En física, el concepto de "calor" está asociado con la transferencia de energía térmica entre diferentes cuerpos. Debido a estos procesos, se produce el calentamiento y enfriamiento de los cuerpos, así como un cambio en sus estados de agregación. Consideremos con más detalle la cuestión de qué es el calor.
Concepto concepto
¿Qué es el calor? Cada persona puede responder a esta pregunta desde un punto de vista cotidiano, es decir, bajo el concepto en consideración, las sensaciones que tiene cuando sube la temperatura ambiente. En física, este fenómeno se entiende como el proceso de transferencia de energía asociado a un cambio en la intensidad del movimiento caótico de las moléculas y átomos que forman el cuerpo.
En general, podemos decir que cuanto más alta es la temperatura del cuerpo, más energía interna se almacena en él y más calor puede dar a otros objetos.
Calor y temperatura
Sabiendo la respuesta a la pregunta de qué es el calor, muchos pueden pensar que este concepto es similar al concepto de "temperatura", pero no es así. El calor es energía cinética, la temperatura es una medida de estaenergía. Entonces, el proceso de transferencia de calor depende de la masa de la sustancia, del número de partículas que la componen, así como del tipo de estas partículas y la velocidad promedio de su movimiento. A su vez, la temperatura depende únicamente del último de los parámetros enumerados.
La diferencia entre calor y temperatura es fácil de entender si realiza un experimento simple: debe verter agua en dos recipientes para que uno esté lleno y el otro solo hasta la mitad. Poniendo ambos recipientes al fuego, se puede observar que el que tiene menos agua comienza a hervir primero. Para que el segundo recipiente hierva, necesitará un poco más de calor del fuego. Cuando ambos recipientes estén hirviendo, puede medir su temperatura, será la misma (100 oC), pero se necesita más calor para que un recipiente lleno hierva agua en él.
Unidades de calor
Según la definición de calor en física, se puede suponer que se mide en las mismas unidades que la energía o el trabajo, es decir, en julios (J). Además de la unidad principal de calor, en la vida cotidiana a menudo se puede escuchar acerca de las calorías (kcal). Este concepto se entiende como la cantidad de calor que se necesita transferir a un gramo de agua para que su temperatura aumente 1 kelvin (K). Una caloría equivale a 4,184 J. También puede escuchar acerca de las calorías grandes y pequeñas, que son 1 kcal y 1 cal, respectivamente.
El concepto de capacidad calorífica
Sabiendo qué es el calor, consideremos una cantidad física que lo caracterice directamente: la capacidad calorífica. Bajo este concepto,la física se refiere a la cantidad de calor que se le debe dar o quitar a un cuerpo para que su temperatura cambie en 1 kelvin (K).
La capacidad calorífica de un cuerpo en particular depende de 2 factores principales:
- sobre la composición química y estado de agregación en que se presenta el cadáver;
- de su masa.
Para que esta característica sea independiente de la masa de un objeto, en la física del calor se introdujo otra cantidad: la capacidad calorífica específica, que determina la cantidad de calor transferido o absorbido por un cuerpo determinado por 1 kg de su masa cuando la temperatura cambia en 1 K.
Para mostrar claramente la diferencia en las capacidades caloríficas específicas para diferentes sustancias, por ejemplo, tome 1 g de agua, 1 g de hierro y 1 g de aceite de girasol y caliéntelos. La temperatura cambiará más rápido para la muestra de hierro, luego para la gota de aceite y por último para el agua.
Tenga en cuenta que la capacidad calorífica específica depende no solo de la composición química de la sustancia, sino también de su estado de agregación, así como de las condiciones físicas externas en las que se considera (presión constante o volumen constante).
La ecuación principal del proceso de transferencia de calor
Habiendo tratado la cuestión de qué es el calor, se debe dar la expresión matemática principal que caracteriza el proceso de su transferencia para absolutamente cualquier cuerpo en cualquier estado de agregación. Esta expresión tiene la forma: Q=cmΔT, donde Q es la cantidad de calor transferido (recibido), c es el calor específico del objeto en cuestión, m -su masa, ΔT es el cambio en la temperatura absoluta, que se define como la diferencia en las temperaturas corporales al final y al comienzo del proceso de transferencia de calor.
Es importante entender que la fórmula anterior siempre será válida cuando, durante el proceso considerado, el objeto conserva su estado de agregación, es decir, permanece líquido, sólido o gaseoso. De lo contrario, no se puede utilizar la ecuación.
Cambio en el estado de agregación de la materia
Como saben, hay 3 estados agregados principales en los que la materia puede ser:
- gas;
- líquido;
- cuerpo sólido.
Para que se produzca una transición de un estado a otro, es necesario que el cuerpo informe o le quite calor. Para tales procesos en física, se introdujeron los conceptos de calores específicos de fusión (cristalización) y ebullición (condensación). Todas estas cantidades determinan la cantidad de calor necesaria para cambiar el estado de agregación, que libera o absorbe 1 kg de peso corporal. Para estos procesos es válida la ecuación: Q=Lm, donde L es el calor específico de la correspondiente transición entre los estados de la materia.
A continuación se muestran las principales características de los procesos de cambio del estado de agregación:
- Estos procesos tienen lugar a una temperatura constante, como hervir o derretir.
- Son reversibles. Por ejemplo, la cantidad de calor que un cuerpo dado absorbió para fundirse será exactamente igual a la cantidad de calor que se liberará al ambiente si ese cuerpo pasa de nuevo.a estado sólido.
Equilibrio térmico
Este es otro tema importante relacionado con el concepto de "calidez" que debe tenerse en cuenta. Si dos cuerpos con diferentes temperaturas se ponen en contacto, luego de un tiempo la temperatura en todo el sistema se equilibrará y será la misma. Para lograr el equilibrio térmico, un cuerpo con una temperatura más alta debe ceder calor al sistema y un cuerpo con una temperatura más baja debe aceptar este calor. Las leyes de la física del calor que describen este proceso se pueden expresar como una combinación de la ecuación principal de transferencia de calor y la ecuación que determina el cambio en el estado agregado de la materia (si lo hay).
Un ejemplo sorprendente del proceso de establecimiento espontáneo del equilibrio térmico es una barra de hierro al rojo vivo que se arroja al agua. En este caso, la plancha caliente cederá calor al agua hasta que su temperatura sea igual a la temperatura del líquido.
Métodos básicos de transferencia de calor
Todos los procesos conocidos por el hombre relacionados con el intercambio de energía térmica ocurren de tres maneras diferentes:
- Conductividad térmica. Para que el intercambio de calor se produzca de esta manera, es necesario el contacto entre dos cuerpos con temperaturas diferentes. En la zona de contacto a nivel molecular local, la energía cinética se transfiere de un cuerpo caliente a uno frío. La velocidad de esta transferencia de calor depende de la capacidad de los cuerpos involucrados para conducir el calor. Un ejemplo notable de conductividad térmica eshumano tocando una barra de metal.
- Convección. Este proceso requiere el movimiento de materia, por lo que se observa solo en líquidos y gases. La esencia de la convección es la siguiente: cuando se calientan capas de gas o líquido, su densidad disminuye, por lo que tienden a elevarse. Durante su ascenso en el volumen de líquido o gas, transfieren calor. Un ejemplo de convección es el proceso de hervir agua en una tetera.
- Radiación. Este proceso de transferencia de calor ocurre debido a la emisión de radiación electromagnética de varias frecuencias por parte de un cuerpo calentado. La luz del sol es un excelente ejemplo de radiación.
