Física térmica

La materia existe en tres estados: sólido, líquido y gaseoso.

Los cambios de estado son: fusión (sólido → líquido), ebullición/evaporación (líquido → gas), condensación (gas → líquido) y solidificación (líquido → sólido). En la condensación, las partículas gaseosas disminuyen su velocidad y se acercan para formar un líquido. En la solidificación, las partículas líquidas pierden energía y se asientan en posiciones fijas.

Toda la materia está formada por pequeñas partículas que siempre están en movimiento. Este es el modelo cinético de partículas.

• En un sólido, las partículas solo vibran alrededor de posiciones fijas.
• En un líquido siguen estando juntas pero pueden deslizarse unas respecto a otras.
• En un gas están separadas y se mueven rápidamente en direcciones aleatorias.

Temperatura y energía de las partículas

Cuando se calienta una sustancia, sus partículas se mueven más rápido, por lo que tienen más energía cinética. La temperatura es una medida de la energía cinética media de las partículas.

La temperatura más baja posible es el cero absoluto, $-273\,{}^{\circ}\text{C}$. En este punto, las partículas tienen la menor energía posible.

Presión del gas

Las partículas de gas golpean las paredes de su contenedor. Cada golpe es un pequeño empuje. La presión del gas es la fuerza total de estos golpes por unidad de área.

• Calentar un gas (a volumen constante) hace que las partículas se muevan más rápido y choquen con más fuerza y frecuencia, por lo que la presión aumenta.
• Comprimir un gas en un volumen más pequeño (a temperatura constante) significa más choques por segundo en cada unidad de área, por lo que la presión aumenta.

Para una masa fija de gas a temperatura constante:

Así que si el volumen se reduce a la mitad, la presión se duplica.

Ejemplo resuelto. Un gas tiene un volumen de $200\ \text{cm}^3$ a una presión de $100\ \text{kPa}$. Se comprime hasta $50\ \text{cm}^3$ a temperatura constante. Encuentre la nueva presión.

Dado que $pV$ permanece constante, $p_1 V_1 = p_2 V_2$:

Verifique la respuesta con una proporción: el volumen se convirtió en $\tfrac{1}{4}$ veces tan grande, por lo que la presión se convirtió en $4$ veces tan grande. Puede mantener cm³ y kPa aquí, porque las mismas unidades están en ambos lados de la ecuación.

Movimiento browniano

Si observa humo en el aire bajo un microscopio, ve pequeños granos moviéndose de manera irregular y aleatoria. Esto es el movimiento browniano. Los granos son empujados por partículas de aire rápidas e invisibles que los golpean. Es una fuerte evidencia para el modelo cinético de partículas.

La escala kelvin

Los científicos a menudo usan la escala de temperatura kelvin (K), que comienza en el cero absoluto. Para convertir:

Entonces $0\,{}^{\circ}\text{C} = 273\ \text{K}$.

Ejemplo resuelto. Convertir $25\,{}^{\circ}\text{C}$ a kelvin, y $200\ \text{K}$ a grados Celsius.

Cuando se calienta la materia, sus partículas se mueven más y ocupan más espacio, por lo que el material se expande. Los gases se expanden más, seguidos de los líquidos y luego los sólidos. Este orden proviene de las fuerzas entre las partículas: en un sólido, las partículas están sujetas firmemente en una red cristalina (un patrón fijo), por lo que solo pueden vibrar un poco más; en un líquido están sujetas menos fuertemente; en un gas las fuerzas son muy débiles, por lo que las partículas se dispersan mucho más.

Ejemplos cotidianos: se dejan huecos entre los raíles del ferrocarril; los puentes descansan sobre rodillos; una tapa metálica ajustada se afloja al calentarse.

La energía interna de un objeto es la suma total de la energía cinética y potencial microscópica aleatoria de sus partículas, excluyendo el movimiento y la posición del objeto como un todo. Calentar un objeto aumenta su energía interna y generalmente su temperatura.

La capacidad calorífica específica es la energía necesaria para elevar la temperatura de 1 kg de un material en 1 °C.

Un material con una capacidad calorífica específica alta (como el agua) necesita mucha energía para calentarse y se enfría lentamente.

Ejemplo resuelto. ¿Cuánta energía se necesita para calentar $2.0\ \text{kg}$ de agua desde $20\,{}^{\circ}\text{C}$ hasta $70\,{}^{\circ}\text{C}$? La capacidad calorífica específica del agua es $4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$.

Reordenando $c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$ se obtiene $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, con $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$:

Medición de la capacidad calorífica específica. Para un sólido, use un bloque de metal con dos agujeros: uno para un calentador eléctrico y otro para un termómetro. Mida la masa $m$ del bloque. Encienda el calentador durante un tiempo medido $t$ y registre la corriente $I$ y el voltaje $V$, para que la energía suministrada sea $E = IVt$ (o lea la energía de un joulemetro). Registre el aumento de temperatura $\Delta\theta$. Luego $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$. Para un líquido, caliente una masa medida del líquido en un recipiente y agítelo, para que la temperatura sea uniforme en todo momento. Envuelva el bloque o el recipiente en material aislante, para que escape menos energía al aire.

Ejemplo resuelto (de datos experimentales). Un bloque de aluminio de $1.0\ \text{kg}$ se calienta con un calentador de $12\ \text{V}$ con una corriente de $4.0\ \text{A}$ durante $5.0$ minutos. Su temperatura sube de $20\,{}^{\circ}\text{C}$ a $35\,{}^{\circ}\text{C}$. Calcule la capacidad calorífica específica del aluminio.

Tiempo en segundos: $t = 5.0 \times 60 = 300\ \text{s}$. Energía suministrada:

Aumento de temperatura: $\Delta\theta = 35 - 20 = 15\,{}^{\circ}\text{C}$.

El valor teórico para el aluminio es aproximadamente $900\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$. El valor medido es demasiado alto, porque parte de la energía del calentador escapó al aire y no calentó el bloque. El cálculo asume que toda $14\,400\ \text{J}$ entró en el bloque, por lo que da un valor demasiado grande. Un mejor aislamiento acerca el resultado.

Fusión y ebullición requieren energía, pero la temperatura permanece constante mientras ocurre el cambio de estado. Esta energía rompe las fuerzas entre las partículas. Para el agua a presión atmosférica normal, la fusión ocurre a $0\,{}^{\circ}\text{C}$ y la ebullición a $100\,{}^{\circ}\text{C}$.

Evaporación es cuando un líquido cambia a gas en su superficie, por debajo del punto de ebullición. Las partículas más rápidas escapan desde la superficie. Como las partículas más rápidas (más energéticas) se van, la energía promedio de las restantes disminuye, por lo que el líquido se enfría. Un objeto que toca un líquido evaporándose también se enfría, porque el líquido toma energía de él: esta es la razón por la cual el sudor enfría tu piel.

La evaporación es más rápida cuando la temperatura es mayor, el área superficial es más grande y hay más movimiento de aire sobre la superficie.

Ejemplo resuelto (lectura de una curva de enfriamiento). Una cera líquida caliente en un tubo de ensayo se deja enfriar en una habitación a $20\,{}^{\circ}\text{C}$. Un estudiante lee su temperatura cada minuto y traza la gráfica.

(a) ¿Cuál es el punto de fusión de la cera? La parte plana está en $69\,{}^{\circ}\text{C}$. Una sustancia funde y solidifica a la misma temperatura, por lo tanto el punto de fusión es $69\,{}^{\circ}\text{C}$.

(b) ¿Qué ocurre entre 4 y 10 minutos? La cera está solidificándose: el tubo contiene tanto cera líquida como sólida.

(c) ¿Por qué la temperatura se mantiene constante mientras se pierde energía hacia la habitación? Al solidificar la cera, sus partículas se acercan y quedan fijas por las fuerzas entre ellas. Esto libera energía, que reemplaza a la perdida hacia la habitación, por lo que la temperatura no baja.

(d) ¿Por qué el sólido se enfría más lentamente al final? La cera ahora está más cerca de la temperatura ambiente, así que transfiere energía a la habitación más despacio.

La energía térmica se transfiere de los lugares calientes a los fríos de tres formas.

Conducción

Conducción es la transferencia de energía térmica a través de un material sin que este se mueva. Las partículas en un sólido están dispuestas en una red cristalina. Las partículas calentadas vibran más y transmiten la energía a sus vecinas. En los metales, los electrones libres (electrones deslocalizados) transportan la energía rápidamente, por lo que los metales son buenos conductores térmicos.

Los materiales que conducen mal (como el aire, la madera y el plástico) son aislantes térmicos.

Prueba de conductores. Fija una chincheta con un poco de cera en un extremo de varillas de cobre, hierro, vidrio y madera, y calienta los otros extremos por igual. La chincheta cae primero de la varilla de cobre, luego de la de hierro, y al final (o nunca) de la de vidrio y la madera: los metales son los mejores conductores. Una varilla metálica sostenida en una llama se calienta rápidamente; una varilla de madera no.

Los gases y la mayoría de los líquidos son malos conductores porque sus partículas están muy separadas y solo transmiten energía cuando chocan accidentalmente. No hay red cristalina ni electrones libres.

Convección

Convección ocurre en líquidos y gases. Cuando un fluido se calienta, se expande, se vuelve menos denso y asciende. El fluido más frío y denso desciende para ocupar su lugar. Este círculo de fluido en movimiento es una corriente de convección.

Demostración de convección. Deposita un cristal de permanganato de potasio púrpura en un vaso de agua y calienta suavemente el vaso debajo del cristal. Una corriente coloreada asciende sobre el calor, se extiende por la parte superior y desciende por los lados. En el aire, una vela encendida bajo una chimenea de una caja de humos atrae el humo hacia abajo por la otra chimenea y hacia arriba sobre la llama.

La convección no puede ocurrir en un sólido porque las partículas no pueden moverse de un lugar a otro.

Radiación

Radiación térmica es energía transportada por ondas infrarrojas. Todos los objetos la emiten y no necesita material para viajar; puede cruzar el espacio vacío (así es como la energía llega a nosotros desde el Sol).

Una superficie mate y negra es un buen emisor y un buen absorbedor de infrarrojos. Una superficie brillante y blanca es un mal emisor y un buen reflector.

Comparación de superficies. Rellena dos latas, una mate negra y otra plateada brillante, con agua caliente a la misma temperatura, e introduce un termómetro en cada una. La lata negra se enfría más rápido, por lo que es mejor emisora. Luego coloca las mismas dos latas, llenas de agua fría, a igual distancia de un calefactor. La lata negra se calienta más rápido, por lo que es mejor absorbadora. Un cubo de Leslie (una caja metálica con un lado de cada acabado) muestra lo mismo.

Un objeto se mantiene a una temperatura constante cuando emite energía a la misma tasa con la que la absorbe. La tasa de emisión es mayor cuando la superficie está más caliente y es más grande. Si un objeto absorbe energía más rápido de la que emite, su temperatura sube; si emite más rápido de la que absorbe, su temperatura baja.

La temperatura de la Tierra. La Tierra absorbe radiación del Sol y emite radiación infrarroja de vuelta al espacio. Su temperatura media se mantiene constante solo cuando ambas tasas son iguales. Cualquier cosa que altere este equilibrio cambia la temperatura. Los gases en la atmósfera, como el dióxido de carbono, absorben parte de la radiación infrarroja emitida y devuelven parte de ella hacia abajo, por lo que más de estos gases calienta la Tierra. Las nubes y el hielo reflejan la luz solar entrante, por lo que menos hielo significa que se absorbe más energía y la Tierra se calienta aún más.

Investigación del aislamiento

Las preguntas prácticas suelen pedirte que planifiques o analices una investigación sobre la eficacia de los materiales para reducir la transferencia de energía.

Método. Vierte el mismo volumen de agua caliente (por ejemplo, $200\ \text{cm}^3$) a la misma temperatura inicial en vasos de precipitados idénticos. Envuelve un vaso en algodón, otro en plástico de burbujas y otro en papel de aluminio, y deja uno sin envolver como control. Coloca una tapa en cada uno y pasa un termómetro a través de cada tapa. Registra cada temperatura cada 2 minutos durante 20 minutos.

• Variable independiente (lo que cambias): el material aislante.
• Variable dependiente (lo que mides): la temperatura después de un tiempo fijo o la disminución de temperatura.
• Variables de control (se mantienen iguales): el volumen y la temperatura inicial del agua, el tipo de vaso de precipitados, el grosor de la envoltura, la tapa y la temperatura ambiente.

Ejemplo resuelto. Resultados de un estudiante después de 20 minutos:

(a) ¿Qué material es el mejor aislante? El algodón: la temperatura de su agua disminuyó solo 14 °C, la menor disminución. (b) Explica por qué. El algodón y el plástico de burbujas atrapan aire, que es un mal conductor, y el aire atrapado no puede moverse, por lo que también se reduce la convección. El papel brillante ayuda solo un poco: refleja parte de la radiación infrarroja, pero es un metal delgado, buen conductor, y no atrapa aire. (c) Sugiere una mejora. Repite cada prueba y calcula una media para que un resultado inusual no determine la respuesta; o usa un termómetro más delgado, o agita antes de cada lectura para que esta refleje la temperatura de toda el agua. (d) ¿Por qué cada vaso se enfría más lentamente con el paso del tiempo? El agua se acerca a la temperatura ambiente y la tasa de transferencia de energía depende de la diferencia de temperatura.

Lee el termómetro con los ojos a la altura de la superficie del líquido para evitar un error de paralaje.

Ejemplos cotidianos

• Una sartén de cocina tiene una base de metal que conduce la energía rápidamente a los alimentos, y un mango de plástico o madera que es un aislante, para que puedas sostenerla.
• Un radiador calienta una habitación por convección: el aire junto a él se calienta, asciende y el aire más frío entra para ocupar su lugar, de modo que toda la habitación se calienta.
• Al sentarse cerca de una fogata, sientes su radiación en el rostro de inmediato; el aire entre tú y el fuego es un mal conductor.
• Una botella térmica mantiene una bebida caliente reduciendo las tres transferencias de calor: el vacío entre sus paredes dobles detiene la conducción y la convección a través del espacio, y sus superficies plateadas brillantes reducen la radiación. Todavía escapa un poco de energía a través del tapón y el cuello.

• En el modelo cinético de partículas, calentar un gas hace que sus partículas se muevan más rápido y choquen contra las paredes con más fuerza y frecuencia, por lo que la presión aumenta. Las partículas en sí no se hacen más grandes.
• La evaporación ocurre solo en la superficie y a cualquier temperatura; la ebullición ocurre en todo el líquido a una temperatura fija. La evaporación enfría el líquido restante, porque las partículas más rápidas escapan.
• Durante la fusión y la ebullición, la temperatura se mantiene constante aunque se siga suministrando energía —esa energía rompe las fuerzas entre las partículas.
• Para la capacidad calorífica específica usa $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, donde $\Delta\theta$ es el cambio en la temperatura, no la temperatura final.
• En una investigación, identifica las variables independiente, dependiente y de control, y mantén igual todo excepto lo que cambias.
• Las superficies negras mates son los mejores emisores y absorbedores de infrarrojos; las superficies brillantes y claras son los mejores reflectores. La convección necesita un fluido que circule, por lo que no puede ocurrir en un sólido.

Errores comunes

• Usar la temperatura final en $\Delta E = mc\,\Delta\theta$. Usar el cambio de temperatura.
• Dejar el tiempo de calentamiento en minutos como en $E = IVt$. Cambiarlo a segundos.
• Decir que las partículas se expanden cuando se calienta una sustancia. Las partículas mantienen el mismo tamaño; se mueven más rápido y se separan más.
• Decir «no se suministra energía» en una parte horizontal de una curva de calentamiento. Se sigue suministrando energía; esta cambia el estado en lugar de aumentar la temperatura.
• Sumar 273 a una temperatura que ya está en kelvin, u olvidar sumarla al convertir de °C.
• Decir que la convección ocurre porque «el calor sube». El fluido calentado se expande, se vuelve menos denso y asciende; el fluido más frío y denso desciende.