Al estudio del calor y su transformación en energía mecánica se le llama termodinámica.
La palabra es derivada de palabras
griegas que significan "movimiento del calor". La base de la
termodinámica es la conservación de la energía ya que esta fluye
espontáneamente desde lo más caliente a lo frío y no a la inversa. La
termodinámica proporciona las leyes y principios que sirven para la
construcción de máquinas térmicas como lo son las turbinas de vapor, los
refrigeradores y hasta la calefacción.
4.2 Escalas de temperatura
Lo
que se necesita para construir un termómetro son puntos fijos, es decir,
procesos en los cuales la temperatura permanece constante. Ejemplos de procesos
de este tipo son el proceso de ebullición y el proceso de fusión.
Los
puntos generalmente utilizados son el proceso de ebullición y de solidificación
de alguna sustancia, durante los cuales la temperatura permanece constante.
Existen
varias escalas para medir temperaturas, las más importantes son la escala
Celsius, la escala Kelvin y la escala Fahrenheit.
ESCALA CELSIUS
Para
esta escala, se toman como puntos fijos, los puntos de ebullición y de
solidificación del agua, a los cuales se les asignan los valores de 100 y 0
respectivamente. En esta escala, estos valores se escriben como 100° y 0°. Esta
unidad de medida se lee grado Celsius y se denota por °C.
El
grado Celsius, es la unidad creada por Anders Celsius para su escala de
temperatura. Se tomó para el Kelvin y es la unidad de temperatura más utilizada
internacionalmente.
ESCALA
KELVIN
En
este caso, la escala fue establecida por la escala kelvin, donde el valor de 0°
corresponde al cero absoluto, temperatura en la cual las moléculas y átomos de
un sistema tienen la mínima energía térmica posible. Ningún sistema
macroscópico puede tener una temperatura inferior. En escala Celsius esta
temperatura corresponde a -273 °C.
Esta unidad de medida se lee Kelvin y
se denota por [K]. Esta unidad se llama también Escala Absoluta y es también la
unidad adoptada por el Sistema Internacional de Unidades.
ESCALA
FAHRENHEIT
En
esta escala también se utilizaron puntos fijos para construirla, pero en este
caso fueron los puntos de solidificación y de ebullición del cloruro amónico en
agua. Estos puntos se marcaron con los valores de 0 y 100 respectivamente. La
unidad de esta escala se llama grado Fahrenheit y se denota por °F. Dado que en
escala Celsius, los valores de 0 °C y 100 °C corresponden a
32 °F y 212 °F respectivamente, la fórmula de conversión de grados
Celsius a Fahrenheit es:
Tf = 9/5 Tc + 32 c·
4.3 Capacidad Calorífica
Como regla general, y salvo algunas excepciones puntuales, la
temperatura de un cuerpo aumenta cuando se le aporta energía en forma de calor. El cociente entre la energía calorífica Q de un
cuerpo y el incremento de temperatura T obtenido recibe el nombre de capacidad calorífica del cuerpo, que se expresa
como:
La capacidad calorífica es un valor característico de los cuerpos, y esta relación con otra magnitud fundamental de la calorimetria, el calor especifico.
4.4 Leyes De La Termodinámica
-Primera Ley de la termodinámica
También
conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica «en
realidad el primer principio dice más que una ley de conservación», establece
que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con
otro, la energía interna del sistema cambiará. Visto de otra forma, esta ley
permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el
sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue
propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, en su obra Reflexiones sobre
la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar
esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios de la
termodinámica. Esta obra fue incomprendida por los científicos de su época, y
más tarde fue utilizada por Rudolf Loreto Clausius y Lord Kelvin para formular,
de una manera matemática, las bases de la termodinámica.
La
ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:
Eentrada – Esale = Esistema
Que
aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos
termodinámico, queda de la forma:
U
= Q-W
Donde U es la energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor
aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.
-Segunda Ley de la termodinámica
Esta ley arrebata la dirección en la que deben llevarse
a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que
ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta
dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen).
También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir
completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma,
la segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que
hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el Primer
Principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una
magnitud física llamada entropía , de tal manera que, para un sistema aislado
(que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la
entropía siempre debe ser mayor que cero.
Debido
a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es
unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor
temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico
.
-Tercera Ley de la termodinámica
La
Tercera de las leyes de la termodinámica, propuesta por Walther Nernst, afirma
que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un
número finito de procesos físicos. Puede formularse también como que a medida
que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor
constante específico. La entropía de los sólidos cristalinos puros puede
considerarse cero bajo temperaturas iguales al cero absoluto. No es una noción
exigida por la Termodinámica clásica, así que es probablemente inapropiado
tratarlo de “ley”.
Es
importante recordar que los principios o leyes de la Termodinámica son sólo
generalizaciones estadísticas, válidas siempre para los sistemas macroscópicos,
pero inaplicables a nivel cuántico. El demonio de Maxwell ejemplifica cómo
puede concebirse un sistema cuántico que rompa las leyes de la Termodinámica.
Video-Tutorial
- Capacidad Calorifica
EJERCICIOS.
Resolver los siguientes problemas:
1) Determinar
la cantidad de calor que absorbe una masa de hielo de 250 g que está a -15 °C
para pasar a 30 °C.
2) Determinar
la temperatura final que alcanza la mezcla de 30 g de agua a 35 °C con 25 g de
alcohol a 18 °C.
3) Determinar
la cantidad de calor absorbida por una masa de 14 g de aire al pasar de 30 °C a
150 °C.
4) Calcular
la variación de temperatura sufrido por una masa de plomo de 920 g, si ha
absorbido 2450 cal.
5) Un
automóvil de 1500 kg de masa se desplaza a 5 m/s. ¿Cuántas calorías se
transfieren a los frenos al detenerlo?.
6) Un
recipiente de aluminio de 500 g de masa contiene 117,5 g de agua a 20 °C. Se
deja caer dentro del recipiente un bloque de hierro de 200 g de masa a 75 °C.
Calcular la temperatura final del conjunto, suponiendo que no hay intercambio
de calor con el entorno.
Responder el siguiente cuestionario:
1) ¿Qué
tipo de calor específico puede definir para los gases?.
2) Enuncie
el principio de conservación de la energía.
Respuestas:
1) Respuesta:
28500 cal
2) Respuesta:
29,33 °
4) Respuesta:
76,56 °C
5) Respuesta: 4478 cal
6) Respuesta: 24,97 °C
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