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Posts Tagged “calor”

Que es verdad esa frase esa que dice: “la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma”. Pero yo me voy a atrever con ella. Voy a cambiarla un poquito… Creo que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma y se inutiliza (en cada transformación).

Es que la energía no es otra cosa que la capacidad para producir cambios de algún tipo. Pero en realidad la energía no existe. Es más bien una abstracción, un conjunto de características que comparten una serie de sistemas. Como los enlaces químicos (energía química), los movimientos de los átomos y sus choques (energía calorífica), los fotones (energía electromagnética), los electrones viajando en un material (energía eléctrica), la tensión que sufre un montón de enlaces químicos que son modificados e intentan volver a la situación anterior (energía elástica)…

Todas esas “energías” comparten la propiedad de producir cambios. Y unas se pueden convertir en otras. Pero… Pero no todas pueden producir la misma cantidad de cambio. Y la que menos, el calor.

Calor
Fuente: Absolute Astronomy

Resulta que el calor es una forma de energía muy dispersa, muy poco densa. Consiste en el movimiento de las moléculas que componen algo. Por tanto, el calor está repartido en todas ellas, en todas esas moléculas. Si quisieras aprovechar todo el calor de un cuerpo tendrías que poner de acuerdo a todas esas partículas para que golpearan en el mismo sitio a la vez. A miles de miles de miles de millones de ellas… No, no, eso no es lógico que suceda. A lo mejor alguna vez a lo largo de toda la historia del Universo. Pero no es lo normal, no.

En cambio, otras formas de energía son mejores, en el sentido de que son más densas. Hay más energía en electrones moviéndose que en átomos vibrando. Por eso la energía eléctrica es más útil, está más concentrada. Y puede producir más cambio. Igual sucede con la energía química.

El problema es que nuestra civilización ha basado casi todo lo que ha hecho en convertir energías de diversos tipos en calor. La peor de todas. No, no fue una buena idea. La máquina de vapor nos ha llevado a otro nivel quemando cosas. Esa fue una revolución industrial, sí. Pero ahora necesitamos otro enfoque. Diferente de convertir a calor todo lo que pillamos.

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A ver cómo hago yo esto. Resulta que leo en el blog del IES Pando una entrada que va sobre un enlace para 2ºESO. Lo he seguido y me he quedado encantado con lo que he visto, elaborado (bien elaborado) por Mariano Gaite Cuesta. No sólo es útil para 2ºESO, sino también para 1ºESO. Y, me temo que alguno de cursos posteriores hará bien pasándose para refrescar alguna idea.

Bueno, con cosas tan bien elaboradas como esta Iniciación interactiva a la materia me voy a quedar en paro. Apenas tengo nada que contar. Hay muchos materiales pero bastantes pocos tan bien equilibrados entre presentación y contenidos como este interactivo.

Cuando lo termines de ver habrás tenido claro qué es el volumen y qué es la masa. Incluso sabrás que masa y peso no son lo mismo.

Volumen es el espacio que ocupa la materia. Eso es fácil. Alto, largo, ancho. Multiplicados entre sí, quiero decir. Y ya está.

Masa es el número de átomos que hay y lo gordos que son. Aunque no se dice “lo gordos que son”. Se dice masa atómica. Porque no todos los átomos son iguales. Los hay más recios y los hay más escuchimizados. P.ej, un átomo de H es 12 veces menor que un átomo de C. O, lo que es lo mismo, 12 átomos de H tienen tanta masa como uno de C (más o menos, pero eso es otra historia, la de la bomba atómica; otro día). Así, te tiene que quedar claro. La masa depende del número de átomos que hay y lo grande que es cada uno de ellos.

Masa atómica comparada

¿Por qué el átomo de H es menor que el de C? Porque en su núcleo tiene un único protón (esto, por cierto, es un poquito mentira; también otro día). Y el C tiene 6 protones y 6 neutrones en su núcleo. Esto lo puedes comprobar en el interactivo entrando en su tabla periódica y pinchando los recuadros del H y el C. ¿Adivinas cuál es cuál?

Masa atómica del CMasa atómica del H

Bueno. Ya sabemos lo que es la masa. ¿Y el peso? La fuerza con la que un planeta, o una estrella, o satélite, cometa o asteroide (depende de dónde estés) tire de esa masa. Como siempre estamos en la Tierra, como no cambiamos de planeta, podemos funcionar cada día como si masa o peso fueran lo mismo. Pero no lo son. Si tú fueras a la Luna, irías con todos tus átomos. Con toda tu masa. Pero cuando llegaras allí, como la Luna es más pequeña que la Tierra, tiraría con menos fuerza de los mismos átomos que tenías al salir. Notarías menos peso.

¿Te quedó claro? ¿Más o menos?

También aprenderás qué es la densidad. Densidad es un invento genial. La densidad de cada sustancia es única. Y constante. La densidad del oro sólo la tiene el oro, y nadie más. Y siempre es la misma. Es verdad que puedo fundir el oro, y entonces tendría oro líquido. Y también es verdad que el oro líquido tiene distinta densidad que el oro sólido. Pero nadie tiene la densidad del oro líquido. Y el oro líquido tiene también siempre la misma densidad.

O sea. Cada material tiene dos densidades únicas: la de su sólido y la de su líquido. Lo del gas ya es otra cosa.

Todavía no te he dicho lo que es densidad. Densidad es una medida de lo juntitos que están los átomos.

Densidad alta y baja

O, dicho de otro modo, de cuántos átomos caben en un espacio (una habitación, un dedal, 1 cm3). Densidad es una propiedad que relaciona masa (número de átomos) y volumen (espacio que ocupan). Como cada material está hecho por átomos o moléculas únicas, las distancias entre ellos también son únicas. Y de la distancia entre ellos depende la densidad. Por eso es única. Y como las distancias entre ellos cambian cuando cambian de estado, por eso tiene dos densidades, la del líquido y la del sólido.

La historia que te cuenta el interactivo en la introducción, la de Arquímedes y la corona del rey, se supone que es cierta a grandes rasgos. Y si no lo es, a mí me gusta. Explica cómo se usó la densidad para identificar si la corona estaba hecha de oro. Si un material tiene una densidad típica, única, dos trozos similares de mismo material tienen que tener la misma densidad. Es decir, los mismos átomos en el mismo volumen. Y si no, es que alguien ha hecho trampa, ha cambiado el material.

Hay más en el sitio. Te habla de temperatura. Ya te conté algo de temperatura y de calor en “Apretando por todos lados“. No son lo mismo. Calor es la suma de los movimentos de los átomos, una medida de los choques que hay entre ellos, de su agitación. Repito, es una suma. Temperatura es la velocidad promedio de los átomos. Es una media. No es lo mismo. El calor sirve para saber cuánta energía tiene algo. La temperatura sirve para saber de dónde a dónde pasará la energía.

Te cuento una cosa complicada para que veas la diferencia.

Un objeto (llamado A) puede tener mucha energía y, sin embargo, recibir calor de otro objeto (llamado B) con menos energía. Lo vas a entender en seguida. ¿Le tendrías miedo a un parvulito con un cuchillo? No, ¿verdad? ¿Y a 5.000 parvulitos con cuchillo? ¿A que sí?. Un objeto (el A) puede tener poca temperatura si sus átomos se mueven lento. Pero mucho calor si tiene muchos, muchos átomos. Aunque se muevan lento. Te recuerdo que el calor es una suma. Y la temperatura es una media. Otro objeto (el B) puede tener mucha temperatura porque sus átomos se mueven rápido. Pero si tiene pocos, la suma que es el calor es pequeña. Y ese objeto B le pasará calor al objeto A. Porque el calor es choque de átomos. Y en el choque, el que va más rápido se frena y el que va más despacio se acelera.

Así, el calor es una medida de la energía y la temperatura es una medida de hacia dónde va la energía.

¡¡¡Uf!!!

Me he ido animando y he terminado largando bien, eh? No he terminado de comentar el interactivo. Me faltan cositas.

Otro día.

Siempre lo dejo todo para otro día, ¿verdad?

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¿Por qué no quedamos aplastados por la presión atmosférica? Eso es lo que me pregunta Pablo Muñoz, de 1ºC. Y es una muy buena pregunta.
Primero, veamos qué eso de la presión: la consecuencia del movimiento de las moléculas de un fluido y su choque contra las paredes de un recipiente.

:-(

Vale, así la frase no está muy clara. Vamos a ver ahora.

El aire está hecho de moléculas. Y el agua. Y esas moléculas no paran de chocar. Entre sí. Y con las paredes que se opongan a su movimiento. ¿Qué es la presión? El choque de las moléculas contra los límites que encierran al agua o al aire.

Algo así.

Temperatura y presión

O así, como se puede ver en algunos fragmentos de este vídeo publicitario.

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Una cosa curiosa es que el calor también está en este gráfico animado. En vez de tener en cuenta los choques contra las paredes, ten en cuenta los choques entre moléculas. Eso es el calor. Y también está la temperatura: la velocidad de las moléculas.

Vuelvo a la presión. Es fácil de entender si pongo aire, o agua dentro de algo. Pero cuesta más trabajo cuando pongo algo dentro del aire o del agua. Pero no, es lo mismo. Siguen siendo moléculas que se mueven y chocan. Ahora no contra las paredes, no hay paredes. Ahora contra la superficie de un objeto, del objeto que he metido dentro del agua o del aire. Sólo tienes que imaginar las mismas moléculas de antes pero con un objeto dentro del recipiente. Y, esto es importante, dándole por todos lados.

Presión  de confinamiento

Por que el “por todos lados es la clave”. Vamos por partes.

Imagina una botella de plástico vacía. No está realmente vacía. Tiene aire. Tiene moléculas que están chocando todo el rato con sus paredes. Y también hay aire fuera. Con sus moléculas chocando contra las paredes. Pero por fuera.

¿Cuántos choques hay? Los mismos por fuera que por dentro. Esa igualdad hace que la botella no quede aplastada. Para comprobarlo sólo hay que sacarle aire a la botella. Inmediatamente se aplasta. Porque hay más choques por fuera. Y el aire de dentro, que ahora es menos, no puede aguantar el empuje.

Por cierto. Si algo, como el objeto esférico del dibujo anterior, recibe más empujones de las moléculas del aire por debajo que por arriba, flota. ¿Adivinas por qué tú no flotas? ¿Adivinas por qué flota un avión aunque pesa mucho? ¿O por qué necesita velocidad para despegar?

Volvemos a la cuestión central. ¿Qué es lo que hace que no quedemos aplastados? Que recibimos la misma presión (los mismos choques de moléculas) por todos lados.

¿Qué pasaría si fuéramos en una nave espacial y se abriera un agujerito en ella, y nosotros nos pusiéramos sobre el agujerito? Como fuera no hay nada de aire, el que está dentro de la nave nos empujaría hacia el agujero. Con tanta fuerza que no podríamos escapar. Porque el aire, aunque no lo parezca, pesa mucho. Y nos iríamos rompiendo trocito a trocito, escapando al espacio por el pequeño agujero. Escrito de otro modo, es la misma razón de que haya accidentes fatales con los desagües de piscinas (el agua y el aire, a efectos de presión se comportan igual, sólo que en el agua hay más moléculas). La gente se queda atrapada por la succión y no se puede soltar. Esto, para que veas que, aunque no quedamos aplastados, el aire pesa y pesa mucho.

Así que, la respuesta a por qué no quedamos aplastados por la presión es: porque la recibimos por todas partes igual. A eso se llama presión de confinamiento (¡creo!).

En Correo del Maestro lo explica bastante bien. Creo que mejor que yo.

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El ejemplo que propone Miguel Ángel Sabadell está muy bien. Para comprenderlo bien hay que imaginarse el agua como en el vídeo de la entrada que se llamaba “El agua es rara“. Aunque la verdad es que él lo explica fenomenal.

Y el aire así.

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Otra manera de contarlo sería esta (subtitulada). A mí me hizo gracia. ;-)

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Con el título te acabo de contar una versión en broma de tres leyes muy importantes: las leyes de la termodinámica. De la que me importa hablarte ahora es de la segunda, que dice: “ningún proceso de conversión de energía sucede sin producción de calor”. En realidad se puede escribir de maneras muy diferentes, pero esta es tan correcta como muchas otras.

Esta ley tan sencilla plantea que vamos a perder. Hagamos lo que hagamos. ¿Por qué?

Verás, en la entrada anterior te hablaba de la inutilidad del calor. No es que sea completamente inútil, es que el la forma de energía menos útil. Porque para que el calor realice un cambio tiene que haber diferencias de calor (los científicos dicen “gradiente” de calor). ¿Y eso por qué? Si recuerdas, la palabra calor representaba la agitación de las moléculas. Si una molécula que se mueve rápido choca con otra que se mueve lento, la primera perderá velocidad y la segunda la ganará. La rápida es ahora más lenta, la lenta es ahora más rápida. Y así hasta que se igualen. Y se igualarán inevitablemente, tras el paso del tiempo.

¿Qué sucede cuando todas las moléculas van a la misma velocidad? Que no hay cambio. Y sin embargo hay energía, puesto que se mueven. Pero no hay cambio. Por supuesto, estoy mintiendo, dado que en un choque entre dos moléculas que van a la misma velocidad, al final, una puede acelerar y otra frenar; pero poco después, la que aceleró volverá a chocar con otra y frenará, y la que frenó volverá a chocar con otra y acelerará. En la práctica, cuando todas las moléculas van a la misma velocidad, no hay cambio. Hay energía, pero no se puede aprovechar.

¿Qué pasa cuando convierto una energía en otra, o cuando invierto una energía en hacer un cambio? Que siempre alguna se pierde en forma de calor. Es decir, que alguna energía capaz de hacer cambios, útil, se convierte en energía que terminará no siendo capaz de hacer cambios, menos útil.

Imaginemos que convierto una energía en otra. Pierdo algo en forma de calor. Y ahora en otra. Pierdo otro poco de calor. Y ahora en otra. Pierdo otro poco más. Cada paso que doy hace que me quede menos energía útil y hace que haya más energía en forma de calor. Si toda la energía del Universo da tantos pasos que termina toda bajo la forma de calor, habríamos llegado a la muerte de los cambios. Todo el Universo estaría a la misma temperatura. No habría otra forma de energía que el calor pero no se podría hacer nada con ella.

¿Hay alguna manera de ganar? ¿Hay alguna manera de escapar a ese destino?

No. Lo siento.

Pero no va a ser mañana. Ni pasado. Faltan todavía miles de millones de años. Quizá decenas de miles de millones de años. Yo no me preocuparía.

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