Introducción a la Termodinámica
En esta unidad analizaremos una nueva forma de energía: el
CALOR. Daremos un enunciado más amplio del principio de conservación de la
energía o Primer Principio de la Termodinámica.
Enunciaremos el segundo principio de la Termodinámica y se
introducirán nuevas magnitudes relacionadas con los intercambios de energía.
Actividad
Analiza y
responde:
1)Observa las siguientes imágenes, en donde las distintas
esferas son calentadas hasta alcanzar los 100ºC. ¿Por qué las esferas de hierro
y cobre pueden perforar la parafina?
2) Analiza la siguiente situación, ¿por qué en la primera
situación el hielo se funde más que en la segunda si el agua está en los dos
casos a 90 ºC?
3-¿Por qué la llama de un fósforo no alcanza a fundir un
trozo de hielo? Justifica
Sistemas. Variables de estado:
En esta parte de la Física se estudian sistemas, entendiendo
por tales a una porción del espacio o de materia que se aísla, mediante límites
ideales o materiales, con el objeto de estudiar sus propiedades y
comportamiento.
Una vez elegido un sistema es necesario definir magnitudes
que permitan analizarlo, ya sea en relación a sí mismo o en relación con el
ambiente. Esta adopción de magnitudes se hace en función de criterios que
pueden ser macroscópicos o microscópicos.
El criterio macroscópico utiliza variables que pueden ser
percibidas por los sentidos, y que en general, se pueden medir directamente:
presión, volumen, temperatura, etc. Estas variables no implican hipótesis
especiales sobre la estructura de la materia.
El criterio microscópico, por el contrario, debe postular
algunas hipótesis sobre la estructura de la materia y el comportamiento de la
interacción entre las partes componente. Por ejemplo, un sistema formado por un
gas encerrado en un recipiente: el enfoque microscópico indica que está formado
por una gran cantidad de pequeñas partículas, las moléculas, que tienen la
misma masa y se mueven rápidamente chocando entre sí y con las paredes del
recipiente, es imposible medir estos choques individualmente, por lo que para
determinar la presión del gas, que es el efecto macroscópicos de estos choques,
se debe recurrir a procedimientos estadísticos.
En los sistemas termodinámicos las variables termodinámicas
permitirán definir una nueva forma de energía, llamada Energía Interna del
sistema.
Entre las variables termodinámicas hay algunas que permiten
definir el estado del sistema: volumen, presión, temperatura, densidad, etc.
Son llamadas variables de estado. Cuando estas variables no se
modifican a través del tiempo, el sistema está en equilibrio.
Temperatura.
Entre las magnitudes termodinámicas citadas se encuentra la
temperatura, de la cual todos tenemos una idea intuitiva. El concepto de temperatura juega un papel
importante en las ciencias físicas y biológicas, ello se debe a que la
temperatura de un objeto está directamente relacionada con la energía cinética
promedio de los átomos y las moléculas que componen dicho objeto. Nuestra
percepción de lo frío y lo caliente es en realidad una medida de la rapidez con
que se efectúan cambios de energía entre diversos objetos.
El tacto nos permite una idea estimativa de la temperatura de
un cuerpo dentro de un cierto rango, pero para fines científicos se debe
expresar con mayor exactitud y en rangos muchos más amplios.
Se puede definir la Temperatura
como la propiedad de un sistema que determina si el mismo está en equilibrio
térmico o no con otros sistemas.
Equilibrio Térmico.
Cuando se ponen en contacto dos cuerpos de distintas
temperaturas ocurre un flujo de calor del más caliente al más frío hasta que se
equilibran las temperaturas, se dice entonces que los cuerpos están en
equilibrio térmico.
Principio cero de la termodinámica.
Establece que dos
sistemas en equilibrio térmico con un tercero están en equilibrio térmico entre
sí.
Calor.
Se define como la transferencia de energía térmica debida a
una deferencia de temperatura. La energía térmica representa la energía interna
total de un objeto: la suma de sus energías moleculares cinética y potencial.
Escalas termométricas.
Como la temperatura es una magnitud de la cual no se puede
aislar una porción para utilizar como patrón (como ocurre con la longitud o la
masa de un objeto) se debe recurrir a alguna propiedad de los cuerpos que varíe
con ella. Esta propiedad recibe el nombre de propiedad termométrica. Por
ejemplo: la longitud de una varilla, de una columna líquida, el volumen de un
gas encerrado en un recipiente a presión constante, la resistencia eléctrica de
un conductor.
Para medir la
temperatura se usan los termómetros que indican la de los cuerpos en equilibrio
térmico con él.
Para calibrar un termómetro se toma en general dos
temperaturas de referencia y se divide el intervalo entre ambas en un cierto
número de partes iguales.
Así pues, podemos tomar los puntos de congelación y de
ebullición del agua a la presión atmosférica normal como temperaturas de
referencia y dividir el intervalo en 100 partes iguales. Tendríamos entonces la
escala Celcius de temperatura. Esta escala es de uso corriente
en la mayor parte del mundo y se usa mucho en el trabajo científico. La escala Fahrenheit (ºF)
utilizada en los Estados Unidos y en otros países , los puntos fijos inferior y
superior corresponden a una mezcla de agua, hielo y sal. Por lo que el 0 ºC le
corresponde a los 32ºF y los 100ºC le corresponden a los 212ºF. Cien divisiones
de la escala centígrada equivale a 180 divisiones de la escala Fahrenheit
(212ºF – 32ºF).
La escala Kelvin o escala
absoluta, simbolizado como K. Es la unidad de Temperatura de la escala científica creada
por William Thomson, más conocido por Lord Kelvin, en el año 1848. Esta no es una escala arbitraria, su cero se sitúa en el
punto de temperatura mínima posible, allí donde los Átomos y las Moléculas estarían en reposo. Este punto
se corresponde aproximadamente con - 273 ºC, es decir, el intervalo de un grado de
la escala Kelvin es el mismo que el de la escala centígrada, de modo que para
pasar una temperatura en grados centígrados a la escala absoluta basta con
sumar 273. El 0ºC le corresponde 273 k y 100ºC le corresponde 373k.
Actividad:
1. Tres
termómetros marcan respectivamente: 1) 86K, 2) 220 ºC, 3) 224 ºF.¿En cuál es
mayor la temperatura?
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 está relacionado con otra magnitud
fundamental de la calorimetría, el calor específico.
Caloría
Siendo más rigurosos, para elevar
la temperatura de 1 g de agua desde 14,5 ºC a 15,5 ºC ( 1ºC) es necesario
aportar una cantidad de calor igual a una caloría. Se especifica desde 14,5 ºC a 15,5 ºC porque
no es la misma cantidad de calor la necesaria para calentar 1 gramo de agua, en
1 ºC, en otros puntos de la escala. Así, de 0 ºC a 1 ºC se requieren 1,008
calorías y de 40 ºC a 41 ºC se requieren
0,997 calorías. A los fines prácticos, sin embargo, se puede suponer que los
valores son de 1 caloría para una ΔT = 1 ºC en cualquier parte de la escala.
Por tanto, la capacidad calorífica ( C) de 1 g de agua es igual a 1 cal/Kelvin.
Calor específico
El valor de la capacidad
calorífica por unidad de masa se conoce como calor específico. En términos
matemáticos, esta relación se expresa como: Ce = Q / m ΔT
(Donde Ce es el calor específico del cuerpo, m su masa, Q el calor aportado y ΔT el incremento de temperatura)
El calor específico es
característico para cada sustancia y, en el Sistema Internacional, se mide en Julios
por kilogramo y kelvin J/(kg·K) también en J / kg ºC. A modo de ejemplo, el
calor específico del agua es igual a:
Ce del agua = 4186 J/ kg ºC = 1 cal / g ºC
Del estudio del calor específico
del agua se obtuvo, históricamente, el valor del equivalente mecánico del
calor, ya que: 1 Cal = 4,184 J, es decir 1 J =
0,24 Cal
Experimento de Joule
En el experimento de Joule se
determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación entre la
unidad de energía joule (julio) y la unidad de calor en caloría.
Mediante esta experiencia
simulada, se pretende poner de manifiesto la gran cantidad de energía que es
necesario transformar en calor para elevar apreciablemente la temperatura de un
volumen pequeño de agua.
Un recipiente aislado
térmicamente contiene una cierta cantidad de agua, con un termómetro para medir
su temperatura, un eje con unas paletas que se ponen en movimiento por la
acción de una pesa, tal como se muestra en la figura.
La versión original del
experimento, consta de dos pesas iguales que cuelgan simétricamente del eje.
La pesa, que se mueve con
velocidad prácticamente constante, pierde energía potencial. Como consecuencia,
el agua agitada por las paletas se calienta debido a la fricción.
Si el bloque de masa M desciende
una altura h, la energía potencial disminuye en mgh, y
ésta es la energía que se utiliza para calentar el agua (se desprecian otras
pérdidas).
Joule encontró que la disminución
de energía potencial es proporcional al incremento de temperatura del agua. La
constante de proporcionalidad (el calor específico de agua) es igual a 4,184
J/(g ºC). Por tanto, 4,184 J de energía mecánica aumentan la temperatura de 1g
de agua en 1º C. Se define la caloría como 4,184 J sin referencia a la
sustancia que se está calentando.
|
1 cal=4,184 J
|
En la simulación de la
experiencia de Joule, se desprecia el equivalente en agua del calorímetro, del
termómetro, del eje y de las paletas, la pérdida de energía por las paredes
aislantes del recipiente del calorímetro y otras pérdidas debidas al rozamiento
en las poleas, etc.
- Sea M la masa del bloque que
cuelga y h su desplazamiento vertical
- m la masa de agua del calorímetro
- T0 la temperatura inicial
del agua y T la temperatura final
- g=9.8 m/s2 la aceleración de
la gravedad
La conversión de energía mecánica
íntegramente en calor se expresa mediante la siguiente ecuación.
Mgh = m Ce (T-T0)
Se despeja el calor específico
del agua que estará expresado en J/(kg K).
Ce = m g h/ m ( T –T0)
Como el calor especifico del agua
es por definición Ce =1 cal/(g ºC), obtenemos la equivalencia entre
las unidades de calor y de trabajo o energía.
Actividad
1-¿Qué altura tendría que tener una cascada para que
el agua aumentase 1°C su temperatura(suponiendo que toda su energía potencial
se transformase en calor que va a calentar al líquido).
Calorimetría
La determinación del calor
específico de los cuerpos constituye uno de los fines primordiales de la
calorimetría.
El procedimiento más habitual
para medir calores específicos consiste en sumergir un cuerpo a una temperatura
T1 conocida, en un baño
de agua de temperatura T2
también conocida. Suponiendo que el
sistema está aislado, habrá una transferencia de calor desde la sustancia más
caliente a la más fría, cuando se alcance el equilibrio térmico a una temperatura
T3, se cumplirá que el
calor cedido por el cuerpo que estaba más caliente será igual al absorbido por
el agua y el calorímetro.
Los datos serán:
T1: temperatura
inicial del cuerpo.
T2: temperatura
inicial del agua y del recipiente (calorímetro)
T3: temperatura de
equilibrio (final) del conjunto.
mc: masa del
calorímetro
Cec: calor específico
del material del calorímetro.
mH2o : Masa de agua en
el calorímetro.
Ce H2o: calor
específico del agua
mcuerpo: masa del
cuerpo.
Cex: calor específico del
material a determinar
En el equilibrio será: T1 > T3 > T2
El calor perdido por el cuerpo: Q
(perdido) = m cuerpo Ce x (T1 - T3)
Mientras que el calor ganado por
el agua y el calorímetro:
Q (ganado) = mH2o CeH2o
(T3 – T2)+ m calorímetro Ce c (T3 – T2)
Igualando ambas ecuaciones y
despejando el calor específico de la sustancia desconocida:
Cex = mH2o
CeH2o (T3 – T2)+ mc Cec
(T3 – T2) / mc (T1 - T3)
Actividad
Práctica
para la clase:
1-
a)Expresa la diferencia entre calor, temperatura y energía interna.
2. ¿Qué
cantidad de calor hay que darle a 500 g de agua para que pase de 17 a 70 ºC. Ce
agua 1cal/g ºC
3.
Transfieriendo 5000 cal a cierto cuerpo de 500 g de masa su temperatura aumenta
18 ºC. Determina su calor específico.
4-Mezclamos 800 g de un líquido A de 0,80 cal/g ºC de calor específico y
temperatura inicial de 72ºC con 600 g de agua a 57ºC. ¿Cuánto vale la
temperatura de equilibrio?
5- Mezclamos 584 g de una sustancia de calor específico 0,54 cal/g ºC, a la temperatura de 77ºC, con 451 g de otra sustancia, de calor específico 0,36 cal/g ºC y 55ºC de temperatura. Determina la temperatura de equilibrio de la mezcla.
5- Mezclamos 584 g de una sustancia de calor específico 0,54 cal/g ºC, a la temperatura de 77ºC, con 451 g de otra sustancia, de calor específico 0,36 cal/g ºC y 55ºC de temperatura. Determina la temperatura de equilibrio de la mezcla.
6.- Un
trineo de 200 kg de masa desciende, partiendo del reposo, por una pendiente de
hielo de 80 m de desnivel. Al alcanzar el llano, su velocidad es de 11,11 m/s.
Calcular la energía convertida en calor.
Calor Latente (L)
Se define
como calor latente a la cantidad de calor entregado o absorbido por unidad de
masa para que se produzca un cambio de estado o de fase. En ese proceso la
temperatura se mantiene estable.
En
símbolos L = Q / m L: calor latente; Q: calor; m: masa
Unidades
L = Cal/ g ; L = J / kg
La
temperatura estable a la cual se produce el cambio de estado de sólido a
líquido se llama punto de fusión, que para el agua es 0ºC = 273 K = 32 ºF. Y
aquella en la cual la sustancia pasa de líquido a vapor es el punto de
ebullición, que para el agua es 100ºC = 373 K = 212 ºF, a presión atmosférica
normal.
Si el
proceso se realiza a la inversa, es decir: se inicia con vapor de agua a una
temperatura mayor que 100ºC y se le quita calor, cuando llega a los 100 ºC se
condensa manteniendo la temperatura constante hasta que todo el vapor se haya
licuado. Esa temperatura será ahora el punto de condensación. Al seguir
quitando calor, el agua en estado líquido inicialmente a 100 ºC, se enfría
hasta llegar a 0 ºC, temperatura que es el punto de solidificación y se
mantendrá mientras se quite calor hasta que toda el agua se transforme en
hielo.
Las
temperaturas mencionadas dependen de la presión existente durante los cambios
de estado. Si la presión atmosférica es menor que la normal, como sucede en
lugares a gran altura, montaña, el punto de fusión-solidificación aumenta y el
de ebullición- condensación disminuye, en este caso el agua hierve a menos de
100ºC.
Se tienen
así:
Ø Calor
latente de fusión (Lf) es la cantidad de calor para que un gramo de
sólido pase a un gramo de líquido.
Ø Calor
latente de vaporización (Lv) es la cantidad de calor para que un gramo de
líquido pase a un gramo de vapor.
Ø Calor
latente de condensación (Lc) es la cantidad de calor para que un gramo de vapor
pase a un gramo de líquido.
Ø Calor
latente de solidificación (Ls) es la cantidad de calor para que un gramo de
líquido pase a un gramo de sólido.
Para el
agua, a presión atmosférica normal, estos calores latentes son:
Lf = Ls = 80 cal/
g Lv = Lc
= 540 cal/ g
Simulador
Aquí se observa un gráfico de la temperatura en
función del tiempo en segundos: la temperatura crece en forma proporcional al
tiempo, o sea proporcional al calor entregado Q, hasta llegar a 0ºC. A Partir
de ese momento, el hielo comienza a fundirse y la temperatura se mantiene en
0ºC. Cuando todo el hielo se ha fundido, la temperatura comienza de nuevo a
ascender, proporcionalmente al tiempo, hasta llegar a los 100 ºC. aquí
nuevamente la temperatura se mantiene constante hasta que se evapora toda el
agua. Si se recoge el vapor y se sigue calentando, la variación de temperatura
será, otra vez, proporcional al tiempo transcurrido.
Actividad:
Visualiza
el proceso de aumento de temperatura en función del tiempo y anota para cada
tramo las ecuaciones de calor (Q) y calor latente (L), prestando especial
atención a las variaciones de temperaturas, ΔT ( Tf –Ti)
Resuelve:
1-Calcula la cantidad total de
calor (Q) que se le debe añadir para transformar un gramo de hielo a -30 ºC en vapor de agua a 120 ºC. Ce hielo
2090 J/kg ºC; Lf = 3,33 x 10 5 J/kg; Ce del agua líquida 4,19 x 10 5
J/kg ºC; Lv = 2,26 x 106 J/kg; Ce vaporización 2,01 x 103
J/kg ºC. Rta : 3,11 x 10 3 J
2- Vinculando energía cinética, trabajo mecánico y
calor latente, resuelve:
Un bloque de hielo de 5 kg
que esta a una temperatura de 0º se lanza por una superficie horizontal a una velocidad de 15 m/s. Al cabo de un cierto
tiempo el bloque se para por efecto de rozamiento.
a) la cantidad de hielo que se funde
b) la velocidad que tendria que llevar para que el hielo se funda todo
a) la cantidad de hielo que se funde
b) la velocidad que tendria que llevar para que el hielo se funda todo
Para recordar las leyes de los gases:
Trabajar con la tercer pestaña:
Leyes Boyle, Charles, Gay- Lusac, gases ideales, ley generalizada.
Pasar a visualizar el siguiente
link:
http://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-tic/14002996/helvia/aula/archivos/repositorio/0/236/html/Leyes%20de%20los%20gases/material/indice.html
Resuelve:
1-En un sistema, el gas contenido
en un cilindro se encuentra a una presión de 8000 Pa y el émbolo tiene un área
de 0,1 m2. Cuando se agrega calor lentamente al gas, éste empuja el
émbolo una distancia de 4 cm. Calcula la variación de volumen y el trabajo
realizado sobre el entorno por el gas en expansión. Rta: 32 J
Procesos a volumen constante
(isócoro- isovolumétrico)- Unicoos, recuperado de:
Resuelve:
1-Una masa de agua de 2 kg se
mantiene a volumen constante en un recipiente mientras se agregan poco a poco
10000 J de calor por medio de una flama. El recipiente no está bien aislado y
en consecuencia se escapan 2000 J de calor al entorno. Calcula: a) la variación
de energía interna, b) el calor neto Q, entregado al agua, c) ¿cuál es el
incremento de temperatura del agua? Rta: 0,96 ºC
2- Un gramo de agua a la presión
atmosférica normal 101300 Pa ocupa un volumen de 1 cm3. Cuando esta agua
hierve, se convierte en 1671 cm3 de vapor de agua. Calcula: a) el
calor necesario para hervir 1 g de agua, b) el trabajo realizado por el
sistema, c) el cambio de energía interna. Lv = 2,26 x 10 6 J/kg.
Rta: ΔI = 2,1 x 10 3 J
Proceso a presión constante
(isobárico)- Unicoos, recuperado de:
Resuelve:
1-Cualquier proceso en el que la
presión permanece constante se conoce como un proceso isobárico. Si a la
situación planteada en el ejercicio anterior se le añaden 42 J de calor al
sistema durante la expansión, ¿Cuál es el cambio de energía interna? Rta: 10 J
Proceso adiabático (no hay
intercambio de calor)-Prof Sergio Llanos- Recuperado de:
Proceso isotérmico, la variación
de temperatura es nula- Prof Sergio Llanos- Recuperado de:
Proceso isotérmico- Unicoos- Recuperado de:
Revisar conceptos: Power point
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