Capítulo 5, versión 3, EL CALOR Y LA TEMPERATURA
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Capítulo 5
Hacía tanto calor que Juan dejo la puerta de la heladera abierta. ¿Hizo bien o hizo mal?
Fue un error porque el motor de la heladera trabajaba más tiempo tratando de mantener el frio. Entonces la chapa de atrás de la heladera, que también está en el mismo ambiente, se recalentaba mucho más. El motor no paraba de funcionar pues trataba de mantener la baja temperatura del interior de la heladera. En resumen, el calor neto es el que produce el motor. Por ejemplo si el motor gastaba una energía de 1000 Kcal por hora eso podría producir 600 Kcal negativas (o frigorías) y 1600 Kcal en la chapa de atrás
Los cuerpos se calientan o se enfrían cuando están en contacto con otros cuerpos, incluyendo al mismo aire, También reciben calor directo del sol, del fuego o de una lámpara, por radiación. El calor pasa a través del vacío y llega desde el sol a la tierra como luz, rayos infrarrojos y algo de ultravioleta. Son ondas llamadas electromagnéticas. Todos los cuerpos que están en contacto, por ejemplo en este cuarto, como la computadora, los libros o las paredes tienden siempre a igualar su temperatura. Justamente eso es la temperatura: un estado de equilibrio en el que los cuerpos pierden la misma cantidad de calor que la que ganan. El calor no es más que vibraciones de las moléculas de los cuerpos, o más bien su “energía interna”. Cuando un cuerpo recibe calor adicional, aumenta la intensidad de las vibraciones de sus átomos y moléculas. En gases y líquidos, el aumento de temperatura significa un aumento de la velocidad de sus moléculas que pueden desplazarse libremente. También puede significar cambio de estado u otros procesos como modos de cristalización.
5.1.2-La energía interna:
Es la energía total almacenada por los cuerpos o substancias por diversos mecanismos. La vibración de átomos y moléculas es uno de ellos, pero hay varios otros. Todas las substancias tienen 3 estados, sólido, líquido y gaseoso y los cambios de uno a otro estado cede o toma calor del medio ambiente, y eso se computa en la energía total. Por ejemplo cuando el agua hierve el calor que se le suministra es usado para cambiar de estado y no para aumentar su temperatura. La energía también puede usarse para cristalizar en diferentes formas. Teóricamente existe un estado de la materia en que su energía interna es cero. Es el llamado “cero absoluto” y corresponde a -273 grados o llamado cero grados en la escala de Kelvin. Es la absoluta inmovilidad, que en la práctica no se puede conseguir.
5.1.3-El aire líquido y los cristales
Últimamente se están usando gases líquidos como el aire para diversos usos, sobre todo medicinales e industriales. Se consiguen mecanismos para enfriarlos cerca del cero absoluto. Conseguir temperaturas tan bajas es un logro de la tecnología y es extremadamente útil para estudiar el comportamiento de los materiales en general. Sumergiendo en aire líquido una substancia aparenta como cristalizada y quebradizo.
Los cristales son estructuras regulares en que las moléculas se ubican en posiciones exactas del espacio y a distancias, unas de otras, constantes. Cuanto más puro se quiere obtener un cristal más difícil es. Siempre la estructura cristalina tiene alguna pequeña deformación, ya sea por impurezas o por defectos en la cristalización. La tecnología requiere mucho los cristales, algunas veces lo más puro posible, como para fabricar los procesadores de las computadoras..
5.1.4-La cantidad de calor se mide en calorías.
Una Caloría (o kilo-caloría o Cal Con mayúscula o kcal) es la cantidad de calor o energía que necesita un Kg de agua pura para aumentar 1 grado su temperatura (desde 15.5 grados hasta 16.5 grados a presión normal). Entonces la caloría es tambíen una medida de la energía.
Si en lugar de agua calentamos un Kg de otros materiales, para 1 grado de aumento se necesitan en general menos calorías que para el agua. A esas calorías se lo llama calor específico. Entonces calor específico de un material es la cantidad de calor que se necesita para elevar un grado (de 15,5 a 16,5) la temperatura de un Kg del mismo.
Por ejemplo los ladillos de una casa contienen 5 veces menos calor que el agua por cada Kg. o sea que el calor específico del ladrillo es 0,2 Kcal por Kg y por grado. Casi todos los elementos, incluidos los metales contienen menos calor por Kg que el agua. El calor específico de las substancias suele depender de la presión y de la temperatura, pero por suerte se mantiene bastante constante para el agua. (buscar, hay cosas muy buenas)
5.1.5-Las unidades de Energía:
Ya vimos 3 pero la que se ha elegido internacionalmente como preferida es el julio (o joule en inglés). Y la equivalencia es:
1 Kvatio-hora (electricidad) = 3.600.000 julios
1 kgm (mecánica) = 9,8 julios
1 Cal o kcal o kilo-caloría (termodinámica) = 4.185,5 julios
5.1.6-¿Cuanto calor se obtiene quemando combustibles?
1 Kg de Carbono puro: unas 8.000 kcal = 33.000.000 julios
1 Kg de hidrógeno: unas 35.000 kcal (el record!!)
1 Kg de gasoil: unas 10.000 kcal
Son sólo valores indicativos. En los combustibles no son valores exactos pues hay variedades y al quemarse vaporizan al agua que se produce y ese calor podría recuperarse.
5.1.6-Las unidades.
La gran variedad de unidades de energía se debe a que las diferentes ramas de la ciencia comenzaron en forma independiente y por investigadores diferentes. Luego se dieron cuenta que el concepto de energía es ÚNICO. Coincido con los científicos que recomiendan usar una unidad preferida. En este momento el Julio (Joule o vatios-segundos) es la preferida. El tema de las unidades de la física es importante.
5.1.7-Los combustibles fósiles y otras fuentes.
Con el renacimiento y el comienzo de la era tecnológica el hombre necesitó energía para mover sus primitivas máquinas. Por ejemplo, inventaron máquinas para moler el trigo, y para moverlas inventaron y construyeron molinos de viento y otros sistemas. También pusieron animales que giraran en una noría. Más tarde, por los años 1760, lograron controlar a una caldera de alta presión con agua caliente. Aprendieron a aprovechar la energía para mover sus máquinas: para moler trigo u otros usos en gestación. La ventaja era que podían usar cualquier combustible para calentar el agua. Cuando redescubrieron el carbón de piedra y el petróleo, lo comenzaron a usar en las calderas. Pero había que saber muy bien como construir y operar con las calderas porque el precio de los malos manejos era muy caro. La otra preocupación fue aprovechar bien el calor generado, para lo cual había que aumentar la superficie de contacto del fuego con el depósito de agua. Aún hoy día el fuego pasa por caños dentro de la masa de agua, para asegurarse buen rendimiento calórico. La ciencia estuvo detrás de las máquinas de vapor estudiando los mejores materiales combustibles para mejorar un poco más la eficiencia y durabilidad.
El rendimiento de las calderas andan cerca de los 10.000 kcal por kg de varios combustibles y los gases como el metano están más arriba que eso. Todas las palmas se la lleva el hidrógeno con unas 35.000 calorías. Que es lo mejor para cada uso, depende del costo de producción, del peligro de explosión, de los daños ecológicos,... El hidrógeno puede obtenerse de los gases fósiles pero casi no se usa por su precio y por la peligrosidad.
Este tema del calor es muy importante por varios motivos, entre ellos el del cuerpo humano. Nuestro cuerpo mantiene automáticamente una temperatura de unos 36-37 grados. Nos interesa saber como se mantiene la misma, como se pierde, la función del abrigo, la fiebre, la temperatura y las inflamaciones, la dieta, la nutrición. Te será muy útil saberlo mejor y tener una visión integrada. También en relación con la calefacción de la casa. Pero lo fundamental en esta visión es la integración de los conceptos con el resto de la física, la química y la biología.
5.2.2-¿y los alimentos?
En cuanto a los alimentos también son valores indicativos pues existen muchas variantes. Depende de muchos factores, pero se puede decir que debemos ingerir alrededor de unas 1000 kcal diarias. La cantidad ideal se puede calcular (hay tablas en Internet). Depende de la edad, del peso, del sexo, de la actividad física. En lugar de tanto cálculo es mejor controlar el peso y mantenerlo en el valor adecuado para cada uno. Es mucho más fácil calcularlo.
1 Kg de fideos: unas 3500 kcal
1 Kg de pescado: unas 900 kcal
1 Kg de carne de vaca: unas 2000 kcal
1 kg de verduras o frutas: unas 300 kcal
5.2.3-La alimentación:
Nos alimentamos para mantener la temperatura del cuerpo y para nutrirnos con muchas substancias requeridas para las diversas funciones vitales. La naturaleza nos hace comer, tal vez de más, “por las dudas” (herencia de nuestro pasado animal). Cuando nos sobran calorías ingeridas el organismo las almacena en forma de grasas, que producen por gramo el doble de la energía que los carbohidratos y las proteínas. Si uno no desea acumular grasa no debe nunca comer más calorías que las necesarias. Creo que lo mejor es fijarse un peso y no sobrepasarlo nunca, ni un sólo Kg. Creo que a los chicos hay que educarlos en la moderación para que puedan elegir de grandes.
5.2.4-La buena alimentación:
Lo que sigue es el criterio médico que vos podés cumplir SI QUERÉS.
Si alguien se descuidó y acumuló algunos Kg de grasa y los quiere bajar, debe ingerir menos calorías de lo que su organismo requiere para obligarse a consumir su propia grasa. Eso se hace difícil, por eso lo mejor es no pasarse en la alimentación nunca. Si tenés kilos de más, hace un dieta hipocalórica y cumplila a rajatable. En ese caso uno tendrá tendencia a tener frío y quemar grasas acumuladas. Mientras puedas hacerlo es aconsejable el ejercicio físico moderado para lograr quemar mejor las grasas y mantener la temperatura corporal. La alimentación normal y con mayor razón, la dieta hipocalórica deberá ser rica en nutrientes. En general una buena dieta consiste en comer un poco de todo. Si algún alimento no te gusta, podés hacer el esfuerzo de incorporarlo comiendo muy poco, y luego de un tiempo no habrá rechzo. Nunca es recomendable comer mucho de algo, por ejemplo mucho asado o fideos. Los animales comían cuando podían y como no tenían heladera ni freezer ni organización guardaban en su propio cuerpo los excesos. Que no triunfe nuestro instinto animal! Lo que pasa es que si uno se pasa en un tipo de alimento, no le queda lugar para otro. ¿Se puede tomar café? creo que SI, pero uno por día, y Chocolates un poco, si, a razón de un bombón por día. En las frutas podemos ser más generosos, como también con las verduras crudas. Cosas dulces y azúcar, lo menos posible!! ¿Condimentos? si pero no mucho. ¿Semillas y cereales?, Hacerles lugar. Proteínas: Si pero ojo con excederse, poca carne de vaca y cerdo. El pescado es muy bueno, y la soja también. ¿Frituras? pocas y con poco aceite. A fuego muy lento. El aceite quemado y todo lo que se quema no es bueno, habría que evitarlo. ¿Vino? Muy poco puede ser. Pero todo lo que produce adicción NUNCA ES BUENO. Siempre debe evitarse totalmente hasta la mayoría de edad. Hay que crear en los chicos una ideología anti-adictivos. Todos son malos. ¿El cigarrillo? Creo que está considerado lo peor para la salud en general. Si uno es adicto cuesta mucho. Si deseas sacarte a ese clavo podés pedir ayuda.
5.2.5-La forma.
Creo que lo mejor es comer como lo hacemos: desayuno, almuerzo y cena, con una pequeña colación a media mañana y media tarde. O sea comer algo cada 2 horas y media o 3 horas. ¿Desayuno? Frutas, yogur con cereales, jugos, leche, muy poco o nada de facturas u otras farinaceas, En Argentina comemos mucha carne de vaca, fideos y pastas, y azucarados. Dicen que hay que reducir al menos a la mitad o menos, y substituirlos por todo lo que dijimos. OJO: Comer bien y poco, no quita absolutamente nada del placer de comer, simplemente lo pone en otro nivel. Si comemos menos cantidad lo hacemos con mayor gusto, y mantaner el peso es un triunfo de la condición humana frente a nuestros instintos animales. Todo el placer de comer en abundancia te será quitado por el displacer de los problemas de largo plazo y del aparato digestivo y la caída de la calidad de vida.
5.2.6-¿Como se queman los alimentos?
Químicamente, en un proceso muy complicado. Los alimentos se transforman. Gran parte llega a glucosa y luego una substancia química llamada ATP que cede su energía a los procesos que la necesitan. Existen mecanismos químicos para mantener la temperatura corporal. Nos abrigamos para no tener que consumir tantos alimentos calóricos. Y ¿porqué transpiramos en verano?: para enfriar el cuerpo con el calor de evaporación del agua transpirada. Cuando hacemos actividad física también transpiramos porque los músculos necesitan mucha energía para funcionar, y TODA esa energía va a parar a calor!!.
5.2.7-Animales de sangre fría.
¿Porqué ciertos animales operan a la temperatura de sus medios como los peces? Los seres vivos tenemos dos operatorias que compiten una con otra (en muchos aspectos). Un animal de sangre fría tiene la ventaja de que necesita comer menos pues con muy pocas calorías se arreglan. Los de sangre caliente facilitan los procesos químicos y obtienen un mejor metabolismo. Esos factores opuestos hizo que la vida se desarrollara con ambas estrategias pues cada una tiene ventajas e inconvenientes. La evolución, con sus tendencias al desarrollo de las especies que mejor se adaptan el medio desarrolló ambas estrategias. Esa misma teoría explica como los mamíferos que se lanzaron al mar, como las ballenas, mantienen en el agua su sangre caliente, protegídos por grandes capas térmicas. Nos sorprendemos por la diversidad que adopta la vida debido a su tendencia de ir adaptando su cuerpo al medio.
Cada julio (o joule) de energía que se obtiene quemando gas en la cocina de nuestras casas sale mas barato que el julio eléctrico que pagamos a las empresas. En todos los casos la energía debiera usarse bien. Imaginemos que calentamos 1 litro de agua con una hornalla de nuestra cocina: ¿que nos conviene más usar un jarro o una cacerolita? Es claro que el jarro tiene menos superficie en contacto con el fuego, por lo tanto mucho calor se escapa para arriba por los costados. Si la cacerola tiene mayor superficie aprovecha mejor el calor. ¿Cómo harías la prueba?
Cualquiera sea el recipiente, siempre conviene que esté tapado, para que el calor se escape menos en forma de vapor de agua!! (ojo, no hermético porque puede explotar como una caldera mal operada.
5.3.2-¿Porqué la olla a presión es más eficiente?
Si el el agua se calienta en una olla a presión, cerrada herméticamente sobrepasa los 100 grados. Como el agua no puede escaparse en vapor, aumenta su temperatura y presión. Por ese aumento los alimentos se cocinan más rápido y se ahorra energía. Tienen una válvula que limita la presión. Cuando se escucha el ruido de que alcanzó ese límite debe bajarse el fuego a mínimo. Una vez que transcurrió el tiempo preestablecido hay que sacar la olla o apagar el fuego y esperar un buen rato hasta que se enfríe y no tenga más presión, para abrirla. No tuvo mucho éxito pues hay que manejarla con mucho cuidado
5.3.3-La calefacción del hogar.
La calefacción eléctrica tiene ciertas ventajas, pero no se usa mucho en Argentina porque el gas es más barato (Por cada caloría suministrada). Hay sistemas automáticos que mantienen la temperatura que uno les fija. Es preferible estar abrigados en invierno, cómodos pero no tener muy alto la calefacción. También no estar mucho tiempo sentados sino que es mejor tomar cada tanto unos minutos para caminar y hacer algo.
Los sistemas automáticos de calefacción son prácticos: pueden ser a gas o elécticos y en general resultan muy cómodos porque nos podemos despreocupar.
Creo que la tendencia es usar cocinas elécticas y de a poco sacar las redes de distribución de gas en las ciudades, que son siempre peligrosas. El mismo gas puede usarse más eficientemente en las usinas eléctricas. La electricidad no procuce CO2, no produce vapor. todo es más limpio y mejor controlable en el hogar.
5.3.4-Y el rendimiento ¿Qué es?
Cuando encendemos una lámpara común de 100 vatios, nos interesa la luz que produce y no nos interesa el calor. De esos 100 vatios sólo unos pocos vatios se transforman en luz y el resto en calor. Eso quiere decir que su rendimiento lumínico es muy bajo. En cambio si usamos las actuales de bajo consumo, con unos 18 vatios equivale a la lámpara de filamento de 100 vatios. Quiere decir que su rendimiento lumínico es del ordden de 5 o 6 veces superior (son números aproximados pues depende de las tecnologías usadas).
Los motores elécticos transforman la energía eléctica en mecánica. El procedimiento es de alto rendimiento, generalmente mayor al 90%. Eso quiere decir que calientan relativamente poco.
¿Y que rendimiento tiene la computadora? Casi toda la energía de la CPU se hace necesaria debido a los procesos electrónicos que manejan la información y permiten hacer operaciones lógicas. Pero la información no es energía. Entonces no tiene mucho sentido hablar del rendimiento eléctrico de los circuitos cuando se trata de manejar la información. Siempre se trata de manejar mejor la información, más rápido con el menor consumo de energía.
Esa energía que se acumula en un tanque herméticamente cerrado o en una caldera donde se ha calentado agua por encima de los 100 grados es peligrosamente explosiva. En realidad toda energía acumulada es peligrosa y han ocurrido muchos accidentes. Es peligroso un bosque en sequía pues puede arder fácilmente. Es peligroso un tanque de combustible. El gas que cargan en los coches deben hacerlo con mucho cuidado. Un rayo es también peligroso, es energía eléctrica descontrolada. Tanto como someterse uno a la tensión eléctrica. El descontrol de la energía atómica y nuclear es lo que se busca en las bombas. Hay infinidad de ejemplos del descontrol de la energía de todo tipo.
5.4.2-La energía controlada:
Es un gran logro de la inteligencia humana. De a poco vamos controlando mejor todas las formas de energía para aprovecharlas bien. Comenzó la civilización cuando nuestros ancestros controlaron el fuego y lo usaron en su provecho. Las leñas, los bosques con falta de lluvia, los pastizales fueron energía química acumulada. Bastaba una chsipa para que todo saliera de control. Aun hoy no podemos controlar del todo los incendios fortuitos. Buena parte de la capacidad humana sigue intentando un mejor control. Recién hace un par de siglos, cuando la era científico-tecnológica se desata con éxito, que comienza una era de grandes energías consumidas bajo control. Y también de peligros.
5.4.3-El calor de evaporación:
Cuando ponemos a hervir agua en una cacerola, la temperatura aumenta hasta los 100 grados. Luego comienza la ebullición fuerte mientras la temperatura se mantiene en los 100 grados. Eso quiere decir que luego de hervir, el calor no aumenta la temperatura sino que produce vapor. Los comestibles se cocinan por la temperatura y no por el grado de ebullición. Entonces cuando llega a los 100 grados se debe poner el fuego a mínimo para no gastar gas y consumir el agua inútilmente. Si se deja a máximo, lo único que se logra es llenar la cocina de vapor.
En un día cálido, ese “calor de vaporización” se aprovecha a veces para enfriar un poco las bebidas o lo que sea, poniendo un trapo húmedo encima . O también para refrescar la cabeza poniéndose un gorro o algo humedecido.
5.4.4-El primer principio de la termodinámica.
No es más que la ley de conservación de la energía. Los materiales acumulan energía por diversos procesos: -por agitación molecular, -por cambio de estado, -por diversos ordenamientos cristalinos y otros. Cuando un sistema está termicamente aislado del exterior se dice adiabático, Como debiera ser una heladera ideal que nunca se abra. En ese caso, el primer principio dice que toda la energía que entra a un sistema se emplea en incrementar su energía interna o/y hacer un trabajo. Por ejemplo, toda la energía que entra en el motor de un coche se emplea en hacer un trabajo que mueve al coche más la que se pierde porque el sistema no es adiabático ni debe serlo.
5.4.5-Segundo principio de la termodinámica.
Dice que es imposible pasar calor desde un cuerpo frío a uno caliente en forma espontánea. Para poder hacerlo hay que ejecutar un trabajo sobre el cuerpo más frío para enfiarlo aun más. Entonces el cuerpo frío se puede enfriar más a costa de una máquina que gasta energía. La energía de la máquina y la del cuerpo que se enfría se suman para calentar el cuerpo más caliente. Por ejemplo, el interior de una heladera se enfría gracias a un compresor (con su motor) que extrae la energía de adentro de la heladera para llevarla al radiador de atrás que se calienta. toda la energía del motor también va a parar en la misma chapa de atrás. Lo mismo pasa con el aire acondicionado. Enfría, pero larga el aire caliente para afuera. El hecho de que también largue agua es porque al enfriar el aire puede contener menos humedad.
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Lo que segue es una conocida anecdota:
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Carlos: -Estoy sorprendido por lo que decís de la energía. ¿Que demonios es la energía?
Horacio: -Es la capacidad de hacer un trabajo. Si uno aplica una fuerza a un cluerpo y lo desplaza eso significa hacer un trbajo. Si la fuerza F es constante el trabajo es T=F.d donde d es el desplazamiento.
Carlos: bueno, hagámosla simple: Si corro la mesa 2 metros ¿hice un trabajo?
Horacio: Claro, se mide en kilográmetros, 2m x la fuerza(en Kg) da el trabajo.
C: Pero vos decís que el trabajo es lo mismo que la energía, y que esta no se puede perder. Cuando ya corrí la mesa ¿donde está la energía? ¿en la mesa?.
H: No, la mesa no adquirió esa energía, porque está en la misma horizontal y quieta. Pero ¿hizo ruido la mesa la deslizarse? Bueno, todo ruido necesita enería para producirse.
C: O sea que vos decís que la energía que yo le di a la mesa ¿se transformó en ruido?
¡Qué raro! y luego cuando el ruido se teminó esa energía se pierde.
H: prestá atención porque esto hay que verlo muy claro para poder seguir adelante. la energía se convierte una parte en calor porque hay que vencer la resistencia del suelo. No se nota porque es muy poco ese calor. Pero vos mismo podés comprobar que el rozamiento produce calor. Simplemente hacete masaje enérgico con la mano en un brazo y notarás que ambos se clientan. El ruido es una vibración de objetos y se propaga al aire y finalmente se extingue. Resumiendo: toda la energía que le doy a la mesa se convierte en rozamiento o en ruido, y luego en calor.
C: Está claro. Pero toda esa energía que fue a calor, no existía antes de mover la mesa. ¿o sea que el ser humano es un creador de energía?
H: NO, el ser humano no crea energía sino que la obtiene de transformaciones químicas. Cuando vos o yo comemos estamos dando combustible a nuestros cuerpos. Dentro del cuerpo se producen transformaciónes que “queman” controladamente a tales substancias. Todos hemos escuchado eso de las calorías necesarias para alimentarnos!
C: ¡Qué complicado!. ¿y cómo el calor puede transformarse en fuerza para mover la mesa?. No, no me lo expliques, ya lo voy a leer más adelante!!
H: También si arrojo una piedra con fuerza le doy energía a la piedra y en ese caso la fuerza o el impulso se transforma en velocidad que también es otra forma de la energía y se llama energía cinética.
C: Bueno OK, tendría más preguntas pero por ahora lo dejamos allí. Me canse. Creo que entiendo mejor, pero tengo dudas.
Capítulo 5
EL CALOR Y LA TEMPERATURA
Pregunta previa: Hacía tanto calor que Juan dejo la puerta de la heladera abierta. ¿Hizo bien o hizo mal?
Fue un error porque el motor de la heladera trabajaba más tiempo tratando de mantener el frio. Entonces la chapa de atrás de la heladera, que también está en el mismo ambiente, se recalentaba mucho más. El motor no paraba de funcionar pues trataba de mantener la baja temperatura del interior de la heladera. En resumen, el calor neto es el que produce el motor. Por ejemplo si el motor gastaba una energía de 1000 Kcal por hora eso podría producir 600 Kcal negativas (o frigorías) y 1600 Kcal en la chapa de atrás
5.1-ENERGÍA CALÓRICA
5.1.1-Veamos que es calor:Los cuerpos se calientan o se enfrían cuando están en contacto con otros cuerpos, incluyendo al mismo aire, También reciben calor directo del sol, del fuego o de una lámpara, por radiación. El calor pasa a través del vacío y llega desde el sol a la tierra como luz, rayos infrarrojos y algo de ultravioleta. Son ondas llamadas electromagnéticas. Todos los cuerpos que están en contacto, por ejemplo en este cuarto, como la computadora, los libros o las paredes tienden siempre a igualar su temperatura. Justamente eso es la temperatura: un estado de equilibrio en el que los cuerpos pierden la misma cantidad de calor que la que ganan. El calor no es más que vibraciones de las moléculas de los cuerpos, o más bien su “energía interna”. Cuando un cuerpo recibe calor adicional, aumenta la intensidad de las vibraciones de sus átomos y moléculas. En gases y líquidos, el aumento de temperatura significa un aumento de la velocidad de sus moléculas que pueden desplazarse libremente. También puede significar cambio de estado u otros procesos como modos de cristalización.
5.1.2-La energía interna:
Es la energía total almacenada por los cuerpos o substancias por diversos mecanismos. La vibración de átomos y moléculas es uno de ellos, pero hay varios otros. Todas las substancias tienen 3 estados, sólido, líquido y gaseoso y los cambios de uno a otro estado cede o toma calor del medio ambiente, y eso se computa en la energía total. Por ejemplo cuando el agua hierve el calor que se le suministra es usado para cambiar de estado y no para aumentar su temperatura. La energía también puede usarse para cristalizar en diferentes formas. Teóricamente existe un estado de la materia en que su energía interna es cero. Es el llamado “cero absoluto” y corresponde a -273 grados o llamado cero grados en la escala de Kelvin. Es la absoluta inmovilidad, que en la práctica no se puede conseguir.
5.1.3-El aire líquido y los cristales
Últimamente se están usando gases líquidos como el aire para diversos usos, sobre todo medicinales e industriales. Se consiguen mecanismos para enfriarlos cerca del cero absoluto. Conseguir temperaturas tan bajas es un logro de la tecnología y es extremadamente útil para estudiar el comportamiento de los materiales en general. Sumergiendo en aire líquido una substancia aparenta como cristalizada y quebradizo.
Los cristales son estructuras regulares en que las moléculas se ubican en posiciones exactas del espacio y a distancias, unas de otras, constantes. Cuanto más puro se quiere obtener un cristal más difícil es. Siempre la estructura cristalina tiene alguna pequeña deformación, ya sea por impurezas o por defectos en la cristalización. La tecnología requiere mucho los cristales, algunas veces lo más puro posible, como para fabricar los procesadores de las computadoras..
5.1.4-La cantidad de calor se mide en calorías.
Una Caloría (o kilo-caloría o Cal Con mayúscula o kcal) es la cantidad de calor o energía que necesita un Kg de agua pura para aumentar 1 grado su temperatura (desde 15.5 grados hasta 16.5 grados a presión normal). Entonces la caloría es tambíen una medida de la energía.
Si en lugar de agua calentamos un Kg de otros materiales, para 1 grado de aumento se necesitan en general menos calorías que para el agua. A esas calorías se lo llama calor específico. Entonces calor específico de un material es la cantidad de calor que se necesita para elevar un grado (de 15,5 a 16,5) la temperatura de un Kg del mismo.
Por ejemplo los ladillos de una casa contienen 5 veces menos calor que el agua por cada Kg. o sea que el calor específico del ladrillo es 0,2 Kcal por Kg y por grado. Casi todos los elementos, incluidos los metales contienen menos calor por Kg que el agua. El calor específico de las substancias suele depender de la presión y de la temperatura, pero por suerte se mantiene bastante constante para el agua. (buscar, hay cosas muy buenas)
5.1.5-Las unidades de Energía:
Ya vimos 3 pero la que se ha elegido internacionalmente como preferida es el julio (o joule en inglés). Y la equivalencia es:
1 Kvatio-hora (electricidad) = 3.600.000 julios
1 kgm (mecánica) = 9,8 julios
1 Cal o kcal o kilo-caloría (termodinámica) = 4.185,5 julios
5.1.6-¿Cuanto calor se obtiene quemando combustibles?
1 Kg de Carbono puro: unas 8.000 kcal = 33.000.000 julios
1 Kg de hidrógeno: unas 35.000 kcal (el record!!)
1 Kg de gasoil: unas 10.000 kcal
Son sólo valores indicativos. En los combustibles no son valores exactos pues hay variedades y al quemarse vaporizan al agua que se produce y ese calor podría recuperarse.
5.1.6-Las unidades.
La gran variedad de unidades de energía se debe a que las diferentes ramas de la ciencia comenzaron en forma independiente y por investigadores diferentes. Luego se dieron cuenta que el concepto de energía es ÚNICO. Coincido con los científicos que recomiendan usar una unidad preferida. En este momento el Julio (Joule o vatios-segundos) es la preferida. El tema de las unidades de la física es importante.
5.1.7-Los combustibles fósiles y otras fuentes.
Con el renacimiento y el comienzo de la era tecnológica el hombre necesitó energía para mover sus primitivas máquinas. Por ejemplo, inventaron máquinas para moler el trigo, y para moverlas inventaron y construyeron molinos de viento y otros sistemas. También pusieron animales que giraran en una noría. Más tarde, por los años 1760, lograron controlar a una caldera de alta presión con agua caliente. Aprendieron a aprovechar la energía para mover sus máquinas: para moler trigo u otros usos en gestación. La ventaja era que podían usar cualquier combustible para calentar el agua. Cuando redescubrieron el carbón de piedra y el petróleo, lo comenzaron a usar en las calderas. Pero había que saber muy bien como construir y operar con las calderas porque el precio de los malos manejos era muy caro. La otra preocupación fue aprovechar bien el calor generado, para lo cual había que aumentar la superficie de contacto del fuego con el depósito de agua. Aún hoy día el fuego pasa por caños dentro de la masa de agua, para asegurarse buen rendimiento calórico. La ciencia estuvo detrás de las máquinas de vapor estudiando los mejores materiales combustibles para mejorar un poco más la eficiencia y durabilidad.
El rendimiento de las calderas andan cerca de los 10.000 kcal por kg de varios combustibles y los gases como el metano están más arriba que eso. Todas las palmas se la lleva el hidrógeno con unas 35.000 calorías. Que es lo mejor para cada uso, depende del costo de producción, del peligro de explosión, de los daños ecológicos,... El hidrógeno puede obtenerse de los gases fósiles pero casi no se usa por su precio y por la peligrosidad.
5.2-LOS HUMANOS, LOS ANIMALES Y EL CALOR
5.2.1-La temperatura y el ser humanoEste tema del calor es muy importante por varios motivos, entre ellos el del cuerpo humano. Nuestro cuerpo mantiene automáticamente una temperatura de unos 36-37 grados. Nos interesa saber como se mantiene la misma, como se pierde, la función del abrigo, la fiebre, la temperatura y las inflamaciones, la dieta, la nutrición. Te será muy útil saberlo mejor y tener una visión integrada. También en relación con la calefacción de la casa. Pero lo fundamental en esta visión es la integración de los conceptos con el resto de la física, la química y la biología.
5.2.2-¿y los alimentos?
En cuanto a los alimentos también son valores indicativos pues existen muchas variantes. Depende de muchos factores, pero se puede decir que debemos ingerir alrededor de unas 1000 kcal diarias. La cantidad ideal se puede calcular (hay tablas en Internet). Depende de la edad, del peso, del sexo, de la actividad física. En lugar de tanto cálculo es mejor controlar el peso y mantenerlo en el valor adecuado para cada uno. Es mucho más fácil calcularlo.
1 Kg de fideos: unas 3500 kcal
1 Kg de pescado: unas 900 kcal
1 Kg de carne de vaca: unas 2000 kcal
1 kg de verduras o frutas: unas 300 kcal
5.2.3-La alimentación:
Nos alimentamos para mantener la temperatura del cuerpo y para nutrirnos con muchas substancias requeridas para las diversas funciones vitales. La naturaleza nos hace comer, tal vez de más, “por las dudas” (herencia de nuestro pasado animal). Cuando nos sobran calorías ingeridas el organismo las almacena en forma de grasas, que producen por gramo el doble de la energía que los carbohidratos y las proteínas. Si uno no desea acumular grasa no debe nunca comer más calorías que las necesarias. Creo que lo mejor es fijarse un peso y no sobrepasarlo nunca, ni un sólo Kg. Creo que a los chicos hay que educarlos en la moderación para que puedan elegir de grandes.
5.2.4-La buena alimentación:
Lo que sigue es el criterio médico que vos podés cumplir SI QUERÉS.
Si alguien se descuidó y acumuló algunos Kg de grasa y los quiere bajar, debe ingerir menos calorías de lo que su organismo requiere para obligarse a consumir su propia grasa. Eso se hace difícil, por eso lo mejor es no pasarse en la alimentación nunca. Si tenés kilos de más, hace un dieta hipocalórica y cumplila a rajatable. En ese caso uno tendrá tendencia a tener frío y quemar grasas acumuladas. Mientras puedas hacerlo es aconsejable el ejercicio físico moderado para lograr quemar mejor las grasas y mantener la temperatura corporal. La alimentación normal y con mayor razón, la dieta hipocalórica deberá ser rica en nutrientes. En general una buena dieta consiste en comer un poco de todo. Si algún alimento no te gusta, podés hacer el esfuerzo de incorporarlo comiendo muy poco, y luego de un tiempo no habrá rechzo. Nunca es recomendable comer mucho de algo, por ejemplo mucho asado o fideos. Los animales comían cuando podían y como no tenían heladera ni freezer ni organización guardaban en su propio cuerpo los excesos. Que no triunfe nuestro instinto animal! Lo que pasa es que si uno se pasa en un tipo de alimento, no le queda lugar para otro. ¿Se puede tomar café? creo que SI, pero uno por día, y Chocolates un poco, si, a razón de un bombón por día. En las frutas podemos ser más generosos, como también con las verduras crudas. Cosas dulces y azúcar, lo menos posible!! ¿Condimentos? si pero no mucho. ¿Semillas y cereales?, Hacerles lugar. Proteínas: Si pero ojo con excederse, poca carne de vaca y cerdo. El pescado es muy bueno, y la soja también. ¿Frituras? pocas y con poco aceite. A fuego muy lento. El aceite quemado y todo lo que se quema no es bueno, habría que evitarlo. ¿Vino? Muy poco puede ser. Pero todo lo que produce adicción NUNCA ES BUENO. Siempre debe evitarse totalmente hasta la mayoría de edad. Hay que crear en los chicos una ideología anti-adictivos. Todos son malos. ¿El cigarrillo? Creo que está considerado lo peor para la salud en general. Si uno es adicto cuesta mucho. Si deseas sacarte a ese clavo podés pedir ayuda.
5.2.5-La forma.
Creo que lo mejor es comer como lo hacemos: desayuno, almuerzo y cena, con una pequeña colación a media mañana y media tarde. O sea comer algo cada 2 horas y media o 3 horas. ¿Desayuno? Frutas, yogur con cereales, jugos, leche, muy poco o nada de facturas u otras farinaceas, En Argentina comemos mucha carne de vaca, fideos y pastas, y azucarados. Dicen que hay que reducir al menos a la mitad o menos, y substituirlos por todo lo que dijimos. OJO: Comer bien y poco, no quita absolutamente nada del placer de comer, simplemente lo pone en otro nivel. Si comemos menos cantidad lo hacemos con mayor gusto, y mantaner el peso es un triunfo de la condición humana frente a nuestros instintos animales. Todo el placer de comer en abundancia te será quitado por el displacer de los problemas de largo plazo y del aparato digestivo y la caída de la calidad de vida.
5.2.6-¿Como se queman los alimentos?
Químicamente, en un proceso muy complicado. Los alimentos se transforman. Gran parte llega a glucosa y luego una substancia química llamada ATP que cede su energía a los procesos que la necesitan. Existen mecanismos químicos para mantener la temperatura corporal. Nos abrigamos para no tener que consumir tantos alimentos calóricos. Y ¿porqué transpiramos en verano?: para enfriar el cuerpo con el calor de evaporación del agua transpirada. Cuando hacemos actividad física también transpiramos porque los músculos necesitan mucha energía para funcionar, y TODA esa energía va a parar a calor!!.
5.2.7-Animales de sangre fría.
¿Porqué ciertos animales operan a la temperatura de sus medios como los peces? Los seres vivos tenemos dos operatorias que compiten una con otra (en muchos aspectos). Un animal de sangre fría tiene la ventaja de que necesita comer menos pues con muy pocas calorías se arreglan. Los de sangre caliente facilitan los procesos químicos y obtienen un mejor metabolismo. Esos factores opuestos hizo que la vida se desarrollara con ambas estrategias pues cada una tiene ventajas e inconvenientes. La evolución, con sus tendencias al desarrollo de las especies que mejor se adaptan el medio desarrolló ambas estrategias. Esa misma teoría explica como los mamíferos que se lanzaron al mar, como las ballenas, mantienen en el agua su sangre caliente, protegídos por grandes capas térmicas. Nos sorprendemos por la diversidad que adopta la vida debido a su tendencia de ir adaptando su cuerpo al medio.
5.3-ASPECTOS PRÁCTICOS
5.3.1-¿Cómo usar bien el calor?Cada julio (o joule) de energía que se obtiene quemando gas en la cocina de nuestras casas sale mas barato que el julio eléctrico que pagamos a las empresas. En todos los casos la energía debiera usarse bien. Imaginemos que calentamos 1 litro de agua con una hornalla de nuestra cocina: ¿que nos conviene más usar un jarro o una cacerolita? Es claro que el jarro tiene menos superficie en contacto con el fuego, por lo tanto mucho calor se escapa para arriba por los costados. Si la cacerola tiene mayor superficie aprovecha mejor el calor. ¿Cómo harías la prueba?
Cualquiera sea el recipiente, siempre conviene que esté tapado, para que el calor se escape menos en forma de vapor de agua!! (ojo, no hermético porque puede explotar como una caldera mal operada.
5.3.2-¿Porqué la olla a presión es más eficiente?
Si el el agua se calienta en una olla a presión, cerrada herméticamente sobrepasa los 100 grados. Como el agua no puede escaparse en vapor, aumenta su temperatura y presión. Por ese aumento los alimentos se cocinan más rápido y se ahorra energía. Tienen una válvula que limita la presión. Cuando se escucha el ruido de que alcanzó ese límite debe bajarse el fuego a mínimo. Una vez que transcurrió el tiempo preestablecido hay que sacar la olla o apagar el fuego y esperar un buen rato hasta que se enfríe y no tenga más presión, para abrirla. No tuvo mucho éxito pues hay que manejarla con mucho cuidado
5.3.3-La calefacción del hogar.
La calefacción eléctrica tiene ciertas ventajas, pero no se usa mucho en Argentina porque el gas es más barato (Por cada caloría suministrada). Hay sistemas automáticos que mantienen la temperatura que uno les fija. Es preferible estar abrigados en invierno, cómodos pero no tener muy alto la calefacción. También no estar mucho tiempo sentados sino que es mejor tomar cada tanto unos minutos para caminar y hacer algo.
Los sistemas automáticos de calefacción son prácticos: pueden ser a gas o elécticos y en general resultan muy cómodos porque nos podemos despreocupar.
Creo que la tendencia es usar cocinas elécticas y de a poco sacar las redes de distribución de gas en las ciudades, que son siempre peligrosas. El mismo gas puede usarse más eficientemente en las usinas eléctricas. La electricidad no procuce CO2, no produce vapor. todo es más limpio y mejor controlable en el hogar.
5.3.4-Y el rendimiento ¿Qué es?
Cuando encendemos una lámpara común de 100 vatios, nos interesa la luz que produce y no nos interesa el calor. De esos 100 vatios sólo unos pocos vatios se transforman en luz y el resto en calor. Eso quiere decir que su rendimiento lumínico es muy bajo. En cambio si usamos las actuales de bajo consumo, con unos 18 vatios equivale a la lámpara de filamento de 100 vatios. Quiere decir que su rendimiento lumínico es del ordden de 5 o 6 veces superior (son números aproximados pues depende de las tecnologías usadas).
Los motores elécticos transforman la energía eléctica en mecánica. El procedimiento es de alto rendimiento, generalmente mayor al 90%. Eso quiere decir que calientan relativamente poco.
¿Y que rendimiento tiene la computadora? Casi toda la energía de la CPU se hace necesaria debido a los procesos electrónicos que manejan la información y permiten hacer operaciones lógicas. Pero la información no es energía. Entonces no tiene mucho sentido hablar del rendimiento eléctrico de los circuitos cuando se trata de manejar la información. Siempre se trata de manejar mejor la información, más rápido con el menor consumo de energía.
5.4-UN POCO DE TEORÍA DEL CALOR
5.4.1-La energía descontroladaEsa energía que se acumula en un tanque herméticamente cerrado o en una caldera donde se ha calentado agua por encima de los 100 grados es peligrosamente explosiva. En realidad toda energía acumulada es peligrosa y han ocurrido muchos accidentes. Es peligroso un bosque en sequía pues puede arder fácilmente. Es peligroso un tanque de combustible. El gas que cargan en los coches deben hacerlo con mucho cuidado. Un rayo es también peligroso, es energía eléctrica descontrolada. Tanto como someterse uno a la tensión eléctrica. El descontrol de la energía atómica y nuclear es lo que se busca en las bombas. Hay infinidad de ejemplos del descontrol de la energía de todo tipo.
5.4.2-La energía controlada:
Es un gran logro de la inteligencia humana. De a poco vamos controlando mejor todas las formas de energía para aprovecharlas bien. Comenzó la civilización cuando nuestros ancestros controlaron el fuego y lo usaron en su provecho. Las leñas, los bosques con falta de lluvia, los pastizales fueron energía química acumulada. Bastaba una chsipa para que todo saliera de control. Aun hoy no podemos controlar del todo los incendios fortuitos. Buena parte de la capacidad humana sigue intentando un mejor control. Recién hace un par de siglos, cuando la era científico-tecnológica se desata con éxito, que comienza una era de grandes energías consumidas bajo control. Y también de peligros.
5.4.3-El calor de evaporación:
Cuando ponemos a hervir agua en una cacerola, la temperatura aumenta hasta los 100 grados. Luego comienza la ebullición fuerte mientras la temperatura se mantiene en los 100 grados. Eso quiere decir que luego de hervir, el calor no aumenta la temperatura sino que produce vapor. Los comestibles se cocinan por la temperatura y no por el grado de ebullición. Entonces cuando llega a los 100 grados se debe poner el fuego a mínimo para no gastar gas y consumir el agua inútilmente. Si se deja a máximo, lo único que se logra es llenar la cocina de vapor.
En un día cálido, ese “calor de vaporización” se aprovecha a veces para enfriar un poco las bebidas o lo que sea, poniendo un trapo húmedo encima . O también para refrescar la cabeza poniéndose un gorro o algo humedecido.
5.4.4-El primer principio de la termodinámica.
No es más que la ley de conservación de la energía. Los materiales acumulan energía por diversos procesos: -por agitación molecular, -por cambio de estado, -por diversos ordenamientos cristalinos y otros. Cuando un sistema está termicamente aislado del exterior se dice adiabático, Como debiera ser una heladera ideal que nunca se abra. En ese caso, el primer principio dice que toda la energía que entra a un sistema se emplea en incrementar su energía interna o/y hacer un trabajo. Por ejemplo, toda la energía que entra en el motor de un coche se emplea en hacer un trabajo que mueve al coche más la que se pierde porque el sistema no es adiabático ni debe serlo.
5.4.5-Segundo principio de la termodinámica.
Dice que es imposible pasar calor desde un cuerpo frío a uno caliente en forma espontánea. Para poder hacerlo hay que ejecutar un trabajo sobre el cuerpo más frío para enfiarlo aun más. Entonces el cuerpo frío se puede enfriar más a costa de una máquina que gasta energía. La energía de la máquina y la del cuerpo que se enfría se suman para calentar el cuerpo más caliente. Por ejemplo, el interior de una heladera se enfría gracias a un compresor (con su motor) que extrae la energía de adentro de la heladera para llevarla al radiador de atrás que se calienta. toda la energía del motor también va a parar en la misma chapa de atrás. Lo mismo pasa con el aire acondicionado. Enfría, pero larga el aire caliente para afuera. El hecho de que también largue agua es porque al enfriar el aire puede contener menos humedad.
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Lo que segue es una conocida anecdota:
Arquímedes de Siracusa I
(ver biografía)
Herón II, rey de Siracusa, pidió un día a su pariente Arquímedes (aprox. 287 a.C. - aprox. 212 a.C.), que comprobara si una corona que había encargado a un orfebre local era realmente de oro puro. El rey le pidió también de forma expresa que no dañase la corona.
Arquímedes dio vueltas y vueltas al problema sin saber como atacarlo, hasta que un día, al meterse en la bañera para darse un baño, se le ocurrió la solución. Pensó que el agua que se desbordaba tenía que ser igual al volumen de su cuerpo que estaba sumergido
Si medía el agua que rebasaba al meter la corona, conocería el volumen de la misma y a continuación podría compararlo con el volumen de un objeto de oro del mismo peso que la corona. Si los volúmenes no fuesen iguales, sería una prueba de que la corona no era de oro puro.
A consecuencia de la excitación que le produjo su descubrimiento, Arquímedes salio del baño y fue corriendo desnudo como estaba hacia el palacio gritando : "¡Lo encontré! ¡Lo encontré!". La palabra griega "¡Eureka!" utilizada por Arquímedes, ha quedado desde entonces como una expresión que indica la realización de un descubrimiento.
Al llevar a la práctica lo descubierto, se comprobó que la corona tenía un volumen menor que un objeto de oro de su mismo peso. Contenía plata que es un metal menos denso que el oro.
Carlos: -Estoy sorprendido por lo que decís de la energía. ¿Que demonios es la energía?
Horacio: -Es la capacidad de hacer un trabajo. Si uno aplica una fuerza a un cluerpo y lo desplaza eso significa hacer un trbajo. Si la fuerza F es constante el trabajo es T=F.d donde d es el desplazamiento.
Carlos: bueno, hagámosla simple: Si corro la mesa 2 metros ¿hice un trabajo?
Horacio: Claro, se mide en kilográmetros, 2m x la fuerza(en Kg) da el trabajo.
C: Pero vos decís que el trabajo es lo mismo que la energía, y que esta no se puede perder. Cuando ya corrí la mesa ¿donde está la energía? ¿en la mesa?.
H: No, la mesa no adquirió esa energía, porque está en la misma horizontal y quieta. Pero ¿hizo ruido la mesa la deslizarse? Bueno, todo ruido necesita enería para producirse.
C: O sea que vos decís que la energía que yo le di a la mesa ¿se transformó en ruido?
¡Qué raro! y luego cuando el ruido se teminó esa energía se pierde.
H: prestá atención porque esto hay que verlo muy claro para poder seguir adelante. la energía se convierte una parte en calor porque hay que vencer la resistencia del suelo. No se nota porque es muy poco ese calor. Pero vos mismo podés comprobar que el rozamiento produce calor. Simplemente hacete masaje enérgico con la mano en un brazo y notarás que ambos se clientan. El ruido es una vibración de objetos y se propaga al aire y finalmente se extingue. Resumiendo: toda la energía que le doy a la mesa se convierte en rozamiento o en ruido, y luego en calor.
C: Está claro. Pero toda esa energía que fue a calor, no existía antes de mover la mesa. ¿o sea que el ser humano es un creador de energía?
H: NO, el ser humano no crea energía sino que la obtiene de transformaciones químicas. Cuando vos o yo comemos estamos dando combustible a nuestros cuerpos. Dentro del cuerpo se producen transformaciónes que “queman” controladamente a tales substancias. Todos hemos escuchado eso de las calorías necesarias para alimentarnos!
C: ¡Qué complicado!. ¿y cómo el calor puede transformarse en fuerza para mover la mesa?. No, no me lo expliques, ya lo voy a leer más adelante!!
H: También si arrojo una piedra con fuerza le doy energía a la piedra y en ese caso la fuerza o el impulso se transforma en velocidad que también es otra forma de la energía y se llama energía cinética.
C: Bueno OK, tendría más preguntas pero por ahora lo dejamos allí. Me canse. Creo que entiendo mejor, pero tengo dudas.
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