Hay muchas formas de detectar el calor. El método a elegir depende de la
fuente de calor; por ejemplo, no es lo mismo detectar el calor del aire, que el
del fuego o el de un objeto en el espacio.
Todos sentimos diferentes niveles de calor. Nuestra piel es un buen
detector de calor que nos permite interpretar el movimiento molecular medio en
un objeto como una sensación de frío o calor. Pero nuestra piel no siempre nos
da medidas consistentes del calor.
ACTIVIDAD:
Toma 3 recipientes de agua -
en una muy fría, en otra tibia y en la otra muy caliente (pero no te quemes!).
Pon una mano en el agua caliente y otra en el agua muy fría por 5 segundos y
después pon ambas manos en el recipiente templado. Notarás que el agua templada
se sentirá caliente en la mano que estaba antes en el agua fría y fría en la
que estaba caliente. Nuestra piel nos da información sobre la diferencia de
temperaturas entre la piel y el objeto que estamos tocando, pero no nos
proporciona una medida de la temperatura en si.
Para ésto necesitamos instrumentos especiales que pueden medir de forma
precisa el calor, como un termómetro. Los termómetros y los otros instrumentos
para medir la temperatura se usan para obtener una medida cuantitativa del
movimiento medio de las moléculas en la sustancia. Asignan a este movimiento
molecular medio un número de grados a los que llamamos temperatura.
Todos nosotros hemos usado termómetros para medir el calor, pero algunas
veces necesitamos medirlo en sitios donde no podemos poner un termómetro, como
por ejemplo en el espacio, en metales fundidos y en fuegos calientes. En estas
situaciones necesitamos instrumentos que nos permitan medir el calor sin tocar
la fuente de energía. Estos instrumentos miden la radiación térmica que es
emitida por la fuente de calor. Ejemplos de estos tipos son las cámaras y
detectores infrarrojos.
En el sistema métrico el calor se mide en unidades llamadas julios, en
el sistema británico se mide en Unidades Térmicas Británicas (BTU). El calor
también se puede medir en calorías.
La unidad Julio fue
nombrada en honor del físico Inglés James Prescott Joule (1818 - 1889),
descubridor de que el calor es un tipo de energía.
El experimento de Joule fue
muy importante porque demostró que podemos calentar agua sin necesidad de usar
fuego. En un recipiente con agua y con un termómetro para controlar su
temperatura, Joule hizo girar vigorosamente un molinillo. Después de un rato se
dio cuenta de que la temperatura del agua aumentaba. Trás de repetir el
experimento muchas veces llegó a la conclusión de que 4.19 Julios de trabajo
eran necesarios para subir la temperatura de un gramo de agua un grado Celsius.
Un BTU es la cantidad de calor necesaria para subir la temperatura de una
libra de agua un grado Fahrenheit.
1 BTU = 1,000 Julios
Una caloría es la cantidad de calor necesaria para subir la temperatura de
un gramo de agua un grado Celsisus.
1 caloría (cal) = 4.186 Julios
PROBLEMA:
Una chocolatina tiene 150 calorías por racción y cada chocolatina tiene dos
racciones. Cuántos Julios tiene?
Cuántas calorías necesitamos
para calentar dos gramos de agua de 20 a 22 grados Celsius?
Se han inventado muchos
instrumentos para medir la temperatura de forma precisa. Todo empezó con el
establecimiento de una escala de temperaturas. Esta escala permite asignar un
número a cada medida de la temperatura.
A principios del siglo
XVIII, Gabriel Fahrenheit (1686-1736) creó la escala Fahrenheit. Fahrenheit
asignó al punto de congelación del agua una temperatura de 32 grados y al punto
de ebullición una de 212 grados. Su escala está anclada en estos dos puntos.
Unos años más tarde, en
1743, Anders Celsius (1701-1744) inventó la escala Celsius. Usando los mismos
puntos de anclaje Celsius asignó al punto de congelación del agua una
temperatura de 0 grados y al de ebullición una de 100 grados. La escala Celsius
se conoce como el Sistema Universal. Es el que se usa en la mayoría de los
paises y en todas las aplicaciones científicas.
Hay un límite a la
temperatura mínima que un objeto puede tener. La escala Kelvin está diseñada de
forma que este límite es la temperatura 0. La relación entre las diferentes
escalas de temperatura es la siguiente:
oK
= 273.15 + oC oC =
(5/9)*(oF-32) oF =
(9/5)*oC+32
|
|
oF
|
oC
|
oK
|
|
El
agua hierve a
|
212
|
100
|
373
|
|
Temperatura
Ambiente
|
72
|
23
|
296
|
|
El
agua se congela a
|
32
|
0
|
273
|
|
Cero
Absoluto
|
-460
|
-273
|
0
|
A la temperatura del cero
absoluto no hay movimiento y no hay calor. Es cuando todo el movimiento atómico
y molecular se detiene y es la temperatura más baja posible. El cero absoluto
tiene lugar a 0 grados Kelvin, -273.15 grados Celsius o -460 grados Farenheit.
Todos los objetos tienen una temperatura más alta que el cero absoluto y por lo
tanto emiten energía térmica o calor.
Si queremos entender qué
significa la temperatura a nivel molecular debemos recordar que la temperatura
es la energía media de las moléculas que componen una sustancia. Los átomos y
las moléculas no siempre se mueven a la misma velocidad. Esto significa que hay
un rango de energías entre ellas. En un gas, por ejemplo, las moléculas se
mueven en direcciones aleatorias y a diferentes velocidades - algunas se mueven
rápido y otras más lentamente. A veces estas moléculas colisionan entre si.
Cuando esto tiene lugar las moléculas que se mueven más deprisa transfieren
parte de su energía a las que se mueven más despacio, haciendo que la más
rápidas se ralenticen y las más lentas se aceleren. Si ponemos más energía en
el sistema, la velocidad media de las moléculas se incrementa, lo que hace que
se produzca energía térmica o calor. Por lo tanto, temperaturas altas
corresponden a sustancias que tienen un movimiento medio molecular mayor.
Nostros, por supuesto, no podemos sentir ni medir el movimiento de cada
molécula, solo el movimiento medio de todas ellas.
Pulse aquí para ver un "applet" de
java que muestra cómo las moléculas se mueven a diferentes temperaturas
(Inglés).
En un objeto frío las
moléculas se mueven lentamente y en uno caliente se mueven deprisa. Cuando dos
objetos se ponen en contacto sus movimientos moleculares medios se igualan y
cuando esto ocurre se dice que han alcanzado equilibrio térmico.
Para más información
sobre la temperatura vea:
Hay también varios sitios
en la red donde se discuten diferentes instrumentos para medir la temperatura y
cómo funciona cada uno.
- Cómo Funcionan los Termómetros (Inglés)
- Termómetros (Inglés)
- Tipos de Termómetros y Cómo Funcionan (Inglés)
Sensores de Temperatura (Inglés)
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