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Calor y sus efectos

Cambios de estado y temperaturaSaquemos un cubito de hielo de la heladera. Está en estado "sólido". A medida que se va calentando, se va fundiendo (pasando de sólido a líquido), y pierde su forma y dureza inicial.Si ponemos al fuego el agua que quedó al fundirse el hielo, y la calentamos más aun, se vaporizará (pasará de líquido a vapor). ¿Qué cosa sucede en la materia para que por solo calentarse pierdan su forma, se expandan y cambien sus características iniciales? ¿Por qué las rocas, los cristales, las piedras preciosas, los metales,... adquieren esas formas tan peculiares, con cantos rectos, volúmenes prismáticos y una simetría tal que sería la envidia del mejor de los arquitectos?Cabe aquí también otra pregunta, ¿por qué las rocas se derriten y caen cuesta abajo en la montaña cuando los volcanes hacen erupción? ¿Las piedras también se licuan? 

Para comprender que sucede, debemos mirar primero que pasa con las fuerzas que se generan en las cargas eléctricas entre los átomos (las fuerzas entre protones y electrones, y entre los electrones entre sí).

Las cargas de los átomos, culpables de la dureza de las cosas.Si pudiéramos observar un átomo, nos encontraríamos que, en el caso más ideal, tendrá igual cantidad de protones (partículas de carga positiva), en el núcleo, como electrones en sus alrededores.

Las cargas se atraen o se repelen de acuerdo al signo que posean. Así, los electrones son atraídos por el núcleo positivo, repleto de protones. Por otra parte, al tener igual cantidad de unas cargas que de las otras, los átomos son en esencia partículas neutras. Pero cuando estos átomos se encuentran en presencia de otros, aun siendo neutros, comienzan a aparecer fuerzas entre ellos.

Imaginemos una hilera de átomos que corresponden a los que conforman la suela de nuestros zapatos, y otra hilera que corresponden a los átomos del suelo. Si observamos las fuerzas que se producen entre los electrones del suelo y los de nuestros zapatos, podremos notar que estos se repelen, por ser del

mismo signo, y cuanto más tratemos de acercarlos entre sí, más grandes se harán las fuerzas de repulsión.

Así es que, cuando creemos que estamos apoyados en el piso, firmes sobre la suela de nuestros zapatos, en verdad estamos flotando

sobre las fuerzas de repulsión de los electrones de nuestros átomos y los del suelo.

Si nos queda claro esto, nos daremos cuenta que nunca hemos tocado nada, sino que sentimos una fuerza de rechazo al tratar de apretar cualquier objeto, debida a la repulsión que producen los electrones de los átomos.

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Desequilibrio de cargas y las combinaciones de átomosSuponer que los átomos se van a encontrar siempre equilibrados, sin perder o ganar algún electrón, sería muy ingenuo de nuestra parte. En realidad los átomos tienden a perder a los electrones que se encuentran solos y muy alejados del núcleo positivo. Allí, una carga negativa, lejos de las positivas que la atraigan, tiende a ser fácilmente atraída por los núcleos de otros átomos que logren vencer la repulsión y se encuentren cerca. Cuando el primer átomo se quedó sin el electrón, estará desequilibrado. Tendrá más cargas positivas que negativas y el átomo que se lo robó, estará cargado más negativo que positivo. En esta situación, un átomo positivo y uno negativo, se atraen. Un ejemplo de ello es el átomo de cloro y el de sodio que, atrayéndose, forman el cloruro de sodio, una combinación que conocemos normalmente como sal de cocina.

Pero este enganche no se da solo entre dos átomos, todos los átomos intentan robar electrones y atraerse con otros, formando una gran red, a la que denominamos cristal.Cuando los átomos que se enganchas son los de cloro y sodio (cloruro de sodio = sal de cocina), la red toma una forma muy parecida a la del dibujo.

Cuando estas moléculas de cloruro de sodio se unen en cantidades grandes… aprox. 1.000.000.000.000.000.000.000 de moléculas, podemos verlas a simple vista. Toda esa cantidad de moléculas conforman un granito de sal gruesa, tal cual lo ves salir del paquete.Por esta razón, es que los granitos de sal (cristales de cloruro de sodio) tienen una forma muy similar a un cubo.

Estas atracciones hacen que se “peguen entre sí”, átomo tras átomo, molécula tras molécula, formando estructuras muy organizadas.

En la foto que aquí figura el microscopio electrónico detecta y grafica a cada molécula como una pequeña protuberancia en forma de bolita. Como se puede ver, las moléculas de "acomodan" en una organización muy regular debido a fuerzas del mismo tipo que las que mantienen unidos a los átomos dentro de las moléculas. Micrografía electrónica de un cristal de proteina

Luego de muchos estudios se ha comprobado que la forma en que se organizan depende de las moléculas que componen la materia pues son estas las que atraen a otras moléculas en un ángulo especifico, dando formas regulares muy distintas de acuerdo al caso. Pero en general podemos encontrar un conjunto de formas mínimas de distribución de los átomos dentro del cristal.

En el gráfico podemos ver las distintas formas de ordenación de las moléculas:a - Paralelepípedo cúbicob - Paralelepípedo cúbico con cuerpo centradoc - Paralelepípedo cúbico de caras centradasd - Paralelepípedo prismático de base cuadradae - Paralelepípedo prismático de base cuadrada y cuerpo centradof - Paralelepípedo prismático de base exagonal centradag - Paralelepípedo romboédrico

h - Paralelepípedo prismático de base rómbicai - Paralelepípedo recto de base rómbica o rectangular y cuerpo centradoj - Paralelepípedo recto de base rómbica, o rectangular, centrdak - Paralelepípedo recto de base rómbica y caras centradasl - Paralelepípedo monoclínicom - Paralelepípedo monoclínico de base centradan - Paralelepípedo triclínico

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A estas estructuras se las suele llamar "paralelepípedos fundamentales" porque son las formas geométricas mínimas que representan el criterio con el que se ordenan los átomos de las moléculas. No es raro después de haber notado esto que entendamos el por qué de las forma de los cuerpos sólidos con sus ángulos bien determinados.Un punto que puede haber quedado oscuro en todo este rompecabezas es: Si el tipo de fuerzas que los unen, átomo tras átomo, es la misma ¿A que le llamamos molécula dentro de toda esta estructura llamada cristal? Para esto es importante ver que, si bien el cristal es una larga cadena de átomos enganchados, la molécula es la cantidad "mínima" de átomos que se repite... y se repite... formando el cristal (por ejemplo Cl – Na ).Mostramos aquí la estructura de un cristal de sal de cocina (cloruro de sodio), con la forma en que sus átomos se organizan para que, molécula tras molécula podamos tener un granito de sal con una geometría muy particular. Al lado dos posibles planos por los que se puede cortar un cristal, además de su forma cúbica (en este caso), lo que dará esa multitud de caras espejadas que le solemos ver.

      

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Así obtenemos en nuestro mundo macroscópico, cosas tan hermosas como las que mostramos a continuación:

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El baile de los líquidosUn cristal se encuentra, inicialmente, organizado por las fuerzas de atracción que se generan entre átomos. Estas fuerzas hacen que los átomos ubicados dentro de esa red, tengan energía de posición (energía potencial) grande, en comparación a la energía cinética (energía de movimiento), de estos átomos. Si comenzamos a entregarles calor a estos cristales, o sea, comenzamos a aumentarle la energía cinética a sus átomos y moléculas, éstas alcanzarán tal movilidad que vencerán las fuerzas de unión que existen entre ellas y se desprenderán del cristal. Así la estructura cristalina comenzará a desgranarse, lo que nos dará a simple vista una imagen de derretimiento. Si pudiéramos observar molécula por molécula en un líquido, nos encontraríamos con una inmensa marea de movimientos donde, cada molécula con su velocidad y en su dirección, se mueven, se chocan entre sí, giran, rebotan, en una situación similar a la que se genera cuando se llena de gente una pista de baile. Se podría suponer que "las fuerzas que unían a los cristales se han desvanecido" y ahora "baila" cada una como quiere. Lo cierto es que las fuerzas de tracción siguen estando, solo que, como las moléculas se encuentran más agitadas, las fuerzas de atracción que poseen entre ellas son muy pequeñas en comparación a las que se producen por el impulso de su propia velocidad, entonces los choques hacen que reboten fuertemente y las atracciones casi no influyen.

Aun cuando las fuerzas de atracción entre moléculas no influye tanto sobre estas como para mantenerlas unidas entre sí, como en los cristales, es lo suficientemente grande como para producir los efectos de tensión superficial.

Los líquidos y la tensión superficialUna molécula en el interior de un líquido se encuentra sometida a la atracción de todas las moléculas que están en su derredor, así las fuerzas que soporta se ejercen en todas direcciones, mientras que en una molécula de la superficie solo será atraída desde el interior. Si sumamos todas estas fuerzas veremos en el primer caso que se anulan entre sí, mientras que en el segundo dan una componente hacia abajo.

Estas pequeñas fuerzas son las que producen fenómenos tan extraños como el de que un mosquito camine sobre el agua o una hojita de afeitar también flote sobre ella, o que se formen pompas de agua jabonosa y estas sean inevitablemente redondas, o que al llenar por sobre el nivel máximo un vaso con agua, este no se desborde.

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Y esta es la única diferencia entre líquidos y gases. Mientras en los líquidos las velocidades de las partículas son lo suficientemente lentas como para que las fuerzas de atracción generen tensión superficial, y por lo tanto se formen superficies bien definidas entre el líquido y el ambiente exterior; en los gases, las velocidades son tan grandes que las fuerzas de atracción no hacen ningún efecto y ya no se

producen superficies que separen una sustancia de otra (las moléculas bailan dentro y fuera de la pista).

Diferencias entre calor y temperatura

Ya sabemos que calor es una forma de transmisión de energía, también sabemos que por medio de la combustión podemos entregarle calor a un cuerpo.

Hagamos entonces la experiencia de colocar al fuego dos recipientes con agua. En dos hornallas iguales de la cocina. Pongamos dos ollas iguales, pero una con agua hasta el borde y otra con menos de la mitad. Si testeamos (medimos) con un termómetro la temperatura en uno y otro recipiente, encontraremos que el que menos agua tiene adquiere más temperatura.

Es fácil entender que la energía calórica que le entregamos a ambos recipientes es la misma, pero se tendrá que dividir en un número diferente de moléculas. El recipiente más vacío tiene menos moléculas y por lo tanto cada una de ellas recibirá un porcentaje mayor de energía que en el recipiente lleno con muchas moléculas, donde la porción de energía que le toca a cada una es menor.

El termómetro es un instrumento que al ser introducido en un punto de todo ese líquido, recibe los golpes que ocasionan las moléculas en ese lugar y por lo tanto, mide la agitación de las moléculas en ese punto del material. Por este motivo, nunca podrá dar cuenta de cuanta energía calórica tiene todo el agua de la olla, solo el estado de agitación de un lugar determinado, a eso se le llama TEMPERATURA.

Resumen: Calor es una manifestación de la transmisión de la energía que al influir sobre la materia produce agitación de las moléculas y/o átomos sueltos. Temperatura es el estado térmico de

un punto determinado de un material, o dicho en otras palabras, la agitación promedio (energía cinética) de las moléculas o átomos en un punto del cuerpo.

Medición de Temperatura (los termómetros)

El medidor de temperatura más común es el termómetro de bulbo, o también conocido como termómetro de mercurio. Es un tubo de vidrio con un agujero muy fino en su interior, por eso se lo denomina tubo capilar (su grosor es aproximadamente el de un cabello). Al final de ese tubo tiene un reservorio de mercurio conocido como ¨bulbo¨ en donde se encuentra, o bien el mercurio o bien alcohol con algún colorante, o cualquier otro líquido sustituto que al ser calentado se dilate en forma más o menos estable y continua. Entre toda la variedad, los de mercurio son los que prefieren los laboratorios por su estabilidad y precisión.

Cuando introducimos el bulbo del termómetro en la sustancia a la que queremos medirle su temperatura, este se verá expuesto a los ¨golpes¨ ocasionados por todas las moléculas de la sustancia que, debido a su energía cinética, se moverán azarosamente produciendo también, con los choques, la agitación de las moléculas del mercurio, que se dilatará y terminará ocupando un mayor volumen, y por ello subirá por la columna del tubo capilar. Si graduamos convenientemente el tubo, podremos medir cuál es la agitación promedio de las moléculas en ese lugar (temperatura).

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La historia de la gradación (o determinación de una escala) fue de lo más caprichosa. Durante el siglo XVI era graduado como "frío", marcando el nivel al que llegaba el mercurio cuando se lo colocaba en una cueva y "caliente" exponiéndolo a los rayos del sol estival o sobre la piel caliente de una persona. Como se puede imaginar, las referencias no eran para nada precisas.

Cuando comienza a perder poder la “Santa inquisición” y con ella su postura oscurantista, se comienza a dar rienda suelta a las ansias de conocimiento, de experimentación, de investigación y de publicación de los nuevos descubrimientos por parte de quienes ya no tenían necesidad de ser más “ocultistas” y pueden buscar la comprensión de las cosas sin que por ello peligre su vida.

Así surgen, en los distintos reinados o repúblicas recién surgidas, personajes como:

René-Antoine Ferchault de Réamur (1683-1757) director de la Academia de Ciencias de París. Sus investigaciones sobre la tecnología del acero y el hierro lo condujeron al establecimiento de la fabricación del Acero en Francia. Fabricó espejos, hizo trabajos sobre pizarra, fabricación de porcelana y estudió la preservación de los huevos en incubación artificial. Diseñó una escala de temperatura que tomaba como 0ºR ( 0ºRe, 0ºRé), el estado térmico donde el agua pasa de estado sólido a líquido y en 80ºR al punto en el que el agua pasa a estado gaseoso. La extraña arbitrariedad con que parece haber elegido el punto máximo como 80, se debe a que el alcohol que él utilizaba se dilataba 80 milésimos de su volumen para llegar del 0ºR al 80ºR.

Anders Celsius (1701- 1744) Físico y astrónomo sueco. Profesor de astronomía en la Universidad de Uppsala, supervisó la construcción del Observatorio de Uppsala, del que fue nombrado director en 1740. En 1733 publicó una colección de 316 observaciones de auroras boreales. En 1736 participó en una expedición a Laponia para medir un arco de meridiano terrestre, lo cual confirmó la teoría de Newton de que la Tierra se achataba en los polos. Inventor de la escala centígrada. Decide poner como inicio de la escala (0ºC) el punto donde el agua se congela (pasa de estado líquido a sólido, o de sólido a líquido); por otro lado marca con el

100ºC el punto donde el agua cambia de fase entre líquido y gas (punto de ebullición).

Unos años antes, inicio del siglo XVIII, Gabriel Daniel Fahrenheit, físico alemán, diseña su propia escala colocando el punto 0ºF donde se congela una mezcla frigorífica que el mismo había preparado para crear heladeras. Esta mezcla estaba compuesta por agua con cloruro de amonio diluido y se congelaba a los -17,7ºC. Por otra parte tomo como valor de máxima el punto donde se evaporaba el mercurio de su termómetro y le dio valor 600ºF. Al hacer estas adopciones, el punto de fusión del agua quedaba a 32ºF y el de ebullición a 212ºF.

Aproximadamente 100 años más tarde, cuando ya los conocimientos sobre el calor habían avanzado lo suficiente como para saber que el calor era un tipo de transmisión de energía que se manifiesta como estado térmico de los cuerpos, dos científicos independientemente buscan cual es el estado térmico, o temperatura, donde los cuerpos ya no poseen nada de energía calórica.

William John Macquorun Rankine (1820-1872) Ingeniero y físico escocés. Contribuyó a dar una orientación moderna a la técnica de las construcciones y a la ingeniería mecánica, sistematizando sobre bases racionales las muchas nociones y hábitos de trabajo que habían ido evolucionando con la práctica. Desde 1840 se dedicó al estudio de las leyes de la termodinámica; en desarrolló analíticamente el complejo de las transformaciones del vapor en las máquinas térmicas. Defensor convencido de la «energía», desempeñó un importante papel en los debates teóricos de la física de la segunda mitad del siglo XIX. En un escrito de 1855, “Esbozos para una ciencia de la energía”, propuso asumir los principios de la termodinámica para comprender los fenómenos físicos.

William Thomson, Lord Kelvin de Largs, (1824 - 1907). Matemático y físico británico, uno de los más importantes profesores de su época. En el campo de la termodinámica, Kelvin amplió el trabajo de Joule sobre la interrelación del calor y la energía mecánica. Estableció la escala absoluta de temperatura que sigue llevando su nombre. Su trabajo en el campo de la electricidad tuvo aplicación en la telegrafía. Estudió la teoría matemática de la electrostática, llevó a cabo mejoras en la fabricación de cables e inventó el galvanómetro de imán. Junto con el fisiólogo y físico alemán Hermann Ludwig von

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Helmholtz, hizo una estimación de la edad del Sol y calculó la energía irradiada desde su superficie. Entre los aparatos que inventó o mejoró se encuentran un dispositivo para predecir mareas, un analizador armónico y un aparato para grabar sonidos en aguas más o menos profundas. También mejoró aspectos de la brújula marina o compás náutico.

Tanto William Thomson (Lord Kelvin), como William Rankine, convencidos de que el calor era una manifestación de la energía, y que la temperatura mostraba que tanta energía cinética había en cada punto de un cuerpo, decidieron encontrar el estado térmico donde la materia ya no poseyera más energía y a ese valor tomarlo como CERO GRADO ABSOLUTO.

Para esto comenzaron a analizar el comportamiento de los gases, estado en el cual, las moléculas se encuentran prácticamente libres de moverse solo debido a su energía cinética, sin ningún otro tipo de influencias (sabemos que las fuerzas de atracción entre moléculas aún sigue existiendo en este estado, pero las podemos considerar prácticamente despreciable en comparación con las velocidades que estas llevan).

Si analizamos un gráfico de volumen del gas (o sea, que tan separadas se encuentran las moléculas debido a los choques que se producen entre ellas por su energía cinética), en función a su temperatura, nos encontraremos que para cualquier gas, mientras más se le baja la temperatura, más disminuye su volumen.

No se puede bajar la temperatura hasta que disminuyan su volumen a cero (donde teóricamente las moléculas, por no tener nada de energía cinética se acercarían tanto la una a la otra que no ocuparían lugar). Antes de esto, las fuerzas de atracción entre moléculas sería lo suficientemente fuertes en comparación con sus velocidades que volverían a pasar a estado líquido y luego a sólido. Pero teóricamente sí podríamos pensar: - si no existieran las fuerzas de atracción entre moléculas, ¿a qué temperatura se quedarían sin nada de energía cinética? Para responder esto basta con ver las gráficas de los gases y prolongarlas sin pensar que en la realidad sí pasan a estado líquido y sólido.

Ese punto donde el gas teórico disminuye su volumen a cero, es el punto de temperatura cero absoluto.

Celsius Réamur Fahrenheit Kelvin Rankine

Con este valor del cero determinado, Kelvin toma la escala de Celsius y traslada su punto de inicio al cero absoluto, mientras que Rankine hace lo propio con la escala Fahrenheit.

De todos estos intentos por construir escalas que permitan determinar el estado térmico de los cuerpos nos queda:

En este gráfico podemos ver como marcaron cada uno de ellos los puntos importantes de sus escalas en el termómetro.

Nótese como la escala Celsius y la Kelvin tienen entre los mismos puntos, 100 divisiones, solo que Kelvin toma el valor 0º más abajo. Igual ocurre con la escala Fahrenheit y Rankine con sus 180 divisiones.

Para poder convertir de una escala a la otra se puede hacer una relación sencilla como la de la regla de tres simple.

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Por ejemplo: Si queremos saber a qué temperatura, en Fahrenheit, corresponden los 20ºC; solo debemos reemplazar el símbolo xºC por este valor y despejar xºC .

68ºF = xºF

Problemas

1- Transforme 50 °C en grados Fahrenheit.

2- Transforme 20 °C en grados Fahrenheit.

3- Transforme según la ecuación de conversión : a) 15 °C a °F; y b) -10 °F a °C.

4- La temperatura en un salón es 24 °C. ¿Cuál será la lectura en la escala Fahrenheit?.

5- Un médico inglés mide la temperatura de un paciente y obtiene 106 °F. ¿Cuál será la lectura en la escala Celsius?.

6- Completar el siguiente cuadro; utilizando la ecuación de conversión:

CENTIGRADO FAHRENHEIT KELVIN REAUMUR

200 °C      

  40 ° F    

-5 °C      

    400 °K  

      40 °R

7- Cierta escala termométrica °X adopta los valores 10 °X y 510 °X, respectivamente, para el 1 er punto fijo y 2do punto fijo. Determine: a) la ecuación de conversión entre la escala °X y la escala °C; b) la ecuación de conversión entre la escala °X y la escala °F; y c) cuánto corresponde en la escala °X el valor de 30 °C.

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8- En presencia de hielo una columna líquida de mercurio alcanza 2 cm de altura y en presencia de vapor de agua alcanza 6 cm. Determinar: a) la ecuación termométrica en la escala °C y b) la temperatura de un cuerpo para el cual la columna líquida mide 3,5 cm.

9- Complete el siguiente cuadro :

KELVIN REAUMUR CENTIGRADO FAHRENHEIT

    40 °C  

      20 °F

450 °K      

100 °K   400 °K  

  60 °R    

10- Un termómetro de gas a volumen constante, indica una presión de 8 mm de mercurio en contacto con el hielo y de 12 mm de Hg en contacto con el vapor de agua. Calcular : a) la ecuación termométrica en la escala °F y b) la presión cuando la temperatura alcanza 100 °F.

11- Cierta escala termométrica °Y adopta los valores 5 °Y e 400°Y respectivamente, para el 1er y 2do

punto fijo. Determine la ecuación de conversión entre la escala °Y y la escala °C. Además, determine la indicación en la escala °Y correspondiente a 60 °C.

12- En un termómetro de mercurio, la columna líquida tiene una altura de 4 cm en presencia de hielo en fusión. Cuando el termómetro se coloca en presencia de vapores de agua en ebullición a presión normal, la columna líquida alcanza 10 cm de altura. Determine: a) la ecuación termométrica de ese termómetro en la escala Centígrado y b) la temperatura de un cuerpo para el cual la columna líquida mide 7,25 cm.

13- En un termómetro de gas, a volumen constante, la presión P adquiere valores de 200 mm de Hg en el punto de hielo y de 700 mm de Hg en el punto de vapor. Determine: a) la ecuación termométrica de este termómetro en la escala °C y b) la temperatura indicada cuando la presión alcanza 500 mm de Hg.

14- Un termómetro de mercurio está graduado en las escalas Celsius y Fahrenheit. La distancia entre dos marcas consecutivas en la graduación Fahrenheit es 1 mm. ¿Cuál es la distancia entre dos marcas consecutivas en la graduación Celsius?.

15- Un termómetro es graduado en una escala °Y tal que a 20 °C corresponden a 30 °Y; y 120 °C corresponden a 300 °Y. ¿Cuál es el valor en la escala °Y que corresponde a 50 °C?.

16- Determinar la temperatura que en escala Fahrenheit es expresada por un número cuatro (4) veces mayor que el correspondiente en la escala Celsius.

Tipos de termómetros

Ya estuvimos hablando de los termómetros de bulbo. En estos los líquidos con los que se pueden construir se eligen en base a las temperaturas a medir. Así, el alcohol, que se lo suele emplear

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coloreado para que sea fácilmente visible, se solidifica a -117ºC y se evapora a los 78,5ºC. Obviamente podremos utilizarlo para medir con él, temperaturas muy bajas, no así, temperaturas superiores a los 70ºC pues ya se comenzarán a manifestar los efectos de la evaporación. El mercurio por su parte tiene sus limites en el Punto de fusión (-38,68 °C) y el Punto de ebullición (356,88 °C).

Termómetro metálico: El horno de la cocina, o el de una panadería, no emplean estos termómetros de bulbo, pues levantan temperaturas superiores a los 200ºC y ya no se hace conveniente el uso de estos instrumentos.

Si observamos, los hornos que sí lo tienen, su medidor de temperatura es una aguja que se desplaza a lo largo de una escala. En este caso, en lugar de la dilatación de líquidos se emplean las mismas propiedades de los sólidos. Cuando se calienta, el espiral metálico se estira y la aguja que tiene adosada en una de sus puntas cambia de posición.

A estos se los conoce como termómetros metálicos. Hay muchos modelos y de muy diferente construcción. Todos emplean la misma idea, registrar de alguna forma la

dilatación del metal.

Termómetro electrónico: Pero estamos en épocas en las cuales, la electrónica a irrumpido en todos los ámbitos, y este no es una excepción. Por un fenómeno llamado termocupla, pueden registrar pequeños microvoltajes que les son suficientes como para decir con que temperaturas fueron generados (lo veremos en detalle en el capitulo referido a electricidad).

Pirómetro: Pero llegado el momento de determinar la temperatura del hierro en una fundición, o estimar la temperatura de la lava de un volcán, o un tronco ardiendo; los termómetros descriptos anteriormente corren riesgo de derretirse o por lo menos deteriorarse con valores entre 500ºC y 2000ºC ó 3000ºC dependiendo del material a medir.Por supuesto que no podemos colocar ningún instrumento dentro del hierro líquido (1600ºC), y mucho menos “meter el dedo” para comprobar la temperatura. Una de las soluciones que se encontró (no es la única y siempre podrá aparecer una técnica más inteligente), fue la de comparar el color incandescente que tenían los materiales a medir con el color incandescente del filamento de un foquito. (Veamos el esquema del gráfico)

Dilatación de sólidos y líquidos

La experiencia muestra que los sólidos se dilatan cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían. A esta altura de nuestro estudio ya podemos hacer una argumentación científica del porque de dicha dilatación. Al adquirir más calor, aumenta la temperatura, esto es, la agitación molecular promedio, y por tener mayor velocidad, los choques implican distancias de revote cada vez mayores, y esto lo hace ocupar mayores volúmenes. Las posiciones de equilibrio más alejadas que las originales, de los átomos y de las moléculas del sólido produce su dilatación en todas las direcciones.

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En el caso de los líquido, si bien la idea de los choques y su alejamiento es similar a las de los sólidos, para su comportamiento influyen mucho la relación que haya entre el aumento de la velocidad promedio de las moléculas y las fuerzas entre estas, por lo que, no siempre su aumento de volumen es tan lineal como ocurre en los sólidos. Por eso, si bien se pueden realizar cálculos similares, se debe tener muy en cuenta en qué región (qué valor de temp.) se está analizando, pues puede no responder a una proporcionalidad directa, como marca la ecuación.

El caso de los gases lo analizaremos más adelante, pues allí ya tendremos que tener en cuenta que además puede variar la presión del mismo.

La dilatación y la contracción ocurren en tres (3) dimensiones: largo, ancho y alto.

A la variación en las dimensiones de un sólido causada por calentamiento (se dilata) o enfriamiento (se contrae) se denomina Dilatación térmica.

Dilatación LinealEs aquella en la que predomina la variación en una (1) dimensión de un cuerpo, es decir: el largo. Ejemplo : dilatación en hilos, cabos y barras.

Lf = Li (1 + α . ΔT0)

Dilatación SuperficialEs aquella en la que predomina

la variación en dos (2) dimensiones de un cuerpo,es decir: el largo y el ancho.

Sf = Si (1 + 2α . ΔT0)

Dilatación VolumétricaEs aquella en la predomina la variación en tres (3) dimensiones de un cuerpo, es decir: el largo, el ancho y el alto.

Vf = Vi (1 + 3α . ΔTº)

El coeficiente α es el número que nos da una referencia del porcentaje de dilatación de cada material en particular y por eso se lo conoce como coeficiente de dilatación longitudinal. Cuando la dilatación es superficial o volumétrica, este coeficiente aumenta al doble o al triple respectivamente.ΔTº es la variación de la temperatura que sufre el material desde que se lo comienza a calentar hasta que adquiere su temperatura final (Tf – Ti)Li ; Si ó Vi son respectivamente, la longitud inicial, la superficie inicial y el volumen inicial.Lf ; Sf ó Vf son respectivamente, la longitud final, la superficie final y el volumen final.

Dilatación de los Sólidos - Problemas

1- La longitud de un cable de aluminio es de 30 m a 20°C. Sabiendo que el cable es calentado hasta 60 °C y que el coeficiente de dilatación lineal del aluminio es de 24*10-6 1/°C. Determine: a) la longitud final del cable y b) la dilatación del cable.

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2- Una barra de hierro de 10 cm de longitud está a 0 °C; sabiendo que el valor de α es de 12*10 -6 1/°C. Calcular: a) La Lf de la barra y la ΔL a 20 °C; y b) La Lf de la barra a -30 °C.

3- La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 °C. Determine su longitud en un día en que la temperatura es de 34 °C,sabiendo que el coeficiente de dilatación lineal del acero es igual a 11*10-6 1/°C.

4- A través de una barra metálica se quiere medir la temperatura de un horno para eso se coloca a una temperatura de 22 °C en el horno. Después de un cierto tiempo se retira la barra del horno y se verifica que la dilatación sufrida equivale a 1,2 % de su longitud inicial, sabiendo que α = 11*10-6 1/°C. Determine : La temperatura del horno en el instante en que la barra fue retirada.

5- Una barra de hierro a 20 °C se introduce en un horno cuya temperatura se desea determinar. El alargamiento sufrido por la barra es un centésimo de su longitud inicial. Determine la temperatura del horno, sabiéndose que el coeficiente de dilatación lineal del hierro es de 11,8*10-6 1/°C.

6- Una barra de metal de longitud Lo a 0 °C sufre un aumento de longitud de 1/100 de Lo cuando se la calienta a 500 °C. ¿Cuál es el coeficiente de dilatación del metal?.

7- Una barra de acero tiene una longitud de 2 m a 0 °C y una de aluminio 1,99 m a la misma temperatura. Si se calientan ambas hasta que tengan la misma longitud, ¿cuál debe ser la temperatura para que ocurra?. Se sabe que: α acero = 11*10-6 1/°C y α aluminio = 24*10-6 1/°C.

8- Determine la temperatura en la cual una chapa de cobre de área 10 m ² a 20 °C adquiere el valor de 10,0056 m ². Considere el coeficiente de dilatación superficial del cobre es 34*10-6 1/°C.

9- Una esfera de acero de radio 5,005 cm es colocada sobre un anillo de zinc de 10 cm de diámetro, ambos a 0 °C. ¿Cuál es la temperatura en la cual la esfera pasa por el anillo?.Sabiendo que: α zinc = 0,000022 1/°C y α acero =0,000012 1/°C.

10- Un vendedor de nafta recibe en su tanque 2.000 l de nafta a la temperatura de 30 °C. Sabiéndose que posteriormente vende toda la nafta cuando la temperatura es de 20 °C y que el coeficiente de dilatación volumétrica de la nafta es de 1,1*10-³ 1/°C. ¿Cuál es el perjuicio (en litros de nafta) que sufrió el vendedor?

11- ¿Cuál es el volumen de una esfera de acero de 5 cm de radio a 0 °C, cuando su temperatura sea de 50 °C?. Sabiendo que: α acero = 0,000012 1/°C.

Coeficientes de Dilatación Lineal (α)

Material Coeficiente (1/°C)

 

Material Coeficiente (1/°C)

Acero DulceAcero Níquel

AlpacaAluminioBismutoBronceCadmio

CincCobreCuarzoEstaño

Esteatita

0,0000120,0000015

0,0000180,00002380,00001350,0000175

0,000030,00003

0,00001650,0000005

0,0000230,0000085

Hierro FundidoLatón

MolibdenoNíquel

OroPlata

PlatinoPlomo

PorcelanaTungsteno

Vidrio ComúnVidrio Pirex

0,00001050,00001850,0000052

0,0000130,00001420,0000197

0,0000090,0000290,000004

0,00000450,000009

0,0000003

Coeficientes de Dilatación de Líquidos (β = 3 α )

Material Coeficiente (1/°C)   Material Coeficiente (1/°C)

AguaAguarrás

Alcohol Etílico

0,000180,001

0,0011

GlicerinaMercurioPetróleo

0,00050,000182

0,001

Fís

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Yaco

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BencinaEter

0,0010,0016

Tolueno 0,00108

Absorción de calor y aumento de temperatura en sólidos y líquidos

Hemos estado analizando, hasta aquí, la diferencia entre la energía que tiene un cuerpo (calor), y su agitación molecular promedio en un punto (estado térmico o temperatura), cómo se transmite el calor de un lado a otro de un material, qué pasaba con sus moléculas y átomos en cado uno de los estados en que se encuentra un cuerpo y ahora nos dedicaremos a analizar cuánto calor necesita absorber para producir estos cambios de estados y los aumentos de temperatura.

Si miramos esta gráfica y recordamos el comportamiento molecular en cada estado, podremos analizar dos situaciones diferentes. Las zonas con pendiente, marcadas con sólido, líquido y gas, y las zonas donde la temperatura no varía, aun cuando siguen absorbiendo calor, que se indican como fusión y vaporización.

Calor Sensible:Cuando un cuerpo se encuentra en estado sólido (por ejemplo el cubito de hielo sacado de la heladera a -15ºC ) y se le comienza a entregar calor, sus moléculas comienzan a agitarse, así es que si colocamos un termómetro, veremos cómo aumenta su temperatura a medida que le entregamos energía. Esa es la pendiente que figura como sólido, donde, a aumentos de calor le corresponden aumentos de temperatura. Este proceso se va a producir, en el caso del hielo, hasta llegar a 0ºC.

Idéntica situación tenemos cuando analizamos el estado líquido, en donde, al aumentar la cantidad de calor que absorbe el cuerpo, aumenta la agitación molecular y por tanto, su temperatura (nuestro hielo, ya derretido y en estado líquido, pasa de agua a 0ºC hasta 100ºC mientras se le entrega calor. El mismo análisis podemos hacer en el caso del estado gaseoso.

A todos los cambios térmicos que se producen en cada estado se los llama calor sensible, pues cualquier aumento en el calor absorbido, se siente como aumento de la temperatura.

El análisis del calor absorbido es muy sencillo: la cantidad de calor que absorbe el cuerpo será mayor, cuanto más grande sea el cuerpo a calentar, cuanto más logremos cambiarle su temperatura inicial y cuanto más absorbente sea el material en función del tipo de moléculas, su estado, etc.

En definitiva, escribiendo estas ideas como una fórmula, nos quedará:

Q = Ce. m . ( Tf - Ti )

Fís

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  donde Tf - Ti es la variación de temperatura que experimenta un cuerpo de masa  m , medida en gramos y  Ce es el calor específico (un coeficiente que establece las cualidades de absorción de cada tipo de material). Para conocer el Ce tendremos que recurrir a una tabla en donde podamos encontrar el valor correspondiente.

Tabla de calores específicosAceite de oliva 0,37

 

Hielo 0,53

Agua 1,00 Hierro 0,12

Agua salada 0,95 Hierro a 0º 0,49

Alcohol 0,60 Latón 0,09

Alcohol etílico 0,58 Madera 0,42

Aluminio 0,23 Mármol 0,42

Amoníaco 1,07 Mercurio 0,03

Arcilla seca 0,22 Naftalina 0,31

Azufre 0,17 Porcelana 0,26

Bronce 0,09 Plomo 0,03

Cinc 0,09 Petróleo 0,50

Cobre 0,09 Sal de cocina 0,22

Cuero seco 0,36 Talco 0,21

Cuarzo 0,19 Vidrio 0,20

Glicerina 0,65 Yeso 0,20

Ejemplos y problemas de

¿Cómo usamos ahora esta información para poder resolver algún cuestionamiento sobre absorción o intercambio de calor? Sabemos que si colocamos dos cuerpos juntos y le entregamos calor, o lo absorbe uno, o el otro. Je!...  Entonces si tenemos dos materiales juntos, el A y el B, que absorben entre los dos una cantidad Q de calor la ecuación nos quedará:

Q = CeA. mA . ( TfA - TiA ) + CeB. mB . ( TfB - TiB )

De esta ecuación despejaremos el dato que nos haga falta de acuerdo al problema de que se trate.

Si en cambio se trata de una situación en la que colocamos varios cuerpos a diferentes temperaturas, en un lugar donde logramos que no se pierda ni ingrese nada de calor, y esperamos hasta que logran una situación de equilibrio (todos con la misma temperatura final), la ecuación general nos quedará igual que la anterior, pero igualada a cero, pues el calor absorbido en cero:

0 = CeA. mA . ( Tf - TiA ) + CeB. mB . ( Tf - TiB )

o lo que es lo mismo:

CeA. mA . TiA + CeB. mB . TiB = CeA. mA . Tf + CeB. mB . Tf

Comencemos a usar estas ideas:

1) Tenemos que calentar 500gramos de agua salada (1/2 litro), desde los 15ºC hasta que alcance los 100ºC (punto de ebullición). a)¿Cuánto calor se invierte si se calienta agua pura hasta 100ºC y luego se le agrega sal? ¿A qué temperatura termina?. b)¿Cuánto calor se invierte si se calienta directamente el agua salada hasta 100ºC ? ¿A qué temperatura termina?.

2) Intentamos calentar un frasco de vidrio de 20 gramos lleno  con 50 gramos de glicerina. ¿A qué valor logramos elevar la temperatura si invertimos 1000 Cal. y la temperatura inicial era de 20ºC ?

Fís

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Yaco

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3) Colocamos en una concervadora un litro de agua a 83ºC, en un envase de vidrio de 50 gramos, una cubetera de aluminio de 20 gramos con 400 gramos de hielo a 0ºC. Luego de un tiempo volvemos a buscar el hielo y el agua para el mate y nos encontramos con que todo el contenido está a la misma temperatura. ¿Cuál es la temperatura del conjunto?

4)Si mesclamos un litro de agua a 20ºC, 200 gramos de glicerina a 40ºC , un trozo de hierro de 400 gramos a 100ºC y 300 gramos de un material desconocido a 300ºC. ¿Cuál es el calor especifico del material extraño si terminan a una temperatura de equilibrio de 31,62ºC.

Calor Latente:

En los pasajes de sólido a líquido, donde las moléculas al absorber energía, no la invierten en adquirir más velocidad (energía cinética), sino en realizar el trabajo de vencer la energía potencial que la ata a otras moléculas dentro del cristal, el calor absorbido no se refleja como aumento de temperatura, sino como rotura del cristal y pasaje a estado líquido (en el caso de nuestro clásico ejemplo, se derrite el cubito de hielo y se transforma en agua).

En el caso del hielo, invertirá 79,cal por cada gramo que queramos que sea transformado en agua.En idéntica forma, el calor que se debe invertir para que las moléculas venzan la tensión superficial y se evaporen será de Lv =539 cal/g.

Se lo conoce como calor latente pues el calor que ingresa queda “latente”, sin manifestarse como cambio de temperatura.

Sustancia T fusión ºC Lf ·103 (J/kg) Lf ·(cal/g) T ebullición ºC Lv ·103 (J/kg) Lv ·103 (cal/g)Hielo (agua) 0 334 79,7592 100 2260 539,688Alcohol etílico -114 105 25,074 78.3 846 202,0248Acetona -94.3 96 22,9248 56.2 524 125,1312Benceno 5.5 127 30,3276 80.2 396 94,5648Aluminio 658.7 322-394 77-94 2300 9220 2201,736Estaño 231.9 59 14,0892 2270 3020 721,176Hierro 1530 293 69,9684 3050 6300 1504,44Cobre 1083 214 51,1032 2360 5410 1291,908Mercurio -38.9 11,73 2,801124 356.7 285 68,058Plomo 327.3 22,5 5,373 1750 880 210,144Potasio 64 60,8 14,51904 760 2080 496,704Sodio 98 113 26,9844 883 4220 1007,736

Para calcular la cantidad de calor que necesitamos entregarle a un trozo de 30 gramos de estaño para derretirse deberíamos multiplicar el “calor latente” del mercurio, por la cantidad de mercurio a derretir (14,0892 cal/g x 30g = 422,676 cal).

Escrito en una forma más general podemos decir que:

QL = Lf . m ; donde: QL es el calor que necesitamos invertir para derretirlo ( o calor latente)

Lf es el calor latente a entregarle al cuerpo para que se funda, por cada gramo de masa

m masa del cuerpo a fundir

Hagamos ahora un ejemplo en el que tomamos un trozo de hielo de 50 gramos, sacado de la heladera a -15ºC y necesitamos calentarlo para que se evapore.El primer paso será calcular el calor necesario para que aumente su temperatura de -15ºC hasta 0ºC (calor sensible)

Q = Ce. m . ( Tf - Ti ) = 0,53 cal/g.ºC x 50 g x [0ºC- (-15ºC)]= 397,5 cal

Primera ley de la Termodinámica:

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En realidad no se trata de otra cosa que enunciar la ley de la conservación de la energía. "La energía no se pierde ni se crea, se transforma". Un enunciado más matemático sería:

Toda la energía antes del proceso = Toda la energía después del proceso

Si la aplicamos a la termodinámica (movimiento del calor), la podemos expresar como:

Trabajo o energías externas aplicadas + Energía inicial = Calor cedido al exterior + Energía final

Waportado + Ei = Qcedido + Ef

... o lo que es igual...  W = Ef - Ei + Q

W = E + Q

Trab. = Variación de la Energía + Calor

En un ejemplo numérico, esta ley no dice que si tenemos en el cuero una energía de 4 unidades y le agregamos un trabajo de 6 unidades, si el cuerpo sede  un calor al ambiente de  5  unidades, seguramente le queda una energía interna de 5 unidades.   6+4 = 5+5

Transmisión de calor

De cualquier forma que se transmita, hay una ley que el calor cumple al propagarse:

Segunda ley de la Termodinámica:

El calor se transmite de un cuerpo de más temperatura a uno de menos, o también se puede enunciar como el calor jamás fluye espontáneamente de un objeto frío a un objeto caliente.(este enunciado es una forma muy básica de expresar la segunda ley, que veremos en más detalle sobre el final del capítulo)

Existen 3 formas básicas de transmitir el calor. Podemos desplazar el cuerpo caliente a una zona fría para calentarla, podemos hacer que sea el mismo cuerpo el que la propague por su interior hasta llegar a otras zonas del material,   o podemos emitir directamente la energía para que el otro la reciba.

Estas tres formas se conocen respectivamente con los nombres de convección, conducción y radiación.

Convección:

Los casos más comunes de movimientos de masas calientes a lugares fríos los podemos encontrar en:

Los movimientos de aire en la atmósfera: El sol calienta el suelo y con él el aire de la superficie. El aire caliente se expande y sube mientras el aire frío de las capas altas de la atmósfera bajan. Estas son las corrientes ascendentes y descendentes que usan los aviadores y los pilotos de planeadores para sus vuelos.

El movimiento del agua en una olla Las corrientes oceánicas El aire en una habitación con estufa

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En todos los casos, los movimientos de las masas cálidas se dan pues estas al expandirse se hacen más liviana (menor densidad) y por lo tanto tiende a flotar por sobre las más densas o como en el caso de las corrientes oceánicas, es desplazada por masas de agua fría (más pesada) que presionan por ocupar las zonas del ecuador.

Conducción:  

Cuando el material no puede desplazarse para llevar el calor a otro lugar, entonces comienza a ser notorio otro fenómeno que se da conjuntamente, la transmisión del calor por el mismo material.

Obviamente que, en el caso de los sólidos, es el único que se presenta pues, por su estructura, no tiene desplazamiento de sus partes.

El fenómeno a nivel macroscópico es muy conocido, ¿quién no se ha quemado al tratar de retirar un sartén del fuego, tomándolo desde su mango metálico?. Cuando calentamos una punta de un alambre al fuego, al poco tiempo el otro extremo, alejado de la fuente de calor, comienza a calentarse. La pared de una estufa se calienta y aun cuando el fuego da solo de uno de sus lados, si nos apoyamos en el lado opuesto sentiremos calor.

Si pudiéramos ver el comportamiento de los átomos notaríamos como los que se encuentran agitados por la fuente de calor, van transmitiendo la agitación a los que se encuentran a su lado. La razón de este traspaso de energía se debe a que las cargas de un átomo (protones y electrones), producen fuerzas sobre las cargas de los que se encuentran en su cercanía (estos fenómenos eléctricos los veremos  en detalle más adelante).

No todos los materiales son tan buenos conductores del  calor. A la hora de enterarnos de cuanto calor han transmitido debemos tener en cuenta cuál fue el material por el que se condujo.Si observamos esta tabla notaremos que los metales (elementos que tienen 1, 2 ó 3 electrones en su última órbita), tienen mucha mas conductibilidad del calor que los no metales o los materiales orgánicos de moléculas grandes y muy difíciles de mover. Esto se debe, como ya dijimos anteriormente, a que la transmisión de los impulsos entre moléculas es producida por la atracción y repulsión entre cargas y es más notoria entre los que tienen cargas externas muy inestables.Los valores de la tabla pueden discrepar con los obtenidos de valores de laboratorio y con materiales puros, pero están obtenidos con los valores reales de los materiales tal como los conseguimos en el mercado, con impurezas y agregados. La intención es que tengan valor práctico a la hora de realizar un cálculo sobre un fenómeno cotidiano.

Material Coeficiente de conductibilidad

Material Coeficiente de conductibilidad

Material Coeficiente de conductibilidad

Acero 120 Hormigón 0,65 Mercurio 170

Agua 1 Ladrillo 0,40 Marmol 0,29

Aire 0,057 Lad.Cemento (20cm)

0,138 Oro 700

Aluminio (99%) 175 Lad.Hueco (20cm)

0,143 Pared ladrillo (30cm)

0,187

Amianto 0,08 Ladrillo refractario

2,5 Pared ladrillo (15cm)

0,175

Asfalto (fieltro) 0,55 Lana de vidrio 0,05 Plata 970

Cobre comercial 320 Latón 94 Plomo 80

Corcho (en placas) 0,41 Madera blanda 0,035 Revoque 0,29

Granito 3,0 Madera media 0,104 Tierra humeda 0,58

Hierro 1,5 Madera dura 0,190 Tierra seca 0,12

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El coeficiente de conductibilidad ( ) está medido en 

La conducción del calor depende del material conductor como podemos ver en esta tabla, pero también hay otros factores que influyen.

Si la superficie a atravesar es grande le resulta más sencillo a la energía atravesar al material, pero si la superficie es pequeña al calor le resultará dificultoso el pasaje. Esto llevado a una fórmula se podría escribir como una proporcionalidad directa, pues cuando S (la superficie) aumenta, aumenta el calor que circula.

Por otra parte, si el espesor que debe atravesar es mayor, al calor le resulta dificultoso, mientras que si el espesor es menor el calor tiene más facilidades para atravesar. O sea, el espesor (e) es inversamente proporcional al calor que circula.

Finalmente es muy importante la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la superficie a atravesar ( Tº = T1- T2 ). Cuanto mayor es la diferencia de temperatura, mayor es el calor que pasa.

Y para terminar con la lista de variables que influyen en el pasaje de calor por conducción a través de un material, debemos hacer notar que cuanto más tiempo permanezca expuesto a esta diferencia de temperatura, mayor será el calor que pase.

Así nos queda conformada una ecuación de la siguiente forma:

donde:   S la superficie se mide en metros cuadrados             Tº la variación de temperatura se mide en ºC ó ºK.             e el espesor se mide en metros             t el tiempo se mide en horas.

Ahora mostraremos como utilizar esta información con el ejemplo de las pérdidas de calor en una ventana y los demás cálculos (paredes, techo, puertas, etc.), quedarán para su total autoría. Supongamos que deseamos saber cuanto calor se perderá en un día de frío (-10ºC), si en el interior deseamos mantener una temperatura de 20ºC, la ventana es de 2 m. de ancho por 1 m. de alto, con vidrios de 5mm de ancho. La pared es de 30cm de espesor y de 3m de altura por 5m de largo, y la puerta de 2" (5cm) de espesor.

En primer lugar obtengamos los datos de cada elemento por los que se ha de perder calor.Puerta:S Superficie de la puerta: 1m x 2m = 2m2

e Espesor de la puerta: 5cm = 0,05m coeficiente de conductividad de la madera dura: 0,190Tº variación de la temperatura: 20ºC- (-10ºC) = 30ºC

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 Ventana:S Superficie de la ventana: 2m x 1m = 2m2

e Espesor de la ventana: 5mm = 0,005m coeficiente de conductividad del vidrio: 0,002Tº variación de la temperatura: 20ºC- (-10ºC) = 30ºC

  Pared:S Superficie de la pared: (5m x 3m) -2m2 -2m2 =  11m2

e Espesor de la pared: 30cm = 0,30m coeficiente de conductividad de la pared: 0,187

Tº variación de la temperatura: 20ºC- (-10ºC) = 30ºC 

  El calor total que se pierde a través de la pared con ventana y puerta es de:  Qt = 228Kcal + 12Kcal + 205,7 Kcal = 445,7Kcal

Radiación:Siempre que entre un lugar frío y otro caliente haya materia, podremos usar el método de transmisión por conducción o por convección. Nuestro problema ahora es tratar de entender cómo es que se produce transmisión de calor entre el Sol y la Tierra o por qué hace mucho calor en un lugar iluminado con muchas lamparitas o con luces muy potentes. Más aun, aceptando que la luz produce calor, cómo es posible que la que generan los fluorescentes no produzca calor.Para comprender estos fenómenos debemos comenzar por entender qué es la luz.Ondas Electromagnéticas:

Sabemos que los imanes se atraen y repelen de acuerdo a qué polos se enfrenten. Igualmente se atraen y se repelen las cargas eléctricas, de acuerdo a su polaridad. Recordemos que todas las cosas están formadas por protones (+) y electrones (-), o sea cargas eléctricas que están expuestas a estas fuerzas a distancia.Imaginemos ahora un átomo o una molécula moviéndose. Esto genera, sobre las cargas de otros

átomos o moléculas, aun cuando no se encuentren en contacto con ellos, fuerzas de atracción y repulsión, y con ello un movimiento hacia atrás o adelante de acuerdo a que la fuerza de atracción o repulsión que esté actuando se haga mayor o menor en cada momento.A estas fuerzas a distancia se las denomina "campos", y debido a su origen eléctrico y magnético, al "campo" producido se lo denomina "campo electromagnético".Cuando movemos cargas o imanes hacia adelante y atrás a un ritmo lento, decimos que estamos produciendo campos electromagnéticos de frecuencias bajas. A medida que aumentamos el ritmo decimos que la frecuencia es mayor.

Miremos el gráfico desde la izquierda hacia la derecha y veamos cómo va aumentando la frecuencia y los efectos que va generando sobre la materia.

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Para frecuencias de aproximadamente 1.000.000 vibraciones por segundos o Hertz estamos en presencia de ondas de radio, capaces de mover cargas eléctricas y por lo tanto producir pequeñas corrientes eléctricas en los cuerpos en los que se induce. Cuando la frecuencia es mayor 1.000.000.000.000 Hertz = 1.000.000 MHz = 1.000 GigaHz los denominamos infrarrojos y son capaces de mover moléculas, o sea producir efectos calóricos. Entre 460.000 GHz y 730.000 GHz denominamos a estas ondas electromagnéticas como luz visible. A partir de allí, la energía de las ondas que se producen es tan fuerte que es posible que produzcan roturas de moléculas.En particular, para el tema que estamos desarrollando, lo que nos interesa es la zona del Infrarrojo, en donde se producen a distancia estos efectos de calentamiento.El Sol, al emitir rayos infrarrojos calienta la atmósfera terrestre. Una estufa de cuarzo al poner incandescente sus resistencias (el alambre dentro de los tubitos) emite rayos infrarrojos y calienta el ambiente. Para todos estos fenómenos no es necesario la presencia de un medio material para transmitir el calor, ya que el efecto de agitar moléculas se propaga por medio de ondas electromagnéticas.