Tema 7: Temperatura i Calor

02_CN_Dossier tema 07 Calor i temperatura

 

1- Introducció

En el anterior tema vam conèixer el concepte de treball i el d’energia, vam veure que són conceptes relacionats:

El treball fa guanyar energia als cossos i l’energia fa possible que els cossos puguen fer treball.

Però… també vam veure que en la vida real no tota l’energia es convertia en treball ni tot el treball es convertia en energia, existia la degradació.

Aquesta degradació la tenim al nostre voltant sempre i reb un nom específic, la calor.

Per tant, podem ampliar la nostra relació entre treball i energia, afegint el nou actor a la nostra equació, és a dir, la calor.

És el que es coneix com a 1r principi de la Termodinàmica, que és la ciència que estudia la relació entre l’energia, el treball i la calor.

En aquest tema anem a estudiar just l’últim terme de l’equació, la calor.

ΔE = W + Q

Clar està que aquest concepte ja el teniu al cap, però com és habitual, no de la forma que la tenen els científics. No es que estiga mal, però per fer coses precises els científics necessiten conceptes molt clars.

Però, no anem a començar parlant de la calor. Recordeu que per a parlar de treball vam estudiar primer de les forces, així que per a començar l’estudi de la calor anem a estudiar abans un altre concepte: la temperatura.

2- Què és la temperatura?

Normalment definim la temperatura com una propietat dels cossos que es percep a través del tacte i ens indica si un cos està calent o fred.

Així que tenim una idea equivocada al nostre cervell: la temperatura no és una mesura de la calor.

La temperatura és un concepte una mica més delicat, subtil però molt potent, però per explicar-lo necessitem recordar una teoria que vam veure en 1r d’ESO: La teoria cinètica.

Aquesta Teoria Cinètica de la matèria ens deia que:

  1. La matèria està constituïda per partícules molt petites, pràcticament invisibles llevat que disposem d’un microscopi electrònic: podem parlar de molècules, àtoms, electrons, protons, neutrons i d’altres fins i tot més petites.

  2. Les partícules exerceixen entre si forces d’atracció que les mantenen unides: en els sòlids, la intensitat de la força és molt gran; en els líquids, moderada, i en els gasos, molt petita.

  3. Les partícules estan en moviment constant.

Doncs bé, la temperatura és simplement, la mesura de la rapidessa en que es mouen les partícules.

És a dir, quan més ràpid es mouen les partícules més temperatura hi tindran i al contrari. Si ho penses una mica té molta lògica, si les partícules de l’aigua es mouen més depressa és més fàcil que s’evaporen, no?

  Moviment de les particules

2.1 Equilibri tèrmic

Parlem de que dos cossos estan en equilibri tèrmic quan les partícules que els formen tenen la mateixa energia cinètica mitjana, és a dir, pràcticament la mateixa velocitat.

És fàcil d’entendre si pensem en les partícules dels gasos a diferent temperatura i els fiquem en contacte.

Moviment de les particules_02


Finalment, els dos gasos estan a la mateixa temperatura, és a dir, estan en equilibri tèrmic.

2.2 Escales de temperatura

En els termòmetres, les temperatures es llegeixen en unes escales graduades que es construeixen a partir de dues temperatures concretes. Aquestes temperatures es coneixen com a punts fixos, i corresponen al punt de congelació i d’ebullició de l’aigua. L’interval de temperatura existent entre aquests punts es divideix en un cert nombre de parts que s’anomenen graus .

Les principals escales són:

  • Escala Celsius o centígrada, és la més utilitzada. Considera que el 0 és la temperatura de fusió de l’aigua i el 100 d’ebullició. Cadascuna de les 100 parts que hi ha equival a un grau celsius. Trobem 100 parts. La unitat és le grau Celsius o centígrad (símbol: ºC).
  • Escala Fareneheit, aquesta escala s’utilitza principalment als països anglosaxons, EEUU…. Considera els punts fixos els 32 graus per la congelació del gel i els 212 per l’ebullició de l’aigua; té 180 divisions, cada una de les quals representa un grau fahrenheit (símbol: ºF).

  • Escala Kelvin o absoluta: Cal destacar que en aquesta escala no hi ha temperatures negatives. El zero absolut de temperatura és aquell punt on la temperatura no pot ser més baixa, on la suma de les energies cinètiques de totes les partícules és zero. Això es dóna a 0 K o –273.15 ºC. El grau Kelvin (símbol: K) és la unitat de temperatura del SI i la que utilitzen els científics, ja que és la temperatura real dels cossos ja que mesura el moviment de les seves partícules i no es basa en cap magnitud arbitraria com l’ebullició de l’aigua (que realment depen de l’altura al nivell de la mar on ens trobem)

Escala_Temp

Dibuix 1: Les diferents escales termomètriques comparades.

Per convertir i saber passar d’una escala a una altra, tenim aquestes equivalències matemàtiques:

formulas-de-conversion-de-temperatura-kelvin-fahrenheit-celsius-centigrados-fisica

2.3 Tipus de termòmetres

Com ja sabreu, la temperatura és una magnitud que es mesura amb un aparell que s’anomena termòmetre. És molt important recordar que el termòmetre mesura temperatures no calor.

Hi ha diferents tipus de termòmetres

Els més usuals estan fets de mercuri i alcohol i es basen en la dilatació del materials deguda al augment de temperatura.

Thermometer_broken_Final_217161_7

Dibuix 2: Termòmetre de mercuri

Els termòmetres de mercuri mesuren la temperatura del medi en què estan en contacte; si els introdueixes en un got d’aigua calenta, mesuraran la temperatura de l’aigua; i si els deixes sobre la taula, marcaran la temperatura de la taula.

Funcionen amb mercuri (clar) un metall de color grisaci que és líquid a temperatura ambient però que es solidifica a -39ºC, pel que no és òptim per a temperatures baixes.

PHE1796

Dibuix 3: Termòmetre clínic d’alcohol.

Els termòmetres clínics d’alcohol, és un tub capil·lar de vidre d’un diàmetre interior molt petit (gairebé com el d’un cabell), que compta amb parets gruixudes, en un dels seus extrems es troba una dilatació, anomenada bulb, que està plena dalcohol.

Aquestos termòmetres són més estrets per la part inferior, de manera que un cop l’alcohol ha pujat per marcar una temperatura alta, no baixa, tret que el sacsegem; són termòmetres de màxima, ja que marquen la temperatura més alta a què s’han trobat. Són els que es solen utilitzar en l’actualitat per a mesurar la temperatura si estàs malalt.

77030-1g

Dibuix 4: Termòmetre digital, molt utilitzat en l’actualitat per a mesurar la febra.

També hi ha altres, com els termòmetres digitals que es es basen en canvis en les propietats elèctriques que tenen lloc en el material del sensor degut a canvis en la temperatura. Un canvi en la temperatura provoca que un voltatge, resistència o corrent canvie. Aquests canvis poden ser mesurats, registrats i mostrats a través d’una petita pantalla.

3 La calor

Per fi arriben al concepte de calor, la qual la podem definir d’aquesta manera:

La calor és la transmissió d’energia que es produeix quan existeix una diferència de temperatures entre dos cossos o entre diferents parts del mateix cos.

Per tant, la calor és energia en trànsit: No té sentit, per tant dir que un cos té calor, un cos absobeix o perd calor. D’altra banda, un cos té una temperatura determinada.

El concepte de calor és paregut al de Força: és una interacció entre cosos, no una possessió que pugan guardar-se els cossos.

Evidentment, no hauríem estudiat primer la temperatura si no tinguera relació en la calor i es que hi ha un sentit molt definit respecte el flux de la calor, és a dir, la transmissió d’energia sempre es fa en el sentit del cos que està a més temperatura al que està a menys temperatura.

I com la temperatura dels cossos sempre es positiva, ja que hem d’utilitzar l’escala Kelvin per a mesurar, els científics s’estalvien utilitzar el concepte de fred.

imatge-300x172

3.1 Unitats de mesura de calor o energia

El calor té dimensions d’energia i la unitat del SI per la calor és el joule (símbol: J). Tradicionalment la quantitat de calor es mesura encara en calories (símbol: cal) que és la quantitat de calor que s’ha de subministrar a un gram d’aigua per elevar la seva temperatura un grau centígrad. Es pot fer servir aquesta relació per passar d’una a l’altra: 1 cal= 4,18 J

Podem fer petits càlculs de calor mitjançant l’expressió matemàtica següent:

Q=mcΔT

on Q és la calor en J, m la massa en kg, c és la calor específica en J/Kg·K i ΔT és l’increment de temperatura en Kelvin (o graus centígrads, és indiferent)

La c, com hem dit, és la calor específica i depèn del tipus de material. Per exemple,

Calors especifics

Analitzem les dades:per a pujar 1 Kelvin només 1 kg d’aigua necessitem 4180 Joules d’energia, mentre que per a fer el mateix en el ferro només 450 Joules. Per tant, és més fàcil pujar la temperatura del ferro que la del aigua… i també més fàcil perdre-la.

Aquesta propietat de la matèria és molt important per a seleccionar materials de construcció o de cuina, però això ho veurem més tard.

3.2 Algunes preguntes sobre la calor i la temperatura

Una manta escalfa?transfor_aigua

Encara que solem dir que les mantes són calentes i que ens escalfen, es cert?

Si fóra cert…. quan ens fiquem al llit en hivern, en les mantes que tenim damunt, com estaria el llit? Calentet, no? Però això no passa.

Que fa realment una manta… només manté la temperatura!!! Llavors:

Qué pasaria si fiquem dos plats de amb gel, un cobert en una manta i un altre no?

Sempre que donem calor a un cos augmenta la temperatura?

Bé, aquesta és més difícil. Per raonar-la podriem fer un experiment. Si fiquem a calfar aigua aquesta bullirà a 100 ºC.

Al principi, bull poc però al cap d’una estona ho fa molt més ràpid, no? La pregunta és, a quina temperatura bull al principi l’aigua? . i al final? .

Correcte, les dos respostes són a 100ºC!!!!

No importa si bullim molt depresa o poc a poc, la temperatura d’ebullició de l’aigua (a 1 atm de pressió) és sempre de 100ºC o 373 K.

Llavors…. on va l’energia que li estem donant? Doncs a produir un canvi d’estat. Els recordes?

És a dir, ajuda a les partícules que formen part de la matèria a canviar d’un estat a un altre. Per tant podem afirmar que no sempre que li donem calor a un sistema augmenta la seva temperatura.

20070924klpcnafyq_97.Ees.LCO

3.3 Transmissió de calor

Conducció

La conducció és la manera en què es transmet l’energia tèrmica en els sòlids. L’energia es propaga sense que hi hagi transport de matèria, gràcies als xocs que tenen lloc entre les partícules “calentes” i les seves veïnes.

Hi ha cossos que són molt bons conductors de la calor, com els metalls, i reben el nom de conductors. Uns altres, com la fusta condueixen molt malament la calor, i s’anomenen aïllants.

Però, com es transfereix la calor en aquest cas?

Si escalfem una barra metàl·lica per un extrem, la calor acaba arribant a l’altre extrem. La raó és que en escalfar les primeres partícules, augmenta la seva energia cinètica i, amb això, la vibració. Quan aquestes partícules xoquen amb les veïnes, els transmeten una part de la seva energia; aquest procés va avançant a poc a poc fins que arriba a l’altre extrem.

20070924klpcnafyq_203.Ges.LCO

Per aquesta raó és tan difícil ”cremar” un metal i cal donar-li molta energia. No passa igual en els aïllants, com la fusta, que és relativament fàcil cremar-los.

Els conductors es solen utilitzar quan voles que la propagació de l’energia siga efectiva, per exemple, quan fiquem una paella al foc volem que la calor passe als aliments, llavors aquesta estarà feta d’un material conductor com un metall.

Els aïllants, pel contrari, els utilitzem quan no volem tindre aquesta propagació, com per exemple els mànecs de les paelles, que sol estar fet de fusta o d’un plàstic anomenat baquelita.

Per saber si un material és aïllant o conductor tèrmic ens hem de fixar en la seua conductivitat, concretament en els sòlids de la taula que hem vist anteriorment. Quan més baix siga el seu nombre, millor conductor serà, i al inrevés.

rgfwbv

Dibuix 5: En una paella hi ha una part conductora i una aïllant.

 

Convecció

La convecció és la manera en què es transmet l’energia tèrmica en els fluids (líquids i gasos). L’energia es propaga perquè es produeix un transport de matèria.

Convection

Quan s’encén la calefacció en una habitació es produeixen uns corrents d’aire que poden moure objectes de poc pes, com ara papers o cortines lleugeres

En aquest cas es produeixen corrents de convecció perquè les partícules calentes tenen més energia i es desplacen cap a les zones més fredes; el forat que deixen és ocupat per partícules que estaven més fredes i que ara s’escalfen i reinicien el procés.


Aquest és l’origen de molts fenòmens de la natura com:

  • Les brises marines.

  • Els anticiclons i les borrasques.

  • Els moviments de les plaques tectòniques.

Radiació

Ens queda la tercera forma de transmissió d’energia, i es que si pensem una mica. Com arriba l’energia del Sol a la Terra si hi ha buit? No pot ser per conducció ni per convecció, ja que no hi ha matèria entre els dos astres, llavors haurà d’existir una tercera forma de transmissió d’energia en forma de calor.

baixa

Dibuix 6: El Sol dona energia tèrmica a la Terra.

La radiació és la manera en què es transmet l’energia tèrmica entre dos cossos sense que hi hagi cap tipus de contacte material entre si.

Es propaga per mitjà d’ones electromagnètiques i és l’única forma en què es transmet energia tèrmica en el buit, encara que també es pot propagar entre la matèria.

Mirem un exemple d’anar per casa:

Moltes vegades deus haver comprovat com t’arriba la calor procedent d’una bombeta encara que no arribis a tocar-la; és semblant al que sents quan estàs sota els rajos del Sol: en tots dos casos t’arriba la radiació procedent d’un focus calorífic.

Aquest mètode de transmissió d’energia s’empra molt quan els altres dos no són eficaços, per exemple, per escalfar els espectadors en els camps de futbol.

4 Exercicis

  1. Defineix el terme Energia:

  2. Existeix algun motor que funcioni sense consumir cap tipus d’energia? Raona la teva resposta.

  3. Amb quines unitats es pot mesurar l’energia?

  4. Quants J són 126 cal?

  5. Fes les conversions d’unitats següents:

    1. 100 cal en joule.

    2. 100 J en calories.

    3. 400 cal en quilojoule.

  6. Fes les conversions d’unitats següents:

    1. 100 °C en graus Fahrenheit.

    2. 100 °F en graus centígrads.

    3. 37 °C en kelvin.

  7. Defineix el terme calor:

  8. És correcte dir que un tassó d’aigua té calor?

  9. Tenim dos tassons amb la mateixa quantitat d’aigua, un a 12ºC i un altre a 50ºC. Quin té més calor?

  10. Posa una V (de vertader) o una F (de fals), segons correspongui i explica per què:

    1. Els cossos estan calents quan tenen calor.

    2. L’aigua de la mar conté grans quantitats de calor.

    3. La flama d’un ciri cedeix calor a l’aire que l’envolta.

    4. La calor és un fluid que passa dels cossos calents als freds.

    5. La calor és energia en trànsit.

    6. La calor, a nivell microscòpic, és, en realitat, moviment.

  11. Quina condició han de complir dos cossos per poden intercanviar energia en forma de calor?

  12. Què significa que dos cossos estiguin en equilibri tèrmic?

  13. Introduïm en un vas termos 1 kg d’aigua a 20ºC i un tros de ferro d’1g a la mateixa temperatura i el tanquem hermèticament. Hi ha intercanvi d’energia?

  14. Imagina dos cossos a la mateixa temperatura, un de massa molt gran i un altre de massa molt petita. Si els poses en contacte: Passarà calor del gran al petit, del petit al gran; o no passarà calor de l’un a l’altre? RAONA LA TEVA RESPOSTA

  15. Anomena cada un dels canvis d’estat que es relacionen a continuació:

    CANVIS D’ESTAT

    NOM

    Sòlid a líquid

    Líquid a gas

    Gas a líquid

    Líquid a sòlid

    Sòlid a gas

    Gas a sòlid

  16. Digues quin canvi d’estat es produeix en cada cas:

    EXEMPLE

    CANVI D’ESTAT

    L’aigua del congelador es transforma en gel.

    La neu es transforma en aigua

    Un gelat es treu del congelador i fa fum

    La rosada

    La roba s’eixuga

  17. Relaciona cada concepte amb la seva definició:

    Concepte

    DEFINICIÓ

    Agitació tèrmica

    Energia tèrmica que passa d’un cos a un altre

    Calor

    Mesura del grau d’agitació tèrmica

    emperatura

    Moviment de les partícules d’un cos

  18. Què és temperatura? Amb quin instrument la mesurem?

  19. Quines escales termomètriques coneixes?

  20. Quants ºC són 100 ºF? En què es diferencien l’escala Celsius i l’escala Kelvin? Quina és la unitat de temperatura en el Sistema Internacional?

  21. Quina diferència hi ha entre les partícules d’un cos a temperatura alta i les del mateix cos a baixes temperatures?

  22. L’escala Kelvin o absoluta, té temperatures negatives? Què és el zero absolut de l’escala Kelvin?

  23. A quina escala de temperatura ens referim en cadascuna de les afirmacions

    1. El punt de fusió de l’aigua pura té el valor de 273

    2. Entre els punts de fusió i d’ebullició de l’aigua pura hi ha 180 graus

    3. Assigna el valor 100 a la temperatura en què l’aigua bull

  24. Cerca informació sobre per què s’estan deixant d’usar els termòmetres de mercuri i on s’han de llençar el termòmetres vells.

  25. Assenayla les frases que fan referència al concepte de calor.

    1. S’expressa de manera habitual en graus centígrads.

    2. És una forma d’energia.

    3. És una magnitud física relacionada amb la quantitat de calor que pot absorbir o cedir

    4. Un cos en posar-lo en contacte amb un altre.

    5. Pot transformar-se en altres tipus d’energia.

    6. És l’energia que passa d’uns cossos a uns altres.

  26. A quin concepte es refereixen els enunciats que no has assenayalat en l’exercici anterior?

  27. L’Amèlia i la Virgínia estan estudiant anglès a Escòcia. Quan telefonen a casa diuen que estan a 70 graus. És possible?

  28. La temperatura a què el nitrogen passa de líquid a gas és de 77 K. Expressa-la en graus Celsius.

  29. El plom fon a 328 ºC. Quants kelvin són?

  30. Un cos augmenta la seva temperatura 20 ºC. Quants kelvin ha augmentat?

  31. Expressa la temperatura de fusió de l’aigua en kelvin.

  32. La temperatura a la superfície del Sol és, aproximadament, 6.000 K. Quants graus centígrads són?

  33. De quines maneres es pot transmetre la calor d’un sistema un altre?

  34. Relaciona les maneres de propagació de el calor amb alguna de les seves característiques

    CONDUCCIÓ

    Les partícules transmeten el calor a les que la rodegen

    Pot realitzar-se en el buit

    CONVECCIÓ

    Es creen corrents de matèria

    Es produeix en els sòlids

    RADIACIÓ

    Es produeix en els fluids

  35. Indica quina forma de propagació de la calor està produint-se quan s’encalenteix:

    1. El mànec d’una paella posada al foc:

    2. Una habitació amb una estufa

    3. L’aigua que hi ha en un perol posat al foc:

    4. La carn que es fa a la brasa en una graella:

    5. Una bombeta encesa transmet calor a una habitació.

    6. Un corrent d’aire càlid ascendeix al porxo procedent dels pisos inferiors.

  36. Classifica aquests fenòmens segons s’expliquin per la dilatació (D), per canvi d’estat (E) o per la propagació de el calor (P):

    1. L’aire d’un globus s’escalfa i el globus puja

    2. El mercuri d’un termòmetre situat al pol nord es congela

    3. El nivell d’aigua en una olla posada al foc puja

    4. L’aigua d’una olla posada al foc realitza moviments abans de bullir

    5. L’aigua d’una olla posada al foc bull

    6. A l’agafar un objecte metàl·lic, aquest sembla estar fred

  37. Senyala les frases correctes i rectifica les incorrectes:

    1. La calor es transmet per conducció, per convecció i per radiació

    2. La temperatura és la mesura de l’agitació tèrmica dels cossos

    3. A major agitació tèrmica, menor temperatura.

    4. La solidificació i l’ebullició són canvis d’estat en els que s’absorbeix calor.

    5. Quan es posen en contacte dos cossos a diferent temperatura, es produeix una transferència de calor del més fred al més calent.

  38. Per què els radiadors de la calefacció s’instal·len baix i els aparells d’aire condicionat dalt?

  39. Com es condueix la calor en els casos següents?

    1. En sostindre una barra metàl·lica que està al foc, et pots cremar la mà.

    2. Les bombetes d’una làmpada desprenen un poc de calor.

    3. Els cabells s’assequen amb un assecador de mà.

  40. Per què no ens cremem els dits si apaguem la flama d’un ciri d’esquerra a dreta però si ho fem si el moviment es de dalt a baix?

  41. Diferencia entre els conceptes següents:

    1. Temperatura d’ebullició i temperatura de fusió.

    2. Dilatació i contracció.

    3. Termòmetre de mercuri i termòmetre d’alcohol.

    4. Convecció i conducció.

  42. Escalfem 0,5 kg d’oli per fregir patates i la seva temperatura augmenta en 150 graus. Quanta calor ha absorbit aquest oli? Capacitat calorífica específica de l’oli: 1.970 J/kg·K

  43. Una cullera d’acer de 20 g de massa absorbeix 400 J. En quina quantitat s’incrementarà la seva temperatura? Capacitat calorífica específica de l’acer 460 J/kg·K

  44. Escalfem 750 g d’aigua, inicialment a 20 ºC, fins a assolir els 50 ºC. Quina quantitat de calor ha absorbit l’aigua? Capacitat calorífica específica de l’aigua: 4.180J/kg·K

  45. Calcula la quantitat de calor que haurem de subministrar a 2kg de plom per a elevar la seva temperatura de 10º a 80 ºC. (Ce plom = 130 J/kg·K)

  46. Escalfem 1,2 kg d’aigua, inicialment a 25 ºC, fins a assolir els 60 ºC. Quin ha estat l’increment de temperatura en kelvin?

  47. En el cas de l’exercici anterior, i recordant que la capacitat calorífica específica de l’aigua és 4.180 J/Kg·K, quina quantitat de calor ha absorbit l’aigua?

  48. . Quina massa té un bloc d’acer (capacitat calorífica específica 460 J/kg·K) si, en absorbir 85.000 J de calor, la seva temperatura ha variat de 15 ºC a 120 ºC?

  49. . Una massa de 2 kg d’oli absorbeix 78.800 J d’energia. Quant augmentarà la seva temperatura? Capacitat calorífica específica de l’oli = 1.970 J/kg·K

  50. Quina quantitat de calor absorbeixen 100 g de gel per passar de – 22 ºC a – 5 ºC? (Capacitat calorífica específica del gel = 2,83 · 103 J / kg · K)

  51. Un bloc de ferro ha absorbit 78.126 J i la seva temperatura ha passat de 20 ºC a 150 ºC.
    Quina massa té el bloc? (Capacitat calorífica específica del ferro = 449 J /kg · K)

  52. S’escalfem 0,750 kg d’aigua, inicialment a 20 ºC, fins als 323 K. Quina quantitat de calor ha absorbit l’aigua? (Capacitat calorífica específica de l’aigua = 4,18 · 103 J / kg · K)

  53. Calcula l’increment de temperatura de 5kg de coure si li subministrem 2000 J.(Ce coure = 390. J/kg·K)

  54. Explica en termes d’agitació tèrmica i energia interna el que observes en els esquemes següents. Quin dels dos casos té més energia interna?

     55

  55. Pot un cos tindre calor? I pot cedir-la a un altre? Raona les respostes.

  56. Uneix amb fletxes cada cartell de la part superior amb els tres rectangles que hi corresponguen.

    56

     

    57 Relaciona amb fletxes segons corresponga.

 

57

  1. Completa i comenta els següents diagrames:

    Canvi d'estat Olla

7.5 Formulari

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *