ENERGÍA Y MOVIMIENTO
Energía y temperatura
Física y Química 4º ESO: guía interactiva
para la resolución de ejercicios
I.E.S. Élaios
Departamento de Física y Química
 Conceptos generales
 Energía térmica transferida y equilibrio térmico
Índice





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
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
 Efectos y propagación del calor
1
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








Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
Ejercicio
I.E.S. Élaios
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Ayuda
Los conceptos que vas a utilizar en este tema son: la temperatura, la energía térmica
y el calor; los tres están estrechamente relacionados, pero son distintos y no has de
confundirlos:
Temperatura: es una propiedad de los cuerpos que determina en qué dirección se
transfiere la energía (siempre desde el cuerpo que está a mayor temperatura hacia el
que está a menor).
La temperatura se mide con los instrumentos llamados termómetros (siempre
basados en la variación de una propiedad con la temperatura). Existen diversas escalas
termométricas, de las que las más importantes son la Celsius o centígrada y la absoluta
o Kelvin.
Hay también una manera de comprender qué es la temperatura de un cuerpo en
relación con el movimiento de sus partículas, como verás si sigues leyendo esta ayuda.
Energía térmica: está relacionada con la energía de las partículas que constituyen
un cuerpo, principalmente con la energía cinética (las partículas pueden trasladarse,
girar o vibrar). Es por tanto una magnitud que depende del estado del cuerpo. Se mide
en julios como cualquier otra energía.
Cuanto mayor es la energía térmica que tiene un cuerpo, y por tanto cuanto mayor
es la energía cinética media de sus partículas, mayor es su temperatura. Podemos decir
que la temperatura está relacionada con la energía cinética media de las partículas de
los cuerpos, y que a mayor valor de aquella, las partículas se mueven a mayor
velocidad. ..
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Ayuda
Calor: es la energía térmica que se transfiere de un cuerpo que se encuentra a mayor
temperatura a otro que está a menor temperatura. El calor es energía en tránsito. Es
incorrecto decir que un cuerpo “tiene” calor, pues como ya se ha dicho lo que tienen los
cuerpos es energía térmica.
Capacidad calorífica (C): es la cantidad de energía térmica que un cuerpo debe tomar
de otro cuerpo para elevar 1 ºC su temperatura. Se mide en J/ºC.
E
C
t
Las sustancias con capacidad calorífica alta absorben y ceden calor con dificultad.
Capacidad calorífica específica (c) : es la cantidad de energía térmica que 1 kg de
un cuerpo debe tomar de otro cuerpo para elevar 1 ºC su temperatura. Se mide en J/(ºC.kg).
c
E
t  m
En la diapositiva siguiente se muestran valores de capacidades caloríficas específicas
para algunas sustancias.
Transferencia de energía térmica. Equilibrio térmico:
Como ya se ha dicho, cuando dos cuerpos están a distinta temperatura, fluye energía
desde el que está a más temperatura hacia el que está a menos, hasta que las temperaturas
de ambos se igualan; en ese momento se dice que los cuerpos están en equilibrio térmico.
Este fenómeno hay que entenderlo desde el punto de vista microscópico: al poner en
contacto los cuerpos, las partículas que tienen mayor energía cinética y las que la tienen
menor, chocan entre sí hasta que se adquiere un valor medio igual para los dos cuerpos.
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SUSTANCIA
CAPACIDAD CALORÍFICA ESPECÍFICA
J/(ºC.kg)
Agua
4180
Alcohol
2430
Glicerina
2260
Hielo
2100
Aluminio
890
Hormigón
800
Vidrio
700
Acero
500
Cobre
380
Vapor de agua
1900
Oxígeno
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Equilibrio térmico. Cálculos:
La cantidad de energía térmica transferida (o calor, q) por un cuerpo de capacidad calorífica
específica c y masa m, viene dada por la fórmula siguiente, donde T1 y T2 serían las
temperaturas inicial y final del cuerpo.El resultado puede ser positivo, si el cuerpo aumenta
su temperatura, o negativo en caso contrario.

q  m.c T2  T1

Cuando se han de considerar dos cuerpos que intercambian energía, el cálculo se hace a partir
del concepto de equilibrio térmico.
Energía cedida = Energía ganada



m1.c1 T1  T f  m2.c2 T f  T2
Otros fenómenos relacionados con el calor son:
≈ Dilatación térmica
≈ Propagación del calor
Conducción
Convección
Radiación
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
1
Contesta a las cuestiones que vayan apareciendo en la pantalla.
¿Cómo se comportan las partículas
de un sólido cuando la temperatura
aumenta?
En un sólido la energía cinética
que tienen las partículas es de
vibración; al aumentar la temperatura
aumentará la velocidad de vibración
de las partículas.
Dos objetos tienen la misma
temperatura. ¿Qué podemos decir
sobre las partículas que los forman?
Las partículas de los dos objetos
tendrán la misma energía cinética
media.
Justifica, con la teoría cinéticomolecular por qué la energía para
calentar una sustancia depende
de la masa de ésta.
La masa de la sustancia depende
del número de partículas, a mayor
numero de éstas se necesita
más energía para aumentar su
energía cinética media.
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2
Contesta a las cuestiones que vayan apareciendo en la pantalla.
¿En qué difiere un termómetro clínico
del termómetro que usamos en el
laboratorio?
¿Qué ventajas presenta el
termómetro de mercurio respecto
al de alcohol?
El termómetro el clínico sólo necesita
una escala desde 35ºC hasta 42º-43ºC.
Además debe mantenerse
la lectura después de sacarse del cuerpo,
para lo que lleva un estrangulamiento que
impide que descienda el mercurio y debemos
agitarlo para que lo haga.
Las principales ventajas son:
la rapidez con que responde a los cambios
de temperatura y que es fácil verlo
en el tubo sin tenerlo que colorear.
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3
Contesta a las cuestiones que vayan apareciendo en la pantalla.
¿Por qué al atardecer la temperatura
del agua de una piscina o
del mar puede ser más alta que
la temperatura del aire?
¿Por qué las islas y regiones costeras
tienen climas más templado que
regiones del interior?
El agua tiene una capacidad calorífica
específica mucho mayor que la del
aire por lo que mantiene más tiempo
su temperatura.
Por su elevada capacidad calorífica, el
agua acumula energía durante el día y
la emite durante la noche actuando
como un moderador del clima.
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4
Elige en cada caso planteado la opción correcta y escribe una pequeña explicación:
Si utilizamos el mismo calentador,
¿qué se calentará más deprisa?
500 g
de
agua
1 kg
de
agua
Si utilizamos el mismo calentador,
¿qué se calentará más deprisa?
500 g
de agua
c=4.180
J./º.kg
J/ºC.kg
La
energía
transferida
es
directamente proporcional a la
masa. Para alcanzar la misma
temperatura, hará falta menos
energía -y por lo tanto costará
menos tiempo- en el caso de la
masa menor de agua.
500 g
de alcohol
c=2.430
J./º.kg
J/ºC.kg
La energía transferida es directamente
proporcional a la capacidad calorífica
específica. Para alcanzar la misma
temperatura, hará falta menos energíay por lo tanto costará menos tiempoen el caso del alcohol, que tiene menor
capacidad calorífica.
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5
Elige en cada caso planteado la opción correcta y utiliza la fórmula apropiada para hacer el
cálculo que justifique tu elección.
¿Qué necesita más energía?
Aumentar 20 ºC
la temperatura
de 500 g de
agua
Aumentar 30 ºC
la temperatura
de 200 g de
agua
¿Qué eleva más la temperatura?
Transferir
5000 J
a 10 g
de agua
Transferir
5000 J
a 10 g
de aceite
q = m.c (T2-T1)
q = m.c (T2-T1)
0,5.4180.20 > 0,2.4180.30
T2-T1=q/m-c
41800 J > 25080 J
5000/(0,01.2430) > 5000/(0,01.4180)
205,8 ºC > 119,6 ºC
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Un calentador eléctrico de 200 W de potencia se sumerge en 2,0 kg de agua a 20 ºC.
¿Qué temperatura alcanzará el agua a cabo de 5 minutos de haberlo conectado?
Calcula la energía transmitida por el
calentador a partir de la potencia de
éste y del tiempo que está conectado.
E = P.t
E = 200W.5 min.60 s/min = 60000 J
Utiliza la expresión de la energía térmica
transferida.
Q = m.c (T2-T1)
60000 J = 2,0 kg.4180 J/(ºC.kg).(T2-20)ºC
60000 = 8360 T2 – 167200
T2 = 227200/8360 = 27,2 ºC
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Un bloque de cobre de 10 kg se enfría de 100 ºC a 20 ºC mediante un baño de agua, ¿qué
cantidad de energía es transferida al agua?
Consulta en la ayuda la capacidad
calorífica específica del cobre
T<20ºC
T=20ºC
T=100ºC
c = 380 J/(ºC.kg)
Aplica la ley del equilibrio térmico
Ecedida por el cobre = Eganada al baño de agua
m.c (T2-T1) = Eganada al baño de agua
Ecedida
al baño de agua
 10 kg  380
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J
 (100  20) º C  304000 J
º C kg
Se necesita 445 J para elevar la temperatura de una pieza de cierto metal de 50 g de masa, desde 20 ºC
hasta 30 ºC.
(a) Calcula la capacidad calorífica específica del metal y consulta la tabla para ver de qué metal se trata.
(b) Si ponemos el metal, que se encuentra a 30 ºC, en un baño de agua a temperatura inferior a 20 ºC,
¿qué energía térmica se transferirá al agua hasta que ambos, metal y agua, se queden a 20 ºC?
8
(a)
ENERGÍA
T=20ºC
T=20ºC
T=30ºC
Aplica la fórmula apropiada.
q = m.c (T2-T1)
c = q/(m.(T2-T1))
c = 445 J/(0,05 kg.10 ºC)
c = 890 J/kg.ºC
Consulta de qué metal se trata.
Es aluminio, su capacidad calorífica
específica coincide con la calculada.
(b)
Recuerda que la energía se conserva
en cualquier proceso.
Para enfriarse de 30 ºC a 20 ºC
transferirá al agua la misma energía
que necesitó para calentarse de 20 ºC a
30 ºC, es decir, 445 J.
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Tenemos una bañera con 100 litros de agua caliente a 50 ºC y la queremos enfriar hasta 28 ºC. ¿Qué
cantidad de agua fría, a 15 ºC, tendremos que añadir?
Aplica la ley del equilibrio térmico.
Recuerda que la densidad del agua es: 1
kg/l
E. cedida por el agua caliente = E. ganada por el agua fría
m1.c (T1-Tf )= m2.c (Tf-T2)
100 kg.4180 J/(ºC.kg).(50-28) ºC = m2.4180 J/(ºC.kg).(28-15) ºC
Simplificamos el factor 4180, que está en los dos miembros, y queda:
2200 = 13 m2 ; m2= 2200/13 = 169 kg
A esta masa le corresponde el volumen: V2 = m2/d = 169 l
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10
Un calorímetro contiene 550 g de agua a 23,8 ºC. Se añade 100 g de plomo a la
temperatura de 98,2 ºC. Alcanzado el equilibrio térmico, la temperatura de la mezcla es de
24,2 ºC. Halla la capacidad calorífica específica del plomo.
Representa mediante un diagrama las
magnitudes implicadas en el proceso
descrito.
m1 = 0,1 kg
c1 = ?
T1 = 98,2 ºC
PLOMO
m2 = 0,55 kg
c2 = 4180 J/(ºC.kg)
T2 = 23,8 ºC
AGUA
Teq = 24,2 ºC
Aplica la condición matemática del
equilibrio térmico.
m1.c1 (T1-Teq)= m2.c2 (Teq-T2)
0,1 kg · c1 · (98,2-24,2) ºC = 0,55 kg · 4180 J/(ºC.kg) · (24,2-23,8) ºC
7,4 c1 = 919,6 ;
c1 
919,6
J
 124,3
7,4
kgº C
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11
Para determinar la capacidad calorífica específica del aluminio, una estudiante de 4º C toma una muestra
de aluminio de 30 g y la calienta sumergiéndola en un baño de agua hirviendo. Al cabo de unos minutos,
saca la muestra del baño y la introduce rápidamente en un vaso Dewar que contiene 100 g de agua a 18
ºC. Observa que, cuando se alcanza el equilibrio térmico, la temperatura es de 23 ºC. ¿Cuál es la
capacidad calorífica específica del aluminio?
Deduce del enunciado cuál es la
temperatura inicial del aluminio y
representa mediante un diagrama las
magnitudes implicadas en el proceso
descrito.
m1 = 0,03 kg
c1 = ?
T1 = 100 ºC
m2 = 0,1 kg
c2 = 4180 J/(ºC.kg)
T2 = 18 ºC
ALUMINIO
Teq = 23 ºC
Aplica la condición matemática del
equilibrio térmico.
m1.c1 (T1-Teq)= m2.c2 (Teq-T2)
0,03 kg · c1 · (100-23) ºC = 0,1 kg · 4180 J/(ºC.kg) · (23-18) ºC
2,31 c1 = 2090 ;
c1 
2090
J
 905
2,31
kgº C
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AGUA
12
Diego ha comprado, por poco dinero, un anillo de oro de 50 g de masa. Como no está seguro de la
pureza de la sortija, diseña y realiza el siguiente experimento, que él mismo relata: “Calenté el anillo
hasta que alcanzó una temperatura de 400 ºC y la sumergí en 100 g de agua a 20 ºC, contenida en un
calorímetro. Anoté que la temperatura de equilibrio era de, aproximadamente, 26 ºC. Después …”.
¿Qué opinas de la calidad del anillo? DATO: coro = 130 J/(kg.ºC).
Representa mediante un diagrama las
magnitudes implicadas en el proceso
descrito.
¿Qué magnitud, con los datos que
tienes, calcularías para analizar la
calidad del anillo?
Existe dos posibilidades:
• Calcular la capacidad calorífica específica del
oro y compararla con la real.
• Utilizar la capacidad calorífica específica real del
oro para calcular la temperatura de equilibrio y
compararla con el correspondiente dato del
enunciado.
Nosotros seguiremos la primera.
Aplica la condición
matemática del
equilibrio térmico.
m1 = 0,05 kg
c1 = ?
T1 = 400 ºC
m2 = 0,1 kg
c2 = 4180 J/(ºC.kg)
T2 = 20 ºC
ORO
AGUA
Teq = 26 ºC
m1.c1 (T1-Teq)= m2.c2 (Teq-T2)
0,05 kg · c1 · (400-26) ºC = 0,1 kg · 4180 J/(ºC.kg) · (26-20) ºC
18,7 c1 = 2508 ;
c1 
2508
J
 134
18,7
kgº C
Como la capacidad calorífica específica experimental difiere de la
capacidad calorífica específica real, hay que concluir que el anillo es de
mala calidad.
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13
La temperatura adecuada para un baño templado es de 40 ºC. Si el agua del calentador se
encuentra a una temperatura de 70 ºC y el agua de la canilla está a 18 ºC, calcula la masa
de agua que habrá que utilizar de cada clase para preparar un baño templado de 60 litros.
Representa mediante un diagrama las
magnitudes implicadas en el proceso
descrito.
m1 = ?
c1 = 4180 J/(ºC.kg)
T1 = 70 ºC
m2 = ?
c2 = 4180 J/(ºC.kg)
T2 = 18 ºC
AGUA
AGUA
La masa del baño de 60 litros es
de 60 kg. Plantea el sistema de
ecuaciones adecuado para la
resolución del ejercicio.
Teq = 40 ºC
El sistema de ecuaciones que hay que resolver es:
m1.c1 (T1-Teq)= m2.c2 (Teq-T2)
m1·(70-40) = m2·(40-18)
m1 + m2 = 60
m1 + m2 = 60
De la 2ª ecuación, m1 = 60 - m2; sustituyéndola en la 1ª ecuación queda:
30·(60-m2) = 22m2; 1800–30m2 = 22m2; 1800 = 52m2; m2 = 1800/52 = 34,6
kg. Finalmente, m1 = 60-34,6 = 25,4 kg.
Hay que mezclar 25,4 kg de agua caliente con 34,6 kg de agua fría.
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14
En un recipiente que contiene 50 kg de agua a 20 ºC se introduce un bloque de acero de 5
kg a 100 ºC. ¿Cuál será la temperatura final de la mezcla si el recipiente no recibe ni cede
calor?
Representa mediante un diagrama las
magnitudes implicadas en el proceso
descrito. Utiliza la ayuda.
m1 = 5 kg
c1 = 500 J/(ºC.kg)
T1 = 100 ºC
m2 = 50 kg
c2 = 4180 J/(ºC.kg)
T2 = 20 ºC
ACERO
AGUA
Teq = ?
Aplica la condición matemática del
equilibrio térmico.
m1.c1 (T1-Teq)= m2.c2 (Teq-T2)
5 kg · 500 J/(ºC.kg) · (100-Teq) ºC = 50 kg · 4180 J/(ºC.kg) · (Teq-20) ºC
Podemos simplificar el factor 500, quedando: 5·(100-Teq) = 418·(Teq-20);
500 – 5Teq = 418Teq – 8360; 8860 = 423Teq;
Teq 
8860
 20,9 º C
423
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15
Explica mediante la teoría cinético-molecular por qué los cuerpos se dilatan cuando su
temperatura aumenta.
Recuerda el concepto
microscópico de
temperatura.
A mayor temperatura
mayor energía cinética
media de las
partículas.
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Las partículas de todos los
cuerpos, en cualquiera de los
estados de agregación: sólido
líquido o gas, al experimentar
un aumento de temperatura,
aumentan su energía cinética
media y con ello la amplitud de
sus movimientos, aumentando
la separación entre ellas.
16
En los casos que vayan apareciendo en la pantalla, di qué tipo de problema puede causar
la dilatación por aumento de temperatura y cómo puede solucionarse.
Los materiales de
construcción de un
puente
Problema:
En verano pueden
deformarse,
agrietarse e incluso
romperse
Solución:
Dejar espacios libres en las
estructuras (juntas de
dilatación) como las que se
ven en la figura.
Gas propulsor de
un aerosol
Problema:
A altas
temperaturas
pueden explotar
Solución:
Advertir en el etiquetado a
la temperatura máxima que
pueden exponerse
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17
Explica el funcionamiento de un termómetro bimetálico.
Haz clic para ver un esquema
de un termómetro bimetálico.
Lámina bimetálica: dos láminas
de metales diferentes unidas
longitudinalmente.
Ahora explica cómo funciona.
Uno de los metales de la lámina tiene un
coeficiente de dilatación mayor que el otro, al
aumentar la temperatura, la lámina se dobla
hacia uno de los lados, se enrolla la espiral y
la aguja señala la temperatura
correspondiente en la escala.
Al bajar la temperatura, sucede lo contrario.
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18
Explica, por medio de la teoría cinético-molecular, lo que ocurre cuando calentamos el
extremo de una barra metálica.
Haz un dibujo que represente el estado
de movimiento de las partículas de un
sólido a una cierta temperatura.
Calor
Las partículas están muy próximas y
están vibrando con una cierta amplitud.
¿Qué ocurrirá al calentar un extremo?
Las partículas del extremo que se
calienta empiezan a vibrar con mayor
rapidez; esa vibración se transmite por
choques a las partículas contiguas, que
están muy próximas, hasta llegar a las
que están en el extremo opuesto.
El resultado es que las distancias
promedio entre las partículas son
mayores.
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19
¿Por qué notamos más fríos los objetos metálicos que los que no lo son, a pesar de que
todos tienen la misma temperatura?
Un metal es buen conductor
del calor y conduce la energía
que proviene de nuestro
cuerpo, puesto que éste está
a temperatura más elevada
normalmente que la del
ambiente.
La zona de la piel en contacto
con el metal la sentimos “fría”
porque la energía fluye con
rapidez de esta zona hacia el
metal.
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La madera, por ejemplo, es
un mal conductor y la energía
que proviene de nuestro
cuerpo fluye con dificultad a
través de ella concentrándose
en la zona de contacto entre
la piel y el objeto, que alcanza
una temperatura próxima a la
de nuestro cuerpo, por lo que
la sensación es cálida.
20
En un día de verano, a menudo sopla brisa desde el mar hacia la costa. Explica, con
ayuda de dibujos, la causa de esta brisa y por qué cambia de dirección durante la noche.
Recuerda que el agua tiene una
capacidad calorífica específica mayor que
los materiales que forman la tierra.
Durante el día, la temperatura de la tierra
es mayor que la del agua y el aire
caliente (en rojo) se eleva desde la tierra
hacia el mar; al mismo tiempo, el aire
frío (en gris) viene desde el mar hacia la
tierra.
Durante la noche sucede lo contrario: al
tener el agua una capacidad calorífica
específica mayor que los materiales que
forman la tierra, la temperatura del agua
es mayor que la de la tierra (ver ejercicio
3), el aire caliente se eleva desde el mar
hacia la tierra y el aire frío viene desde la
tierra hacia el mar.
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21
¿Qué mecanismos de transmisión se utilizan en una estufa eléctrica, en una estufa por
convección y en un calefactor rápido?
Dibuja y explica lo
que ocurre en cada
caso
Estufa eléctrica
En una estufa
eléctrica el calor se
transmite sobre todo
por radiación desde
la resistencia.
Se potencia el efecto
colocando una
superficie reflectante
cóncava tras la
resistencia.
Estufa por convección
En una estufa por
convección, la
resistencia está
abajo, el aire se
calienta y sale por
arriba.
Predomina pues la
convección, además
de la radiación de la
resistencia.
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Calefactor rápido
En una calefactor
rápido se produce
una corriente de aire
calentado por una
resistencia mediante
un ventilador,
predomina pues la
convección, aunque
es forzada.
22
Señala en qué lugares de una casa tiene lugar la mayor pérdida de energía y cómo puede
evitarse en parte.
Paredes exteriores
Suelos
Techos
Ventanas
Paredes exteriores: Un centímetro de aislante equivale a medio
metro de hormigón. Se debe utilizar un buen aislante, de un
grosor adecuado. Las planchas de corcho natural son la mejor
opción desde un punto de vista ecológico. Grosor mínimo
recomendado: 5 cm.
Suelos : También deben aislarse, salvo que sean de madera. Las
alfombras y moquetas reducen las pérdidas de calor en invierno,
con la posibilidad de poder quitarse en el buen tiempo.
Techos: Las pérdidas más importantes se dan en el techo. El
grosor del aislante debe ser el doble que en las paredes exteriores
o más, si es posible.
Ventanas:
Siempre con cristal tipo “climalit” o similar. Las
contraventanas interiores de madera, cortinas gruesas, persianas
con aislante inyectado o similar serán imprescindibles para evitar
pérdidas de calor en invierno o ganancias de calor en verano.
Aleros exteriores sobre las ventanas o toldos evitarán el sol en
verano.
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23
Explica cómo está construido un termo y por qué conserva calientes las bebidas.
Tapón aislante
Señala las partes esenciales en el dibujo.
Doble pared de vidrio
Explica cómo influye este diseño en la
conservación de la energía en su interior.
Vacío
Superficie plateada
Termo (vaso Dewar)
El vacío no conduce el calor, la superficie plateada
refleja la radiación térmica y hace que por sucesivas
reflexiones no escape fuera del termo.
De este modo se evitan las pérdidas por conducción
y por radiación.
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Diapositiva 1