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Ciencias Naturales, La materia y sus transformaciones

6° Básico

El calor

Cuando aplicamos calor a un gas ideal, la rapidez entre las moléculas o átomos que componen el gas aumenta. Esto se traduce en que los choques son cada vez más fuertes y frecuentes.

La palabra calor es un término muy común en nuestro lenguaje cotidiano. A diario escuchamos frases como:“hace mucho calor”, “está caliente”, etc. Pero ¿qué es el calor?

Es una forma de energía, que generalmente se asocia con la energía transferida entre distintos sistemas; en el lenguaje cotidiano, cuando ponemos un cuerpo frente a una fuente de calor (una cocina, estufa, etc.) decimos que le aplicamos calor al cuerpo.

Cuando queremos calentar agua y prendemos la cocina para hacerlo, de alguna forma se transfiere la energía desde la llama del fuego hasta el agua. En palabras técnicas, se ha permitido el ingreso de energía en forma de calor al agua. Ahora bien, ¿cuál es el resultado de aplicar calor a un material?

Al aplicar calor a un material, sea este un líquido, sólido o gas, lo que estamos haciendo es aumentar la agitación o movimiento que tiene cada una de las partículas que lo compone. Es decir, la energía transferida es utilizada por los átomos o moléculas para aumentar su energía cinética.

En un gas, como el aire, dado que las moléculas no están ligadas unas a otras, las interacciones entre ellas son solo choques, muy similares a los que podemos observar entre las bolas sobre una mesa de pool. A este tipo de sistema se le denomina gas ideal.

En un gas ideal el movimiento de las partículas es muy, pero muy rápido. Por ejemplo, en el aire, la rapidez de una molécula de oxígeno a temperatura ambiente (20º C) es superior a 400 m/s. ¿Puedes imaginarte una rapidez como esa? ¡Es 4 veces la rapidez permitida en las autopistas de alta velocidad!

Partículas chocadoras

Cuando aplicamos calor a un gas ideal, la rapidez entre las moléculas o átomos que componen el gas aumenta. Esto se traduce en que los choques son cada vez más fuertes y frecuentes.

Algo similar a lo que observaríamos en un gas ideal es lo que sucede en el juego de los “autos chocadores”. El incremento de la energía cinética de las partículas de un gas, por medio de la aplicación de calor, se refleja en un aumento de la temperatura del gas.

En general, la temperatura indica el movimiento de las partículas que componen un material: a mayor temperatura, mayor es el movimiento de estas partículas.  Este efecto se puede observar cuando lavamos ropa. Cuando se lava con agua caliente, la agitación térmica (movimiento de las partículas) acelera el proceso de limpieza y desmanchado, favoreciendo de esta forma la acción de los químicos presentes en el detergente.

Las transferencias de calor o energía se producen porque los sistemas buscan su estado de equilibrio, aquel en que se encuentran más “cómodos”. En estado de equilibrio las variables termodinámicas –temperatura, presión, volumen, número de partículas, energía, etc.– del sistema permanecen constantes. Por ejemplo, cuando calentamos un sistema, este no se encuentra en equilibrio, pues a cada momento su temperatura, volumen o presión varían.

¿Qué sucede cuando existen diferencias de temperatura?

Cuando permitimos que dos sistemas con diferentes temperaturas entren en contacto, ambos sistemas alcanzan un nuevo estado en el que la temperatura de ambos es la misma. Este fenómeno implica transferencias de energía desde un sistema al otro. En general, se transfiere energía desde los sistemas que se encuentran a mayor temperatura hacia los sistemas que se encuentran a una temperatura inferior.

Es por esta razón que cuando deseamos beber bebidas heladas, utilizamos hielo. El resultado de haber puesto en contacto el hielo con la bebida es que esta disminuye su temperatura, mientras que la del hielo aumenta, por lo que después de algún tiempo se habrá derretido.

En este caso, al principio tenemos partículas que se mueven rápido (moléculas de la bebida) y otras que se mueven más lento (moléculas del hielo). Cuando entran en contacto ambos materiales (hielo y bebida), las moléculas de la bebida transfieren energía a las del hielo, de modo que estas (moléculas de la bebida) disminuyen su temperatura, pues ha disminuido su energía; asimismo, las moléculas del hielo aumentan su temperatura, pues han absorbido energía desde las moléculas de la bebida.

¿Sabías que?

En un fluido (un líquido o un gas) confinado en un lugar específico, la presión es la misma en todos los puntos y direcciones. Lo anterior es conocido como “principio de Pascal”.

¿Qué es la tenmperatura?

La temperatura, que es la magnitud asociada a la energía interna que tiene un sistema, se mide con un instrumento denominado termómetro. Este puede estar a diferentes escalas dependiendo de los valores que tienen como referencia para la temperatura de fusión del hielo puro (punto de congelamiento) y la temperatura de ebullición del agua pura a la presión atmosférica normal.

Las tres escalas o sistemas de medición de la temperatura más importantes son: la del sueco Anders Celsius (1701-1744), la del alemán Gabriel Daniel Fahrenheit (1686-1736) y la del británico William Thomson Kelvin (1824-1907).

En la de Celsius, la temperatura de fusión del hielo es 0 ºC y la de ebullición del agua es 100 ºC.

En la de Fahrenheit, la fusión se produce a los 32 ºF y la ebullición a los 212 ºF.

La de Kelvin se inicia en la temperatura más baja posible y teóricamente alcanzable, llamada cero absoluto o 0 ºK (-273,15 ºC ó – 460 ºF), a la que las partículas dejan de moverse. Sus grados son de igual amplitud que los de la escala de Celsius.

Características y escalas de temperatura

El calor, que es estudiado por una una rama de la física llamada Termodinámica, se puede definir como energía producto del movimiento de las moléculas. El calor es energía pura en tránsito, ya que siempre está fluyendo de una parte a otra. Siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una más fría, aumentando la temperatura en esta última y disminuyendo la temperatura de la primera zona, siempre y cuando el volumen de los cuerpos se mantenga constante.

La temperatura

Temperatura es la medida del calor o del frío relativo de un cuerpo (y no la cantidad de calor que este contiene o puede rendir).

Cuando tocamos algo, lo sentimos frío o caliente. Esto depende directamente de la temperatura del objeto y de su capacidad de conducir el calor. Al variar las temperaturas, las sustancias pueden dilatarse o contraerse, cambiar su resistencia eléctrica y si es un gas, variar su presión.

Para medir la temperatura se utilizan distintas escalas, entre las que contamos la Celsius o escala centígrada, la escala Fahrenheit y la escala Kelvin.

En la escala Celsius, el punto de congelación del agua equivale a 0°C, y su punto de ebullición a 
100°C. Esta escala se utiliza en casi todo el mundo.

La escala Fahrenheit se utiliza en los países anglosajones. El punto de congelación del agua es de 32°F, y su punto de ebullición, 212°F.

Finalmente, en la escala Kelvin, el cero se define como el cero absoluto de temperatura; es decir, -273,15 °C. La magnitud de su unidad (Kelvin), simbolizada por K, se define como igual a un grado Celsius.

Los grados Fahrenheit

Daniel Gabriel Fahrenheit nació en 1686 y fue un gran físico alemán. Se dedicó en gran parte a la fabricación de instrumentos meteorológicos y en 1714 construyó el primer termómetro con mercurio en vez de alcohol, ideando la escala de temperatura que lleva su nombre. Además, inventó un higrómetro y descubrió que, además del agua, hay otros líquidos que tienen un punto de ebullición que varía con los cambios de presión atmosférica.

¿Quién fue Celsius?

Anders Celsius fue un astrónomo sueco nacido en 1701, que propuso, por primera vez, el termómetro centígrado. Esto quiere decir que su escala tiene 100 grados que separan el punto de ebullición y el de congelación del agua. Fue profesor de astronomía, construyó el observatorio de Upsala en 1740, y fue nombrado su director. Publicó una colección de 316 observaciones sobre la aurora boreal y en 1737 formó parte de una expedición organizada para medir un grado de latitud en las regiones polares.

William Kelvin

William Kelvin nació en Inglaterra en 1824 y se dedicó a la física y la matemática. En 1848 estableció la escala de temperatura que lleva su nombre. Además, estudió la teoría matemática de la electrostática y contribuyó a la teoría de la elasticidad. Entre los aparatos más conocidos que inventó se encuentran un dispositivo para predecir mareas, un analizador armónico y un aparato para grabar sonidos en aguas más o menos profundas.