Calor y temperatura

CALOR Y TEMPERATURA

Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y temperatura es lo mismo, pero no es el caso. 

Calor es la cantidad de energía que tiene un cuerpo (en forma de calor) y ésta depende de la masa, de la sustancia o material y de otras propiedades del mismo, su unidad de medición es de energía (Joule o caloría). La temperatura es la magnitud que se utiliza para medir la cantidad de calor presente en un cuerpo y sus unidades de medida se pueden encontrar en °C (Celsius), °F (Grados Fahrenheit), K(Temperatura Kelvin).

Dos cuerpos pueden tener la misma temperatura, pero la cantidad de calor es totalmente diferente, como se puede apreciar el el siguiente ejemplo, por lo cual uno disipara mas rápido ese calor y por lo tanto se enfriará más rápido que el otro. 

Dilatación térmica 

Debido al aumento en la temperatura se produce mayor agitación térmica, lo que se traduce en una alteración a nivel molecular, que a su vez representa un incremento en las dimensiones de los cuerpos, sustancias o determinados materiales.

A la variación del tamaño con respecto al tamaño inicial de cualquier material al experimentar un aumento de temperatura se le conoce como dilatación térmica y esta a su vez puede ser lineal, superficial y volumétrica en dependencia de su forma y tamaño. Cabe señalar que el aumento en la mayoría de las ocasiones es imperceptible por nuestros propios medios, es decir que si una barra de acero mide 5m y se le aplica suficiente calor para incrementar su temperatura dicha barra al final no va a medir 15m (m= metros).

Por ejemplo, si tenemos una varilla de cualquier tipo de material (hierro, acero, cobre, entre otros) y  esta varilla percibe un incremento de temperatura, esta va a experimentar un aumento de su longitud, la cual se puede calcular por medio de la siguiente ecuación:

DILATACIÓN LINEAL

ΔL= Lo*α*ΔT°

Donde:

Δl: Variación de la longitud

Lo: Longitud inicial

α: Coeficiente de dilatación lineal

ΔT°: Variación de la temperatura (ΔT°=Tf-To)

El coeficiente de variación o dilatación térmica es diferente para cada material, a continuación se detalla este coeficiente para algunos materiales.

Veamos un ejemplo de dilatación lineal.

1) Una tubería de hierro tiene 60m de longitud a temperatura ambiente (20°C para este caso). Si se va a utilizar para conducir vapor (100°C). Determine el incremento que tuvo en su longitud(ΔL) y cuál es su nueva longitud.

Datos:
Material (Hierro): α= 12x10^{-6 
Lo= 60m
To= 20°C              
Tf= 100°C}
ΔT°= (100°C-20°C)= 80°C

ΔL= Lo*α*ΔT°

ΔL= (60m)(12x10^-6)(80°C)
ΔL=0.0576 m

Lf= Lo+ΔL
Lf= 60m + 0.0576m
Lf= 60.0576m

Hablamos de la dilatación lineal y vimos un ejemplo, pero si deseamos calcular la variación de tamaño de un área o superficie debido a la aplicación de calor, a esto se le conoce como dilatación superficial y se aplica la siguiente ecuación:

DILATACIÓN SUPERFICIAL

ΔS= So*2α*ΔT°

Donde:

ΔS: Variación de la superficie

So: Superficie inicial

2α: Coeficiente de dilatación superficial (2*coeficiente lineal)

ΔT°: Variación de la temperatura (ΔT°=Tf-To).

DILATACIÓN VOLUMÉTRICA

ΔV= Vo*3α*ΔT°

Donde:

ΔV: Variación del volumen

Vo: Volumen inicial

3α: Coeficiente de dilatación volumétrica (3*coeficiente lineal)

ΔT°: Variación de la temperatura (ΔT°=Tf-To).

Este es un ejemplo en la vida real de no considerar la dilatación térmica al momento de diseñar y construir los rieles de un tren, al no tomar en cuenta este aumento en las dimensiones debido a la dilatación de los materiales empleados, estos terminarán levantándose o doblándose debido a la variación de su longitud con respecto a la longitud inicial.