El modelo corpuscular de la materia
Todo está compuesto por partículas. Su energía, separación y movimiento explican los estados de la materia, el calentamiento y enfriamiento, y por qué los puentes necesitan juntas de expansión. El cuarto tema de OxfordAQA construye este modelo y lo cuantifica: calor específico, los calores latentes (P), evaporación, diseño de transferencia de energía y expansión térmica.
OxfordAQA International GCSE Física 9203, tema 3.4 (Versión 5.1). Las afirmaciones marcadas (P) son exclusivas del Papel-2-solo.
Teoría cinética
Calor específico c es la energía necesaria para elevar la temperatura de 1 kg de una sustancia en 1 °C:
Ejemplo resuelto. Calentar 1.5 kg de agua ($c = 4200$) en 40 °C: $E = 1.5 \times 4200 \times 40 = 252\,000$ J.
(P) Cambiar de estado requiere energía sin cambio de temperatura: calor latente de vaporización $E = m \times L_V$ (líquido → vapor) y calor latente de fusión $E = m \times L_F$ (sólido → líquido). Las impurezas modifican los puntos de fusión y ebullición. Práctica requerida (P): curva de enfriamiento para ácido esteárico.
Transferencias de energía y movimiento de partículas
Conducción transmite energía a través de un sólido mediante vibraciones de partículas, favorecida por los electrones libres en metales; los aislantes carecen de ambos. Convección circula fluidos: las partículas ganan energía, se separan, el fluido se vuelve menos denso y asciende, mientras el fluido más frío desciende. Evaporación convierte moléculas superficiales rápidas en vapor, enfriando lo restante — más rápida con mayor temperatura, mayor área superficial, corrientes de aire y menor humedad; la condensación invierte este proceso.
La tasa de transferencia de energía por calentamiento aumenta con el área superficial y volumen, el material, la superficie de contacto y la diferencia de temperatura. El diseño sigue estas reglas: aletas de refrigeración maximizan el área; el tamaño relativo de las orejas de los animales se adapta al clima. La mayoría de las sustancias se expanden al calentarse — un riesgo para techos y puentes (juntas y rodillos), útil en el termostato de tira bimetálica que se dobla cuando un metal se expande más que el otro y interrumpe el circuito.
Compruébalo tú mismo
- Describe the arrangement of particles in a liquid.
- Define specific heat capacity.
- Calculate the energy required to heat 2 kg of aluminium (c = 900) by 30 °C.
- (P) Why does the temperature remain constant while a substance freezes?
- (P) 0.5 kg of a substance has L_F = 330 000 J/kg. Calculate the energy needed to melt it.
- Explain conduction in metals, naming the additional charge carriers.
- Explain why warm water rises.
- State three factors that increase the rate of evaporation.
- State one hazard and one use of thermal expansion.
- Why do cooling fins have a large surface area?
Answers: 1 particles are close together but arranged randomly, moving past each other; 2 the energy needed to raise the temperature of 1 kg of the substance by 1 °C; 3 $E = 2 \times 900 \times 30 = 54\,000$ J; 4 (P) the energy released as bonds form (latent heat of fusion) leaves at the same rate energy is removed, so the kinetic energy of the particles remains unchanged; 5 (P) $E = 0.5 \times 330\,000 = 165\,000$ J; 6 vibrating particles transfer energy to neighbours, and free electrons carry energy quickly through the metal; 7 warmer particles move further apart, making that water less dense than its surroundings, so it rises; 8 higher temperature, larger surface area, air movement over the surface (also lower humidity); 9 hazard — expansion of bridges/roofs requires gaps; use — the bending bimetallic strip in a thermostat; 10 larger area transfers energy to the surroundings faster by heating.