Sabe por experiencia que cuando el valor de un termómetro que indica temperatura aumenta, las condiciones ambientales se vuelven más cálidas. Cuando este valor cae, las condiciones ambientales se vuelven más frías. También es probable que sepa que se utilizan varias escalas de temperatura comunes para cuantificar este fenómeno con precisión.
Si los cambios de temperatura indican de alguna manera una ganancia o pérdida de calor en las cercanías, ¿hay alguna forma de capturar la correlación? Es decir, ¿puede un cambio dado de temperatura (digamos, en grados Celsius o ° C) estar correlacionado con una ganancia o pérdida de calor dada, suponiendo que el "calor" sea algo que pueda medirse con precisión en física?
De hecho, es posible correlacionar los cambios de temperatura con las ganancias o pérdidas de calor, en unidades de calor útiles como los kilojulios (kJ), siempre que sepa literalmente a qué se enfrenta.
Temperatura y sus escalas
La temperatura es una cantidad medida por un dispositivo llamado termómetro. Se deriva matemáticamente de la energía cinética promedio de las partículas (átomos y moléculas) en un sistema, como un contenedor cerrado o una habitación.
Energia cinética es energia de movimiento. Cuando pequeñas partículas atraviesan el aire, chocan entre sí y las colisiones liberan calor. Cuanto más rápida sea la velocidad promedio de las partículas en el sistema, más chocarán y más calor se liberará, elevando la temperatura medida.
La unidad SI de temperatura es la Kelvin (K). Este no es un grado y, por lo tanto, no tiene un símbolo asociado, a diferencia del caso de los grados Celsius y Fahrenheit. Sin embargo, K y ° C tienen la misma magnitud en el sentido de que un aumento de 1 K y un aumento de 1 ° C representan el mismo cambio físico. Pero las escalas están compensadas de manera que ° C = -273.15 K, y el valor teórico mínimo de K es 0.
Además, (9/5) ° C + 32 = ° F.
Energía, calor y sus unidades
Sin duda estás familiarizado con el término caloría como una de las muchas formas de medir lo que los alimentos que ingieres entregan a la maquinaria celular de tu sistema. Algunas fuentes afirman que la caloría tiene unidades de energía; otros dicen que se necesitan unidades de calor. De hecho, ambas afirmaciones son ciertas, ya que el calor es uno de varios subtipos de la cantidad "oficial", aunque bastante difícil de precisar, en física conocida como energía.
Si bien la caloría (cal) es la base de la mayoría de las conversaciones públicas en los EE. UU. Sobre la energía proporcionada por los alimentos, esta no es la unidad utilizada en los libros de texto y revistas de física. La unidad de energía estándar internacional (SI), y por lo tanto de calor, es la joule (J).
1 caloría = 4.18 J, pero la "caloría" que ve en las etiquetas de los alimentos es en realidad una kilocaloría (kcal) o 1,000 calorías verdaderas. Por tanto, una "caloría" por etiqueta nutricional equivale en realidad a 4.180 julios, o 4,18 kJ.
¿Cómo se relacionan el calor y la temperatura?
Has visto cómo la temperatura se relaciona con el calor. Pero, ¿cómo se determinó el tamaño de "un grado" en primer lugar? La gente tenía que tener una forma de marcar los puntos en la escala de temperatura entre "congelado" y "hervido" y asignar números a estos intervalos.
Da la casualidad de que si agrega una determinada cantidad de calor (Q) en julios a un sistema, o eliminar el calor de ese sistema, puede determinar cuánto cambiará la temperatura del sistema (∆T) en grados Celsius siempre que conozca la masa del sistema (a menudo una muestra de agua) metro en gramos y su calor específico c, que varía de una sustancia a otra:
Q = mc (∆T)
Para el agua, c = 1 cal / (g) (° C) = 4.186 J / (g) (° C).
Ejemplo: Si tiene una muestra de agua de 1 litro, que tiene una masa de 1000 g, ¿cuánta energía en kJ se necesita para calentar la muestra en 1 ° C?
Q = mc (∆T) = (1,000 g) (4.186 J / g ° C) (1 ° C) = 4.186 = 4.186 kJ.
Recuerde que esta es la cantidad de energía en una sola "caloría" de alimento. Esto es extraño cuando se considera que, digamos, 1 litro de refresco endulzado tiene aproximadamente 400 veces esta cantidad, pero el cuerpo maneja las "calorías" de manera muy diferente a un simple frasco de agua.