Termometria (calorimetria y dilatación)

Termometría

Al colocar un cuerpo a la acción del sol, del fuego u otra fuente calórica, éste se calienta. Este calentamiento nos da idea del "estado térmico" del cuerpo, definiendo entonces que el estado térmico de un cuerpo es mayor o menor que otro si está más o menos caliente que éste.

Además podemos observar que cuando debemos enfriar un líquido muy caliente le agregamos un líquido más frío, obteniéndose un estado térmico menor que el del primer líquido pero mayor que el del segundo.

Este ejemplo nos permite determinar que:

• a. Dos cuerpos o sustancias de distinto estado térmico puestos en contacto, tienden a igualar sus estados térmicos, alcanzándose así un equilibrio térmico. En este caso podemos afirmar que el cuerpo más caliente le cede calor al más frío.

• b. Si colocamos dos cuerpos que tengan igual estado térmico, éstos no experimentan variaciones. En éste caso afirmamos que entre los dos cuerpos no hay intercambio de calor.

• c. Los estados térmicos no son magnitudes, ya que si mezclamos líquidos, por ejemplo, en distintos estados térmicos no se obtiene otro estado térmico que sea el producto de la suma de los estados térmicos iniciales. Por lo tanto al no poder ser sumables o divisibles (propiedades imprescindibles de las magnitudes) no son magnitudes.

La comparación de los estados térmicos de los cuerpos, lleva a la necesidad de establecer un ordenamiento numérico entre cada uno de ellos, es decir establecer una escala de temperaturas.

Temperatura: es el número que representa el estado térmico de un cuerpo, tomando como referencia un estado térmico perfectamente definido (por ejemplo la fusión del agua es decir el pasaje de hielo a agua o la ebullición del agua es decir el paso del agua líquida a vapor.

Termómetros

Son aparatos destinados a establecer el estado térmico de los cuerpos. Su funcionamiento se basa en el hecho de que todos los cuerpos al calentarse sufren un aumento de longitud o de volumen, este fenómeno se lo conoce como dilatación.

Para su fabricación se han elegido sustancias que puedan dilatarse como consecuencia de pequeños cambios en los estados térmicos. Generalmente se emplea mercurio, alcohol y algunos gases.

Podemos verificar que:

a. Cada sustancia en el estado de fusión, manteniendo constante la presión, determina un estado térmico o temperatura definida y constante.

b. Cada sustancia en estado de ebullición, manteniendo constante la presión, determina un estado térmico o temperatura definida y constante.

c. Todo aumento observado en un estado térmico (temperatura) provoca una dilatación. Por el contrario la disminución provoca una contracción.

Puntos fijos del termómetro: En toda escala termométrica se han definido dos puntos fijos que corresponden a los estados térmicos perfectamente definidos (fusión y ebullición) de la sustancia con la que se construye el termómetro.

Escalas termométricas

Fundamentalmente se emplean 4 escalas: Escala Centígrada o Celsius, Escala Reaumur, Escala Fahrenheit y Escala Kelvin.

Escala Centígrada o Celsius: En esta escala se considera como punto fijo inferior el 0º centígrado (0º C) que equivale al nivel alcanzado por el mercurio cuando tiene el estado térmico del hielo en fusión. El punto fijo superior son los 100º centígrados (100º C), que equivale al nivel alcanzado por el mercurio cuando se encuentra en el mismo estado térmico que el de los vapores del agua en ebullición. La distancia que separan ambas marcas se las divide en 100 partes iguales, pudiéndose expresar entonces que un grado centígrado es la variación de temperatura equivalente a la centésima parte de la variación de volumen sufrida por una masa de mercurio que pasó de un estado térmico igual al del hielo en fusión y al del agua en ebullición.

Escala Reaumur: También se considera los puntos fijos correspondientes a la fusión y a la ebullición del agua, pero se dividió esta distancia en 80 partes iguales, por lo que su punto fijo inferior se expresa como 0º R y su punto fijo superior como 80º R.

Escala Fahrenheit: Se considera como punto fijo inferior el 0º F que equivale al nivel que alcanza el mercurio cuando llega al mismo estado térmico de una mezcla frigorífica de hielo y cloruro de amonio en partes iguales. El punto fijo superior es 212º F que es equivalente al nivel alcanzado por el mercurio cuando logra el estado térmico de los vapores del agua en ebullición. Además al colocar un termómetro Fahrenheit en hielo en estado de fusión, el termómetro marca 32ºF.

Escala Kelvin: El punto fijo inferior es 273º K, que equivale a 0º C. Es conocida como temperatura absoluta

Relación entre las escalas termométricas

Termómetro de mercurio

Un tubo capilar de vidrio, de sección constante, en uno de sus extremos presenta una ampolla llamada bulbo. Allí se deposita el mercurio el que se desplaza a lo largo del capilar cuando sufre pequeñas variaciones térmicas. El otro extremo se cierra luego de hacer hervir el mercurio con el fin de eliminar todo el aire que pudiese haber en el capilar. A continuación se coloca el bulbo en hielo al estado de fusión, el mercurio se contrae hasta alcanzar un nivel estable, se determina así el punto fijo inferior. Luego se lo somete a la acción de los vapores de agua en ebullición, el mercurio se dilata hasta alcanzar un nivel estable, ese es el punto fijo superior. La distancia entre las dos marcas registradas, se la divide en 100 u 80 partes iguales, según sea la escala a utilizar, cada división es un grado.

El uso del mercurio se debe a que éste no moja, por lo tanto no deja residuos al descender, es muy visible, es un muy buen conductor del calor, su punto de ebullición es de 357ºC y su punto de solidificación es de -39º por lo que no es recomendable su uso para bajas temperaturas. En este caso es aconsejable el uso del de alcohol (punto de solidificación: -117ºC) o el de éter de petróleo (punto de solidificación: -190ºC).

Para determinar temperaturas superiores a los 400ºC se utilizan termómetros llamados pares bimetálicos o termómetros eléctrico o a resistencia (consta de un hilo de platino (punto de fusión: 1760ºC) arrollado sobre mica colocado sobre un tubo protector de plata, se lo coloca por ejemplo en un horno de fundición y se lo conecta a un aparato para medir resistencias eléctricas, las variaciones observadas corresponden a las variaciones de temperaturas.

Investiga: Explica los fundamentos del funcionamiento de un termómetro clínico.

Calorimetría

Hemos visto que dos cuerpos que se encontraban en distinto estado térmico, al juntarlos adquirían un equilibrio ya que el cuerpo más caliente le cedía calor al más frío y viceversa el cuerpo más frío absorbía el calor del más caliente, esto provocaba el aumento o disminución de la temperatura según correspondiese.

También cabe observar que cuando golpeamos en forma continua un clavo o inflamos un neumático, tanto la cabeza del clavo como el pico del inflador se calientan, esto sucede porque el calor es una forma de energía.

La calorimetría es la parte de la física que se encarga de estudiar la cantidad de calor que absorbe o cede un cuerpo. La cantidad de calor es una magnitud cuya unidad es la caloría (calor):

Caloría: "Es la cantidad de calor que absorbe un gramo de agua para aumentar en un grado centígrado su temperatura" La kilocaloría es un múltiplo de la caloría equivalente a 1000 calorías.

Para determinar la cantidad
de calor que absorbe un cuerpo podemos trabajar de la siguiente manera:

1. Colocamos en dos recipientes con agua, dos objetos de igual masa e igual sustancia. Uno de los recipientes lo calentamos hasta alcanzar los 100ºC mientras que al otro hasta llegar a los 50ºC. Sacamos los objetos que habíamos introducido y los apoyamos sobre una barra de hielo, observamos que el que estaba en el agua más caliente se "hunde", provoca una mayor fusión en la barra, por lo que podemos afirmar: La cantidad de calor absorbida por un cuerpo es proporcional a la variación de temperatura.

2. En uno de los recipientes colocamos ahora 2 cuerpos de igual sustancia pero de distinto tamaño, los llevamos a los 100ºC y luego retiramos los cuerpos, al colocarlos sobre la barra de hielo observamos que fundirá más el de mayor masa, conclusión: La cantidad de calor absorbida por un cuerpo es directamente proporcional a su masa.

3. En el mismo recipiente colocamos dos cuerpos de igual masa pero de distinta sustancia, calentamos hasta los 100ºC, retiramos los cuerpos y al apoyarlos sobre la barra de hielo observamos que provocan distinta fusión, es decir que han absorbido distinta cantidad de calor, entonces: La cantidad de calor absorbida por un cuerpo depende de la naturaleza de la sustancia que con que está formado dicho cuerpo. A este factor de proporcionalidad se lo denomina.

CALOR ESPECIFICO

Podemos definir entonces que: "La cantidad de calor que absorbe un cuerpo es directamente proporcional a su masa, a la variación de temperatura y al calor específico de la sustancia" Q = m . Ce . ?T donde Q es la cantidad de calor, m la masa del cuerpo, Ce el calor específico y ?T, la variación de la temperatura (Tf – To).

Podemos decir entonces que:

Ce = Definiendo entonces al calor específico como la cantidad de calo que absorbe o cede un gramo de masa de sustancia al aumentar o disminuir en un grado centígrado su temperatura.

Sus unidades son.

[Ce] = Tabla de calores específicos

Capacidad calorífica Se denomina así al cociente entre la cantidad de calor absorbida por una sustancia y la variación de temperatura que sufrió.

Cc = Pero Q = m . Ce . ?T, reemplazando tenemos que Cc = Cc = m . Ce Calorímetro: Son aparatos destinados a medir la cantidad de calor que absorbe o cede un cuerpo cuando ha modificado su temperatura.

Investiga: Cómo se utiliza el calorímetro de las mezclas

Dilatación

Es el fenómeno observado cuando se produce un aumento en la longitud, superficie o volumen de un cuerpo cuando ha aumentado su temperatura, por acción del calor.

Dilatación lineal: Es la variación de la longitud, producto de un aumento en la temperatura del cuerpo. Por ejemplo si a una varilla que a 0ºC tenía una longitud de 15 cm, observamos que al calentarla hasta los 100ºC su longitud ha aumentado. Este aumento de la longitud se lo simboliza? l, y es consecuencia de la diferencia entre la longitud fina "lf" y la longitud inicial "lo".

Coeficiente de dilatación lineal: Es el aumento medio de la longitud de una varilla, por cada centímetro de longitud y por cada grado centígrado de variación de temperatura, cuando a la varilla se la calienta entre 0ºC y 100ºC.

Este coeficiente es constante para cada sustancia, por ejemplo el acero posee un l de 0,000012 , para la plata 0,0000197 , para el vidrio pirex 0,0000003 , para el vidrio común: 0,000009 , para el cobre: 0,000017 para el cinc: 0,000063 .

? = Unidades: ??? = [?] = A partir de la expresión matemática (1), podemos calcular cual es la longitud final:

lf – l0 = ? . ?t . l0

lf = l0 . ?t . ? + l0

lf = l0 . (1 + ?t . ??

Podemos afirmar que la dilatación es directamente proporcional a la temperatura, a la longitud y a un factor que depende de la sustancia que posee el cuerpo (?).

Una aplicación de la dilatación lineal es el par bimetálico, el cual es una pieza formada por dos láminas, cada una de un metal diferente, por lo tanto con distinto coeficiente de dilatación; estas piezas están unidas longitudinalmente de manera tal que la de mayor coeficiente de dilatación quede hacia afuera. Al producirse un aumento de temperatura la curvatura del par aumentará ya que en la parte externa del cuerpo se encuentra el metal de mayor coeficiente de dilatación, con las disminuciones de temperatura dicha curva se hará menor. Esto se emplea en los termostátos, que son aparatos que permiten mantener la temperatura dentro de una valor máximo y un valor mínimo.

Dilatación superficial

Es el fenómeno que ocurre por ejemplo cuando se calientan las losas de un hormigón armado (rajaduras en el techo), o un pavimento (por esta razón se le hacen juntas de alquitrán, que le permitan este movimiento).

Para calcular la superficie final de un cuerpo que ha sido sometido a la acción del calor, usamos la siguiente expresión:

Sf = S0 (1 + ????T) Donde S0 es la superficie inicial, Sf: la superficie final alcanzada, ?: el coeficiente de dilatación cúbica y DT, variación de la temperatura El coeficiente de dilatación cúbica podemos definirlo como el aumento medio de superficie experimentado por cada unidad de superficie, al variar en 1ºC, la temperatura Se verifica que su valor es aproximadamente igual al doble del valor del coeficiente de dilatación lineal, es decir que ? = 2 ?

Dilatación cúbica

Es el aumento de volumen que experimenta una cuerpo al aumentar su temperatura.

Para su cálculo se utiliza la siguiente expresión:

Vf = Vo . (1 + ? . ?T) Donde Vf es el volumen final alcanzado por el cuerpo, V0, el volumen inicial, ?: el coeficiente de dilatación cúbica y DT, la variación de temperatura.

El coeficiente de dilatación cúbica es el aumento medio de volumen que se produce por cada centímetro cúbico y por cada grado centígrado de variación de temperatura.

Su valor es aproximadamente igual al triple del valor del coeficiente de dilatación lineal, es decir ? = 3 ?? EJERCITACIÓN

1) Reducir a la escala centígrada 113ºF.

2) Reducir – 12ºR a la escala centígrada.

3) Reducir 8ºC bajo cero a la escala Farenheit.

4) Reducir 5ºC bajo cero a la escala Reamur.

5) Reducir 38º F a la escala Reamur

6) Reducir – 20ºR a la escala Farenheit.

7) La temperatura media de Buenos Aires es de 16.2ºC y la de Londres de 51.7ºF. ¿Cuál es la mayor y que diferencia hay entre ambas?

8) Se conocen las temperaturas medias de las siguientes ciudades, expresarlas en la escala Farenheit:

9) Pasar 59º C a ºF, ºK y º R.

10) Pasar 110º F a ºK, ºR y ºF.

11) Pasar -25º R a ºC, ºF y ºK.

12) Pasar -89ºK a º C, º F y ºR

13) Los puntos de fusión y ebullición, a la presión atmosférica, del alcohol etílico son -117º C y 78,5º C. Convertir esas temperaturas a la escala Fahrenheit.

Rta: P.E = 173º F, P.F = -179ºF

14) Los puntos de ebullición y de fusión, a la presión atmosférica, del mercurio son 675º F y -38º F, respectivamente. Expresar dichas temperaturas en unidades de la escala centígrada.

Rta: P.E = 357ºC y P.F = -38.9ºC.

15) La temperatura del hielo seco (de sublimación, a presión normal) es de 109º F. ¿Es más alta o más baja que la temperatura de ebullición del etano, que es de -88º C?.

Rta: Más alta 16)Una barra de cobre mide 8m a 15º C. Hallar la variación que experimenta su longitud al calentarla hasta 35º C. El coeficiente de dilatación lineal del cobre es de 17 10 -6 (ºC) -1.

Rta 2.72 mm 17)Hallar la longitud a 80º C de una barra de níquel que a 0ºC tiene una longitud de 60 cm (? = 0,0000131 )

Rta: 60,06288 cm

18)Hallar la longitud a 72ºC de una barra de plata que a 273ºK, tiene una longitud de 50cm.. (? = 0,0000197 ) Rta: 50,07092 cm.

19)¿A qué temperatura deberá calentarse una barra de hierro (? = 0,0000122 ), que a 0ºC mide 5 m para que alcance una longitud final de 5,005 m?

Rta: 82ºC

20)¿Cuál es el coeficiente de dilatación lineal del aluminio, sabiendo que una barra de ese metal a 0ºC mide 2 m y a 100ºC experimenta un aumento de 4,76 mm?

Rta: 0,0000238

21)Un eje de acero tiene un diámetro de 10,000 cm a 30º C. Calcular la temperatura que deberá existir para que encaje perfectamente en un agujero de 9,997 cm de diámetro. El coeficiente de dilatación lineal del acero es de 11 10 -6 (ºC) -1.

Rta: 2.7º C 22)Calcular el aumento de longitud de una barra de cobre de 500 cm de largo cuando se calienta desde 12º C a 32º C. El coeficiente de dilatación lineal del cobre es 17 10 -6 (ºC) -1.

Rta: 0.17 cm.

23)Una varilla de 3m de longitud se alarga 3 mm al elevar su temperatura en 100º C. Hallar el coeficiente de dilatación lineal.

Rta: 10-5 (º C)-1.

24)Hallar el aumento de volumen que experimentan 100 cm3 de mercurio cuando su temperatura se eleva de 18º C a 35º C. El coeficiente de dilatación cúbica es de 18 10-5 (ºC)-1.

25)El coeficiente de dilatación lineal del vidrio es de 9 10-6 (ºC)-1. Qué capacidad tendrá un frasco de vidrio a 25º C, si su valor a 15º C es de 50 cm3.

Rta: 50,014 cm3.

26)¿Qué longitud tendrá un hilo de cobre (coeficiente de dilatación 0.0000117 (ºC)-1 calentado por el sol hasta 55ºC, si a 0º C su longitud era de 1.400 m? Rta: 1400,90 m 27)Se tienen dos reglas una de plata (calor específico 0.0000199 ºC-1) y otra de latón (calor específico 0.0000187 ºC-1), que poseen la misma longitud: 2.50 m, calentadas a 200ºC ¿Cuál de las dos resulta de mayor longitud? Rta: la de plata.

28)¿Cuál será el coeficiente de dilatación lineal del cobre si un hilo de ese metal de 140 m de largo a 0º c adquiere al ser calentado a 350º C, una longitud de 140,8673 m?.

Rta: 0,0000177 (ºC)-1.

29)El punto de fusión de una sustancia es de –10ºC y su punto de ebullición es de 85ºC. Indique en que estado se encuentra si la temperatura de la sustancia es de:

a)25ºC, b) – 40ºC, c) 110º C, d) 80º C.

30)En un termómetro Fahrenheit se observa una marca de 125º F y en un Celsius una marca de 45º C. ¿Cuál de las dos indica mayor estado térmico?.

31)¿A qué temperatura centígrada corresponde el 0º F?.

32)¿Qué cantidad de calor absorbe una masa de 5 g de hierro (Ce: 0,114 cal/g) que está a 28º C y se la calienta hasta 100ºC?.

Rta: 41,04 cal.

33)Cuál es el calor específico de una sustancia cuya masa es de 10 g, si absorbe 250 cal para pasar de 20ºC a 150ºC?.

Rta: 0,192 cal/g.ºC.

34)¿Cuál será la variación de temperatura experimentada por una masa de 7 g de aluminio (Ce: 0.220 cal/g. ºC), si ha absorbido 170 cal? Rta: 110,3 ºC.

35)Calcular la cantidad de calor ganada por una masa de 18 g de plomo (Ce: 0.03 cal/g.ºC) al ser calentada desde los 35ºC hasta los 105º C.

36)Cuál es la masa de cinc (Ce: 0.093 cal/g . ºC) que absorbió 130 cal al pasar de 30º C a 65º C?.

37)Determinar la variación de temperatura experimentada por una masa de 150 g de hierro (Ce: 0.11 cal/g . ºC) que absorbió 2800 cal.

TERMOMETRIA (CALORIMETRIA Y DILATACION) "NO A LA CULTURA DEL SECRETO, SI A LA LIBERTAD DE INFORMACION"® www.monografias.com/usuario/perfiles/ing_lic_yunior_andra_s_castillo_s/monografias Santiago de los Caballeros, República Dominicana, 2015.

"DIOS, JUAN PABLO DUARTE Y JUAN BOSCH – POR SIEMPRE"®

Autor:

Ing.+Lic. Yunior Andrés Castillo S.