumulación excesiva de grasa en el cuerpo, hipertrofia general del tejido adiposo.
CAUSAS Y CONSECUENCIAS
Las causas de la obesidad son múltiples, e incluyen factores tales como la herencia genética; el comportamiento del sistema nervioso, endocrino y metabólico; y el tipo o estilo de vida que se lleve.
Mayor ingesta de calorías de las que el cuerpo necesita.
Menor actividad física de la que el cuerpo precisa.
Si se ingiere mayor cantidad de energía de la necesaria ésta se acumula en forma de grasa. Si se consume más energía de la necesaria se utiliza la grasa como energía. Por lo que la obesidad se produce por exceso de energía, como resultado de las alteraciones en el equilibrio de entrada/salida de energía. Como consecuencia se pueden producir diversas complicaciones, como son la hipertensión arterial, la diabetes mellitus y las enfermedades coronarias.
La herencia tiene un papel importante, tanto que de padres obesos el riesgo de sufrir obesidad para un niño es 10 veces superior a lo normal. En parte es debido a tendencias metabólicas de acumulación de grasa, pero en parte se debe a que los hábitos culturales alimentarios y sedentarios contribuyen a repetir los patrones de obesidad de padres a hijos.
Otra parte de los obesos lo son por enfermedades hormonales o endocrinas, y pueden ser solucionados mediante un correcto diagnóstico y tratamiento especializado.
La obesidad es una condición patológica en la cual las reservas naturales de energía, almacenadas en el tejido adiposo de los humanos y otros mamíferos, se incrementa hasta un punto donde está asociado con ciertas condiciones de salud o un incremento de la mortalidad. Está caracterizada por un Índice de masa corporal o IMC aumentado (mayor o igual a 30). Forma parte del Síndrome metabólico. Es un factor de riesgo conocido para enfermedades crónicas como: enfermedades cardíacas, diabetes, hipertensión arterial, ictus y algunas formas de cáncer. La evidencia sugiere que se trata de una enfermedad con origen multifactorial: genético, ambiental, psicológico entre otros. Acumulación excesiva de grasa en el cuerpo, hipertrofia general del tejido adiposo.
CAUSAS Y CONSECUENCIAS
Las causas de la obesidad son múltiples, e incluyen factores tales como la herencia genética; el comportamiento del sistema nervioso, endocrino y metabólico; y el tipo o estilo de vida que se lleve.
Mayor ingesta de calorías de las que el cuerpo necesita.
Menor actividad física de la que el cuerpo precisa.
Si se ingiere mayor cantidad de energía de la necesaria ésta se acumula en forma de grasa. Si se consume más energía de la necesaria se utiliza la grasa como energía. Por lo que la obesidad se produce por exceso de energía, como resultado de las alteraciones en el equilibrio de entrada/salida de energía. Como consecuencia se pueden producir diversas complicaciones, como son la hipertensión arterial, la diabetes mellitus y las enfermedades coronarias.
La herencia tiene un papel importante, tanto que de padres obesos el riesgo de sufrir obesidad para un niño es 10 veces superior a lo normal. En parte es debido a tendencias metabólicas de acumulación de grasa, pero en parte se debe a que los hábitos culturales alimentarios y sedentarios contribuyen a repetir los patrones de obesidad de padres a hijos.
Otra parte de los obesos lo son por enfermedades hormonales o endocrinas, y pueden ser solucionados mediante un correcto diagnóstico y tratamiento especializado.
lunes, 1 de diciembre de 2008
miércoles, 19 de noviembre de 2008
Efecto invernadero
EFECTO INVERNADERO
Calentamiento global
1.Calentamiento global es un término utilizado habitualmente en dos sentidos:
Es el fenómeno observado en las medidas de la temperatura que muestra en promedio un aumento en la temperatura de la atmósfera terrestre y de los oceanos en las últimas décadas.
2.Es una teoría que predice, a partir de proyecciones basadas en simulaciones computacionales, un crecimiento futuro de las temperaturas.
Algunas veces se utilizan las denominaciones cambio climático, que designa a cualquier cambio en el clima, o cambio climático antropogénico, donde se considera implícitamente la influencia de la actividad humana. Calentamiento global y efecto invernadero no son sinónimos. El efecto invernadero acrecentado por la contaminación puede ser, según algunas teorías, la causa del calentamiento global observado.
La temperatura del planeta ha venido elevándose desde mediados del siglo XIX, cuando se puso fin a la etapa conocida como la pequeña edad de hielo.
La teoría antropogénica predice que el calentamiento global continuará si lo hacen las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI).
El Protocolo de Kyot, acuerdo promovido por el IPCC, promueve una reducción de emisiones contaminantes (principalmente CO2). El protocolo ha sido tachado en ciertas ocasiones de injusto, ya que el incremento de las emisiones tradicionalmente está asociado al desarrollo económico, con lo que las naciones a las que más afectaría el cumplimiento de este protocolo podrían ser aquellas zonas menos desarrolladas.
Calentamiento Global
La teoría de que las emisiones de gases de efecto invernadero están contribuyendo al calentamiento de la atmósfera terrestre ha ganado muchos adeptos y algunos oponentes en la comunidad científica durante el último cuarto de siglo. El IPCC, que se fundó para evaluar los riesgos de los cambios climáticos inducidos por los seres humanos, atribuye la mayor parte del calentamiento reciente a las actividades humanas. Hay muchos aspectos sutiles en esta cuestión. Los científicos atmosféricos saben que el hecho de añadir dióxido de carbono CO2 a la atmósfera, sin efectuar otros cambios, tenderá a hacer más cálida la superficie del planeta. Pero hay una cantidad importante de vapor de agua (humedad, nubes) en la atmósfera terrestre, y el vapor de agua es un gas de efecto invernadero. Si la adición de CO2 a la atmósfera aumenta levemente la temperatura, se espera que más vapor de agua se evapore desde la superficie de los océanos. El vapor de agua así liberado a la atmósfera aumenta a su vez el efecto invernadero (El vapor de agua es un gas de invernadero más eficiente que el CO2. A este proceso se le conoce como la retroalimentación del vapor de agua . Es esta retroalimentación la causante de la mayor parte del calentamiento que los modelos de la atmósfera predicen que ocurrirá durante las próximas décadas. Los procesos que controlan la cantidad de vapor en la atmósfera son complejos de modelar y aquí radica gran parte de la incertidumbre sobre el calentamiento global.El papel de las nubes es también crítico. Las nubes tienen efectos contradictorios en el clima. Es decir: las nubes enfrían la superficie reflejando la luz del Sol de nuevo al espacio. Pero también se sabe que las noches claras de invierno tienden a ser más frías que las noches con el cielo cubierto. Esto se debe a que las nubes también devuelven algo de calor a la superficie de la Tierra.
Las industrias que utilizan el carbón como fuente de energía, los tubos de escape de los automóviles, las chimeneas de las fábricas y otros subproductos gaseosos procedentes de la actividad humana contribuyen con cerca de 22.000 millones de toneladas de dióxido de carbono (correspondientes a 6.000 millones de toneladas de carbón puro) y otros gases de efecto invernadero a la atmósfera terrestre cada año.
Los gases de efecto invernadero toman su nombre del hecho de que no dejan salir al espacio la energía que emite la Tierra, en forma de radiación infrarroja, cuando se calienta con la radiación procedente del Sol, que es el mismo efecto que producen los vidrios de un invernadero de jardinería. Aunque éstos se calientan principalmente al evitar el escape de calor por convección.
El efecto invernadero natural que suaviza el clima de la Tierra no es cuestión que se incluya en el debate sobre el calentamiento global. Sin este efecto invernadero natural las temperaturas caerían aproximadamente 30 ºC. Los océanos podrían congelarse, y la vida, tal como la conocemos, sería imposible. Para que este efecto se produzca, son necesarios estos gases de efecto invernadero, pero en proporciones adecuadas. Lo que preocupa a los climatólogos es que una elevación de esa proporción producirá un aumento de la temperatura debido al calor atrapado en la baja atmósfera.
Los incrementos de CO2 medidos desde 1958 en Mauna Loa muestran una concentración que se incrementa a una tasa de cerca de 1.5 ppm por año. De hecho, resulta evidente que el incremento es más rápido de lo que sería un incremento lineal. El 21 de marzo del 2004 se informó de que la concentración alcanzó 376 ppm (partes por millón). Los registros del Polo Sur muestran un crecimiento similar al ser el CO2 un gas que se mezcla de manera homogénea en la atmósfera.
Repercusiones
Ciertos datos concretos recogidos de pruebas científicas ayudan a comprender el alcance del fenómeno del calentamiento global, entender sus causas y vislumbrar sus consecuencias.
Según un artículo publicado en enero del 2004, el calentamiento global podría exterminar a una cuarta parte de todas las especies de plantas y animales de la Tierra para el 2050.
Estudios realizados, muestran que la década de los noventa, fue la más caliente en los últimos mil años.
En caso de que toda la capa de hielo de la Antártida se fundiera, el nivel del mar aumentaría aproximadamente 61 m: un aumento de sólo 6 m bastaría para inundar Londres y a Nueva York.
El nivel del dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera podría duplicarse en los próximos 30 o 50 años.
Los países más afectados son los principales en promover la reducción de emisión de los gases invernadero
En 1984 el tamaño del hueco en la capa de ozono, que se mide sobre la Antártida, era aproximadamente 7 millones de km², hasta 1990 alcanzó los 29 millones de km² (cuatro veces mayor). Desde el año 90, el agujero de Ozono sigue una tendencia a la reducción
La aceleración del flujo del hielo en regiones de Groenlandia se estimó en 2000 que disminuye el volumen de su capa de hielo en 51 km³/año aunque una revaluación más reciente
· sitúa el número en 150 km³/año. Parte del aumento se debe a una aceleración reciente de la fusión de los glaciares periféricos, y se estima que su contribución al aumento del nivel del mar ha alcanzado en 2005 un valor 0,57±0.1 mm/año.
· Indonesia es el país con mayor número de mamíferos y pájaros en peligro de extinción, 128 y 104 respectivamente.
· En Estados Unidos se recupera sólo el 11% de los residuos sólidos producidos, y en Europa
Occidental es del 30%.
Esto es materia de una controversia considerable, con los grupos ecologistas exagerando los daños posibles y los grupos cercanos a la industria cuestionando los modelos climáticos y las consecuencias del calentamiento global —subvencionando ambos a los científicos para que también lo hagan—.
Debido a los efectos potenciales en la salud humana y en la economía, y debido a su impacto en el ambiente, el calentamiento global es motivo de gran preocupación. Se han observado ciertos procesos y se los ha relacionado con el calentamiento global. La disminución de la capa de nieve, la elevación del nivel de los mares y los cambios meteorológicos son consecuencias del calentamiento global que pueden influir en las actividades humanas y en los ecosistemas. Algunas especies pueden ser forzadas a emigrar de sus hábitats para evitar su extinción debido a las condiciones cambiantes, mientras otras especies pueden extenderse. Pocas de las ecorregiones terrestres pueden esperar no resultar afectadas.
Conforme el clima se haga más cálido la evaporación se incrementará. Esto causaría un aumento de las precipitaciones lluviosas y más erosión. Mucha gente piensa que esto podría resultar en un tiempo meteorológico más extremo conforme progrese el calentamiento global. El TAR del IPCC dice:
Se prevé que la concentración global de vapor de agua y las precipitaciones se incrementarán durante el siglo XXI. Para la segunda mitad del siglo XXI es probable que las precipitaciones se hayan incrementado en las latitudes medio-altas y en la Antártida en invierno. En las bajas latitudes habrán tanto incrementos como decrecimientos regionales según diferentes áreas. En la mayoría de las áreas serán probables variaciones interanuales y se espera un incremento en las precipitaciones.
[cita requerida]
El calentamiento global tendría otros efectos menos evidentes. La corriente del Atlántico norte, por ejemplo, se debe a los cambios de temperatura. Parece ser que, conforme el clima se hace más cálido, esta corriente está disminuyendo, y esto quiere decir que áreas como Escandinavia y Gran Bretaña, que son calentadas por esta corriente, podrían presentar un clima más frío, en lugar del calentamiento general global.
Hoy se teme que el calentamiento global sea capaz de desencadenar cambios bruscos de temperatura, incluso a la baja.La corriente del Atlántico Norte data de la época del deshielo de la última glaciación (hace 14.000 años). Hace 11.000 años esa corriente sufrió una interrupción que duró 1.000 años. Esto provocó el miniperíodo glacial conocido como Dryas reciente —el nombre de una flor silvestre alpina, Dryas octopetala— que duró 900 años en el noroeste de Norteamérica y el norte de Europa.
El calentamiento global modificaría la distribución de la fauna y floras del planeta. Ello supondría la expansión de enfermedades de las que algunos de esos animales son portadores. Tal es el caso de la malaria, el dengue o la fiebre amarilla, cuyos vectores son ciertas especies de mosquitos que habitan principal mente en zonas tropicales.
Alternativas
- Esto son algunas de las soluciones que podemos llevar a cabo en nuestra vida cotidiana(que aunque a veses son insignificantes, si los hacemos todos constituirian un gran avance para solucionr este problema): - Cambiar las bombillas tradicionales por las lámparas compactas fluorescentes (CFL). Las CFL, consumen 60% menos electricidad que una bombilla tradicional, con lo que este simple cambio reducirá la emisión de 140 kilos de dióxido de carbono al año. - Fijar el termostato a dos grados menos en invierno y dos grados más en verano. Ajustando la calefacción y el aire acondicionado se podrían ahorrar unos 900 kilos de dióxido de carbono al año. - Usar menos agua caliente. Se puede usar menos agua caliente instalando una ducha-telefono de baja presion y lavando la ropa con agua fría o tibia. - Utilizar un colgador en vez de la secadora de ropa. Si se seca la ropa al aire libre la mitad del año, se reduce en 320 kilos la emisión de dióxido de carbono al año. - Comprar productos de papel reciclado. La fabricación de papel reciclado consume entre 70% y 90% menos energía y evita que continúe la deforestación mundial. - Comprar alimentos frescos. Producir comida congelada consume 10 veces más energía. - Comprar alimentos orgánicos. Los cultivos orgánicos absorben y almacenan mucho mas dióxido de carbono que los cultivos de las granjas "convencionales". - Evitar comprar productos que vengan en envases pesados. Si se reduce en un 10% la basura personal se puede ahorrar 540 kilos de dióxido de carbono al año. - Reciclar, se pueden ahorrar hasta 1000 kilos de residuos en un año reciclando la mitad de los residuos de una familia. - Elegir un automóvil de menor consumo. Al comprar un automóvil nuevo puede ahorrar 1.360 kilos de dióxido de carbono al año si este rinde dos kilómetros por litro de gasolina más que el otro. Es preferible que compre un automóvil híbrido o con biocombustible. - Usar menos el auto. Prefiera caminar, andar en bicicleta, compartir el automóvil y usar el transporte público. Reduciendo el uso del automóvil en 15 kilómetros semanales evita emitir 230 kilos de dióxido de carbono al año. - Revisar semanalmente los neumáticos. Inflar correctamente los neumáticos mejora la tasa de consumo de combustible en más del 3%. Cada litro de gasolina ahorrado evita la emisión de tres kilos de dióxido de carbono. - Plantar árboles. Una hectárea de árboles elimina, a lo largo de un año, la misma cantidad de dióxido de carbono que producen cuatro familias en ese mismo tiempo. Un solo árbol elimina una tonelada de dióxido de carbono a lo largo de su vida. - Pedir a la compañía eléctrica que cambien a energía renovable. Si dicen que no la disponen, preguntar por qué.
Calentamiento global
1.Calentamiento global es un término utilizado habitualmente en dos sentidos:
Es el fenómeno observado en las medidas de la temperatura que muestra en promedio un aumento en la temperatura de la atmósfera terrestre y de los oceanos en las últimas décadas.
2.Es una teoría que predice, a partir de proyecciones basadas en simulaciones computacionales, un crecimiento futuro de las temperaturas.
Algunas veces se utilizan las denominaciones cambio climático, que designa a cualquier cambio en el clima, o cambio climático antropogénico, donde se considera implícitamente la influencia de la actividad humana. Calentamiento global y efecto invernadero no son sinónimos. El efecto invernadero acrecentado por la contaminación puede ser, según algunas teorías, la causa del calentamiento global observado.
La temperatura del planeta ha venido elevándose desde mediados del siglo XIX, cuando se puso fin a la etapa conocida como la pequeña edad de hielo.
La teoría antropogénica predice que el calentamiento global continuará si lo hacen las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI).
El Protocolo de Kyot, acuerdo promovido por el IPCC, promueve una reducción de emisiones contaminantes (principalmente CO2). El protocolo ha sido tachado en ciertas ocasiones de injusto, ya que el incremento de las emisiones tradicionalmente está asociado al desarrollo económico, con lo que las naciones a las que más afectaría el cumplimiento de este protocolo podrían ser aquellas zonas menos desarrolladas.
Calentamiento Global
La teoría de que las emisiones de gases de efecto invernadero están contribuyendo al calentamiento de la atmósfera terrestre ha ganado muchos adeptos y algunos oponentes en la comunidad científica durante el último cuarto de siglo. El IPCC, que se fundó para evaluar los riesgos de los cambios climáticos inducidos por los seres humanos, atribuye la mayor parte del calentamiento reciente a las actividades humanas. Hay muchos aspectos sutiles en esta cuestión. Los científicos atmosféricos saben que el hecho de añadir dióxido de carbono CO2 a la atmósfera, sin efectuar otros cambios, tenderá a hacer más cálida la superficie del planeta. Pero hay una cantidad importante de vapor de agua (humedad, nubes) en la atmósfera terrestre, y el vapor de agua es un gas de efecto invernadero. Si la adición de CO2 a la atmósfera aumenta levemente la temperatura, se espera que más vapor de agua se evapore desde la superficie de los océanos. El vapor de agua así liberado a la atmósfera aumenta a su vez el efecto invernadero (El vapor de agua es un gas de invernadero más eficiente que el CO2. A este proceso se le conoce como la retroalimentación del vapor de agua . Es esta retroalimentación la causante de la mayor parte del calentamiento que los modelos de la atmósfera predicen que ocurrirá durante las próximas décadas. Los procesos que controlan la cantidad de vapor en la atmósfera son complejos de modelar y aquí radica gran parte de la incertidumbre sobre el calentamiento global.El papel de las nubes es también crítico. Las nubes tienen efectos contradictorios en el clima. Es decir: las nubes enfrían la superficie reflejando la luz del Sol de nuevo al espacio. Pero también se sabe que las noches claras de invierno tienden a ser más frías que las noches con el cielo cubierto. Esto se debe a que las nubes también devuelven algo de calor a la superficie de la Tierra.
Las industrias que utilizan el carbón como fuente de energía, los tubos de escape de los automóviles, las chimeneas de las fábricas y otros subproductos gaseosos procedentes de la actividad humana contribuyen con cerca de 22.000 millones de toneladas de dióxido de carbono (correspondientes a 6.000 millones de toneladas de carbón puro) y otros gases de efecto invernadero a la atmósfera terrestre cada año.
Los gases de efecto invernadero toman su nombre del hecho de que no dejan salir al espacio la energía que emite la Tierra, en forma de radiación infrarroja, cuando se calienta con la radiación procedente del Sol, que es el mismo efecto que producen los vidrios de un invernadero de jardinería. Aunque éstos se calientan principalmente al evitar el escape de calor por convección.
El efecto invernadero natural que suaviza el clima de la Tierra no es cuestión que se incluya en el debate sobre el calentamiento global. Sin este efecto invernadero natural las temperaturas caerían aproximadamente 30 ºC. Los océanos podrían congelarse, y la vida, tal como la conocemos, sería imposible. Para que este efecto se produzca, son necesarios estos gases de efecto invernadero, pero en proporciones adecuadas. Lo que preocupa a los climatólogos es que una elevación de esa proporción producirá un aumento de la temperatura debido al calor atrapado en la baja atmósfera.
Los incrementos de CO2 medidos desde 1958 en Mauna Loa muestran una concentración que se incrementa a una tasa de cerca de 1.5 ppm por año. De hecho, resulta evidente que el incremento es más rápido de lo que sería un incremento lineal. El 21 de marzo del 2004 se informó de que la concentración alcanzó 376 ppm (partes por millón). Los registros del Polo Sur muestran un crecimiento similar al ser el CO2 un gas que se mezcla de manera homogénea en la atmósfera.
Repercusiones
Ciertos datos concretos recogidos de pruebas científicas ayudan a comprender el alcance del fenómeno del calentamiento global, entender sus causas y vislumbrar sus consecuencias.
Según un artículo publicado en enero del 2004, el calentamiento global podría exterminar a una cuarta parte de todas las especies de plantas y animales de la Tierra para el 2050.
Estudios realizados, muestran que la década de los noventa, fue la más caliente en los últimos mil años.
En caso de que toda la capa de hielo de la Antártida se fundiera, el nivel del mar aumentaría aproximadamente 61 m: un aumento de sólo 6 m bastaría para inundar Londres y a Nueva York.
El nivel del dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera podría duplicarse en los próximos 30 o 50 años.
Los países más afectados son los principales en promover la reducción de emisión de los gases invernadero
En 1984 el tamaño del hueco en la capa de ozono, que se mide sobre la Antártida, era aproximadamente 7 millones de km², hasta 1990 alcanzó los 29 millones de km² (cuatro veces mayor). Desde el año 90, el agujero de Ozono sigue una tendencia a la reducción
La aceleración del flujo del hielo en regiones de Groenlandia se estimó en 2000 que disminuye el volumen de su capa de hielo en 51 km³/año aunque una revaluación más reciente
· sitúa el número en 150 km³/año. Parte del aumento se debe a una aceleración reciente de la fusión de los glaciares periféricos, y se estima que su contribución al aumento del nivel del mar ha alcanzado en 2005 un valor 0,57±0.1 mm/año.
· Indonesia es el país con mayor número de mamíferos y pájaros en peligro de extinción, 128 y 104 respectivamente.
· En Estados Unidos se recupera sólo el 11% de los residuos sólidos producidos, y en Europa
Occidental es del 30%.
Esto es materia de una controversia considerable, con los grupos ecologistas exagerando los daños posibles y los grupos cercanos a la industria cuestionando los modelos climáticos y las consecuencias del calentamiento global —subvencionando ambos a los científicos para que también lo hagan—.
Debido a los efectos potenciales en la salud humana y en la economía, y debido a su impacto en el ambiente, el calentamiento global es motivo de gran preocupación. Se han observado ciertos procesos y se los ha relacionado con el calentamiento global. La disminución de la capa de nieve, la elevación del nivel de los mares y los cambios meteorológicos son consecuencias del calentamiento global que pueden influir en las actividades humanas y en los ecosistemas. Algunas especies pueden ser forzadas a emigrar de sus hábitats para evitar su extinción debido a las condiciones cambiantes, mientras otras especies pueden extenderse. Pocas de las ecorregiones terrestres pueden esperar no resultar afectadas.
Conforme el clima se haga más cálido la evaporación se incrementará. Esto causaría un aumento de las precipitaciones lluviosas y más erosión. Mucha gente piensa que esto podría resultar en un tiempo meteorológico más extremo conforme progrese el calentamiento global. El TAR del IPCC dice:
Se prevé que la concentración global de vapor de agua y las precipitaciones se incrementarán durante el siglo XXI. Para la segunda mitad del siglo XXI es probable que las precipitaciones se hayan incrementado en las latitudes medio-altas y en la Antártida en invierno. En las bajas latitudes habrán tanto incrementos como decrecimientos regionales según diferentes áreas. En la mayoría de las áreas serán probables variaciones interanuales y se espera un incremento en las precipitaciones.
[cita requerida]
El calentamiento global tendría otros efectos menos evidentes. La corriente del Atlántico norte, por ejemplo, se debe a los cambios de temperatura. Parece ser que, conforme el clima se hace más cálido, esta corriente está disminuyendo, y esto quiere decir que áreas como Escandinavia y Gran Bretaña, que son calentadas por esta corriente, podrían presentar un clima más frío, en lugar del calentamiento general global.
Hoy se teme que el calentamiento global sea capaz de desencadenar cambios bruscos de temperatura, incluso a la baja.La corriente del Atlántico Norte data de la época del deshielo de la última glaciación (hace 14.000 años). Hace 11.000 años esa corriente sufrió una interrupción que duró 1.000 años. Esto provocó el miniperíodo glacial conocido como Dryas reciente —el nombre de una flor silvestre alpina, Dryas octopetala— que duró 900 años en el noroeste de Norteamérica y el norte de Europa.
El calentamiento global modificaría la distribución de la fauna y floras del planeta. Ello supondría la expansión de enfermedades de las que algunos de esos animales son portadores. Tal es el caso de la malaria, el dengue o la fiebre amarilla, cuyos vectores son ciertas especies de mosquitos que habitan principal mente en zonas tropicales.
Alternativas
- Esto son algunas de las soluciones que podemos llevar a cabo en nuestra vida cotidiana(que aunque a veses son insignificantes, si los hacemos todos constituirian un gran avance para solucionr este problema): - Cambiar las bombillas tradicionales por las lámparas compactas fluorescentes (CFL). Las CFL, consumen 60% menos electricidad que una bombilla tradicional, con lo que este simple cambio reducirá la emisión de 140 kilos de dióxido de carbono al año. - Fijar el termostato a dos grados menos en invierno y dos grados más en verano. Ajustando la calefacción y el aire acondicionado se podrían ahorrar unos 900 kilos de dióxido de carbono al año. - Usar menos agua caliente. Se puede usar menos agua caliente instalando una ducha-telefono de baja presion y lavando la ropa con agua fría o tibia. - Utilizar un colgador en vez de la secadora de ropa. Si se seca la ropa al aire libre la mitad del año, se reduce en 320 kilos la emisión de dióxido de carbono al año. - Comprar productos de papel reciclado. La fabricación de papel reciclado consume entre 70% y 90% menos energía y evita que continúe la deforestación mundial. - Comprar alimentos frescos. Producir comida congelada consume 10 veces más energía. - Comprar alimentos orgánicos. Los cultivos orgánicos absorben y almacenan mucho mas dióxido de carbono que los cultivos de las granjas "convencionales". - Evitar comprar productos que vengan en envases pesados. Si se reduce en un 10% la basura personal se puede ahorrar 540 kilos de dióxido de carbono al año. - Reciclar, se pueden ahorrar hasta 1000 kilos de residuos en un año reciclando la mitad de los residuos de una familia. - Elegir un automóvil de menor consumo. Al comprar un automóvil nuevo puede ahorrar 1.360 kilos de dióxido de carbono al año si este rinde dos kilómetros por litro de gasolina más que el otro. Es preferible que compre un automóvil híbrido o con biocombustible. - Usar menos el auto. Prefiera caminar, andar en bicicleta, compartir el automóvil y usar el transporte público. Reduciendo el uso del automóvil en 15 kilómetros semanales evita emitir 230 kilos de dióxido de carbono al año. - Revisar semanalmente los neumáticos. Inflar correctamente los neumáticos mejora la tasa de consumo de combustible en más del 3%. Cada litro de gasolina ahorrado evita la emisión de tres kilos de dióxido de carbono. - Plantar árboles. Una hectárea de árboles elimina, a lo largo de un año, la misma cantidad de dióxido de carbono que producen cuatro familias en ese mismo tiempo. Un solo árbol elimina una tonelada de dióxido de carbono a lo largo de su vida. - Pedir a la compañía eléctrica que cambien a energía renovable. Si dicen que no la disponen, preguntar por qué.
miércoles, 12 de noviembre de 2008
domingo, 5 de octubre de 2008
EXPERIMENTO DE JOULE
Experimento de Joule. Equivalente mecánico del calor
Física Estadística y Termodinámica
Calor y temperaturaCalor específico
de un sólidoEquivalente mecánico
del calorCalor de fusiónCalor de vaporización
Ley del enfriamiento
de NewtonEvaporación del aguaCalentamiento
periódicoRecinto finito
Cero absoluto de
temperaturaMedida de la presión
atmosféricaOscilaciones de un
globoMedida de la presión
de vapor del agua (I)Medida de la presión
de vapor del agua (II)
Descripción
Actividades
En el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación entre la unidad de energía joule (julio) y la unidad de calor caloría.
Mediante esta experiencia simulada, se pretende poner de manifiesto la gran cantidad de energía que es necesario transformar en calor para elevar apreciablemente la temperatura de un volumen pequeño de agua.
Descripción.
Un recipiente aislado térmicamente contiene una cierta cantidad de agua, con un termómetro para medir su temperatura, un eje con unas paletas que se ponen en movimiento por la acción de una pesa, tal como se muestra en la figura.
La versión original del experimento, consta de dos pesas iguales que cuelgan simétricamente del eje.
La pesa, que se mueve con velocidad prácticamente constante, pierde energía potencial. Como consecuencia, el agua agitada por las paletas se clienta debido a la fricción.
Si el bloque de masa M desciende una altura h, la energía potencial disminuye en Mgh, y ésta es la energía que se utiliza para calentar el agua (se desprecian otras pérdidas).
Joule encontró que la disminución de energía potencial es proporcional al incremento de temperatura del agua. La constante de proporcionalidad (el calor específico de agua) es igual a 4.186 J/(g ºC). Por tanto, 4.186 J de energía mecánica aumentan la temperatura de 1g de agua en 1º C. Se define la caloría como 4.186 J sin referencia a la sustancia que se está calentando.
1 cal=4.186 J
En la simulación de la experiencia de Joule, se desprecia el equivalente en agua del calorímetro, del termómetro, del eje y de las paletas, la pérdida de energía por las paredes aislantes del recipiente del calorímetro y otras pérdidas debidas al rozamiento en las poleas, etc.
Sea M la masa del bloque que cuelga y h su desplazamiento vertical
m la masa de agua del calorímetro
T0 la temperatura inicial del aguay T la temperatura final
g=9.8 m/s2 la aceleración de la gravedad
La conversión de energía mecánica íntegramente en calor se expresa mediante la siguiente ecuación.
Mgh=mc(T-T0)
Se despeja el calor específico del agua que estará expresado en J/(kg K).
Como el calor especifico del agua es por definición c=1 cal/(g ºC), obtenemos la equivalencia entre las unidades de calor y de trabajo o energía.
Actividades
Se introduce
La masa M del bloque que cuelga (en kg), en el control de edición titulado Pesa que cuelga.
La masa m de agua (en g) o su volumen en ml, en el control de edición titulado Masa de agua.
La temperatura inicial T0 se fijado en el programa interactivo en el valor de 20ºC
Se pulsa el botón titulado Empieza.
Para detener el movimiento del bloque a una altura determinada se pulsa el botón titulado Pausa y luego, varias veces Paso, para acercarnos a la altura deseada paso a paso
Observamos la caída del bloque, que mueve unas aspas que están dentro del calorímetro. El rozamiento de las aspas en movimiento con el agua eleva su temperatura. Se deja caer el bloque una altura h y se apunta la temperatura T final del agua calentada.
Ejemplo:
Se introduce
Masa del bloque M=50 kg
Masa del agua en g (o volumen del agua en ml), m=100 g=0.10 kg
Se apunta
Altura h=1 m
Temperatura inicial T0=20ºC, y la temperatura final T=21.2ºC
Tenemos que aumentar la diferencia de temperaturas para obtener un mejor resultado. En la experiencia real se consigue haciendo caer varias veces el bloque. El trabajo total es n·Mgh, siendo n el número de veces que se suelta el bloque. En la experiencia simulada conseguimos el mismo efecto aumentando la masa M del bloque
Física Estadística y Termodinámica
Calor y temperaturaCalor específico
de un sólidoEquivalente mecánico
del calorCalor de fusiónCalor de vaporización
Ley del enfriamiento
de NewtonEvaporación del aguaCalentamiento
periódicoRecinto finito
Cero absoluto de
temperaturaMedida de la presión
atmosféricaOscilaciones de un
globoMedida de la presión
de vapor del agua (I)Medida de la presión
de vapor del agua (II)
Descripción
Actividades
En el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación entre la unidad de energía joule (julio) y la unidad de calor caloría.
Mediante esta experiencia simulada, se pretende poner de manifiesto la gran cantidad de energía que es necesario transformar en calor para elevar apreciablemente la temperatura de un volumen pequeño de agua.
Descripción.
Un recipiente aislado térmicamente contiene una cierta cantidad de agua, con un termómetro para medir su temperatura, un eje con unas paletas que se ponen en movimiento por la acción de una pesa, tal como se muestra en la figura.
La versión original del experimento, consta de dos pesas iguales que cuelgan simétricamente del eje.
La pesa, que se mueve con velocidad prácticamente constante, pierde energía potencial. Como consecuencia, el agua agitada por las paletas se clienta debido a la fricción.
Si el bloque de masa M desciende una altura h, la energía potencial disminuye en Mgh, y ésta es la energía que se utiliza para calentar el agua (se desprecian otras pérdidas).
Joule encontró que la disminución de energía potencial es proporcional al incremento de temperatura del agua. La constante de proporcionalidad (el calor específico de agua) es igual a 4.186 J/(g ºC). Por tanto, 4.186 J de energía mecánica aumentan la temperatura de 1g de agua en 1º C. Se define la caloría como 4.186 J sin referencia a la sustancia que se está calentando.
1 cal=4.186 J
En la simulación de la experiencia de Joule, se desprecia el equivalente en agua del calorímetro, del termómetro, del eje y de las paletas, la pérdida de energía por las paredes aislantes del recipiente del calorímetro y otras pérdidas debidas al rozamiento en las poleas, etc.
Sea M la masa del bloque que cuelga y h su desplazamiento vertical
m la masa de agua del calorímetro
T0 la temperatura inicial del aguay T la temperatura final
g=9.8 m/s2 la aceleración de la gravedad
La conversión de energía mecánica íntegramente en calor se expresa mediante la siguiente ecuación.
Mgh=mc(T-T0)
Se despeja el calor específico del agua que estará expresado en J/(kg K).
Como el calor especifico del agua es por definición c=1 cal/(g ºC), obtenemos la equivalencia entre las unidades de calor y de trabajo o energía.
Actividades
Se introduce
La masa M del bloque que cuelga (en kg), en el control de edición titulado Pesa que cuelga.
La masa m de agua (en g) o su volumen en ml, en el control de edición titulado Masa de agua.
La temperatura inicial T0 se fijado en el programa interactivo en el valor de 20ºC
Se pulsa el botón titulado Empieza.
Para detener el movimiento del bloque a una altura determinada se pulsa el botón titulado Pausa y luego, varias veces Paso, para acercarnos a la altura deseada paso a paso
Observamos la caída del bloque, que mueve unas aspas que están dentro del calorímetro. El rozamiento de las aspas en movimiento con el agua eleva su temperatura. Se deja caer el bloque una altura h y se apunta la temperatura T final del agua calentada.
Ejemplo:
Se introduce
Masa del bloque M=50 kg
Masa del agua en g (o volumen del agua en ml), m=100 g=0.10 kg
Se apunta
Altura h=1 m
Temperatura inicial T0=20ºC, y la temperatura final T=21.2ºC
Tenemos que aumentar la diferencia de temperaturas para obtener un mejor resultado. En la experiencia real se consigue haciendo caer varias veces el bloque. El trabajo total es n·Mgh, siendo n el número de veces que se suelta el bloque. En la experiencia simulada conseguimos el mismo efecto aumentando la masa M del bloque
EXPERIMENTO DEL TERMOSCOPIO
Temperatura y Calor
Ejercicios
Problemas
HISTORIA DE UNA CONFUSIÓN
INTRODUCCIÓN
El concepto de temperatura, y su posterior definición como magnitud física, nace de la necesidad de establecer un ordenamiento de los cuerpos mediante la sensación fisiológica de estar unos más calientes que otros, o decir cuales están igualmente calientes.
Desde épocas remotas aparecen expresiones como: “El viejo se acerca a la cuna y toca la frente del niño, pero no está caliente”, “Es bien venida una sopa calentita en las noches invernales”. Observamos que se emplea una experiencia sensorial para apreciar si un cuerpo está o no más caliente que otro. El hecho de estar más o menos caliente no significa que posea más o menos calor.
Comenzaremos realizando un breve desarrollo histórico para entender como fueron surgiendo estos conceptos, desde la posición errónea de confundirlos manejándolos como sinónimos, hasta llegar a diferenciarlos en nuestra concepción moderna.
Si bien la ciencia llegó a diferenciar en forma precisa estos dos conceptos, debido a sus orígenes aún se sigue confundiéndolos y es el objetivo de este trabajo, aclararlo.
EXPERIENCIA DE LOS TRES BALDES
Esta experiencia consiste en disponer de tres baldes: uno conteniendo agua lo más caliente que podamos soportar, otro que contenga agua lo más fría que consigamos, como por ejemplo una mezcla de agua e hielo y el tercer balde contendrá agua del grifo.
Coloquemos una de nuestras manos en el balde que contiene agua caliente, y la otra en el balde que contiene agua e hielo, hasta perder esa sensación inicial de frío y caliente. A continuación, retiramos la mano que está en el balde con agua caliente, y la colocamos en el que contiene agua del grifo y usted afirmará que el agua contenida en este último balde está fría. Finalmente retire la que está en el balde frío e introdúzcala en el que contiene agua del grifo. Usted verificará que este balde que había afirmado que estaba frío, está caliente. ABSURDO!!!. Un cuerpo no puede estar caliente y frío al mismo tiempo.
Esta experiencia, nos indica que nuestros sentidos pueden engañarnos, si no, intente tocar un trozo de “hielo seco” (anhídrido carbónico congelado) y verificará que le quema a pesar de lo frío que está. Los vendedores ambulantes de helados, emplean “hielo seco” para mantener fríos a los mismos.
EL MODELO DEL CALÓRICO
Ya cuando los hombres aprendieron a manipular el fuego y forjar los metales, observaron que cuando estos últimos se exponían a la flama, no solamente se calentaban, sino aumentaban sus dimensiones. Se dilataban.
Este conocimiento era y es aún hoy en día empleado para colocar sunchos metálicos a las masas de las ruedas y a los toneles de madera empleados para madurar el vino. El aro metálico, realizado de diámetro ligeramente menor que el tonel (barril), era calentado para aumentar su diámetro y poder colocarse con facilidad. Luego era rápidamente enfriado contrayéndose y comprimiendo así a las maderas.
Ya Herón, en su tratado Pneumatics, que fue escrito probablemente en el siglo VII A.C., en la sección 7, emplea los términos “agua caliente y fría” y plantea la variación de volumen de gases al variar dicha sensación.
La manera de explicar la dilatación por el calentamiento, era, hasta mediados del siglo XVIII, considerar que "algo" sin masa, de origen ígneo ingresaba al cuerpo, haciendo que este aumentase su volumen. A este "algo" el químico francés Antoine Laurent LAVOISIER (1743-1794) en 1787 le llamó calórico. De acuerdo a las observaciones realizadas hasta esta época, se definieron las propiedades que debía poseer este calórico creando así una teoría del calórico.
Este calórico, que fluye del cuerpo más caliente al más frío, razón por la cual se le llamaba “fluido calórico”, se suponía indestructible (se conservaba). Esto quiere decir que cuando un cuerpo se calentaba, ganaba una cantidad de calórico igual a la que pierde el cuerpo o flama que lo calienta.
Esta teoría explicaba el motivo por el cual se dilataban los cuerpos, argumentando que el calórico, debía poseer naturaleza corpuscular y cada corpúsculo poseer un volumen definido. Al ingresar el calórico a un cuerpo, este se introduce entre las partículas que lo forma incrementando su volumen.
Este modelo, explicaba la dilatación de los cuerpos al calentarse, aunque no explicó la observación que realizaba Galileo Galilei, sobre la detención de un cuerpo por rozamiento, transformándose el movimiento en calor.
Hasta principios del siglo XVII de nuestra era, no existían formas de cuantificar la variación de calórico de un cuerpo, simplemente se hablaba de graduaciones de calor o frío en forma cualitativa como en las determinaciones de estados febriles de las personas, realizadas por los médicos.
Tanto éxito tuvo la teoría del calórico, que rápidamente las personas creyeron que cuanto más calórico tuviese un cuerpo, más caliente se sentía y mayor era su volumen, por lo que se postuló que el incremento de volumen es directamente proporcional al calórico ganado por el cuerpo. Por lo tanto midiendo este incremento de volumen, se obtenía una medida indirecta del calórico ganado. Esta idea llevó, como veremos inmediatamente, a que diversos científicos construyesen dispositivos, con los cuales midiendo variaciones de volumen, se pudiese determinar las variaciones de calórico. Estos dispositivos, a los cuales se les adosó una escala, para determinar los “grados de calórico”, se les llamó termómetros ( del gr. qermo = calor).
MIDIENDO EL GRADO DE CALOR DE LOS CUERPOS
Para comparar si un cuerpo está o no más caliente que otro y cuanto más está, es necesario asignar números a estos grados de calor, de manera que podamos decir si un cuerpo está el doble de caliente que otro.
Parecería que el primero que dio un paso adelante en la resolución de este problema, fue Galileo Galilei, padre de la ciencia moderna.
Los inventores Cornelius DREBBEL y Robert FLUDD desarrollaron instrumentos similares en el mismo período que Galileo (1640 D.C.) y en forma independiente.
Galileo construyó un dispositivo llamado termoscopio (del gr. qermo = calor y skop = ver) que permitía “visualizar” si un cuerpo estaba más caliente que otro y así poder ordenar a los mismos por su grado de calor. Este dispositivo era un pequeño frasco de vidrio (como esquemáticamente representamos en la figura 1), parcialmente lleno de agua, cerrado por un tapón que estaba atravesado por un fino tubo de vidrio de unos 40 cm de longitud, y tenía su extremo inferior sumergido en el agua. Al calentarse el frasco, el gas contenido en el mismo se dilataba, haciendo ascender al agua contenida en el mismo por el fino tubo. Se pudo observar que cuanto más caliente estaba el frasco, mayor era la altura alcanzada por el agua en el fino tubo.
TEMPERATURA
Con la invención del termoscopio por Galileo Galilei, nace la termometría. El objetivo de esta disciplina, fue construir dispositivos llamados termómetros, que permitían valorar el "grado de calor de los cuerpos", que hoy llamamos temperatura.
Cualquier propiedad de un cuerpo que varíe al variar su temperatura, puede emplearse para indicarnos como varía la temperatura de un cuerpo dado. Pero el valor de la propiedad, no es el valor de la temperatura. A las propiedades que cambian al variar la temperatura, se las denomina propiedades termométricas.
El termoscopio inventado por Galileo, fue utilizado por varios investigadores. Estos le adosaron escalas diferentes para poder cuantificar "el grado de calor de los cuerpos", transformando así el termoscopio en lo que hoy llamamos termómetro y su lectura, lo que hoy llamamos temperatura. Debido a que no existían criterios uniformes para construir los termómetros y sus escalas, resultaba que dos termómetros construidos por el mismo fabricante, generalmente daban lecturas diferentes a un mismo "grado de calor". Esto creaba grandes dificultades al comparar experimentos realizados con termómetros diferentes, e hizo imperiosa la construcción de una escala reproducible por todos los investigadores, de manera que las mediciones fuesen comparables.
En el termoscopio de Galileo, la propiedad que se emplea es el volumen ocupado por el aire a la presión atmosférica y lo que se observa, es como varía dicho volumen al variar la temperatura.
El primero que construyó un dispositivo que empleaba como propiedad termométrica la dilatación de un líquido, en lugar de la de un gas, fue el fabricante de instrumentos Daniel Gabriel FAHRENHEIT en 1714, quién definió una escala reproducible que hoy lleva su nombre.
Luego le siguieron: el naturalista francés René Antoine Ferchault de RÉAUMUR en 1730; el astrónomo sueco Anders CELSIUS (1701-1744) en 1742 y William THOMSOM promotor de la escala absoluta o escala termodinámica. Cada uno de estos, definieron sus propias escalas termométricas reproducibles.
ESCALA FAHRENHEIT
Daniel FAHRENHEIT, motivado por el descubrimiento de que el agua hierve a un grado fijo de calor, realizado por el célebre inventor francés Guillaume AMONTONS (1663-1705) con un termoscopio fabricado por él, decide fabricar su propio instrumento para verificar este descubrimiento.
Primeramente, intenta construir un termómetro de gas no obteniendo buenos resultados por las dificultades en su fabricación. Recordando que el inventor del barómetro de mercurio, debía realizar correcciones en las lecturas debido a la dilatación del mismo por los diferentes grados de calor, decide realizar un termoscopio empleando la propiedad de dilatación de este metal, por considerarlo de realización más sencilla.
Construye un tubo de vidrio muy fino con un bulbo en el extremo. Llena el bulbo con mercurio y lo calienta de manera que llene todo el tubo y, cuando está lleno cierra el otro extremo. Al enfriarse el mercurio se contrae, quedando un vacío entre el mercurio y el extremo cerrado del tubo como mostramos en el esquema.
Introdujo el bulbo en una mezcla de: agua, sal de amoníaco, sal marina e hielo, cuyas proporciones fueron variadas hasta obtener la mínima longitud de mercurio en el tubo. A esta posición la marcó con el cero. Posteriormente puso en contacto el bulbo con el cuerpo de seres humanos que él consideraba sanos (no hemos encontrado información de como procedió) y a la posición de la máxima longitud que pudo registrar le llamó 100.
Obtenidas estas dos marcas, dividió al intervalo en cien partes de igual longitud, llamándole grado a cada una de las mismas. En esta escala, el agua hierve a 212°F y se congela a 32°F, a presión atmosférica normal (presión en la base de una columna de mercurio de 760 mm de altura). Esta fue la primera escala centígrada que pudo reproducirse (con pequeñas diferencias o errores) y adquirió gran popularidad en Inglaterra, Holanda y los dominios de ambos países.
ESCALA CELSIUS
El astrónomo sueco Anders CELSIUS, habiendo verificado la constancia de la temperatura de fusión y ebullición del agua a una presión dada, decide emplear estas temperaturas como puntos fijos de referencia, para la construcción de una escala termométrica fácilmente reproducible.
Utilizando el mismo procedimiento que Fahrenheit, construye en 1742 un termómetro de mercurio pero con una escala diferente, que hoy lleva su nombre. Para confeccionar dicha escala, trabajó a una presión atmosférica de 760 mm de mercurio e introdujo el bulbo del termómetro en agua e hielo. Cuando la longitud de la columna de mercurio no disminuyó más, marcó dicha posición en la escala, asignándole el número cero. Luego lo colocó en agua hirviendo y cuando la columna alcanza su máxima longitud, le asignó en su escala el valor 100. Posteriormente dividió este intervalo de temperaturas en cien partes iguales, llamándole a cada parte grado.
Observamos que la diferencia entre la escala Celsius y Fahrenheit, es simplemente la elección de los puntos fijos elegidos para la confección de la escala. Ambas escalas son centígradas, pero la de Celsius obtuvo mayor aceptación en el mundo científico, quizás por ser más fácil de reproducir.
ESCALA RÉAUMUR
En 1730 el naturalista francés René Antoine Ferchault de RÉAUMUR, construyó un termómetro de mercurio con una escala en la que el valor cero corresponde a la temperatura de fusión del agua, y el valor 80 a la temperatura de ebullición, a una presión atmosférica de 760 mm de Hg.
Esta escala tuvo sus adeptos pero nunca llegó a la popularidad de las anteriores.
EQUIVALENCIA ENTRE LAS ESCALAS
Observamos en el esquema de la figura 2, que a una cierta temperatura de un cuerpo le corresponde una lectura A en grados Celsius, otra lectura B en grados Fahrenheit y una lectura C en grados Réaumur y que a esa temperatura el cociente L/L’ tiene un único valor característico de la temperatura. Por lo tanto este cociente en la escala Celsius es:
en la escala Fahrenheit es:
y en la escala Réaumur:
Igualando las expresiones anteriores obtenemos:
Si queremos conocer por ejemplo, cual fue la temperatura máxima, expresada en grados Celsius, que encontró Fahrenheit en un cuerpo sano, planteamos:
y como a esta temperatura Fahrenheit le adjudicó el valor 100, obtenemos:
despejando nos queda:
En el momento de escribir estas líneas, los investigadores médicos consideran que la "temperatura normal" de un humano es (37±1)°C debido a que esta fluctúa a lo largo del día. El menor valor se registra al levantarse del reposo nocturno y el mayor, al terminar la jornada, experimentando picos de incrementos después de las comidas o de realizar ejercicios físicos.
LA TEMPERATURA COMO MAGNITUD
Hasta ahora simplemente hemos adjudicado números arbitrarios a diversos cuerpos para ordenarlos por grados de calor, diciendo quien está más caliente que quien. Pero ¿podemos decir que un cuerpo que está a 40 °C está el doble de caliente que uno a 20 °C?
Una de las condiciones que deben cumplir las magnitudes físicas, es que un cambio de unidades no modifique la relación que existe entre las magnitudes. Lo que queremos decir por ejemplo es que la longitud es una magnitud, porque decir que el padre tiene el doble de altura que el hijo es independiente de que estas se midan en metros; pulgadas o cualquier otra unidad.
Otra cualidad, es que cualquier magnitud tiene el nulo determinado independientemente de la escala de medidas y ninguna de estas cosas sucede con la temperatura de la manera que la hemos definido.
Otro problema que presenta nuestra definición, es que diferentes termómetros, realizados con diferentes sustancias (alcohol; mercurio; etc), empleando la misma propiedad (la dilatación) y calibrados en la misma escala, salvo en los puntos de calibración, no dan iguales valores. Este último problema se resuelve con el termómetro de gas a volumen constante, en el cual si la presión del gas encerrado tiende a cero, se demuestra experimentalmente que la lectura es independiente del tipo de gas empleado.
En 1787, Jacques CHARLES descubre que el volumen de un gas, cuya temperatura está cerca de la temperatura de fusión del hielo, varía en 1/273 del volumen inicial por cada grado Celsius que varíe su temperatura, descubrimiento que escribimos matemáticamente de la siguiente manera:
Esta ecuación, que es la ley de CHARLES, implica que cuando la temperatura es –273 °C, el volumen del gas se anula. Nadie se preocupó por esto ya que estaban convencidos de que el comportamiento del gas debía cambiar mucho antes de alcanzar tal temperatura.
Si dejamos el volumen constante, la presión varía de la misma manera.
En base a esta observación, William THOMSON en 1864, propuso definir la escala absoluta de temperatura, en la que el cero es la temperatura a la que un gas, que cumpla con la ley de CHARLES, tenga presión nula.
Se eligió como gas al hidrógeno para construir al termómetro con escala absoluta, por ser el que, en un amplio rango de temperatura, se comporta de acuerdo a la ley de CHARLES.
De acuerdo a la comisión Internacional de pesas y medidas del 15 de octubre de 1887, se define que la presión del hidrógeno en el termómetro de gas, a la temperatura de fusión del hielo, debe de ser igual a la que ejerce una columna de mercurio de 1m de altura.
Si a la presión del hidrógeno a la temperatura de fusión del agua le adjudicamos el valor 273, obtenemos la escala absoluta Kelvin, en la que un intervalo de un grado Kelvin es igual a un grado Celsius.
La relación entre estas dos escalas queda determinada por la ecuación:
En la novena Convención General de Pesos y Medidas de 1948, se determina la construcción de una escala termodinámica absoluta empleando un solo punto fijo. Se decidió elegir la temperatura del punto triple del agua (temperatura a la cual coexiste el agua líquida con la sólida y vapor) como punto fijo, por poderse determinar con mayor precisión que el punto de fusión o evaporación.
De acuerdo a la convención, debería dársele un valor a la temperatura del punto triple del agua de manera que fuese concordante con las definiciones anteriores y emplearse un termómetro específico para las determinaciones, decidiéndose emplear uno de gas a volumen constante como el que se esquematiza en la figura 3.
En el recipiente "A", se encuentra el gas cuya presión podemos medir con el manómetro abierto "B" determinando la variación de altura "Dh". El recipiente "C" es empleado para mantener el volumen da gas encerrado constante.
Se convino definir a la temperatura, como una función directamente proporcional a la presión del gas cuando la presión de este tiende a cero en el punto de calibración elegido, que es el punto triple del agua. Por lo tanto podemos escribir:
El valor límite se determina experimentalmente midiendo las presiones a la temperatura "T" y la presión a la temperatura "T3" para presiones "P3" cada vez menores y observando a que valor tiende el cociente. Solamente falta asignarle un valor numérico a la temperatura del punto triple para poder medir cualquier temperatura.
Para mantener compatibilidad con la escala Celsius, la cual emplea dos puntos fijos que son la temperatura de ebullición del agua (Tv)y la de fusión (Th) a la presión normal (101,325 kPa), se deben satisfacer las siguientes igualdades:
El mejor valor experimental obtenido para este límite de cociente de presiones es 1,3661, por lo que el sistema queda planteado de la siguiente manera:
Finalmente obtenemos:
Al medir la temperatura del punto triple del agua se obtiene el valor 273,16°K, 0,01 grados superior a la temperatura de hielo y agua a la presión atmosférica normal.
En forma análoga a como THOMSON definió la escala absoluta, el físico escocés William John Macquorn RANKINE, define su propia escala absoluta conocida como escala RANKINE definida por la siguiente relación:
en la que el cero RANKINE coincide con el cero KELVIN.
En la décima Convención General de Pesos y Medidas de 1954, se decide definir el grado Kelvin como 1/273,16 del intervalo de temperatura entre el punto triple del agua y el cero absoluto, que es la temperatura que debe tener la fuente fría de una máquina térmica que realiza un ciclo de Carnot, para que su rendimiento sea 100%
CUANTIFICANDO EL CALÓRICO
La parte de la física que se dedica a la medición del calórico, se denomina calorimetría y los dispositivos empleados para realizar estas determinaciones se denominan calorímetros.
Se observó que la temperatura del cuerpo, no era una indicación directa de cuanto calórico este podía contener y esto se evidenciaba mediante la realización del siguiente experimento sencillo.
Se toman cuerpos de igual forma (esférica) y de distinto material (hierro; zinc etc.) que tengan igual masa y se los introduce en un recipiente con agua hirviendo. Al cabo de un tiempo, todos se encuentran a la temperatura de ebullición del agua. Luego se retira del baño a los cuerpos y se colocaban encima de un bloque de cera, observándose que los cuerpos se hunden a diferentes profundidades por fusión de la cera. Esto indica que los cuerpos poseen diferente cantidad de calórico a pesar de que la diferencia de temperatura experimentado por cada uno es la misma (desde la temperatura de ebullición del agua a la temperatura ambiente).
UNIDAD DE CALÓRICO
Se necesitó definir una unidad práctica del calórico y se popularizaron en el ámbito científico lo que hoy conocemos con el nombre de gran caloría y la pequeña caloría dado que los nombres propuestos, también fueron diversos.
Basados en la idea no totalmente cierta, de que la cantidad de calor ganado o perdido por un cuerpo es medido por el termómetro, se definió la caloría, como la cantidad de calor que debe suministrarse a un gramo de agua para que incremente su temperatura un grado Celsius.
La gran caloría (unidad práctica que se emplea frecuentemente en nutrición y simbolizan como Cal con la primera letra en mayúscula), es la cantidad de calor que debe suministrarse a un kilogramo de agua para que incremente un grado su temperatura Celsius. De esta definición surge que una gran caloría es una kilocaloría.
Con estas definiciones comienza la gran confusión de que variación de temperatura y variación de calor son equivalentes y las personas comienzan a hablar de estas magnitudes indistintamente con expresiones como:
“Siento mucho calor” cuando debería decirse “siento elevada la temperatura”.
CALOR ESPECÍFICO
Al observar que cuerpos de diferente material e igual masa, al experimentar una misma variación de temperatura poseen diferente cantidad de calórico, Joseph BLACK (1728-1799) en 1760 basándose en la teoría del calórico, propone que el calórico ganado o perdido por un cuerpo es directamente proporcional a su masa y a la variación de su temperatura.
Siendo c, una constante característica para cada material.
Gadoline (alumno de BLACK) en 1784 propone llamarle calor específico a esta constante de proporcionalidad, siendo entonces el calor específico de cada material, la cantidad de calórico necesario suministrarle a una unidad de masa para que eleve su temperatura un grado.
En virtud a la definición de la unidad de calor, el calor específico del agua es por definición:
De acuerdo a la resolución tercera de la decimotercera Convención General de Pesos y Medidas de 1967-1968, el calor específico de los cuerpos se expresa en Joule por kilogramo y por Kelvin, reconociendo que una caloría equivale a 4,1868 J.
Según la teoría del calórico, si ponemos en contacto dos cuerpos a diferente temperatura, sin que interactúen con otros cuerpos, el más caliente se enfriará y el más frío se calentará, hasta que sus temperaturas sean iguales, debido a que el calórico fluye del cuerpo más caliente al cuerpo más frío permaneciendo constante el total del mismo.
Para que dos cuerpos puedan intercambiar calórico sin hacerlo con el resto de los cuerpos, deben estar en un recipiente que no permita ser atravesado por el calórico. A este recipiente se le denominó adiabático (del gr. diabatos = atravesable) y por emplearse para medir los calores ganados o perdidos, se denominó calorímetro.
Por ejemplo, al introducir 100 g de plomo a 100°C en 50 g de agua que está inicialmente a 20°C, el agua se calentará hasta alcanzar una temperatura final de equilibrio de 24°C.
Si el plomo y el agua estaba en un recipiente adiabático, por la conservación del calórico escribimos:
El valor obtenido, es menor que el que figura en tablas actuales que es de 0,0305 cal/g-°C. esto es debido que no consideramos el calor absorbido por el propio calorímetro y las pérdidas al realizar el trasiego del plomo desde el baño con agua hirviendo al calorímetro.
Este método descrito, se denomina método de las mezclas y al recipiente empleado, calorímetro de mezclas. Fue aplicado por primera vez por RICHMANN en 1750.
El valor del calor específico, depende del intervalo de temperatura en el que se determinó y de si el proceso se realizó a presión constante o a volumen constante. En este último caso, se evidencian mayores diferencias en los gases que en los sólidos o líquidos (véase calor específico a presión constante y calor específico a volumen constante).
CALOR LATENTE
En el año 1762, Black descubre que el agua requiere una cantidad extra de calor, para pasar de la fase sólida a la fase líquida y también cuando pasa de la fase líquida a vapor. Este calórico suministrado, es empleado para el cambio de fase sin incrementar la temperatura y es directamente proporcional a la masa, por lo que escribimos:
donde Qf es la cantidad de calórico que debe suministrarse a una masa m de sustancia, para que se funda a la temperatura de fusión de la misma.
Para pasar de una proporcionalidad a una igualdad, debemos añadir una constante de proporcionalidad por lo que escribimos:
A esta constante para cada material, le llamamos calor latente y la representamos con la letra L y con el subíndice f indicamos que es el valor para la fusión, mientras que con el subíndice v que es para la vaporización.
Mediciones recientes del calor latente del agua a la presión de una atmósfera (760 mm de Hg) indican que el calor latente de fusión es 79,7 cal/g y el calor latente de ebullición 540 cal/g.
Hoy sabemos que existen otros calores latentes además de los mencionados. Estos son a modo de ejemplo: cuando un cuerpo modifica su estructura cristalina; cuando se mezclan dos cuerpos como agua y alcohol; cuando se disuelve un sólido en un líquido; cuando se efectúa una reacción química etc.
Black inventó el calorímetro de hielo, en el que se introducía un cuerpo a cierta temperatura mayor que la de fusión del hielo (generalmente a la temperatura de ebullición del agua) y medía la cantidad de hielo fundido.
Este calorímetro, fue mejorado por LAVOISIER y LAPLACE y ampliamente empleado para la determinación del calor específico de sólidos y líquidos cuyo esquema representamos en la figura 3.
En esta figura, se observa un corte del calorímetro, mostrando el cuerpo "a", cuyo calor específico se desea determinar, en el interior de un recipiente metálico que está a la temperatura de fusión del hielo; la masa de hielo "b" que se fundirá parcialmente por el calórico cedido por el cuerpo "a"; una camisa de hielo "c" que impide que ingrese calórico del medio ambiente y el grifo "d" que permite recoger el agua fundida para su medición. Este calorímetro permite determinar el calor específico medio del cuerpo, entre la temperatura inicial a la cual se introduzca y la temperatura de fusión del hielo a la presión ambiente.
En la teoría del calórico publicada en 1787 se postulaba:
el calórico es un fluido elástico de partículas que se repelen unas a otras
las partículas de calórico son atraídas por las partículas de la materia ordinaria
el calórico es indestructible y no se puede crear
el calórico puede ser sensible (el que incrementa la temperatura de los cuerpos) o latente (combinado con las partículas de la materia, produce nuevas formas como los líquidos y los vapores)
el calórico tiene peso
LA CAÍDA DEL MODELO DEL CALÓRICO Y SU SUSTITUCIÓN POR EL CALOR
Narran como una de las primeras observaciones de que el calórico no se conserva, las realizadas por Benjamín THOMPSON en 1798, cuando era director del arsenal de Baviera y poseía el título de Conde RUMFORD.
RUMFORD examinando el taladrado de los cañones, observó la cantidad de calórico liberado en dicho procedimiento. Primeramente atribuyó que al romper el barreno al hierro en la horadación, el calórico quedaba en libertad de fluir al exterior liberándose. Observando más atentamente, notó que aún cuando el barreno había perdido su filo y no cortaba más, continuaba fluyendo calórico, haciendo hervir al agua empleada en la refrigeración.
Realizando diversos experimentos, logró concluir que el calórico liberado era directamente proporcional al trabajo realizado en hacer rotar al barreno y que el fluido calórico no existe.
Galileo Galilei, también había notado al estudiar el movimiento de los cuerpos, que estos tendían a detenerse por rozamiento aumentando estos su temperatura, generando la idea de que el movimiento se transformaba en calor.
Ninguna de estas observaciones puede ser explicada por la teoría del calórico, pero a pesar de estas observaciones, la teoría del calórico seguía teniendo sus adeptos.
En 1842 el médico alemán Julius Robert MEYER enuncia el principio de conservación de la energía, no dándosele mayores créditos. Felizmente, la comunidad científica le reconoció sus aciertos antes de su muerte en 1878.
En 1843 comienzan a publicarse los trabajos de James JOULE de la búsqueda de la equivalencia entre trabajo mecánico y calor, que realizó inspirado por los trabajos de RUMFORD y MEYER. (el valor encontrado por Joule para el equivalente, expresado en unidades del Sistema Internacional, es de 4,27 J/cal. Valor muy próximo al actualmente aceptado que es 4,1868 J/cal).
En el año 1847 JOULE comunica a la Real Academia sus resultados, siendo el único integrante que se interesa William THOMSOM, que tenía tan solo 23 años de edad. En este mismo año, Hermann HELMHOLTZ, físico alemán, enuncia el principio universal de la conservación de la energía, demostrando la validez de este principio en forma matemática en los diferentes campos de la física.
Joule dedicó 35 años de su vida transformando diversas formas de energía en calor, concluyendo que son directamente proporcionales.
A partir de este momento, la manera en que fluye la energía entre un cuerpo y otro, por el solo hecho de estar a diferente temperatura, se le denominó calor.
Cuando Maxwell y Boltzmann a mediados del siglo XIX, robustecieron con desarrollos matemáticos la teoría cinético molecular de la materia, propuesta primeramente por el matemático suizo Daniel BERNOULLI en 1738, pudo relacionarse a la temperatura absoluta con la energía cinética media de dichas partículas respecto al centro de masa del sistema de la siguiente manera.
La constante “k” es la constante de BOLTZMANN y “T” es la temperatura absoluta expresada en Kelvin, siendo el miembro a la izquierda de la ecuación, la energía cinética media respecto al centro de masa del sistema.
Aquí observamos que la temperatura absoluta es cero, cuando la energía cinética de las partículas (átomos; moléculas etc.) sea cero respecto al centro de masa del sistema considerado.
Este modelo explicaba, entre otras cosas, como al aumentar la temperatura, aumenta la energía cinética de las moléculas, aumentando la fuerza que ejercen al chocar contra las paredes del recipiente que las contiene y aumentando por lo tanto la presión, siendo este modelo, totalmente mecanicista (considera a las moléculas, como si fuesen bolitas que chocan).
Cuando un cuerpo cambia de fase, por ejemplo de sólido a líquido, la energía suministrada en forma de calor, es empleada en modificar las energías potenciales de las moléculas, rompiendo los enlaces que las mantiene unidas, sin incrementar su energía cinética. Esto explica los calores latentes.
Inmediatamente surge la pregunta ¿cuál es el mecanismo de trasmisión de la energía que llamamos calor?. La respuesta la dio Max PLANCK en el 1900, con el estudio de la radiación del cuerpo negro, en la que interpreta al calor como radiación electromagnética cuantificada.
Esto se demuestra con un experimento sencillo, que resulta de colocar a dos cuerpos con diferente temperatura en el interior de otro adiabático en el que se ha realizado el vacío. Al cabo de un cierto tiempo, se observa que los dos cuerpos poseen igual temperatura, habiéndose calentado el frío y enfriado el caliente. Como el recinto se encuentra al vacío, la única energía que pudo intercambiarse es energía electromagnética. A esta energía electromagnética que emiten los cuerpos de intensidad (potencia irradiada por unidad de superficie) directamente proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta que posee el cuerpo (ley de STEFAN-BOLTZMANN) es lo que modernamente le denominamos calor.
PLANCK estudiando un radiador ideal llamado cuerpo negro, que fue propuesto por Gustav KIRCHOFF en 1859, encontró que la rapidez que se trasmite energía por unidad de superficie y por unidad de longitud de onda, llamada emitancia de la radiación, que es representada por el símbolo r l, le corresponde la siguiente función:
donde h es la constante de Planck cuyo valor actual es 6,6262 x 10-34 J.s; c es la velocidad de la luz en el vacío (2,997925 x 108 m/s) y k es la constante de Boltzmann (1,3807 x 10-23 J/K).
Al graficar la emitancia en función de la longitud de onda, obtenemos para varias temperaturas el siguiente gráfico:
Si bien el cuerpo negro resulta de un modelo teórico, con un cierto conjunto de consideraciones, todos los cuerpos emiten energía electromagnética en todas las longitudes de onda, como el cuerpo negro, variando solamente las proporciones de energía irradiada para cada longitud de onda de acuerdo a las propiedades de cada material. La rama de la física que estudia estos fenómenos, se denomina termodinámica cuántica de las radiaciones.
El área bajo el gráfico de emitancia de la radiación en función de la longitud de onda, es la energía total irradiada por unidad de tiempo y por unidad de superficie o sea la intensidad de radiación. Observamos que cuanto menor es la temperatura del sistema o cuerpo, menor es la energía irradiada por unidad de tiempo y que la mayor parte de la energía se encuentra en la región del infrarrojo.
CALENTAMIENTO POR CONDUCCIÓN
Si colocamos dos cuerpos a diferente temperatura próximos entre sí e inmersos en un fluido dentro de un recipiente adiabático, observamos después de un tiempo, que las temperaturas de los cuerpos cambió.
Esperando un tiempo suficiente se llega a la situación de que la temperatura de los cuerpos es la misma y constante, habiéndose uno de ellos calentado y el otro enfriado. Decimos que el sistema llegó o alcanzó el equilibrio térmico.
Explicamos el suceso diciendo: que las partículas constituyentes de cada cuerpo, que se encuentran en los límites de los mismos, en su movimiento respecto al centro de masa, irradian energía, la que parte o la totalidad es absorbida por las partículas del otro cuerpo en un proceso cuántico. La cantidad de energía irradiada es directamente proporcional a la energía que posee la partícula, haciendo que la partícula con mayor energía cinética le transfiera parte de ella a la más lenta en un proceso de equipartición de la energía.
SITUACIÓN ACTUAL
TEMPERATURA
Es una medida de cualquier sistema termodinámico que se encuentra en equilibrio, realizada en la escala termodinámica. La unidad de temperatura se define de acuerdo a la convención de 1968 como 1/273,16 del intervalo entre la temperatura del punto triple del agua y el cero definido de acuerdo al segundo principio de la termodinámica.
Este plantea que el rendimiento de una máquina reversible, que no tiene pérdidas por rozamiento (como la planteada por Sadi CARNOT) es función exclusiva de las temperaturas de las fuentes entre las que se intercambia calor (no depende de los materiales con los que se construye la máquina) es:
donde “Tc” es la temperatura de la fuente caliente y “Tf” es la temperatura de la fuente fría entre las que se intercambia calor. El cero absoluto es la temperatura que debe tener la fuente fría (Tf), para que el rendimiento valga 1.
La temperatura definida de esta manera se considera una magnitud fundamental con dimensión propia representada con el símbolo Q (letra griega theta mayúscula) y su unidad deja de ser el grado Kelvin para pasar a ser Kelvin, de acuerdo a la tercera resolución de la decimotercera Convención General de Pesos y Medidas de 1968.
Todas las otras escalas de temperaturas fueron redefinidas en función de esta nueva escala de la siguiente manera:
TEMPERATURA CELSIUS
donde Th es la temperatura termodinámica del punto del hielo que es 273,15 K.
TEMPERATURA RANKINE
TEMPERATURA FAHRENHEIT
Debido a que la determinación de la temperatura termodinámica de los cuerpos requiere laboratorios especializados, en los que se desarrollan métodos engorrosos, se decidió para los fines prácticos en la calibración de termómetros, confeccionar una lista con la temperatura de diversos puntos fijos llamada escala internacional de temperaturas del año 1990, cuya sigla en inglés es ITS-90 y que usted puede consultar bajando el siguiente archivo.
http://www.bipm.fr/utils/common/pdf/its-90/SUPChapter2.pdf
CALOR
Es la energía intercambiada por dos cuerpos por el solo hecho de estar a diferente temperatura sin requerir ningún medio para el intercambio. Por lo tanto es energía electromagnética compuesta por radiaciones de todo el espectro electromagnético, siendo el calor la energía intercambiada y no la contenida en los mismos.
Nótese que: mientras la temperatura es una medida que nos informa acerca de la energía cinética media respecto al centro de masa en un sistema en equilibrio (si no está en equilibrio, no tiene sentido hablar de la temperatura del sistema), el calor es energía electromagnética irradiada. La energía electromagnética no está contenida (al menos en esa forma).
Ejercicios
Problemas
HISTORIA DE UNA CONFUSIÓN
INTRODUCCIÓN
El concepto de temperatura, y su posterior definición como magnitud física, nace de la necesidad de establecer un ordenamiento de los cuerpos mediante la sensación fisiológica de estar unos más calientes que otros, o decir cuales están igualmente calientes.
Desde épocas remotas aparecen expresiones como: “El viejo se acerca a la cuna y toca la frente del niño, pero no está caliente”, “Es bien venida una sopa calentita en las noches invernales”. Observamos que se emplea una experiencia sensorial para apreciar si un cuerpo está o no más caliente que otro. El hecho de estar más o menos caliente no significa que posea más o menos calor.
Comenzaremos realizando un breve desarrollo histórico para entender como fueron surgiendo estos conceptos, desde la posición errónea de confundirlos manejándolos como sinónimos, hasta llegar a diferenciarlos en nuestra concepción moderna.
Si bien la ciencia llegó a diferenciar en forma precisa estos dos conceptos, debido a sus orígenes aún se sigue confundiéndolos y es el objetivo de este trabajo, aclararlo.
EXPERIENCIA DE LOS TRES BALDES
Esta experiencia consiste en disponer de tres baldes: uno conteniendo agua lo más caliente que podamos soportar, otro que contenga agua lo más fría que consigamos, como por ejemplo una mezcla de agua e hielo y el tercer balde contendrá agua del grifo.
Coloquemos una de nuestras manos en el balde que contiene agua caliente, y la otra en el balde que contiene agua e hielo, hasta perder esa sensación inicial de frío y caliente. A continuación, retiramos la mano que está en el balde con agua caliente, y la colocamos en el que contiene agua del grifo y usted afirmará que el agua contenida en este último balde está fría. Finalmente retire la que está en el balde frío e introdúzcala en el que contiene agua del grifo. Usted verificará que este balde que había afirmado que estaba frío, está caliente. ABSURDO!!!. Un cuerpo no puede estar caliente y frío al mismo tiempo.
Esta experiencia, nos indica que nuestros sentidos pueden engañarnos, si no, intente tocar un trozo de “hielo seco” (anhídrido carbónico congelado) y verificará que le quema a pesar de lo frío que está. Los vendedores ambulantes de helados, emplean “hielo seco” para mantener fríos a los mismos.
EL MODELO DEL CALÓRICO
Ya cuando los hombres aprendieron a manipular el fuego y forjar los metales, observaron que cuando estos últimos se exponían a la flama, no solamente se calentaban, sino aumentaban sus dimensiones. Se dilataban.
Este conocimiento era y es aún hoy en día empleado para colocar sunchos metálicos a las masas de las ruedas y a los toneles de madera empleados para madurar el vino. El aro metálico, realizado de diámetro ligeramente menor que el tonel (barril), era calentado para aumentar su diámetro y poder colocarse con facilidad. Luego era rápidamente enfriado contrayéndose y comprimiendo así a las maderas.
Ya Herón, en su tratado Pneumatics, que fue escrito probablemente en el siglo VII A.C., en la sección 7, emplea los términos “agua caliente y fría” y plantea la variación de volumen de gases al variar dicha sensación.
La manera de explicar la dilatación por el calentamiento, era, hasta mediados del siglo XVIII, considerar que "algo" sin masa, de origen ígneo ingresaba al cuerpo, haciendo que este aumentase su volumen. A este "algo" el químico francés Antoine Laurent LAVOISIER (1743-1794) en 1787 le llamó calórico. De acuerdo a las observaciones realizadas hasta esta época, se definieron las propiedades que debía poseer este calórico creando así una teoría del calórico.
Este calórico, que fluye del cuerpo más caliente al más frío, razón por la cual se le llamaba “fluido calórico”, se suponía indestructible (se conservaba). Esto quiere decir que cuando un cuerpo se calentaba, ganaba una cantidad de calórico igual a la que pierde el cuerpo o flama que lo calienta.
Esta teoría explicaba el motivo por el cual se dilataban los cuerpos, argumentando que el calórico, debía poseer naturaleza corpuscular y cada corpúsculo poseer un volumen definido. Al ingresar el calórico a un cuerpo, este se introduce entre las partículas que lo forma incrementando su volumen.
Este modelo, explicaba la dilatación de los cuerpos al calentarse, aunque no explicó la observación que realizaba Galileo Galilei, sobre la detención de un cuerpo por rozamiento, transformándose el movimiento en calor.
Hasta principios del siglo XVII de nuestra era, no existían formas de cuantificar la variación de calórico de un cuerpo, simplemente se hablaba de graduaciones de calor o frío en forma cualitativa como en las determinaciones de estados febriles de las personas, realizadas por los médicos.
Tanto éxito tuvo la teoría del calórico, que rápidamente las personas creyeron que cuanto más calórico tuviese un cuerpo, más caliente se sentía y mayor era su volumen, por lo que se postuló que el incremento de volumen es directamente proporcional al calórico ganado por el cuerpo. Por lo tanto midiendo este incremento de volumen, se obtenía una medida indirecta del calórico ganado. Esta idea llevó, como veremos inmediatamente, a que diversos científicos construyesen dispositivos, con los cuales midiendo variaciones de volumen, se pudiese determinar las variaciones de calórico. Estos dispositivos, a los cuales se les adosó una escala, para determinar los “grados de calórico”, se les llamó termómetros ( del gr. qermo = calor).
MIDIENDO EL GRADO DE CALOR DE LOS CUERPOS
Para comparar si un cuerpo está o no más caliente que otro y cuanto más está, es necesario asignar números a estos grados de calor, de manera que podamos decir si un cuerpo está el doble de caliente que otro.
Parecería que el primero que dio un paso adelante en la resolución de este problema, fue Galileo Galilei, padre de la ciencia moderna.
Los inventores Cornelius DREBBEL y Robert FLUDD desarrollaron instrumentos similares en el mismo período que Galileo (1640 D.C.) y en forma independiente.
Galileo construyó un dispositivo llamado termoscopio (del gr. qermo = calor y skop = ver) que permitía “visualizar” si un cuerpo estaba más caliente que otro y así poder ordenar a los mismos por su grado de calor. Este dispositivo era un pequeño frasco de vidrio (como esquemáticamente representamos en la figura 1), parcialmente lleno de agua, cerrado por un tapón que estaba atravesado por un fino tubo de vidrio de unos 40 cm de longitud, y tenía su extremo inferior sumergido en el agua. Al calentarse el frasco, el gas contenido en el mismo se dilataba, haciendo ascender al agua contenida en el mismo por el fino tubo. Se pudo observar que cuanto más caliente estaba el frasco, mayor era la altura alcanzada por el agua en el fino tubo.
TEMPERATURA
Con la invención del termoscopio por Galileo Galilei, nace la termometría. El objetivo de esta disciplina, fue construir dispositivos llamados termómetros, que permitían valorar el "grado de calor de los cuerpos", que hoy llamamos temperatura.
Cualquier propiedad de un cuerpo que varíe al variar su temperatura, puede emplearse para indicarnos como varía la temperatura de un cuerpo dado. Pero el valor de la propiedad, no es el valor de la temperatura. A las propiedades que cambian al variar la temperatura, se las denomina propiedades termométricas.
El termoscopio inventado por Galileo, fue utilizado por varios investigadores. Estos le adosaron escalas diferentes para poder cuantificar "el grado de calor de los cuerpos", transformando así el termoscopio en lo que hoy llamamos termómetro y su lectura, lo que hoy llamamos temperatura. Debido a que no existían criterios uniformes para construir los termómetros y sus escalas, resultaba que dos termómetros construidos por el mismo fabricante, generalmente daban lecturas diferentes a un mismo "grado de calor". Esto creaba grandes dificultades al comparar experimentos realizados con termómetros diferentes, e hizo imperiosa la construcción de una escala reproducible por todos los investigadores, de manera que las mediciones fuesen comparables.
En el termoscopio de Galileo, la propiedad que se emplea es el volumen ocupado por el aire a la presión atmosférica y lo que se observa, es como varía dicho volumen al variar la temperatura.
El primero que construyó un dispositivo que empleaba como propiedad termométrica la dilatación de un líquido, en lugar de la de un gas, fue el fabricante de instrumentos Daniel Gabriel FAHRENHEIT en 1714, quién definió una escala reproducible que hoy lleva su nombre.
Luego le siguieron: el naturalista francés René Antoine Ferchault de RÉAUMUR en 1730; el astrónomo sueco Anders CELSIUS (1701-1744) en 1742 y William THOMSOM promotor de la escala absoluta o escala termodinámica. Cada uno de estos, definieron sus propias escalas termométricas reproducibles.
ESCALA FAHRENHEIT
Daniel FAHRENHEIT, motivado por el descubrimiento de que el agua hierve a un grado fijo de calor, realizado por el célebre inventor francés Guillaume AMONTONS (1663-1705) con un termoscopio fabricado por él, decide fabricar su propio instrumento para verificar este descubrimiento.
Primeramente, intenta construir un termómetro de gas no obteniendo buenos resultados por las dificultades en su fabricación. Recordando que el inventor del barómetro de mercurio, debía realizar correcciones en las lecturas debido a la dilatación del mismo por los diferentes grados de calor, decide realizar un termoscopio empleando la propiedad de dilatación de este metal, por considerarlo de realización más sencilla.
Construye un tubo de vidrio muy fino con un bulbo en el extremo. Llena el bulbo con mercurio y lo calienta de manera que llene todo el tubo y, cuando está lleno cierra el otro extremo. Al enfriarse el mercurio se contrae, quedando un vacío entre el mercurio y el extremo cerrado del tubo como mostramos en el esquema.
Introdujo el bulbo en una mezcla de: agua, sal de amoníaco, sal marina e hielo, cuyas proporciones fueron variadas hasta obtener la mínima longitud de mercurio en el tubo. A esta posición la marcó con el cero. Posteriormente puso en contacto el bulbo con el cuerpo de seres humanos que él consideraba sanos (no hemos encontrado información de como procedió) y a la posición de la máxima longitud que pudo registrar le llamó 100.
Obtenidas estas dos marcas, dividió al intervalo en cien partes de igual longitud, llamándole grado a cada una de las mismas. En esta escala, el agua hierve a 212°F y se congela a 32°F, a presión atmosférica normal (presión en la base de una columna de mercurio de 760 mm de altura). Esta fue la primera escala centígrada que pudo reproducirse (con pequeñas diferencias o errores) y adquirió gran popularidad en Inglaterra, Holanda y los dominios de ambos países.
ESCALA CELSIUS
El astrónomo sueco Anders CELSIUS, habiendo verificado la constancia de la temperatura de fusión y ebullición del agua a una presión dada, decide emplear estas temperaturas como puntos fijos de referencia, para la construcción de una escala termométrica fácilmente reproducible.
Utilizando el mismo procedimiento que Fahrenheit, construye en 1742 un termómetro de mercurio pero con una escala diferente, que hoy lleva su nombre. Para confeccionar dicha escala, trabajó a una presión atmosférica de 760 mm de mercurio e introdujo el bulbo del termómetro en agua e hielo. Cuando la longitud de la columna de mercurio no disminuyó más, marcó dicha posición en la escala, asignándole el número cero. Luego lo colocó en agua hirviendo y cuando la columna alcanza su máxima longitud, le asignó en su escala el valor 100. Posteriormente dividió este intervalo de temperaturas en cien partes iguales, llamándole a cada parte grado.
Observamos que la diferencia entre la escala Celsius y Fahrenheit, es simplemente la elección de los puntos fijos elegidos para la confección de la escala. Ambas escalas son centígradas, pero la de Celsius obtuvo mayor aceptación en el mundo científico, quizás por ser más fácil de reproducir.
ESCALA RÉAUMUR
En 1730 el naturalista francés René Antoine Ferchault de RÉAUMUR, construyó un termómetro de mercurio con una escala en la que el valor cero corresponde a la temperatura de fusión del agua, y el valor 80 a la temperatura de ebullición, a una presión atmosférica de 760 mm de Hg.
Esta escala tuvo sus adeptos pero nunca llegó a la popularidad de las anteriores.
EQUIVALENCIA ENTRE LAS ESCALAS
Observamos en el esquema de la figura 2, que a una cierta temperatura de un cuerpo le corresponde una lectura A en grados Celsius, otra lectura B en grados Fahrenheit y una lectura C en grados Réaumur y que a esa temperatura el cociente L/L’ tiene un único valor característico de la temperatura. Por lo tanto este cociente en la escala Celsius es:
en la escala Fahrenheit es:
y en la escala Réaumur:
Igualando las expresiones anteriores obtenemos:
Si queremos conocer por ejemplo, cual fue la temperatura máxima, expresada en grados Celsius, que encontró Fahrenheit en un cuerpo sano, planteamos:
y como a esta temperatura Fahrenheit le adjudicó el valor 100, obtenemos:
despejando nos queda:
En el momento de escribir estas líneas, los investigadores médicos consideran que la "temperatura normal" de un humano es (37±1)°C debido a que esta fluctúa a lo largo del día. El menor valor se registra al levantarse del reposo nocturno y el mayor, al terminar la jornada, experimentando picos de incrementos después de las comidas o de realizar ejercicios físicos.
LA TEMPERATURA COMO MAGNITUD
Hasta ahora simplemente hemos adjudicado números arbitrarios a diversos cuerpos para ordenarlos por grados de calor, diciendo quien está más caliente que quien. Pero ¿podemos decir que un cuerpo que está a 40 °C está el doble de caliente que uno a 20 °C?
Una de las condiciones que deben cumplir las magnitudes físicas, es que un cambio de unidades no modifique la relación que existe entre las magnitudes. Lo que queremos decir por ejemplo es que la longitud es una magnitud, porque decir que el padre tiene el doble de altura que el hijo es independiente de que estas se midan en metros; pulgadas o cualquier otra unidad.
Otra cualidad, es que cualquier magnitud tiene el nulo determinado independientemente de la escala de medidas y ninguna de estas cosas sucede con la temperatura de la manera que la hemos definido.
Otro problema que presenta nuestra definición, es que diferentes termómetros, realizados con diferentes sustancias (alcohol; mercurio; etc), empleando la misma propiedad (la dilatación) y calibrados en la misma escala, salvo en los puntos de calibración, no dan iguales valores. Este último problema se resuelve con el termómetro de gas a volumen constante, en el cual si la presión del gas encerrado tiende a cero, se demuestra experimentalmente que la lectura es independiente del tipo de gas empleado.
En 1787, Jacques CHARLES descubre que el volumen de un gas, cuya temperatura está cerca de la temperatura de fusión del hielo, varía en 1/273 del volumen inicial por cada grado Celsius que varíe su temperatura, descubrimiento que escribimos matemáticamente de la siguiente manera:
Esta ecuación, que es la ley de CHARLES, implica que cuando la temperatura es –273 °C, el volumen del gas se anula. Nadie se preocupó por esto ya que estaban convencidos de que el comportamiento del gas debía cambiar mucho antes de alcanzar tal temperatura.
Si dejamos el volumen constante, la presión varía de la misma manera.
En base a esta observación, William THOMSON en 1864, propuso definir la escala absoluta de temperatura, en la que el cero es la temperatura a la que un gas, que cumpla con la ley de CHARLES, tenga presión nula.
Se eligió como gas al hidrógeno para construir al termómetro con escala absoluta, por ser el que, en un amplio rango de temperatura, se comporta de acuerdo a la ley de CHARLES.
De acuerdo a la comisión Internacional de pesas y medidas del 15 de octubre de 1887, se define que la presión del hidrógeno en el termómetro de gas, a la temperatura de fusión del hielo, debe de ser igual a la que ejerce una columna de mercurio de 1m de altura.
Si a la presión del hidrógeno a la temperatura de fusión del agua le adjudicamos el valor 273, obtenemos la escala absoluta Kelvin, en la que un intervalo de un grado Kelvin es igual a un grado Celsius.
La relación entre estas dos escalas queda determinada por la ecuación:
En la novena Convención General de Pesos y Medidas de 1948, se determina la construcción de una escala termodinámica absoluta empleando un solo punto fijo. Se decidió elegir la temperatura del punto triple del agua (temperatura a la cual coexiste el agua líquida con la sólida y vapor) como punto fijo, por poderse determinar con mayor precisión que el punto de fusión o evaporación.
De acuerdo a la convención, debería dársele un valor a la temperatura del punto triple del agua de manera que fuese concordante con las definiciones anteriores y emplearse un termómetro específico para las determinaciones, decidiéndose emplear uno de gas a volumen constante como el que se esquematiza en la figura 3.
En el recipiente "A", se encuentra el gas cuya presión podemos medir con el manómetro abierto "B" determinando la variación de altura "Dh". El recipiente "C" es empleado para mantener el volumen da gas encerrado constante.
Se convino definir a la temperatura, como una función directamente proporcional a la presión del gas cuando la presión de este tiende a cero en el punto de calibración elegido, que es el punto triple del agua. Por lo tanto podemos escribir:
El valor límite se determina experimentalmente midiendo las presiones a la temperatura "T" y la presión a la temperatura "T3" para presiones "P3" cada vez menores y observando a que valor tiende el cociente. Solamente falta asignarle un valor numérico a la temperatura del punto triple para poder medir cualquier temperatura.
Para mantener compatibilidad con la escala Celsius, la cual emplea dos puntos fijos que son la temperatura de ebullición del agua (Tv)y la de fusión (Th) a la presión normal (101,325 kPa), se deben satisfacer las siguientes igualdades:
El mejor valor experimental obtenido para este límite de cociente de presiones es 1,3661, por lo que el sistema queda planteado de la siguiente manera:
Finalmente obtenemos:
Al medir la temperatura del punto triple del agua se obtiene el valor 273,16°K, 0,01 grados superior a la temperatura de hielo y agua a la presión atmosférica normal.
En forma análoga a como THOMSON definió la escala absoluta, el físico escocés William John Macquorn RANKINE, define su propia escala absoluta conocida como escala RANKINE definida por la siguiente relación:
en la que el cero RANKINE coincide con el cero KELVIN.
En la décima Convención General de Pesos y Medidas de 1954, se decide definir el grado Kelvin como 1/273,16 del intervalo de temperatura entre el punto triple del agua y el cero absoluto, que es la temperatura que debe tener la fuente fría de una máquina térmica que realiza un ciclo de Carnot, para que su rendimiento sea 100%
CUANTIFICANDO EL CALÓRICO
La parte de la física que se dedica a la medición del calórico, se denomina calorimetría y los dispositivos empleados para realizar estas determinaciones se denominan calorímetros.
Se observó que la temperatura del cuerpo, no era una indicación directa de cuanto calórico este podía contener y esto se evidenciaba mediante la realización del siguiente experimento sencillo.
Se toman cuerpos de igual forma (esférica) y de distinto material (hierro; zinc etc.) que tengan igual masa y se los introduce en un recipiente con agua hirviendo. Al cabo de un tiempo, todos se encuentran a la temperatura de ebullición del agua. Luego se retira del baño a los cuerpos y se colocaban encima de un bloque de cera, observándose que los cuerpos se hunden a diferentes profundidades por fusión de la cera. Esto indica que los cuerpos poseen diferente cantidad de calórico a pesar de que la diferencia de temperatura experimentado por cada uno es la misma (desde la temperatura de ebullición del agua a la temperatura ambiente).
UNIDAD DE CALÓRICO
Se necesitó definir una unidad práctica del calórico y se popularizaron en el ámbito científico lo que hoy conocemos con el nombre de gran caloría y la pequeña caloría dado que los nombres propuestos, también fueron diversos.
Basados en la idea no totalmente cierta, de que la cantidad de calor ganado o perdido por un cuerpo es medido por el termómetro, se definió la caloría, como la cantidad de calor que debe suministrarse a un gramo de agua para que incremente su temperatura un grado Celsius.
La gran caloría (unidad práctica que se emplea frecuentemente en nutrición y simbolizan como Cal con la primera letra en mayúscula), es la cantidad de calor que debe suministrarse a un kilogramo de agua para que incremente un grado su temperatura Celsius. De esta definición surge que una gran caloría es una kilocaloría.
Con estas definiciones comienza la gran confusión de que variación de temperatura y variación de calor son equivalentes y las personas comienzan a hablar de estas magnitudes indistintamente con expresiones como:
“Siento mucho calor” cuando debería decirse “siento elevada la temperatura”.
CALOR ESPECÍFICO
Al observar que cuerpos de diferente material e igual masa, al experimentar una misma variación de temperatura poseen diferente cantidad de calórico, Joseph BLACK (1728-1799) en 1760 basándose en la teoría del calórico, propone que el calórico ganado o perdido por un cuerpo es directamente proporcional a su masa y a la variación de su temperatura.
Siendo c, una constante característica para cada material.
Gadoline (alumno de BLACK) en 1784 propone llamarle calor específico a esta constante de proporcionalidad, siendo entonces el calor específico de cada material, la cantidad de calórico necesario suministrarle a una unidad de masa para que eleve su temperatura un grado.
En virtud a la definición de la unidad de calor, el calor específico del agua es por definición:
De acuerdo a la resolución tercera de la decimotercera Convención General de Pesos y Medidas de 1967-1968, el calor específico de los cuerpos se expresa en Joule por kilogramo y por Kelvin, reconociendo que una caloría equivale a 4,1868 J.
Según la teoría del calórico, si ponemos en contacto dos cuerpos a diferente temperatura, sin que interactúen con otros cuerpos, el más caliente se enfriará y el más frío se calentará, hasta que sus temperaturas sean iguales, debido a que el calórico fluye del cuerpo más caliente al cuerpo más frío permaneciendo constante el total del mismo.
Para que dos cuerpos puedan intercambiar calórico sin hacerlo con el resto de los cuerpos, deben estar en un recipiente que no permita ser atravesado por el calórico. A este recipiente se le denominó adiabático (del gr. diabatos = atravesable) y por emplearse para medir los calores ganados o perdidos, se denominó calorímetro.
Por ejemplo, al introducir 100 g de plomo a 100°C en 50 g de agua que está inicialmente a 20°C, el agua se calentará hasta alcanzar una temperatura final de equilibrio de 24°C.
Si el plomo y el agua estaba en un recipiente adiabático, por la conservación del calórico escribimos:
El valor obtenido, es menor que el que figura en tablas actuales que es de 0,0305 cal/g-°C. esto es debido que no consideramos el calor absorbido por el propio calorímetro y las pérdidas al realizar el trasiego del plomo desde el baño con agua hirviendo al calorímetro.
Este método descrito, se denomina método de las mezclas y al recipiente empleado, calorímetro de mezclas. Fue aplicado por primera vez por RICHMANN en 1750.
El valor del calor específico, depende del intervalo de temperatura en el que se determinó y de si el proceso se realizó a presión constante o a volumen constante. En este último caso, se evidencian mayores diferencias en los gases que en los sólidos o líquidos (véase calor específico a presión constante y calor específico a volumen constante).
CALOR LATENTE
En el año 1762, Black descubre que el agua requiere una cantidad extra de calor, para pasar de la fase sólida a la fase líquida y también cuando pasa de la fase líquida a vapor. Este calórico suministrado, es empleado para el cambio de fase sin incrementar la temperatura y es directamente proporcional a la masa, por lo que escribimos:
donde Qf es la cantidad de calórico que debe suministrarse a una masa m de sustancia, para que se funda a la temperatura de fusión de la misma.
Para pasar de una proporcionalidad a una igualdad, debemos añadir una constante de proporcionalidad por lo que escribimos:
A esta constante para cada material, le llamamos calor latente y la representamos con la letra L y con el subíndice f indicamos que es el valor para la fusión, mientras que con el subíndice v que es para la vaporización.
Mediciones recientes del calor latente del agua a la presión de una atmósfera (760 mm de Hg) indican que el calor latente de fusión es 79,7 cal/g y el calor latente de ebullición 540 cal/g.
Hoy sabemos que existen otros calores latentes además de los mencionados. Estos son a modo de ejemplo: cuando un cuerpo modifica su estructura cristalina; cuando se mezclan dos cuerpos como agua y alcohol; cuando se disuelve un sólido en un líquido; cuando se efectúa una reacción química etc.
Black inventó el calorímetro de hielo, en el que se introducía un cuerpo a cierta temperatura mayor que la de fusión del hielo (generalmente a la temperatura de ebullición del agua) y medía la cantidad de hielo fundido.
Este calorímetro, fue mejorado por LAVOISIER y LAPLACE y ampliamente empleado para la determinación del calor específico de sólidos y líquidos cuyo esquema representamos en la figura 3.
En esta figura, se observa un corte del calorímetro, mostrando el cuerpo "a", cuyo calor específico se desea determinar, en el interior de un recipiente metálico que está a la temperatura de fusión del hielo; la masa de hielo "b" que se fundirá parcialmente por el calórico cedido por el cuerpo "a"; una camisa de hielo "c" que impide que ingrese calórico del medio ambiente y el grifo "d" que permite recoger el agua fundida para su medición. Este calorímetro permite determinar el calor específico medio del cuerpo, entre la temperatura inicial a la cual se introduzca y la temperatura de fusión del hielo a la presión ambiente.
En la teoría del calórico publicada en 1787 se postulaba:
el calórico es un fluido elástico de partículas que se repelen unas a otras
las partículas de calórico son atraídas por las partículas de la materia ordinaria
el calórico es indestructible y no se puede crear
el calórico puede ser sensible (el que incrementa la temperatura de los cuerpos) o latente (combinado con las partículas de la materia, produce nuevas formas como los líquidos y los vapores)
el calórico tiene peso
LA CAÍDA DEL MODELO DEL CALÓRICO Y SU SUSTITUCIÓN POR EL CALOR
Narran como una de las primeras observaciones de que el calórico no se conserva, las realizadas por Benjamín THOMPSON en 1798, cuando era director del arsenal de Baviera y poseía el título de Conde RUMFORD.
RUMFORD examinando el taladrado de los cañones, observó la cantidad de calórico liberado en dicho procedimiento. Primeramente atribuyó que al romper el barreno al hierro en la horadación, el calórico quedaba en libertad de fluir al exterior liberándose. Observando más atentamente, notó que aún cuando el barreno había perdido su filo y no cortaba más, continuaba fluyendo calórico, haciendo hervir al agua empleada en la refrigeración.
Realizando diversos experimentos, logró concluir que el calórico liberado era directamente proporcional al trabajo realizado en hacer rotar al barreno y que el fluido calórico no existe.
Galileo Galilei, también había notado al estudiar el movimiento de los cuerpos, que estos tendían a detenerse por rozamiento aumentando estos su temperatura, generando la idea de que el movimiento se transformaba en calor.
Ninguna de estas observaciones puede ser explicada por la teoría del calórico, pero a pesar de estas observaciones, la teoría del calórico seguía teniendo sus adeptos.
En 1842 el médico alemán Julius Robert MEYER enuncia el principio de conservación de la energía, no dándosele mayores créditos. Felizmente, la comunidad científica le reconoció sus aciertos antes de su muerte en 1878.
En 1843 comienzan a publicarse los trabajos de James JOULE de la búsqueda de la equivalencia entre trabajo mecánico y calor, que realizó inspirado por los trabajos de RUMFORD y MEYER. (el valor encontrado por Joule para el equivalente, expresado en unidades del Sistema Internacional, es de 4,27 J/cal. Valor muy próximo al actualmente aceptado que es 4,1868 J/cal).
En el año 1847 JOULE comunica a la Real Academia sus resultados, siendo el único integrante que se interesa William THOMSOM, que tenía tan solo 23 años de edad. En este mismo año, Hermann HELMHOLTZ, físico alemán, enuncia el principio universal de la conservación de la energía, demostrando la validez de este principio en forma matemática en los diferentes campos de la física.
Joule dedicó 35 años de su vida transformando diversas formas de energía en calor, concluyendo que son directamente proporcionales.
A partir de este momento, la manera en que fluye la energía entre un cuerpo y otro, por el solo hecho de estar a diferente temperatura, se le denominó calor.
Cuando Maxwell y Boltzmann a mediados del siglo XIX, robustecieron con desarrollos matemáticos la teoría cinético molecular de la materia, propuesta primeramente por el matemático suizo Daniel BERNOULLI en 1738, pudo relacionarse a la temperatura absoluta con la energía cinética media de dichas partículas respecto al centro de masa del sistema de la siguiente manera.
La constante “k” es la constante de BOLTZMANN y “T” es la temperatura absoluta expresada en Kelvin, siendo el miembro a la izquierda de la ecuación, la energía cinética media respecto al centro de masa del sistema.
Aquí observamos que la temperatura absoluta es cero, cuando la energía cinética de las partículas (átomos; moléculas etc.) sea cero respecto al centro de masa del sistema considerado.
Este modelo explicaba, entre otras cosas, como al aumentar la temperatura, aumenta la energía cinética de las moléculas, aumentando la fuerza que ejercen al chocar contra las paredes del recipiente que las contiene y aumentando por lo tanto la presión, siendo este modelo, totalmente mecanicista (considera a las moléculas, como si fuesen bolitas que chocan).
Cuando un cuerpo cambia de fase, por ejemplo de sólido a líquido, la energía suministrada en forma de calor, es empleada en modificar las energías potenciales de las moléculas, rompiendo los enlaces que las mantiene unidas, sin incrementar su energía cinética. Esto explica los calores latentes.
Inmediatamente surge la pregunta ¿cuál es el mecanismo de trasmisión de la energía que llamamos calor?. La respuesta la dio Max PLANCK en el 1900, con el estudio de la radiación del cuerpo negro, en la que interpreta al calor como radiación electromagnética cuantificada.
Esto se demuestra con un experimento sencillo, que resulta de colocar a dos cuerpos con diferente temperatura en el interior de otro adiabático en el que se ha realizado el vacío. Al cabo de un cierto tiempo, se observa que los dos cuerpos poseen igual temperatura, habiéndose calentado el frío y enfriado el caliente. Como el recinto se encuentra al vacío, la única energía que pudo intercambiarse es energía electromagnética. A esta energía electromagnética que emiten los cuerpos de intensidad (potencia irradiada por unidad de superficie) directamente proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta que posee el cuerpo (ley de STEFAN-BOLTZMANN) es lo que modernamente le denominamos calor.
PLANCK estudiando un radiador ideal llamado cuerpo negro, que fue propuesto por Gustav KIRCHOFF en 1859, encontró que la rapidez que se trasmite energía por unidad de superficie y por unidad de longitud de onda, llamada emitancia de la radiación, que es representada por el símbolo r l, le corresponde la siguiente función:
donde h es la constante de Planck cuyo valor actual es 6,6262 x 10-34 J.s; c es la velocidad de la luz en el vacío (2,997925 x 108 m/s) y k es la constante de Boltzmann (1,3807 x 10-23 J/K).
Al graficar la emitancia en función de la longitud de onda, obtenemos para varias temperaturas el siguiente gráfico:
Si bien el cuerpo negro resulta de un modelo teórico, con un cierto conjunto de consideraciones, todos los cuerpos emiten energía electromagnética en todas las longitudes de onda, como el cuerpo negro, variando solamente las proporciones de energía irradiada para cada longitud de onda de acuerdo a las propiedades de cada material. La rama de la física que estudia estos fenómenos, se denomina termodinámica cuántica de las radiaciones.
El área bajo el gráfico de emitancia de la radiación en función de la longitud de onda, es la energía total irradiada por unidad de tiempo y por unidad de superficie o sea la intensidad de radiación. Observamos que cuanto menor es la temperatura del sistema o cuerpo, menor es la energía irradiada por unidad de tiempo y que la mayor parte de la energía se encuentra en la región del infrarrojo.
CALENTAMIENTO POR CONDUCCIÓN
Si colocamos dos cuerpos a diferente temperatura próximos entre sí e inmersos en un fluido dentro de un recipiente adiabático, observamos después de un tiempo, que las temperaturas de los cuerpos cambió.
Esperando un tiempo suficiente se llega a la situación de que la temperatura de los cuerpos es la misma y constante, habiéndose uno de ellos calentado y el otro enfriado. Decimos que el sistema llegó o alcanzó el equilibrio térmico.
Explicamos el suceso diciendo: que las partículas constituyentes de cada cuerpo, que se encuentran en los límites de los mismos, en su movimiento respecto al centro de masa, irradian energía, la que parte o la totalidad es absorbida por las partículas del otro cuerpo en un proceso cuántico. La cantidad de energía irradiada es directamente proporcional a la energía que posee la partícula, haciendo que la partícula con mayor energía cinética le transfiera parte de ella a la más lenta en un proceso de equipartición de la energía.
SITUACIÓN ACTUAL
TEMPERATURA
Es una medida de cualquier sistema termodinámico que se encuentra en equilibrio, realizada en la escala termodinámica. La unidad de temperatura se define de acuerdo a la convención de 1968 como 1/273,16 del intervalo entre la temperatura del punto triple del agua y el cero definido de acuerdo al segundo principio de la termodinámica.
Este plantea que el rendimiento de una máquina reversible, que no tiene pérdidas por rozamiento (como la planteada por Sadi CARNOT) es función exclusiva de las temperaturas de las fuentes entre las que se intercambia calor (no depende de los materiales con los que se construye la máquina) es:
donde “Tc” es la temperatura de la fuente caliente y “Tf” es la temperatura de la fuente fría entre las que se intercambia calor. El cero absoluto es la temperatura que debe tener la fuente fría (Tf), para que el rendimiento valga 1.
La temperatura definida de esta manera se considera una magnitud fundamental con dimensión propia representada con el símbolo Q (letra griega theta mayúscula) y su unidad deja de ser el grado Kelvin para pasar a ser Kelvin, de acuerdo a la tercera resolución de la decimotercera Convención General de Pesos y Medidas de 1968.
Todas las otras escalas de temperaturas fueron redefinidas en función de esta nueva escala de la siguiente manera:
TEMPERATURA CELSIUS
donde Th es la temperatura termodinámica del punto del hielo que es 273,15 K.
TEMPERATURA RANKINE
TEMPERATURA FAHRENHEIT
Debido a que la determinación de la temperatura termodinámica de los cuerpos requiere laboratorios especializados, en los que se desarrollan métodos engorrosos, se decidió para los fines prácticos en la calibración de termómetros, confeccionar una lista con la temperatura de diversos puntos fijos llamada escala internacional de temperaturas del año 1990, cuya sigla en inglés es ITS-90 y que usted puede consultar bajando el siguiente archivo.
http://www.bipm.fr/utils/common/pdf/its-90/SUPChapter2.pdf
CALOR
Es la energía intercambiada por dos cuerpos por el solo hecho de estar a diferente temperatura sin requerir ningún medio para el intercambio. Por lo tanto es energía electromagnética compuesta por radiaciones de todo el espectro electromagnético, siendo el calor la energía intercambiada y no la contenida en los mismos.
Nótese que: mientras la temperatura es una medida que nos informa acerca de la energía cinética media respecto al centro de masa en un sistema en equilibrio (si no está en equilibrio, no tiene sentido hablar de la temperatura del sistema), el calor es energía electromagnética irradiada. La energía electromagnética no está contenida (al menos en esa forma).
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