23. Temperatura, Calor y Dilatación térmica

 

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 ✏ Escribe lo siguiente en tu cuaderno 📖

TEMPERATURA, CALOR Y DILATACIÓN TÉRMICA

Responde la siguiente pregunta: 

¿El frío existe o es solo una sensación?

• Temperatura: Es una medida de la energía cinética promedio de las partículas de un cuerpo. En palabras simples: mide qué tan rápido se están moviendo, vibrando o agitando los átomos de un objeto. No depende de la cantidad de materia.

Por ejemplo: Una taza de café hirviendo y el océano tienen la misma temperatura en su superficie, pero no la misma energía total.

• Calor (Q): Es la energía en tránsito que se transfiere de un cuerpo de mayor temperatura a uno de menor temperatura. El calor fluye hasta que ambos cuerpos alcanzan el equilibrio térmico (igualan sus temperaturas).

Unidades de medida: Se mide en Julios (J) en el Sistema Internacional, o en Calorías (cal).

Diferencia: La temperatura es el estado de agitación de un cuerpo; el calor es la energía que se transfiere debido a esa diferencia de agitación.

Escalas de temperatura

Existen tres escalas principales para cuantificar la temperatura:

Fórmulas de Conversión Básicas:

De Celsius a Kelvin:

• K = °C + 273.15

De Celsius a Fahrenheit:

• F = 9/5 °C + 32 o F = (1,8 x °C) + 32 

De Fahrenheit a Celsius:

•  C = 5/9 (°F - 32)

Dilatación Térmica

Cuando la temperatura de un objeto aumenta, sus partículas se mueven más rápido y se separan entre sí, provocando que el cuerpo se expanda (se dilate). Si la temperatura baja, el cuerpo se contrae.

Se clasifica en tres tipos según la forma del objeto:

A. Dilatación Lineal (En cables, varillas, rieles)

El cambio se nota principalmente en una dimensión (la longitud).

• Fórmula: 

△L = Lo x 𝞪 x △T

Donde:

• △L es la variación de longitud (L final - L inicial).
• Lo es la longitud inicial.
• 𝞪 es el coeficiente de dilatación lineal (depende del material, ej. acero, cobre).
• △T es el cambio de temperatura (T final - T inicial).

B. Dilatación Superficial (En láminas, placas, vidrios)

El cambio ocurre en dos dimensiones (área).

• Fórmula: 

△A = Ao x 𝞫 x △T

Donde 

•  𝞫 = approx 2 𝞪 

C. Dilatación Volumétrica (En líquidos, gases, bloques sólidos)

El cambio ocurre en las tres dimensiones (volumen).

• Fórmula: 

△V = Vo x 𝛄 x △T\) 

Donde 

• 𝛄 = approx 3 𝞪

Ejemplo: Las juntas de dilatación en los puentes o en las vías del tren. Se dejan pequeños espacios vacíos para que el metal se expanda en los días calurosos sin deformar la estructura.

👀 Presta atención 👂

Practiquemos lo aprendido 📝

Resuelve los siguientes ejercicios:

1. Un termómetro ambiental en un laboratorio de química registra una temperatura de 35 °C. 

a. ¿A cuánto equivale esta temperatura en la escala Fahrenheit (°F)?

b. ¿A cuánto equivale esta temperatura en la escala Kelvin (K)?

2. Se introduce una barra de hierro caliente a 80 °C dentro de un recipiente con agua fría a 15 °C.

a. ¿Qué cuerpo cede energía en forma de calor y cuál al absorbe?

b. Si el sistema se aisla perfectamente, ¿qué pasará con la temperatura de ambos cuerpos después de un tiempo prolongado?

3. Un riel de acero de una vía de tren mide exactamente 12 metros de longitud durante una mañana fría a 5 °C. A mediodía, el sol calienta el riel hasta alcanzar los 45 °C. Si el coeficiente de dilatación del acero es 𝝰 = 11 x 10 ^ -6 °C^-1, calcula:

a. La variación de la longitud

b. La longitud final del riel

4. Una lámina de aluminio tiene un área inicial de 2 m^2 a una temperatura de 20 °C. Si la lámina se calienta hasta los 120 °C, ¿Cuál será su nueva área? 

(Considere el coeficiente de dilatación lineal del aluminio  𝝰 = 24 x 10^-6 °C^-1).

5. Un cubo de cobre sólido de 1 litro de volumen inicial (0.001 m^3) se encuentra en un horno a 25 °C. Si la temperatura del horno sube a 225 °C, ¿cuánto cambia su volumen?

(Dato: Coeficiente de dilatación lineal del cobre 𝝰 = 17 x 10^6 °C^-1).

💜 Muchos éxitos para todos, feliz día 🎊