¿Qué es realmente el calor? Acércate lo suficiente, y todo está hecho de partículas diminutas, siempre en movimiento. Calienta algo, y sus partículas se mueven más rápido. Enfríalo, y…
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2.1
Estados de la materia 物态
Syllabus
2.1.1 Estados de la materia
Básico
Complementario
1 Conocer las propiedades distintivas de los sólidos, líquidos y gases
2 Conocer los términos para los cambios de estado entre sólidos, líquidos y gases (no se requieren las transferencias de gas a sólido y de sólido a gas)
2.1.2 Modelo de partículas
Básico
Complementario
1 Describir la estructura de partículas de sólidos, líquidos y gases en términos del arreglo, separación y movimiento de las partículas, y representar estos estados mediante diagramas simples de partículas
6 Saber que las fuerzas y distancias entre partículas (átomos, moléculas, iones y electrones), así como el movimiento de las partículas, afectan las propiedades de sólidos, líquidos y gases
2 Describir la relación entre el movimiento de las partículas y la temperatura, incluyendo la idea de que existe una temperatura mínima posible ($-273\,{}^{\circ}\text{C}$), conocida como cero absoluto, donde las partículas tienen la menor energía cinética
3 Describir la presión y los cambios en la presión de un gas en términos del movimiento de sus partículas y sus colisiones con una superficie
7 Describir la presión y los cambios en la presión de un gas en términos de las fuerzas ejercidas por las partículas al colisionar con superficies, creando una fuerza por unidad de área
4 Saber que el movimiento aleatorio de partículas microscópicas en una suspensión es evidencia del modelo cinético de partículas de la materia
8 Saber que las partículas microscópicas pueden ser movidas por colisiones con moléculas ligeras y rápidas, y utilizar correctamente los términos átomos o moléculas como distintos de partículas microscópicas
5 Describir y explicar este movimiento (a veces conocido como movimiento browniano) en términos de colisiones aleatorias entre las partículas microscópicas en una suspensión y las partículas del gas o líquido
2.1.3 Gases y la escala absoluta de temperatura
Básico
Complementario
1 Describir cualitativamente, en términos de partículas, el efecto sobre la presión de una masa fija de gas debido a: (a) un cambio de temperatura a volumen constante (b) un cambio de volumen a temperatura constante
3 Recordar y usar la ecuación $pV = \text{constant}$ para una masa fija de gas a temperatura constante, incluyendo una representación gráfica de esta relación
2 Convertir temperaturas entre kelvin y grados Celsius; recordar y usar la ecuación $T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C)} + 273$
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
Teoría cinética: presión de un gas
La materia existe en tres estados: sólido 固体, líquido 液体 y gas 气体.
Estado
Forma
Volumen
Partículas
Sólido
fija
fijo
juntas, en un patrón regular, vibrando
Líquido
adopta la forma del recipiente
fijo
juntas, sin patrón, pueden moverse unas respecto a otras
Gas
llena el recipiente
variable
separadas, movimiento rápido y aleatorio
Los cambios de estado son: fusión (sólido → líquido), ebullición/evaporación (líquido → gas), condensación 凝结 (gas → líquido) y solidificación 凝固 (líquido → sólido). En la condensación, las partículas del gas disminuyen su velocidad y se acercan para formar un líquido. En la solidificación, las partículas del líquido pierden energía y se asientan en posiciones fijas.
Toda la materia está compuesta por pequeñas partículas 粒子 que están siempre en movimiento. Este es el modelo de partículas cinéticas.
En un sólido, las partículas solo vibran 振动 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.
Las mismas partículas en tres estados: fijas y ordenadas en un sólido, juntas pero desordenadas en un líquido, separadas y rápidas en un gas
Temperatura y energía de las partículas
Cuando calientas una sustancia, sus partículas se mueven más rápido, por lo que tienen más energía cinética 动能. La temperatura 温度 es una medida de la energía cinética media de las partículas.
La temperatura más baja posible es el cero absoluto 绝对零度, $-273\,{}^{\circ}\text{C}$. En este punto, las partículas tienen la menor energía posible.
Un termómetro digital mide la temperatura detectando la energía cinética de las partículas que toca
Presión del gas
Las partículas del gas chocan contra las paredes de su recipiente. Cada choque es un pequeño empuje. La presión 压强 del gas es la fuerza total de estos choques por unidad de área.
La presión del gas es la fuerza total de innumerables choques de partículas sobre cada unidad de área de la pared
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:
$$pV = \text{constant}$$
Así que si el volumen se reduce a la mitad, la presión se duplica.
A temperatura constante, la gráfica de presión–volumen es una curva: si reduces el volumen a la mitad, la presión se duplica, por lo que $pV$ permanece constante
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, $p_1 V_1 = p_2 V_2$:
Si observa el humo en el aire bajo un microscopio, ve pequeñas partículas moviéndose de manera entrecortada y aleatoria. Esto es el movimiento browniano. Las partículas son empujadas por las rápidas e invisibles partículas de aire que chocan contra ellas. Es una fuerte evidencia del modelo cinético de partículas.
Los impactos aleatorios de las rápidas partículas de aire empujan un grano de humo a lo largo de un camino entrecortado y aleatorio
La escala kelvin
Los científicos suelen utilizar la escala de temperatura kelvin (K), que comienza en el cero absoluto. Para convertir:
$$T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C}) + 273$$
Entonces $0\,{}^{\circ}\text{C} = 273\ \text{K}$.
Ejemplo resuelto. Convertir $25\,{}^{\circ}\text{C}$ a kelvin, y $200\ \text{K}$ a grados Celsius.
Deslice el émbolo hacia adentro para reducir el volumen. Las mismas partículas se apretujan en menos espacio, por lo que chocan con las paredes con más frecuencia y la presión aumenta — mientras que presión × volumen permanece constante.
transfer of thermal energy/ˈtrænsfɜː ɒv ˈθɜːml ˈenədʒi/
热能传递
rè néng chuán dì
2.2
Dilatación térmica 热膨胀
Syllabus
2.2.1 Expansión térmica de sólidos, líquidos y gases
Core
Supplement
1 Describir, cualitativamente, la expansión térmica de sólidos, líquidos y gases a presión constante
3 Explicar, en términos del movimiento y la disposición de las partículas, el orden de magnitudes relativo de la expansión de sólidos, líquidos y gases al aumentar su temperatura
2 Describir algunas aplicaciones cotidianas y consecuencias de la expansión térmica
2.2.2 Capacidad calorífica específica
Core
Supplement
1 Saber que un aumento de temperatura de un objeto incrementa su energía interna
2 Describir un aumento de temperatura de un objeto en términos de un aumento en las energías cinéticas medias de todas las partículas del objeto
3 Definir la capacidad calorífica específica como la energía requerida por unidad de masa por cada unidad de aumento de temperatura; recordar y utilizar la ecuación
$$c = \frac{\Delta E}{m\Delta\theta}$$
4 Describir experimentos para medir la capacidad calorífica específica de un sólido y de un líquido
2.2.3 Fusión, ebullición y evaporación
Core
Supplement
1 Describir la fusión y la ebullición en términos de aportación de energía sin cambio de temperatura
6 Describir las diferencias entre ebullición y evaporación
2 Conocer las temperaturas de fusión y ebullición del agua a la presión atmosférica estándar
3 Describir la condensación y la solidificación en términos de partículas
4 Describir la evaporación en términos de la escape de partículas más energéticas desde la superficie de un líquido
7 Describir cómo la temperatura, el área superficial y el movimiento del aire sobre una superficie afectan a la evaporación
5 Saber que la evaporación provoca el enfriamiento de un líquido
8 Explicar el enfriamiento de un objeto en contacto con un líquido que se evapora
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
Cuando la materia se calienta, sus partículas se mueven más y ocupan más espacio, por lo que el material se expande. Los gases son los que más se expanden, seguidos por 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 晶格 (un patrón fijo), por lo que solo pueden vibrar un poco más; en un líquido están sujetas con menos fuerza; 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.
Se deja un pequeño hueco entre los raíles cuando están fríos, de modo que cuando se expanden con el calor el hueco se cierra en lugar de deformar la vía
Explorar
Calentamiento y calor específico
Q = mcΔT
La energía de calor necesaria es proporcional al aumento de temperatura para una masa dada de material.
La energía interna 内能 de un objeto es la energía total de todas sus partículas. Calentar un objeto aumenta su energía interna y generalmente su temperatura.
La capacidad calorífica específica 比热容 es la energía necesaria para elevar la temperatura de 1 kg de un material en 1 °C.
$$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$$
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 metálico con dos orificios: 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 $V$, de modo que la energía suministrada sea $E = IVt$ (o lea la energía desde 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, de modo que la temperatura sea la misma en todo el recipiente. Envuelva el bloque o el recipiente con material aislante, para que escape menos energía al aire.
Ebullición del agua: la energía interna aumenta con la temperatura; la capacidad calorífica específica es la energía por kilogramo por grado Celsius
Fusión 熔化 y ebullición 沸腾 requieren energía, pero la temperatura permanece constante durante 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 $100\,{}^{\circ}\text{C}$.
Mientras la sustancia se funde y mientras hierve, la temperatura se mantiene constante, aunque aún se está añadiendo energía
Evaporación 蒸发 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 (con mayor energía) se van, la energía media de las que quedan disminuye, por lo que el líquido se enfría 冷却. Un objeto que toca un líquido que se evapora también se enfría, porque el líquido extrae energía de él: esta es la razón por la que 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.
Explorar
La curva de calentamiento — observa la pausa en la temperatura
Mientras la sustancia se funde o hierve, la temperatura se mantiene constante aunque siga entrando calor: la energía rompe enlaces en lugar de calentarla.
2.3
Transferencia de energía térmica 热能传递
Syllabus
2.3.1 Conducción
Núcleo
Suplemento
1 Describir experimentos para demostrar las propiedades de los buenos conductores térmicos y los malos conductores térmicos (aislantes térmicos)
2 Describir la conducción térmica en todos los sólidos en términos de vibraciones de la red atómica o molecular, así como en términos del movimiento de electrones libres (deslocalizados) en los conductores metálicos
3 Describir, en términos de partículas, por qué la conducción térmica es deficiente en gases y la mayoría de los líquidos
4 Saber que existen muchos sólidos que conducen la energía térmica mejor que los aislantes térmicos, pero menos bien que los buenos conductores térmicos
2.3.2 Convección
Núcleo
Suplemento
1 Saber que la convección es un método importante de transferencia de energía térmica en líquidos y gases
2 Explicar la convección en líquidos y gases en términos de cambios de densidad y describir experimentos para ilustrar la convección
2.3.3 Radiación
Núcleo
Suplemento
1 Saber que la radiación térmica es radiación infrarroja y que todos los objetos emiten esta radiación
2 Saber que la transferencia de energía térmica mediante radiación térmica no requiere un medio
4 Saber que para que un objeto se mantenga a temperatura constante, necesita transferir energía hacia el exterior a la misma velocidad a la que recibe energía
3 Describir el efecto del color de la superficie (negro o blanco) y de la textura (mate o brillante) sobre la emisión, absorción y reflexión de la radiación infrarroja
5 Saber qué sucede con un objeto si la velocidad a la que recibe energía es menor o mayor que la velocidad a la que transfiere energía hacia el exterior
6 Saber cómo la temperatura de la Tierra se ve afectada por factores que controlan el equilibrio entre la radiación entrante y la radiación emitida desde la superficie terrestre
7 Describir experimentos para distinguir entre buenos emisores y malos emisores de radiación infrarroja
8 Describir experimentos para distinguir entre buenos absorbedores y malos absorbedores de radiación infrarroja
9 Describir cómo la velocidad de emisión de radiación depende de la temperatura superficial y del área superficial de un objeto
2.3.4 Consecuencias de la transferencia de energía térmica
Núcleo
Suplemento
1 Explicar algunas de las aplicaciones y consecuencias cotidianas básicas de la conducción, la convección y la radiación, incluyendo: (a) calentar objetos como sartenes de cocina (b) calentar una habitación mediante convección
2 Explicar algunas de las aplicaciones y consecuencias complejas de la conducción, la convección y la radiación donde más de un tipo de transferencia de energía térmica es significativo, incluyendo: (a) fuego quemando madera o carbón (b) un radiador en un automóvil
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
La energía térmica se transfiere de los lugares calientes a los fríos de tres formas.
Conducción
Conducción 热传导 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 transfieren la energía a sus vecinas. En los metales, los electrones libres (electrones deslocalizados 自由电子) transportan la energía rápidamente, por lo que los metales son buenos conductores térmicos 热导体.
Los materiales que conducen mal (como el aire, la madera y el plástico) son aislantes térmicos 热绝缘体.
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.
En la conducción, las partículas vibrantes transfieren energía a sus vecinas, por lo que la energía fluye desde el extremo caliente hacia el frío
Convección
Convección 对流 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.
El fluido calentado asciende y el fluido más frío desciende, estableciendo una corriente de convección
Demostración de convección. Deja caer un cristal púrpura de permanganato de potasio 高锰酸钾 en un vaso de precipitados con agua y calienta suavemente el vaso por 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 humo 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 热辐射 es energía transportada por ondas infrarrojas 红外线. Todos los objetos la emiten y no necesita material para viajar a través de ella —puede atravesar el vacío (esta es la forma en que la energía nos llega desde el Sol).
Una superficie mate 暗淡 y negra es un buen emisor 发射体 y un buen absorbedor 吸收体 de infrarrojos. Una superficie brillante y blanca es un mal emisor y un buen reflector 反射体.
Una superficie mate negra emite (y absorbe) infrarrojos mucho mejor que una brillante y blanca
Comparación de superficies. Llena dos latas, una mate negra y otra plateada brillante, con agua caliente a la misma temperatura, y coloca un termómetro en cada una. La lata negra se enfría más rápido, por lo que es el mejor emisor. Luego, pon las mismas dos latas, llenas de agua fría, a distancias iguales de un calefactor. La lata negra se calienta más rápido, por lo que es el mejor absorbedor. Un cubo de Leslie 莱斯利立方体 (una caja metálica con un lado de cada acabado) muestra lo mismo.
Una cámara térmica (infrarroja) convierte los infrarrojos emitidos por una mano tibia en una imagen; cuanto más brillante significa más caliente
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 promedio se mantiene constante solo cuando ambas tasas son iguales. Cualquier cosa que cambie este equilibrio cambia la temperatura. Los gases en la atmósfera 大气 como el dióxido de carbono absorben parte de los infrarrojos emitidos y devuelven parte de ellos 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.
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 散热器 calienta una habitación por convección: el aire junto a él se calienta, asciende y el aire más frío entra para ocupar su lugar, así 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 保温瓶 mantiene una bebida caliente evitando las tres transferencias: el vacío entre sus paredes dobles detiene la conducción y la convección, y sus superficies plateadas brillantes detienen la radiación.
Explorar
Laboratorio de transferencia de calor
Comparar las rutas por las que se mueve la energía térmica.
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.
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.
Lecciones interactivas sobre este tema
Trátalo paso a paso, con ejercicios de verificación instantánea.
