TermodinámicaIng. Eduardo Cruz Romero

Termología

•La sensación de calor o de frio esta estrechamente relacionada con nuestra vida cotidiana, sin embargo, el calor es algo mas que eso, en el siglo XVIII los físicos lo consideraban como un fluido invisible sin sabor, olor ni peso; lo llamaban calórico y de el solo se conocían sus efectos.

•Cuando tocamos un cuerpo lo podemos sentir caliente o frio según la temperatura que tenga, así como la capacidad para conducir calor. Nuestro organismo no detecta la temperatura, sino perdidas o ganancias de calor, si sentimos que un cuerpo esta muy frio es porque nuestro organismo le esta transmitiendo mucho calor.

Diferencia entre calor y temperatura

• La temperatura y el calor, están muy ligados, pero no son lo mismo, cuando tocamos un cuerpo lo podemos sentir caliente o frio según la temperatura que tenga, así como de su capacidad para conducir el calor, es por ello que si, coloca sobre una mesa un bloque de madera y una placa de metal, al tocar la placa de metal la siente mas fría porque condice mejor el calor de su cuerpo que la madera, no obstante, los dos tienen la misma temperatura.

• La magnitud física que indica que tan caliente o fría es una sustancia respecto a un cuerpo que se toma como base o patrón es la temperatura.

• Cuando se suministra calor a una sustancia, no solo se eleva su temperatura, sintiéndose mas caliente, también produce alteraciones en varias de sus propiedades físicas, por tanto al variar la temperatura la sustancias se dilatan o se contraen, si resistencia eléctrica cambiar y si se trata de un gas, su presión varia.

Medida de la temperatura

• Para medir la temperatura se utiliza el termómetro, su funcionamiento se basa en el hecho que se presenta cuando se pone en contacto dos cuerpos que están a distintas temperatura, después de cierto tiempo alcanzan la misma temperatura, es decir están en equilibrio térmico.

El fenómeno de la dilatación de los fluidos se utiliza en la construcción de los termómetros, existen diferentes tipos de termómetros y el mas común es el de mercurio.

La escala de un termómetro de mercurio puede ser de 357° C a -39° C.

Cuando se requiere medir temperaturas menores de -39° C hasta de – 130° C se utiliza un termómetro de alcohol.

Para temperaturas aun menores, se usa el termómetro de tolueno o de éteres de petróleo.

Cuando se necesita medir temperaturas altas se emplean los termómetros de resistencia.

Escalas térmicas: Celsius, Kelvin y Fahrenheit• El alemán Gabriel Fahrenheit (1686-1736) soplador

de vidrio y fabricante de instrumentos, construyo en 1714 el primer termómetro, para ello, lo coloco a la temperatura mas baja que pudo obtener, mediante una mezcla de hielo y cloruro de amonio, marco el nivel que alcanzaba el mercurio, después al registrar la temperatura del cuerpo humano volvió a marcar el termómetro y entre ambas señales hizo 96 divisiones iguales. Mas tarde observo que al colocar su termómetro en una mezcla de hielo en fusión y agua, registraba una lectura de 32°F y al colocarlo en agua hirviendo leía 212°F.

• En 1742 el biólogo sueco Andrés Celsius (1701-1744) baso su escala en el punto de fusión del hielo (0° C) y en el punto de ebullición del agua (100°C) a la presión de una atmosfera, ósea, 760 mm de Hg, es decir, dividió su escala en 100 partes iguales cada una de 1°C.

•Años después el ingles William Kelvin (1824 -1907) propuso una nueva escala de temperatura, en la cual el cero corresponde a lo que tal vez sea le mejor temperatura posible llamada cero absoluto, en esta temperatura la energía cinética de las moléculas es cero.

Dilatación de los Cuerpos• Los cambios de temperatura afectan el tamaño de

los cuerpos, pues la mayoría de ellos se dilatan al calentarse y se contraen si se enfrían, los gases se dilatan mucho mas que los líquidos y estos mas que los solidos, en los gases y líquidos las partículas chocan unas con otras en forma continua, pero si se calientan chocaran violentamente rebotando a mayores distancias y provocaran la dilatación, en los solidos las partículas vibran alrededor de posiciones fijas, sin embargo, al calentarse aumentan su movimiento y se alejan de sus centros de vibración dando como resultado la dilatación.

Capacidad Calorífica • A partir de experimentos se han observado que

al suministrar la misma cantidad de calor a dos sustancias diferentes, el aumento de temperatura no es el mismo, por consiguiente, para conocer el aumento de temperatura que tiene una sustancia cuando recibe calor, emplearemos su capacidad calorífica, la cual se define como la relación existente entre la cantidad de calor ∆Q que recibe y su correspondiente elevación de temperatura ∆T.

Como el calor puede estar expresado en calorías, kcal, joule, erg, btu, y la temperatura en °C, K o °F; las unidades de la capacidad calorífica pueden ser en: cal/°C, kcal/°C, J/°C, J/K, erg/°C, btu/°F.

• En la determinación de la capacidad de la capacidad calorífica de una sustancia debe especificarse si se hace a presión o a volumen constante y se indicara de la siguiente manera: Cp si es a presión constante, Cv si es volumen constante. La capacidad calorífica de una sustancia tiene mayor valor si se lleva a cabo a presión constante, que si es realizada a volumen constante. Toda vez que al aplicar presión constante a una sustancia, esta sufre un aumento en su volumen, lo que provoca una disminución de su temperatura y consecuentemente se necesitara mas calor para elevarla.

•A volumen constante, todo el calor suministrado a la sustancia pasa a aumentar la energía cinética de las moléculas, por tanto la temperatura, se incrementa con mayor facilidad.

• Es evidente que mientras mas alto sea el valor de la capacidad calorífica de una sustancia, requiere mayor cantidad de calor para elevar su temperatura.

Termodinámica

Termodinámica

• La termodinámica es la rama de la Física que se encarga del estudio de la transformación del calor en trabajo y viceversa, su estudio se inicio en siglo XVIII y sus principios se fundamentan en fenómenos comprobados experimentalmente.

Sistema termodinámico

• Es alguna porción de materia que separamos del resto del universo por medio de un limite o frontera con el propósito de poder estudiarlo.

Paredes diatérmicas y adiabáticas

• La frontera de un sistema puede estar constituida con paredes diatérmicas o con paredes adiabáticas, una pared diatérmica es aquella que permite la interacción térmica del sistema con los alrededores, una pared adiabática no permite que exista interacción térmica del sistema con los alrededores.

Ley Cero de la Termodinámica

• Para comprender esta ley, observemos la siguiente figura:

• Esta ley nos explica que cuando un sistema se pone en contacto con otros, al transcurrir el tiempo, la temperatura será la misma, porque se encontraran en equilibrio térmico, otra forma de expresar La Ley Cero de la Termodinámica es la siguiente: La temperatura es una propiedad que posee cualquier sistema termodinámico y existirá equilibrio térmico entre dos sistemas cualesquiera, si su temperatura es la misma.

Primera Ley de la Termodinámica

• Con el descubrimiento hecho por joule acerca del equivalente mecánico del calor se demostró que la energía mecánica se convierte en energía térmica, cuando por fricción aumenta la energía interna de un cuerpo, y que la energía térmica se puede convertir en energía mecánica si un gas encerrado en un cilindro se expande y mueve un embolo, con esto, ha sido posible establecer claramente la Ley de la Conservación de la Energía.

• Esta ley, aplicada al calor, da como resultado el enunciado de la primera ley de la termodinámica que dice: La variación en la energía interna de un sistema es igual a la energía transferida a los alrededores o por ellos en forma de calor y de trabajo, por lo que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.

Matemáticamente la Primera ley de la Termodinámica se expresa como:

∆U = Q – W

Donde:

∆U = variación de la energía interna del sistema expresada en calorías (cal) o joules (J).

Q = calor que entra o sale del sistema medido en calorías (cal) o joules (J).

W = trabajo efectuado por el sistema o trabajo realizado sobre este expresado en calorías (cal) o joules (J).

• El valor de Q es positivo cuando entra calor al sistema y negativo si sale de el. El valor de W es positivo si el sistema realiza trabajo y negativo si efectúa un trabajo de los alrededores sobre el sistema.

•Así pues si un sistema acepta cierta cantidad de calor Q y realiza un trabajo W sobre los alrededores, el cambio en su energía interna será igual a: Q – W = ∆U.

Segunda ley de la Termodinámica• La energía calorífica no fluye en forma espontanea

de un sistema frio a otro caliente, solo cuando se tienen dos sistemas con diferentes temperaturas se puede utilizar la energía calorífica para producir trabajo, el calor fluye espontáneamente del sistema caliente al frio hasta que se igualan las temperaturas, durante este proceso, parte del calor se transforma en energía mecánica a fin de efectuar un trabajo, pero no todo el calor puede ser convertido en trabajo mecánico.

• La primera ley de la termodinámica, como ya señalamos estudia la transformación de la energía mecánica en calorífica y la del calor en trabajo, sin imponer ninguna restricción en estos cambios, en embargo, la segunda ley de la termodinámica señala restricciones al decir que existe un limite en la cantidad de trabajo, el cual es posible obtener a partir de un sistema caliente.

• Existen dos enunciados que definen la Segunda Ley de la Termodinámica, uno del físico alemán Rudolph J. E. Celsius: El calor no puede por si mismo, sin la intervención de un agente externo, pasar de un cuerpo frio a un cuerpo caliente. Y otro del físico ingles William Thomson Kelvin: es posible construir una maquina térmica que transforme en trabajo todo el calor que se le suministra.

Conclusiones: Primera y Segunda Ley de la

Termodinámica.

• Las leyes de la termodinámica son verdades universales establecidas después de haber realizados numerosos experimentos tanto cualitativos como cuantitativos. La primera ley conocida como la ley de la conservación de la energía, afirma que la energía existente en el universo es una cantidad constante. Esta ley se confirma cuando Albert Einstein nos demuestra la relación entre materia y energía.

• La segunda ley tiene aplicaciones importantes en el diseño de maquinas térmicas empleadas en la transformación de calor en trabajo, también es útil para interpretar el origen del universo, pues explica los cambios energéticos que han tenido y tendrá en un futuro, predice que dentro de billones de años se producirá la llamada muerte térmica del universo, la cual ocurrirá cuando toda la energía del universo a la de las moléculas en movimiento y toda la materia tenga la misma temperatura, al no existir diferencias de temperatura, tampoco se producirá intercambio de calor entre los cuerpos y los seres vivos se extinguirán.

Entropía y Tercera Ley de la Termodinámica

• La entropía es una magnitud física utilizada por la termodinámica para medir el grado de desorden de la materia, en un sistema determinado, la entropía o estado de desorden dependerá de su energía calorífica y de como se encuentran distribuidas sus moléculas.

• Como en el estado solido las moléculas están muy próximas unas de otras y se encuentran en una distribución bastante ordenada, su entropía es menor si se compara con la del estado liquido, y en este menor que en el estado gaseoso, cuando un liquido es calentado las moléculas aumentan su movimiento y con ello su desorden, por tanto, al evaporarse se incrementa considerablemente su entropía, en general, la naturaleza tiende a aumentar su entropía, es decir, su desorden molecular.

• Como resultado de sus investigaciones, el físico y químico alemán Walther Nerts estableció otro principio fundamental de la termodinámica llamado tercera ley de la termodinámica, dicho principio se refiere a la entropía de las sustancias cristalinas y puras en el cero absoluto de temperatura (0° K) y se enuncia de la siguiente manera: la entropía de un solido cristalino puro y perfecto puede tomarse como cero a la temperatura del cero absoluto. Por tanto un cristal perfectamente ordenado a 0°K tendrá un valor de entropía igual a cero. Cualquier incremento de la temperatura por encima de 0° K, causa una alteración en el arreglo de moléculas componentes de la red cristalina, aumentando así el valor de la entropía.