Temperatura, calor específico y dilatación
TEMPERATURA es la medida de la energía cinética PROMEDIO de las partículas: es intensiva, no depende de cuánta materia haya. CALOR es energía en tránsito que pasa del cuerpo caliente al frío mientras exista diferencia de temperatura; se mide en joules o calorías. Un cuerpo NO 'tiene' calor: tiene energía interna. Por eso el organismo, que se mantiene cerca de 37 °C, no almacena calor sino que lo produce (metabolismo) y lo cede al ambiente.
El CALOR ESPECÍFICO c es el calor que necesita 1 kg de sustancia para subir 1 °C. La CAPACIDAD CALORÍFICA C es la del cuerpo completo: depende de la masa. Ojo con la diferencia, el IPN la pregunta en el mismo reactivo.
| Sustancia | c [J/(kg·°C)] | α lineal [°C⁻¹] |
|---|---|---|
| Agua líquida | 4 186 | — |
| Hielo | 2 090 | 5.1 × 10⁻⁵ |
| Cuerpo humano (promedio) | 3 470 | — |
| Aluminio | 900 | 2.4 × 10⁻⁵ |
| Vidrio | 840 | 9.0 × 10⁻⁶ |
| Acero | 460 | 1.2 × 10⁻⁵ |
| Mercurio | 140 | γ = 1.8 × 10⁻⁴ |
EJEMPLO RESUELTO (equilibrio térmico). Se sumergen 0.20 kg de aluminio a 100 °C en 0.50 kg de agua a 20 °C, en un calorímetro aislado. ¿Cuál es la temperatura final?
1) El calor que cede el metal es el que absorbe el agua: mAlcAl(100−T)=maca(T−20).
2) Sustituyendo: (0.20)(900)(100−T)=(0.50)(4186)(T−20) → 180(100−T)=2093(T−20).
3) 18000−180T=2093T−41860 → 59860=2273T → T≈26.3 ∘C.
El agua sube sólo 6 °C aunque el metal baje 74 °C: su calor específico es casi cinco veces mayor y además hay más masa.
DILATACIÓN. Al calentarse, los cuerpos aumentan sus dimensiones. Hay tres versiones de la misma ley y en las tres el incremento es proporcional a la dimensión inicial y a ΔT.
EJEMPLO RESUELTO (dilatación). Una varilla de aluminio mide 2.00 m a 20 °C y se calienta hasta 120 °C. ¿Cuánto se alarga?
1) ΔT=120−20=100 ∘C. En dilatación ΔT vale igual en °C que en K, así que aquí NO hay que convertir a kelvin.
2) ΔL=αL0ΔT=(2.4×10−5)(2.00)(100)=4.8×10−3 m=4.8 mm.
3) La longitud final es L=L0+ΔL=2.0048 m: fíjate en que la fórmula da el INCREMENTO, no la medida final.
Si el problema hablara del volumen de esa misma varilla o de la capacidad de un recipiente, sólo cambia el coeficiente: γ=3α=7.2×10−5 ∘C−1. Usar α donde va γ es el distractor clásico. Así funciona el termómetro clínico: el mercurio se dilata unas siete veces más que el vidrio que lo encierra (γHg=1.8×10−4 contra γvidrio=3(9×10−6)=2.7×10−5), y ese exceso es el que sube por el capilar.
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