Este documento presenta una serie de experimentos sobre calor y temperatura realizados por estudiantes. Los experimentos incluyen medir la temperatura de equilibrio al mezclar objetos a diferentes temperaturas en agua. Los resultados muestran que la temperatura de equilibrio depende de la masa y temperatura inicial de los objetos, no de la cantidad de calor. Esto lleva a definir conceptos como calor específico y energía interna.

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Focalización
La temperatura es una magnitud física de uso común en nuestra vida cotidiana. Por
ejemplo, hablamos de las temperaturas máxima y mínima durante el día, o cuando una
persona se enferma su temperatura nos indica qué tan enfermo se encuentra; pero
también hablamos de días calurosos o días fríos, de bebidas frías y bebidas calientes.
¿De qué se habla realmente? ¿De temperatura o de calor?
Nuestros estudiantes saben que la temperatura se encuentra relacionada con el calor y
que se trata de nociones distintas, sin embargo con más frecuencia que la deseada
confunden ambos conceptos. Para partir revisando las ideas a este respecto, se propone
la siguiente afirmación.
Un objeto a cierta temperatura ¿tiene una mayor cantidad de calor que uno similar
que se encuentra a menor temperatura?
Para enfrentar esta pregunta la aterrizamos un poco. Suponga que un témpano ha caído
de un ventisquero al mar. Cerca de ahí, otro témpano similar cae en una laguna pequeña
pero con agua a la misma temperatura que la del mar.
¿Cuál de los dos témpanos se derretirá primero?
Investigue, explique y comente
Para estudiar esta situación realice la siguiente actividad. Necesitará dos vasos o tazones
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grandes (de unos 400 cm de capacidad) iguales (1 y 2) de plástico, polietileno o vidrio,
dos trozos iguales de hielo. Vierta agua tibia (a unos 37 ºC) en ambos vasos. Llene
completamente uno de ellos (1) y el otro hasta la mitad (2), como se ilustra en la figura.
Para asegurarse de que la temperatura del agua en los dos vasos es la misma, use en
ambos agua de una misma tetera o calentador. Es importante que mida la temperatura
inicial del agua con la mayor precisión posible. Para hacerlo puede utilizar un termómetro
clínico de mercurio, como los que se encuentran en casa o en su defecto, uno ambiental
de alcohol.
Suponga que introduce dos cubos de hielo iguales recién sacados del refrigerador, uno en
cada vaso.
¿Cómo cree usted que se fundirán estos cubos? Explique
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Calor y Temperatura

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Ahora espere a que se fundan y contraste su respuesta con lo observado
¿Cómo se fundieron realmente?
¿Qué habría sucedido con los cubos de hielo si los dos vasos hubiesen contenido
la misma cantidad de agua y a la misma temperatura?
Explique
Si tiene curiosidad, experimente haciendo variaciones, como echar dos cubos
de hielo en uno de los vasos, y sólo uno en el otro, teniendo igual cantidad de
agua en ambos, etc. Siempre trate de explicar lo que ocurre usando el sentido
común y sus conocimientos.
Volviendo a la situación inicial, una vez que se fundan completamente ambos
cubos de hielo, ¿cómo cree usted que serán las temperaturas del agua
resultante?
Posiblemente será necesario que repita la experiencia desde el principio y
proceda a medir cuidadosamente las temperaturas inicial y final del agua en
ambos vasos. Mientras los hielos se fundan le sugiero cubrir los vasos con algo
que reduzca las influencias del ambiente. Un libro puede ser adecuado.
Después de realizada la experiencia, ¿cómo fueron las temperaturas finales del
agua en cada vaso?
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La temperatura que hemos llamado final se denomina temperatura de equilibrio.
Investigue y Defina Temperatura de Equilibrio
Si hay cambios de fase, como le ocurre al hielo, que le sucede a la temperatura?
Pero, ¿sí cambia la del medio circundante?, y en nuestro caso del agua, qué sucede?
Si en vez de hielo introduce en ambos vasos un trozo de hierro muy caliente, y
el agua está muy fría, ¿cómo será ahora la temperatura de equilibrio?
Conviene que haga el experimento para asegurarse. Vierta en ambos vasos agua fría de
la llave, en uno hasta llenarlo y en el otro a medio llenar, igual que antes. Mida la
temperatura del agua. Mantenga en agua hirviente durante unos cuantos minutos un
conjunto de clavos (unos 200 g en total).
Esto asegurará que todos los clavos estén a la misma temperatura (poco menos de
100ºC). Usando pinzas o un alicate para no quemarse, coloque la mitad de los clavos en
cada vaso. Cúbralos nuevamente con un libro. Por un borde introduzca, cada tres minutos,
un termómetro para medir la temperatura del agua. Registre sus observaciones.
¿Cómo resultó ser ahora la temperatura de equilibrio?
¿Cómo fueron las variaciones de temperatura que experimentaron el agua y
los clavos?
Como fruto de la experiencia habrá reconocido fácilmente que es mayor la
variación de temperatura en…………………………………….
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¿Cuál o cuales de los siguientes factores cree usted que determinan la
temperatura de equilibrio en situaciones como las estudiadas?
I Las temperaturas iniciales y finales de los materiales que se mezclan.
II La masa de los materiales que se mezclan.
III El tipo y composición química de los materiales que se mezclan.
Explique detalladamente
Vierta en cada vaso unos 200 cm3 de agua de la llave. Caliente de nuevo los
clavos en agua hirviendo hasta que alcancen una temperatura cercana a los
100 ºC. Ponga en uno de los vasos 100 g de clavos y en el otro, igual masa de
la misma agua que usó para calentarlos, es decir, 100 cm3 (100 g de agua
corresponden a 100 cm3. Cubra los recipientes y mida la temperatura cada tres
minutos. Registre sus mediciones.
¿Cómo será la temperatura de equilibro en ambos vasos?
Como puede ver, las temperaturas iniciales de los cuerpos que se mezclaron eran las
mismas y también lo eran sus masas, sin embargo las temperaturas de equilibrio ¿Cómo
resultaron?
Mientras los cuerpos o sustancias que se mezclan a distinta temperatura evolucionan
hacia una misma temperatura de equilibrio, ¿habrá algo relacionado con la temperatura
que se conserve al transcurrir el tiempo?
Responda y justifique su respuesta:
¿Si el sistema está aislado, entonces qué sucederá con la energía?
Explique detalladamente
¿Dónde estará esa energía en los casos que hemos estudiado?
A qué sustancia la llamaron calórico?
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¿Quién o quienes resolvió o resolvieron el problema? Y qué noción nació?
¿Entonces qué es el calor?
¿Qué es el modelo cinético molecular de la materia?
¿Qué tipo de energía tendrán los átomos y moléculas?
¿Qué es la energía calórica y en dónde tiene significado?
¿Qué es la energía interna de un cuerpo?
Entonces, si dos objetos iguales, del mismo material y masa, están a diferente
temperatura, ¿cómo serán sus respectivas energías internas?
Si un sistema aislado está compuesto por dos cuerpos y uno de ellos reduce su
energía interna, ¿qué debe ocurrir en el otro cuerpo?
I Debe aumenta su energía interna
II Debe aumentar su temperatura
III Sus átomos y moléculas deben incrementar su rapidez de traslación
Por otra parte, mucho antes de que los físicos comprendieran cabalmente lo que
acabamos de describir, ya habían logrado avances razonando de la siguiente manera. Sea
Q la energía que cede o absorbe un cuerpo en forma de calor. Se sabe por experimentos
que la cantidad de calor necesaria a un cuerpo para que suba su temperatura en un monto
ΔT se duplica si se duplica su masa, y también se duplica si el cambio de temperatura es
el doble. Esto se expresa de la forma Q ∝ mΔT, donde el signo ∝ debe leerse como “...
es directamente proporcional con...”. Cuando dos magnitudes son directamente
proporcionales el signo ∝ puede ser remplazado por un signo igual si se introduce una
constante de proporcionalidad. Así, podemos escribir Q = c mΔT, donde la constante de
proporcionalidad c se denomina calor específico y su valor es característico de cada
material o sustancia.
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¿Con cuál o cuales de las siguientes unidades se puede medir el calor?
a) Caloría
b) Kilogramo x ºC
c) Joule
d)
e)
Aproximadamente ¿cómo se define la caloría?
¿Cuál debe se entonces el calor específico del agua pura?
Volvamos al caso de los clavos calientes inmersos en agua de la llave.
Supongamos que la temperatura inicial del agua era 20 ºC y su volumen
200 . Supongamos también que para los clavos eran 100 ºC y 100 g
respectivamente, alcanzando la mezcla una temperatura de equilibrio de 23 ºC.
Si además el sistema está aislado del exterior, es decir, que no hay intercambio
de energía con el medio ambiente, ¿qué cantidad de calor absorbió el agua de
los clavos?
¿Qué calor le ceden los clavos al agua?
¿Cuál debiera ser el calor específico del hierro de los clavos?
De acuerdo con lo que hemos visto, . Entonces, para los clavos encontramos
que c = _________ .
Debe notar que este es un modo eficiente para determinar el calor específico de un
material. Para mejorar la medición puede emplearse un termo doméstico para café. Este
tipo de recipiente minimiza la disipación de calor al ambiente. ¿Cómo lo logra?
Investíguelo.
Las paredes de un recipiente que impiden completamente el paso del calor se denominan
adiabáticas; representan a un aislante térmico perfecto. Un recipiente cuyas paredes
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tienen esta característica y se emplea para determinar calores específicos, se le denomina
calorímetros.
Suponga ahora que agrega a 1 litro de agua a 20 ºC, una pieza de aluminio de
400 g a una temperatura de 80 ºC. Si no hay intercambio de calor con el
medio, ¿cuál será la temperatura de equilibrio de la mezcla calórica? El calor
específico del aluminio es 0,217 .
De acuerdo con lo que hemos visto, el calor absorbido por el agua debe ser igual al cedido
por la pieza de aluminio. Por lo tanto podemos escribir:
- Qcedido = Qabsorbido
Como Q = cmΔT entonces:
- cagua ⋅ magua ⋅ ΔTagua = caluminio ⋅ maluminio ⋅ ΔTaluminio.
Si designamos por T la temperatura de equilibrio
- cagua ⋅ magua ⋅ (T - Ti,agua )= caluminio ⋅ maluminio ⋅ (T - Ti,aluminio).
Donde Ti representa una temperatura inicial. Reemplazando los datos que tenemos, nos
queda
Resolviendo la ecuación encontramos que T = ________
Antes de finalizar esta cápsula es conveniente reflexionar sobre la vinculación
entre las medidas macroscópicas que podemos realizar sobre la temperatura y
el calor y lo que nos dice el modelo cinético molecular de la materia. En otros
términos, ¿qué relación existe entre el calor, que hemos expresado como Q y
medido en calorías, y la energía interna, que hemos expresado como E y que
medimos en joule?
¿Qué es el equivalente mecánico en calor.? Investigue y explique
¿Qué es la Capacidad Calórica?,
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Un experimento relativamente simple que permite reproducir artesanalmente la
experiencia de joule, por lo menos en forma cualitativa, requiere los siguientes materiales:
• Vasos de plumavit
• Cinta adhesiva
• Termómetro
• Monedas de 10 pesos
Coloque unas cuántas monedas (20 o 30) dentro de un recipiente lleno de agua, hecho
con vasos para café, del modo que se indica en la figura. Una vez construido el sistema
déjelo un tiempo para que agua y monedas alcancen la temperatura de equilibrio con el
ambiente. Mida la temperatura del agua con un buen termómetro y registre su valor.
Tapando con un dedo el orificio de la parte superior agite verticalmente el recipiente
durante unos cinco minutos. Cuando termine de agitarlo mida nuevamente la temperatura
del agua.
¿Qué observó en la temperatura del agua?
Suponga que tiene tres bolsas. Una llena con bolitas de plomo, otra llena con
bolitas de hierro y la otra llena con bolitas de cobre, todas a igual temperatura
y en equilibrio con la del ambiente. Si las deja caer 50 veces desde una altura
de 2 metros observará, de acuerdo con Joule, un aumento en la temperatura de
las bolitas.
Si considera que los calores específicos de estos materiales son,
respectivamente: cPb = 0,03 , cFe = 0,1 y cCu = 0,09
¿Qué puede afirmar sobre el aumento de temperatura que experimentarán las
bolitas?
Quién tendrá el mayor aumento de temperatura? ¿Por qué?
¿Depende del valor de la masa? explique
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Comparación y contraste
Volvamos a la pregunta original:
¿Tiene una mayor cantidad de calor en su interior un objeto que está a más temperatura
que otro?
¿Está de acuerdo con esta afirmación:?
La pregunta contiene un error. Ahora que ha estudiado el tema, ¿puede
identificarlo?
Por ejemplo, ¿es correcto hablar de la cantidad de calor de un cuerpo?
Si la pregunta se modificara por esta otra: ¿”Tiene una mayor energía interna
en su interior un objeto que está a mayor temperatura que otro”?, ¿estaría bien
formulada?
Ahora, ¿cuál sería la respuesta?
Aplicación de aprendizajes
Existen numerosas aplicaciones relativas a la forma en que se transfiere calor de un
cuerpo a otro. Basta con recordar que nuestro cuerpo está continuamente haciéndolo con
el medio ambiente pues estamos a diferente temperatura. El tema es importante pues
incide en la vida cotidiana. Los sistemas de calefacción y refrigeración, el tipo de abrigo
para ponerle a los niños, la cocción de alimentos, el efecto del Sol en la Tierra o en una
nave espacial, son ejemplos donde importa la transferencia de calor. A continuación
planteamos algunos ejemplos para que Ud. examine
1. Se dan los calores específicos de tres sustancias:
Sustancia X = 900 J/kg ºC
Sustancia Y = 230 J/kg ºC
Sustancia Z = 450 J/kg ºC
Si se calienta 1 kg de cada una de estas sustancias desde la temperatura
ambiente hasta una misma temperatura más alta, ¿cuál de ellas absorbe más
calor?
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2. Se pone 1 litro de agua durante un cierto tiempo sobre una llama y su
temperatura aumenta en 2 ºC. Si ahora se colocan 2 litros de agua por el
mismo tiempo y sobre la misma llama, ¿en cuánto subirá su temperatura?
3. A un vaso lleno con bebida se le agregan cubos de hielo. Lo que aquí ocurrirá
es que:
a) El hielo le transmite frío a la bebida.
b) La bebida le transmite frío al hielo.
c) La bebida transmite calor al hielo.
d) El hielo transmite calor a la bebida.
e) No fluirá calor por estar el hielo y la bebida a la misma temperatura
.
4. ¿Qué significa que dos cuerpos estén en equilibrio térmico?
a) Que tienen la misma cantidad de calor.
b) Que la energía total de las moléculas de uno es igual a la energía total de las moléculas
del otro.
c) Que ambos entregan o ganan calor en la misma proporción.
d) Que al ponerse en contacto térmico, se transfiere calor.
e) Que tienen en todas sus partes la misma temperatura.
5. ¿Qué le sucede a una masa de hielo a 0 ºC cuando se la coloca en agua a 0
ºC en un recinto que también se encuentra a 0 ºC?
a) Nada.
b) Todo el hielo se funde.
c) Sólo una parte del hielo se funde.
d) La masa del hielo aumenta.
e) La masa del hielo disminuye.
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