*CALOR Y TERMODINAMIC

A

Definiciones:Sistema: cualquier grupo de átomos, moléculas, partículas u objetos en estudio termodinámico. Por ejemplo el agua dentro de un envase, el cuerpo de un ser vivo o la atmósfera. Un esquema se muestra en la figura

Ambiente: todo lo que no pertenece al sistema, es lo que rodea al sistema, sus alrededores. Por ejemplo el exterior al envase donde está el agua, o el espacio que rodea a la atmósfera (puede ser todo el Universo). Entre el sistema y el ambiente puede haber intercambio de calor y de energía y se puede realizar trabajo

Sistema cerrado: sistema en el cual no entra ni sale masa, pero que puede intercambiar calor y energía con el ambiente.

Sistema abierto: sistema que puede tener variación de masa, como por ejemplo intercambio de gases o líquidos, o de alimentos en los seres vivos.

Sistema cerrado aislado: sistema en el cual no se produce ningún intercambio de calor o energía con el ambiente a través de sus fronteras.

CALOR

Es la transferencia de energía entre la materia como resultado de las diferencias en la temperatura.

T1 T2

T1 > T2

ENERGIA

Unidad del Calor Es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de 1 gramo de agua de 14,5 °C a 15,5 °C a la presión de 1 atmósfera (Presión normal).

1 kgm = 9,8 J

1 J = 107 erg

1 kgm = 9,8.107 erg

1 cal = 4,186 J

1 kcal = 1000 (10³) cal

1 BTU = 252 cal

Sistema de Medida

•Sistema Técnico•Sistema

Internacional (S.I.) •Sistema C.G.S.

Unidad de Medida

•Kilográmetro(Kgm)

•Joule (J)•Ergio (erg)

El trabajo que realizan las paletas se transforma en calor

1 cal = 4,186 joule

Formas de transformación del calor

Conducción Convección Radiación

Es típica en los sólidos.

Es típica de líquidos y gases.

Se presenta en todos los estados

físicos.Es la transferencia

de calor que tiene lugar por transmisión de Energía de unas

partículas a otras, sin

desplazamiento de éstas.

Es la transferencia de calor que tiene lugar mediante el

movimiento de las partículas de

un fluido. El transporte es efectuado por moléculas de

aire.

Es la transferencia de calor

mediante ondas electromagnéticas sin intervención de partículas que

lo transporte.

Efectos del Calor

Cambios progresivos ()

Absorben Q

Cambios regresivos ()

Desprenden Q

Solidificación

Fusión Vaporización

Licuefacción

Sublimación

Sublimación

Fusión Vaporización

Cambio de estado : Sólido a líquido

Cambio de estado : Líquido a gas

El calor absorbido por un cuerpo en la fusión es igual al calor cedido por éste en la solidificación.

El calor absorbido por un cuerpo en la vaporización es igual al calor cedido por éste en la condensación.

Punto de fusión: Temperatura en la que se produce la fusión (en el agua :0 ºC).

Punto de ebullición: Temperatura en la que se produce la ebullición (en el agua:100º C). Mientras se produce el cambio de estado, los puntos

de fusión y ebullición son cte.Calor latente de fusión:

Cantidad de calor por unidad de masa que ha de suministrarse a una sustancia a su temperatura de fusión para convertirla completamente en líquido

Calor latente de vaporización : Cantidad de calor por unidad de masa que ha de suministrarse a una sustancia a su temperatura de ebullición para convertirla completamente en gas.

TemperaturaSe define temperatura como la propiedad común a los cuerpos que se encuentran en equilibrio térmico

Equilibrio térmico

Cuando dos cuerpos a distinta temperatura, se ponen en contacto, al cabo de cierto tiempo se acaban igualando sus temperaturas. Se dice que ha logrado el equilibrio térmico

Sea la temperatura del cuerpo caliente t 1, su masa m 1 y su calor específico c 1

Sea la temperatura del cuerpo frío t 2, su masa m 2 y su calor específico c 2

Sea t m la temperatura final de equilibrio m 1 · c 1 · (t 1 - t m) = m 2 · c 2 · (t m

- t 2)

Establecido por Anders Celsius en 1741

Utiliza dos temperaturas de referencia que se llaman puntos

fijos

Se divide el intervalo en 100 partes ( 1 ºC )

Escala Celsius (ºC)

Escala Fahrenheit (ºF)

• Utilizada en el mundo anglosajón y emplea los mismos puntos fijos que la escala centígrada pero los marca con

los números 32 (fusión) y 212 (ebullición), dividiendo el intervalo en

180 partes (1 ºF)

Escala Kelvin (ºK)Propuesta por Lord Kelvin en 1854. Es la llamada escala de temperaturas absolutas. Sitúa el 0ºK en la temperatura a la que las moléculas de un cuerpo, no poseen

Principios de la Calorimetría

Primer PrincipioLa cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un cuerpo

es proporcional a su masa.

Segundo Principio

La cantidad de calor que se necesita para elevar la temperatura de un cuerpo desde un valor A hasta un valor B es igual a la cantidad de calor que el cuerpo cede cuando su temperatura desciende de B a A

A B

Q1

Q2

Calor y TrabajoCALOR

TRABAJO

¿De qué factores depende la cantidad de calor que puede transferirse a un cuerpo?

, ,T m c

Ecuación fundamental de la calorimetría

D Q = m c D T

Q... cantidad de calorm... masa del cuerpoc... calor específico del cuerpoΔt... variación de temperatura

La primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía interna de un sistema es igual al trabajo realizado por el sistema sobre sus alrededores, con signo negativo, más el calor hacia el sistema:

DU = UB - UA = - WA B + QA B

Esta ley es la ley de la conservación de la energía para la termodinámica.

Para cambios infinitesimales la primera ley es:

dU = -dW + dQ

Si la cantidad Q – W se mide para diferentes trayectorias, se encuentra que esta depende solo de los estados inicial y final.

Consecuencias de la 1a. ley

P

V

Trabajo = calor = área

Para un sistema aislado el cambio en la energía interna es cero.

Puesto que para un sistema aislado Q = W = 0, DU = 0.

En un proceso cíclico el cambio en la energía interna es cero.

En consecuencia el calor Q agregado al sistema es igual al trabajo W realizado.

Q = W, DU = 0

En un proceso cíclico el trabajo neto realizado por ciclo es igual al área encerrada por la trayectoria que representa el proceso sobre un diagrama PV.

Aplicaciones de la primera ley

vacío

Gas a Ti

membrana

Muro aislante

Un trabajo es adiabático si no entra o sale energía térmica del sistemas, es decir, si Q = 0. En tal caso:

DU = - W

Para la expansión libre adiabática

Q = 0 y W = 0, DU = 0

La temperatura de un gas ideal que sufre una expansión libre permanece constante.

Como el volumen del gas cambia, la energía interna debe ser independiente del volumen, por lo tanto

U ideal = U(T)

Tf = Ti membrana

Proceso isobáricoUn proceso a presión constante se denomina isobárico, el trabajo realizado es:

if

V

V

V

VVVPdVPPdVW

f

i

f

i

Para mantener la presión constante deberá haber flujo de calor, y por lo tanto, incremento en la energía interna (temperatura)

El flujo de calor en este caso es:

dQ = Cp dT

El subíndice indica que es capacidad calorífica a presión constante.

V Vf

P

P

Proceso isovolumétricoUn proceso a volumen constante se llama isovolumétrico (o isocórico), en tal proceso el trabajo es cero y entonces: DU = Q

W = 0

Para incrementar la presión deberá haber flujo de calor, y por lo tanto, incremento en la energía interna (temperatura)

El flujo de calor en este caso es:

dQ = CV dT

El subíndice indica que es capacidad calorífica a volumen constante.

P

Pi

VV

Proceso adiabáticoEn un proceso adiabático no hay flujo de calor entre el sistema y sus alrededores.

El trabajo efectuado es igual al negativo del cambio en la energía interna.

Se puede demostrar que la curva que describe esta transformación es

adiabáticas

isotermas

Energía interna La energía interna es toda la energía que pertenece a un sistema mientras está estacionario (es decir, no se traslada ni rota), incluida la energía nuclear, la energía química y la energía de deformación (como un resorte comprimido o estirado), así como energía térmica.

Energía TérmicaLa energía térmica es la parte de la energía interna que cambia cuando cambia la temperatura del sistema.

El término calor se utiliza para dar entender tanto energía térmica como transmisión de energía térmica.

Cuando cambia la temperatura de un sistema y en el proceso cambia la temperatura de un sistema vecino, decimos que ha habido flujo de calor que entra o sale del sistema.

La transferencia de energía térmica es producida por una diferencia de temperatura entre un sistema y sus alrededores, la cual puede o no cambiar la cantidad de energía térmica en el sistema.

El equivalente mecánico del calor

4.1858 J de energía mecánica elevaban la temperatura de 1 g de agua de 14.5ºC a 15.5ºC.

Éste valor se conoce como el equivalente mecánico del calor.

Capacidad Calorífica y calor específico

La capacidad calorífica, C, de una muestra particular de una sustancia se define como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de esa muestra en un grado centígrado.

Q = C DT

El calor específico c de una sustancia es la capacidad calorífica por unidad de masa.

TmQ

mC

c

El calor específico molar de una sustancia es la capacidad calorífica por mol.

Calor latente

Los cambios de sólido a líquido, de líquido a gas y los opuestos, se llaman cambios de fase.

La energía térmica necesaria para cambiar de fase una masa m de una sustancia pura es

Q = mL

Donde L es el calor latente (calor oculto) de la sustancia.

Existen dos tipos de calor latente:

Lf – calor latente de fusión

Lv – calor latente de vaporización

Algunos calores latentes

Sustancia Punto de fusión (°C)

Calor latente de fusión

(J/kg)

Punto de ebullición

Calor Latente de

vaporización

HelioNitrógenoOxígenoAlcohol etílico

AguaAzufrePlomoAluminioPlataOroCobre

-269.65-209.97-218.79

-1140.00119

327.3660

960.801063.00

1083

5.23x105

2.55x104

1.38x104

1.04x105

3.33x105

3.81x104

2.45x104

3.97x105

8.82x104

6.44x104

1.34x105

-268.93-195.81-182.97

78100.00444.6017502450219326601187

2.09x104

2.01x105

2.13x105

8.54x105

2.26x106

3.26x105

8.70x105

1.14x107

2.33x106

1.58x106

5.06x106

Gráfica de la temperatura contra la energía térmica añadida cuando 1 g inicialmente a –30°C se convierte en vapor a 120°C.

Hielo

Hielo + agua

Agua

Agua + vapor

Vapor

62.7 396.7 815.7 3076-30

0

50

100

T(°C)

AB

C

DE

Se calienta el hielo

Se funde el hielo

Se calienta el agua

Se evapora el agua

Se calienta el vapor

120

Parte A. Q1 = miciDT = (1x10–3)(2090)(30) = 62.7 JParte B. Q2 = mLf = (1x10–3)(3.33x105) = 333 J

Parte C. Q3 = mwcwDT = (1x10–3)(4.19x103)(100.0) = 419 J

Parte D. Q4 = mLv = (1x10–3)(2.26x106) = 2.26x103 J

Parte C. Q5 = mscsDT = (1x10–3)(2.01x103)(20.0) = 40.2 J

Total = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 = 3114.9 J

Diagrama p-V

Hipérbolas

T menor

Volumen

V

p

Pre

sión

p = nRT/V

pV = nRT

FIN………..