¿CUÁL ES LA RELACIÓN ENTRE CALOR, TRABAJO Y TEMPERATURA?

•  Relación entre calor y trabajo

El calor es una forma de energía en tránsito que depende, entre otros factores, de la cantidad de masa de un cuerpo y de su composición molecular; mientras que el trabajo se define como la interacción de energía a través de las fronteras de un sistema y sus alrededores. 

El calor es una forma de energía, y la energía se puede definir  como la capacidad que posee un cuerpo o un sistema de cuerpos para poder desarrollar una actividad en la materia, ó sea, para poder desarrollar un trabajo.

Es decir, la relación que el calor y el trabajo tienen es que, el calor puede ser transformado en trabajo y el trabajo puede ser transformado a calor, permitiendo así establecer un equivalente mecánico del calor

El trabajo mecánico es la energía que se necesita para mover el objeto en cuestión.

                                                     

De trabajo mecánico a calor: 

-Al utilizar una batidora por cierto tiempo, la energía consumida es debido a la fricción, se convierte en energía cinética y parte de ella se convierte en calor. 

-El roce que tienen los rieles con los trenes hacen que estos se calienten.

De calor a trabajo mecánico: 

-Al poner el agua a calentar el calor aumentará la temperatura del agua provocando que esta hierva y burbujee.

-Las celdas solares reciben calor del sol y estas transforman esa energía en diferentes tipos de trabajo.

Así que trabajo y calor son métodos de transferencia de energía, a través de las fronteras de un sistema y por lo tanto, existen algunas semejanzas entre ambos como:

-El calor y el trabajo son energías en tránsito a través de las fronteras de un sistema, por lo que no se pueden asociar a un estado, sino a un proceso.

Si se  realiza un cierta cantidad de trabajo se produce una cantidad equivalente de calor, estableciendo así el principio llamado equivalente mecánico del calor, en el cual se demuestra que por cada joule de trabajo se producen 0.24 calorías y que cuando una caloría de energía térmica se convierte en el trabajo se obtiene 4.2 Joules.

• Relación de calor y temperatura

El calor es la energía de tránsito, que siempre fluye de los objetos de alta temperatura a los objetos de baja temperatura en contacto con el calor, en la actualidad los físicos señalan que un objeto no tiene calor, sino que posee energía interna, de forma que el calor es la energía calorífica que se transfiere de los objetos que están a mayor temperatura a los de menor temperatura, hasta que los objetos tienen la misma temperatura. Después de esa transferencia de calor a un objeto o sustancia ya no se denomina calor y se interpreta como energía interna del objeto o sustancia que se hable.

Esta energía interna se define como la suma de las energías cinética y potencial de las moléculas individuales que constituyen al objeto o sustancia. Al momento de suministrarle calor, se produce entonces un incremento de la energía interna y por consiguiente un aumento en su temperatura.

Es decir, todo objeto o sistema, debido a su temperatura tiene la capacidad de transferir energía calorífica a otro objeto o sistema que se encuentre a una temperatura más baja.  

Sin embargo, el calor y temperatura son magnitudes físicas distintas y por lo tanto, tienen diferentes unidades. Los físicos miden el calor en calorías y en joules, que son unidades de energía, mientras que la temperatura se mide en grados de acuerdo con diferentes escalas.

• Ejemplos de relación de calor y temperatura

-Del café  a la taza: cuando se sirve café caliente en una taza, el café trasmite su calor a la taza, aumentando así su temperatura.

-Del agua a un cubo de hielo: al arrojar un cubo de hielo a alguna bebida, el agua le transfiere su calor, haciendo que el hielo se derrita.

• Antecedentes históricos del termómetro                                                                                                                                                                                                                                                                                           

• Escalas termométricas

Como sabemos hay distintas escalas termométricas que pueden expresar el valor de la temperatura, como:

a) La escala Celsius (°C), que asigna el número cero (0°C) al punto fijo bajo inferior (fusión del hielo) y el número 100 al punto fijo superior (100°C, punto de ebullición del agua); el intervalo entre ambos puntos se divide en 100 intervalos iguales (un grado Celsius cada uno).

b) La escala Fahrenheit (°F), que se emplea principalmente en Estados Unidos. Se toma el punto de fusión del hielo como 32°F y el punto de ebullición del agua como 212°F, de modo que en el intervalo hay 180 subdivisiones.  

c) La escala Kelvin (K), que toma como cero la temperatura mínima que se puede obtener, el cero absoluto. Por lo tanto, no hay temperaturas negativas. El punto de fusión del hielo (0°C) en esta escala es 273.15 K y el punto de ebullición es 373.15 K. Cada grado de la escala se denomina un Kelvin y no debe escribirse el  signo de grados (°) antes del símbolo K. 

d) La escala Rankine (R) al igual que la escala Kelvin toma su cero como el cero absoluto (0 R).

Un Rankine equivale a un grado Fahrenheit 1R= 1°F.

Las escalas Kelvin y Rankine son consideradas escalas absolutas, ya que su cero corresponde a la temperatura más baja que desde el punto de vista teórico es posible alcanzar. 

Referencias:

Alvarado García, R. (2010). Principios de termodinámica. Instituto Politécnico Nacional. https://elibro.net/es/ereader/ulsaoaxaca/72185?page=37

González Dávila, A. (2009). Ciencias 2: física. Correo del Maestro. https://elibro.net/es/ereader/ulsaoaxaca/94597?page=203

Jiménez Bernal, J. A. y Claudia del Carmen Gutiérrez Torres. (2015). Termodinámica. Grupo Editorial Patria. https://elibro.net/es/ereader/ulsaoaxaca/39466?page=46

Pérez Montiel, H. (2016). Física general. Grupo Editorial Patria. https://elibro.net/es/ereader/ulsaoaxaca/40438?page=333

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Los creadores .(2015). ¿Sabías que el primer Termómetro fue inventado por Galileo? [Archivo de video]. Recuperado de https://youtu.be/QovZerW4u3w