Colegio Gimnasio Campestre San Sebastián
SINTESIS DEL GRADO NOVENO
TERMODINAMICA
La termodinámica estudia las transferencias de calor y trabajo asociados. Consta de tres
leyes fundamentales:
Ley 0 (Definición de Temperatura)
Primera ley (Conservación de la energía)
Segunda ley (Crecimiento de la Entropía)
Es posible entender las causas microscópicas de estas tres leyes en el marco de la Mecánica
Estadística.
Temperatura
Por experiencia se sabe que muchas propiedades físicas de los cuerpos cambian si los
calentarnos. Por ejemplo el volumen de una columna de Mercurio aumenta al aplicarle una
llama. Con esta observación podemos construir un termómetro elemental que nos permite
especificar cuando dos objetos tienen dos temperaturas distintas.
Para definir temperatura necesitamos introducir dos conceptos básicos:
Contacto térmico
Equilibrio térmico
Dos sistemas físicos están en contacto térmico cuando es posible el intercambio de calor
entre ellos. El calor es la forma de energía que se intercambia entre los dos sistemas debido
a una diferencia de temperatura entre ellos.
Dos sistemas están en equilibrio térmico cuando, estando en contacto térmico, ya no
intercambian energía en forma de calor. Veremos que esto implica que las temperaturas de
los dos sistemas son iguales.
Ley cero de la termodinámica:
Si A y B están en equilibrio térmico con C, entonces A está en equilibrio térmico con B
note que esto define una relación de equivalencia en el conjunto de Sistemas Físicos. La
propiedad que igual a los sistemas en equilibrio térmico se llama temperatura. Podemos
decir que:
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Si A y B tienen la misma temperatura están en equilibrio térmico.
Si A y B tienen temperaturas diferentes, no están en equilibrio térmico.
Calor específico
Las sustancias tienen distintas capacidades de absorber energía en forma de calor, ya que
frente a la misma cantidad de calor, sus temperaturas varían en formas diferentes. Por
ejemplo, si se entrega igual cantidad de calor a una cuchara de aluminio y a una masa
equivalente de agua, al cabo de un cierto tiempo se podrá observar que la cuchara registra
un mayor aumento de temperatura que el agua. Las sustancias tienen capacidades distintas
de almacenamiento de energía, y esto es muy evidente con los alimentos.
Si se colocan en un horno al mismo tiempo una fuente de papas y una cantidad de masa
equivalente de pollo, se advierte que las papas tardan más tiempo en llegar a la temperatura
en equilibrio. Esto ocurre porque diferentes sustancias requieren distintas cantidades de
calor para alcanzar una misma temperatura. Se dice que estos alimentos tienen distintas
capacidades caloríficas específicas o calores específicos.
Calorimetría
Se denomina calorimetría a la medición y el cálculo de las cantidades de calor que
intercambia un sistema. Intuitivamente se sabe que cuanto mayor sea la cantidad de calor
suministrada, el cuerpo alcanzara una mayor variación de la temperatura. Es posible
verificar experimentalmente que entre el calor y la temperatura existe una relación de
proporcionalidad directa. La constante de proporcionalidad depende tanto de la sustancia
que constituye el cuerpo como de su masa, y resulta el producto del calor específico por la
masa del cuerpo. Por lo tanto la ecuación que permite calcular intercambios de calor es:
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DILATACIÓN
Al aumentar la temperatura de una sustancia, sea un sólido, liquido o un gas, aumenta
también el movimiento de las moléculas que la forman, generando cierta separación entre
si. Esto provoca que dicha sustancia, por lo general, presente un aumento en su volumen
en relación con su volumen original, es decir, que se dilate. En el caso contrario, es decir,
en una disminución de temperatura, las moléculas se acercan y se reduce el tamaño de la
sustancia, fenómeno denominado contracción.
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La dilatación se evidencia en algunas grietas que aparecen en las carreteras por efecto de
la absorción de calor por parte del asfalto en épocas de verano, o en la ascensión del
mercurio por el tubo del termómetro cuando aumenta la temperatura..
Dilatación lineal
La variación de la longitud ΔL, de una varilla es directamente proporcional al cambio de
temperatura ΔT. Estas relaciones de proporcionalidad se expresan como:
ΔL = α L ΔT o
Dilatación superficial
Si el sólido tiene forma de lámina, la dilatación afecta sus dos dimensiones y se produce
dilatación superficial (figura 10). En este caso, la variación del área de la lámina es
proporcional al área inicial A0 y al cambio de temperatura ΔT, por tanto:
ΔA = β A ΔT o
Dilatación volumétrica
La variación del volumen DV, es directamente proporcional al cambio de la temperatura y
también es directamente proporcional al volumen inicial del cuerpo, V0. Esto se expresa
como: ΔV = ρ V ΔT o