Historia  del calor.

Hace mucho tiempo se creía que le calor era un fluido invisible e imponderable llamado calórico, que se producía cuando una sustancia se quemaba y que podía trasmitirse por conducción de una cuerpo a otro. Se pensaba que cuando dos cuerpos estaban en contacto, el de mayor temperatura cedía calórico al cuerpo de menor temperatura, así definieron el calor en términos de los cambios de temperatura producidos en un cuerpo durante el calentamiento. El abandono de esta teoría forma parte del avance general de la física durante  los siglos XVlll y XlX.

¿Qué es el calor?

El calor es una forma de energía que se transfiere entre un sistema y su entorno o entre un sistema y otro debido a una diferencia de temperatura entre ambos, donde la energía fluye del sistema de mayor temperatura hacia el de menor temperatura.

La teoría de la cinética dice que la materia está constituida  por partículas moleculares que se encuentran en constate movimiento. Y puesto que el calor se asocia con el cambio de temperatura y esta a su vez se relaciona con la energía molecular interna de una sustancia, se puede concluir que el calor es una forma de energía: energía térmica que fluye de un sistema de mayor temperatura a otro de menor temperatura.

Así que la temperatura no es una medida de calor de un cuerpo, es energía interna que se incrementa cuando aumenta la temperatura. La variación en la energía interna de un cuerpo no solo se da por el suministro de calor, también se puede dar por acción de otras formas de energía.

Pero es importante que hagamos una distinción mayor entre energía  interna  y calor. Energía interna es toda la energía de un sistema que está asociada con sus componentes microscópicos, átomos y moléculas, cuando se ve desde un marco de referencia en reposo con respecto al centro de masa del sistema.

Y el calor como anteriormente ya lo había planteado se define como la transferencia de energía a través de la frontera de un sistema debido a la diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno.

Unidades de calor.

Las primeras nociones de calor basadas en el calórico sugerían que el flujo de este fluido  de una sustancia a otra causaba cambios en la temperatura. Del nombre de este mítico fluido  tenemos una unidad de energía relacionada con proceso térmico, la caloría (cal), que se define como la cantidad de trasferencia de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14.5 °C a 15.5°C. La unidad de energía en el sistema convencional en estado unido es la unidad térmica británica (Btu), que se define como la cantidad de trasferencia de energía necesaria para elevar la temperatura de 1Lb de agua de 63°F a 64°F.

Cuando se suministra calor a una sustancia, se puede elevar su temperatura y produciré alteraciones en algunas de sus propiedades físicas, como en el tamaño de los cuerpos, ya que la mayoría de ellos se dilatan al calentarse y se contraen al enfriarse.

Dilatación.

Casi todos los materiales se expanden al aumentar la temperatura.  Los cambios de temperatura por lo regular traen consigo cambios en las dimensiones de los cuerpos, ya sean sólidos, líquidos o gases.

Al aumentar su temperatura, el movimiento de sus partículas se vuelven más rápido y se incrementa la separación entre ellas, lo que hace que se expandan. A este fenómeno se le llama dilatación.

Los gases se dilatan mucho más que los líquidos ya que Las uniones entre las moléculas de los gases son las menos fuertes y las que más se dilatan en presencia de calor; les siguen los líquidos y por último, los sólidos.

Este fenómeno conocido como expansión térmica o dilatación, tiene importante papel en numerosas aplicaciones de ingeniería por ejemplo en la construcción de edificios, puentes y carreteras de concreto, vías de ferrocarril, muros de ladrillo y puentes para compensar cambios dimensionales que ocurren cuando cambia la temperatura.

Existen tres tipos de dilatación: lineal, superficial o volumétrica.

Dilatación lineal.

La dilatación lineal es el incremento en la longitud de un material debido a un aumento en su temperatura. En muchos casos, la variación en las dimensiones de un sólido es imperceptible a simple vista; en algunos otros, es posible observarlo.

¿Pero cómo es posible que la longitud aumente por efecto de la temperatura?

Pues imagina que tienes una liga elástica y la estiras, ¿Qué sucede? Se incrementan las dimensiones. Algo similar pasa con los materiales que sufren cambios por temperatura: se incrementa su longitud. La fuerza es el equivalente a la diferencia de temperatura que provoca un cambio en las dimensiones de los materiales.

Suponga que una varilla de material tiene una longitud Lo a una temperatura inicial de To. Si la temperatura cambia en ΔT, la longitud cambia en ΔL. Introduciendo una constante de proporcionalidad α (diferente para cada material).

Pare el caso de un sólido, que tiene una forma definida, la expansión térmica puede analizarse en términos de las dimensiones específicas del objeto. El cambio en cualquier dimensión de un sólido se denomina expansión térmica lineal. Para cambios de temperatura relativamente pequeños, se ha encontrado experimentalmente que el cambio ΔL en cualquier dimensión lineal de un sólido es proporcional al el cambio de temperatura ΔT. Podemos expresar estas relaciones en una ecuación:

ΔL= α Lo ΔT

Donde:

Δl= cambio de longitud

α= constante de proporcionalidad y se denomina coeficiente de expansión térmica lineal del material

lo= longitud inicial

ΔT= incremento de temperatura (T2-T1)

La constante α, que describe las propiedades de expansión térmica de un material, se denomina coeficiente de expansión lineal.

Material	Coeficiente de expansión lineal (º C –1)
Aluminio	24 x 10-6
Latón y bronce	19 x 10-6
Cobre	17 x 10-6
Vidrio (ordinario)	9 x 10-6
Vidrio (Pirex)	3,2 x 10-6
Plomo	29 x 10-6
Acero	11 x 10-6
Invar(aleación de Níquel – Cromo)	6,9 x 10-6
Concreto	12 x 10-6

Ejemplo.

Una de las ciudades más calurosas de la república mexicana es Hermosillo, sonora. Su una días de verano amanece a una temperatura de 25°C y alrededor de las 15:00 p.m. se eleva a 40°C, ¿Cuál será el incremento de longitud en cm de un cable de alta tensión de acero a 200m?

Datos e incógnita	Formula	Sustitución y resultado
T1= 25°C	Δl= Δlo ΔT	Δl= (11.5x10 ala -6 1/°C) (200 m)(40°C -25°C)
T2=40°C	Δl= αlo (T2-T1)	Δl= (11.5x10 ala -6 1/°C)(200 m)(15°C)
Lo= 200m		Δl= 3.45 cm
α= 11.5x10 ala -6		Δl= 1.03 cm
Δl= ?

Dilatación superficial.

Puesto que las dimensiones de un objeto cambian de temperatura, tal como se estudio en la sección anterior, se deduce que su área también se altera. Así que la dilatación superficial es la expansión de un cuerpo en dos dimensiones y se expresa por la ecuación:

ΔA=  2αAoΔT

ΔA= incremento de área

Ao=Área del objeto antes de su dilatación.

Δt= diferencia de las temperatura (t2-T1)

2α= γ

Este último se conoce como el coeficiente medio de expresión de área o dilatación superficial; se puede obtener multiplicando el coeficiente de dilatación térmica por dos.

El fenómeno de dilatación superficial se presenta, por lo general en placas metálicas o en láminas muy delgadas, donde podemos apreciar su espesor.
En estas placas metálicas, al aplicarles calor se produce una expansión de su superficie o área, es decir, crecen un poco.

Ejemplo.

Si el coeficiente de dilatación lineal del oro es de 14.2x10 ala -6 1/°C ¿Cuál será el coeficiente de dilatación superficial?

Datos	solución
α= 14.2x10 ala -6 1/°C	2α= γ= 2(14.2x10 ala -6 1/°C)
	γ= 28.4x10 ala -6 1/°C

Dilatación volumétrica.

Además de la dilatación lineal y superficial, también se puede dar el caso de la dilatación volumétrica. Es aquella en que predomina la variación en tres dimensiones, o sea, la variación del volumen del cuerpo.

La mayoría de los líquidos, al igual que los sólidos, se expanden cuando la temperatura aumenta y se contraen cuando la temperatura se reduce. Una notable excepción es el agua en ciertos intervalos de temperatura.

Al enfriarse el agua desde la temperatura ambiente hasta 4°C, se contrae o disminuye su volumen, como es de esperarse, pero al enfriarse desde 4°C hasta el punto de congelación (0°C), el agua se expande. Inversamente cuando el agua se calienta desde 0°C hasta 4°C se contrae y, por encima de 4°C, se expande.

El incremento de volumen de un cuerpo puede calcularse mediante la expresión matemática:

ΔV= βVoΔT

Donde:

ΔV= incremento de volumen (V2-V1)

β = coeficiente de expansión volumétrica (es igual a 3α)

Vo= volumen inicial (antes de la dilatación)

ΔT= incremento de temperatura (T2-T1)

Donde β es el coeficiente promedio de expansión de volumen. Para un sólido, el coeficiente promedio de expansión en volumen es tres veces el coeficiente promedio de expansión lineal: β = 3α.

Material	Coeficiente de expansión volumétrico ( º C -1)
Alcohol etílico	1,12 x 10-4
Benceno	1,12 x 10-4
Acetona	1,5 x 10-4
Glicerina	4,85 x 10-4
Mercurio	1,82 x 10-4
Trementina	9 x 10-4
Gasolina	9,6 x 10-4
Aire a 0 º C	3,67 x 10-4
Helio a 0 º C	3,665 x 10-4

Ejemplo.

Un vaso de agua de 250 ml se llena con agua caliente a 70°C. ¿Cuál es el decremento en volumen si la temperatura desciende a 20°C?

Datos e incógnita	formula
T1= 70°C	ΔV= βVoΔT
T2= 20°C
Vo= 250 ml =250 cm³
Β= 0.21X10 ala -3 1/°C
V2= ?

Sustitución  y resultado.

ΔV= (0.21x10 ala -3 1/°C)(250 cm³)(20°C-70°C)

ΔV= -2.6 cm³