Conceptos físicos | barcovapor

Conceptos físicos involucrados

El proposito de este proyecto es poder explicar algunos conceptos físicos involucrados; en este caso solo trabajaremos con conceptos de calorimetría. Se trabajará especificamente con la unidad de "La materia y sus transformaciones: calor y temperatura" de 2º medio. El fin de esta unidad es que los estudiantes conozcan los fenómenos físicos relacionados con calor y temperatura y cómo a partir de ellos se puede explicar el modo en que funcionan algunos aparatos de medición, como los termómetros de dilatación y como funcionan elementos cotidianos; como lo es un barco a vapor.

Los cuatro grandes conceptos de la unidad "La materia y sus transformaciones: calor y temperatura" son el calor, los mecanísmos de transferencia, la temperatura y la calorimetría. A continuación se explica con detalle los conceptos.

Calor

El calor es el término que usamos para describir un tipo de transferencia de energía. Cuando se habla de “calor” o “energía calorífica”, se refiere a la cantidad de energía que se agrega o se quita a la energía interna total de un objeto, por causa de una diferencia de temperatura . Las unidades de medida del Sistema Internacional son calorías (cal) y Joules (J); los cuales no son equivalentes, y que poseen la siguiente proporción: (pág. 554)

Mecanísmos de transferencia de energía a través de calor

Conducción

Imagen 1: Conducción

1.- Conducción: la transferencia se representa a escala atómica como un intercambio de energía cinética entre partículas microscópicas (moléculas, átomos y electrones libres) en el que las partículas menos energéticas ganan energía en colisiones con partículas más energéticas. Este tipo de transferencia de energía se genera sólo cuando los cuerpos se encuentran en contacto. (pág. 572)

2.- Radiación: Todos los objetos continuamente radian energía en la forma de ondas electromagnéticas producidas por vibraciones térmicas de las moléculas. Se puede manifestar como trabajo W. (pág. 576)

Utiliza el manipulativo virtual:

Conducción de calor

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Radiación

Imagen 2: Radiación

3- Convección: Se dice que la energía transferida por el movimiento de una sustancia caliente se transfiere por convección. Este tipo de transferencia de energía sólo se genera en fluidos (líquidos y gases), ya que al calentar un fluido se genera una variación en la densidad (disminución de esta) lo cual produce que el fluido más caliente suba; mientras este sube, la materia se va enfriando y la densidad aumenta, lo que hace que el fluido comience a descender. (pág. 575)

Convección

Imagen 3: Convección

Estos mecanismos de transferencia de energía a través de calor pueden ocurrir simultaneamente; como se muestra en la imagen 4. La conducción se produce al acercar la barra metálica al fuego; al hacer esto la temperatura de la sección más cercana al fuego aumenta, y por concecuencia aumenta la temperatura de todo el cuerpo. El calor también se propaga en forma de convección desde la barra a la mano de la persona que la sostiene. La convección se produce cuando el aire se calienta, esto produce que el aire de mayor temperatura suba. La radiación se produce por las vibraciones termicas de las particulas; esto es en todas direcciones y sentidos.

Imagen 4: Mecanismos de transferencia de energía a través de calor

Temperatura

La temperatura es la asociamos con la energía cinética de las partículas; a mayor energía cinética, mayor temperatura. La energía cinética es la energía asociada al movimiento de las partículas.

La temperatura se mide con instrumentos llamados termómetros; los cuales poseen escalas térmicas. Estas escalas de temperatura son tres, la escala Fahrenheit (ºF), la Celsius (ºC) y la Kelvin (K). Para poder realizar la conversión de una escala a otra se plantean las siguientes ecuaciones: (pág. 554)

Ecuación 1

Ecuación 2

Es importante mencionar que de la escala Fahrenheit no existe conversión directa a la escala Kelvin; pero que aún así existe una relación proporcional entre las tres escalas; la proporción entre la escala Kelvin y Celsius es de 1:1 ya que las dos se crearon basandose en el punto de fusión y de ebullición del agua; para la escala Fahrenheit la propoción es otra porque entre el punto de fusión del agua y el de ebullición existen 180º y no 100 como en las otras dos escalas. Esto se ejemplifica en la imagen 5 y la ecuación 3.

Imágen 5: Escalas de temperatura

Ecuación 3

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Escalas de temperatura

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Calorimetría

La calorimetría es una parte de la física que estudia de la medición del calor y de las constantes térmicas; entre estas constantes térmicas existen:

1.- Capacidad Calórica (C): Es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de una muestra en 1°C. (pág. 556)

2.- Calor específico (c): Es la capacidad calórica por unidad de masa. (pág. 556)

3.- Calor latente (L): Es cuando se cambia la estructura molecular de la sustancia (cambio de fase) por la variación de energía; si el cuerpo absorbe energía el calor latente es positivo y si libera es negarivo. El diagrama muestra los cambios de estado (pág. 560)

Ecuación 5

Ecuación 4

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Calorimetría

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Ecuación 6

Los procesos donde la sustancia absorbe energía son los de color rojo, más especificamente, la sublimación o sublimación progresiva, la ebullición y la fusión; por otra parte los procesos donde se libera energía se señalan de color verde, como la deposición o sublimación regresiva, la solidificación y la condensación.

Cuando la materia absorbe energía a través de calor, las partículas se exitan, por ende la energía cinética interna aumenta lo que proboca un aumento en la temperatura del cuerpo. Entonces cuando la materia libera energía a través de calor, la energía cinética interna de las partículas disminuye lo cual proboca que la temperatura del cuerpo disminuya.

Imagen 6: Cambios de fase

Es importante saber que una sustancia puede estar en dos fases distintas a la vez. Esto ocurre ya que los puntos de fusión (Tfus) y ebullición (Teb) son puntos donde la materia puede estar en los dos estados (mientras se genera la absorción o la liberación de energía); el gráfico 1 muestra estos casos.