4.4 Efectos del calor sobre los cuerpos

Ya sabes que cuando aportamos calor a un cuerpo se produce un aumento de su temperatura, pero también pueden producirse otros efectos como cambios de estado o dilataciones.

 

Imagen de elaboración propia

1) Cambios de estado

Según la teoría cinética de la materia , al   comunicar energía a un cuerpo,  aumenta la energía cinética de sus partículas de  forma que comienzan a moverse más rápidamente, de manera que terminan venciendo las fuerzas que las mantienen unidas, cambiando su configuración.

Por ejemplo, si calentamos un sólido, las partículas que se encuentran en posiciones prácticamente fijas comienzan a vibrar con mayor amplitud y velocidad, hasta que se funde. Al alcanzar el punto de energía cinética máxima, la energía adicional se emplea en vencer las fuerzas que mantienen las partículas unidas entre sí, abandonando sus posiciones y pasando al estado líquido.

En este proceso de cambio de estado se produce un intercambio de calor, positivo en el caso de paso de sólido a líquido (fusión) y negativo pero de igual valor que el anterior en el paso de líquido a sólido (solidificación). 

Actividad

Se denomina calor latente (L) a la energía intercambiada para producir el cambio de estado de un kilogramo de materia:

El calor latente se mide en J/kg.

Observa la gráfica resultante en la siguiente simulación:
Animación de Jesús Peñas bajo licencia Creative Commons
Cuando comienza a producirse el cambio de estado (tramos segundo y cuarto), la gráfica de la temperatura frente al tiempo es una recta horizontal, es decir, la temperatura no cambia durante un cambio de estado.
Esto ocurre porque la energía se utiliza para romper los enlaces entre partículas en vez de en incrementar la temperatura del sistema.

Importante

Mientras se produce un cambio de estado la temperatura del sistema no varía.
La explicación en los restantes cambios de estado según la teoría cinética es similar a la que se ha dado para el caso de sólido a líquido. Esta existencia de distintos cambios de estado implica la existencia de distintos calores latentes: calor latente de fusión (Lf), calor latente de vaporización (Lv) y calor latente de sublimación (Ls)

Ejemplo o ejercicio resuelto

Colocamos sobre un plato un cubito de hielo de 50 g que se encuentra inicialmente a una temperatura de -15 ºC. Al cabo de unas horas volvemos y encontramos que se ha transformado en agua que se encuentra a temperatura ambiente (25 ºC).

¿Qué energía se ha suministrado al hielo para efectuar esta transformación?

Datos: ce_hielo = 2100 J/(kg·K), ce_agua = 4180 J/(kg·K), Lfusión = 3.34·105 J/kg

AV - Reflexión

Calcula la energía necesaria para evaporar totalmente 250 g de agua a 90 ºC.

Datos: ce_agua = 4180 J/(kg·K), Levaporación = 2.26·106 J/kg

 

Imagen de itchys . CC 

2) Dilatación térmica

Al aumentar la energía cinética de las partículas, aumenta su movilidad lo que lleva asociado un incremento del tamaño del cuerpo; a este fenómeno se le denomina dilatación.

La dilatación se produce en todos los estados de la materia:

  • Dilatación de sólidos. Se caracteriza por el coeficiente de dilatación lineal α, definido como el alargamiento por unidad de longitud producido al aumentar la temperatura un grado: Este coeficiente es característico de cada material y se mide en K-1 en unidades del S.I.
  • Dilatación de líquidos. Los líquidos se dilatan más que los sólidos, pero sabemos que toman la forma del recipiente que los contiene, que a su vez también se dilata, por lo cual su dilatación real será la resultante de la dilatación del líquido menos la del recipiente.
  • Dilatación de gases. Los gases se dilatan aún más que los líquidos, aunque, a diferencia de éstos, todos los gases se dilatan por igual.
    En ingeniería es muy importante tener en cuenta los efectos de la dilatación a la hora de construir edificios , carreteras, puentes, tendidos eléctricos, etc. De hecho, si observas cualquier viaducto suficientemente largo, observarás que a cada cierta distancia existen unas separaciones entre los bloques de asfalto llamadas juntas de dilatación y se instalan precisamente para que los efectos de ésta no dañen la estructura del puente. Algo similar ocurre con los raíles en las vías de los trenes.

    AV - Reflexión

    Una barra de acero tiene una longitud de 10 m medida a 20 ºC. Al calentarla hasta 50 ºC se encuentra que su longitud ha aumentado en 2.5 cm. ¿Cuál es el coeficiente de dilatación α del acero?