INFORMACIÓN AUXILIAR , UNIDAD TRES.
TERMOLOGIA
La termología (termo = calor, logia = estudio) es la parte de
la física que estudia el calor y sus efectos sobre la materia. Ella es el
resultado de una acumulación de descubrimientos que el hombre ha hecho desde la
antigüedad, atingiendo su clímax en el siglo XIX gracias a científicos como
Joule, Carnot, Kelvin y muchos otros.
Temperatura y Calor:
Temperatura: Las partículas constituyentes de los cuerpos
están en continuo movimiento. Entendemos como temperatura la grandeza que mide
el estado de agitación de las partículas de un cuerpo, caracterizando su estado
térmico.
Calor: Es una forma de energía en tránsito de un cuerpo de
mayor temperatura para otro de menor temperatura.
Se
estableció como unidad de cantidad de calor la caloría (cal).
Se dice
caloría (cal) a la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de
un gramo de agua de 14,5ºC a 15,5ºC, bajo presión normal.
En el
Sistema Internacional de unidades, la unidad de calor es el Joule (J). La
relación entre caloría y Joule es: 1 cal = 4,186 J. Podemos utilizar también un
múltiplo de caloría llamado kilocaloría.
1Kcal
= 1000 cal
Equilibrio
térmico: Dos cuerpos, con temperaturas
iniciales distintas, puestos en contacto, después de cierto tiempo llegan a la
misma temperatura. Ese estado final llamase equilibrio térmico.
P.S.:
Dos cuerpos que están en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio
térmico entre sí.
TEMPERATURA
La temperatura es una magnitud referida a
las nociones comunes de calor medible mediante un termómetro. En
física, se define como una magnitud escalar relacionada con
la energía interna de un sistema termodinámico, definida por
el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está
relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como
«energía cinética», que es la energía asociada a los movimientos de las
partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma
de vibraciones. A medida que sea mayor la energía cinética de un sistema,
se observa que éste se encuentra más «caliente»; es decir, que su temperatura
es mayor.
En el caso de un sólido, los movimientos en cuestión resultan
ser las vibraciones de las partículas en sus sitios dentro del
sólido. En el caso de un gas ideal monoatómico se trata de los
movimientos traslacionales de sus partículas (para los gases multiatómicos los
movimientos rotacional y vibracional deben tomarse en cuenta también).
El desarrollo de técnicas para la medición de la temperatura
ha pasado por un largo proceso histórico, ya que es necesario darle un valor
numérico a una idea intuitiva como es lo frío o lo caliente.
Multitud de propiedades fisicoquímicas de los
materiales o las sustancias varían en función de la temperatura a la que se
encuentren, como por ejemplo su estado (sólido, líquido, gaseoso, plasma), su volumen, la solubilidad, la presión
de vapor, su color o la conductividad
eléctrica. Así mismo es
uno de los factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar las
reacciones químicas.
La
temperatura se mide con termómetros,
los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan
lugar a unidades de medición de la temperatura. En el Sistema Internacional de Unidades, la
unidad de temperatura es kelvin (K),
y la escala correspondiente es la escala
Kelvin o escala absoluta, que asocia el valor «cero kelvin» (0 K) al «cero
absoluto», y se gradúa con un tamaño de grado igual al del grado Celsius. Sin embargo, fuera del
ámbito científico el uso de otras escalas de temperatura es común. La escala
más extendida es la escala Celsius,
llamada «centígrada»; y, en mucha menor medida, y prácticamente solo en los Estados Unidos, la escala Fahrenheit. También se usa a veces la
escala Rankine(°R) que establece
su punto de referencia en el mismo punto de la escala Kelvin, el cero absoluto, pero con un tamaño de
grado igual al de la Fahrenheit, y es usada únicamente en Estados Unidos, y solo en algunos
campos de la ingeniería. Sin
embargo, debería utilizarse el Julio
puesto que la temperatura no es más que una medida de la energía cinética media
de un sistema, de esta manera podríamos prescindir de la constante de Boltzmann.
ESCALAS TERMOMETRICAS
La termometría se encarga de la medición de la temperatura de
cuerpos o sistemas. Para este fin, se utiliza el termómetro, que es un
instrumento que se basa en el cambio de alguna propiedad de la materia debido
al efecto del calor; así se tiene el termómetro de mercurio y de alcohol, que
se basan en la dilatación, los termopares que deben su funcionamiento al cambio
de la conductividad eléctrica, los ópticos que detectan la variación de la
intensidad del rayo emitido cuando se refleja en un cuerpo caliente.
Existen varias escalas termométricas para medir temperaturas,
relativas y absolutas.
A partir de la sensación fisiológica, es posible hacerse una
idea aproximada de la temperatura a la que se encuentra un objeto. Pero esa
apreciación directa está limitada por diferentes factores; así el intervalo de
temperaturas a lo largo del cual esto es posible es pequeño; además, para una
misma temperatura la sensación correspondiente puede variar según se haya
estado previamente en contacto con otros cuerpos más calientes o más fríos y,
por si fuera poco, no es posible expresar con precisión en forma de cantidad
los resultados de este tipo de apreciaciones subjetivas. Por ello para medir
temperaturas se recurre a los termómetros.
En todo cuerpo material la variación de la temperatura va
acompañada de la correspondiente variación de otras propiedades medibles, de
modo que a cada valor de aquella le corresponde un solo valor de ésta. Tal es
el caso de la longitud de una varilla metálica, de la resistencia eléctrica de
un metal, de la presión de un gas, del volumen de un líquido, etc. Estas
magnitudes cuya variación está ligada a la de la temperatura se denominan
propiedades termométricas, porque pueden ser empleadas en la construcción de
termómetros.
CALOR
Calor es la forma de energía que se transfiere entre dos
sistemas (o un sistema y sus alrededores) debido a una diferencia de temperatura.
El calor es energía en tránsito que se reconoce solo cuando se cruza la
frontera de un sistema termodinámico. Una vez dentro del sistema, o en los
alrededores, si la transferencia es de dentro hacia afuera, el calor
transferido se vuelve parte de la energía interna del sistema o de los
alrededores, según su caso. El término calor, por tanto, se debe de entender
como transferencia de calor y solo ocurre cuando hay diferencia de temperatura
y en el sentido de mayor a menor. De ello se deduce que no hay transferencia de
calor entre dos sistemas que se encuentran a la misma temperatura (están en
equilibrio térmico).
CANTIDAD DE CALOR
Cuando una sustancia se está fundiendo o evaporándose está
absorbiendo cierta cantidad de calor llamada calor latente de
fusión o calor latente de evaporación, según el caso. El calor
latente, cualquiera que sea, se mantiene oculto, pero existe aunque no se
manifieste un incremento en la temperatura, ya que mientras dure la
fundición o la evaporación de la sustancia no se registrará variación de la
misma.
Para entender estos conceptos se debe conocer muy bien la
diferencia entre calor y temperatura.
En tanto el calor sensible es aquel que
suministrado a una sustancia eleva su temperatura.
La experiencia ha demostrado que la cantidad de
calor tomada (o cedida) por un cuerpo es directamente proporcional a su
masa y al aumento (o disminución) de temperatura que experimenta.
La expresión matemática de esta relación es la ecuación
calorimétrica:
Q = m·Ce·(Tf-Ti)
En palabras más simples, la cantidad de
calor recibida o cedida por un cuerpo se calcula mediante esta fórmula, en
la cual m es la masa, Ce es el calor
específico, Ti es la temperatura inicial y Tf la
temperatura final. Por lo tanto Tf – Ti = ΔT (variación
de temperatura).
TERMODINAMICA
La termodinámica (del griego θερμo,
termo, que significa «calor» y δύναμις, dínamis, que significa
«fuerza») es la rama de la física que describe los estados
de equilibrio a nivel macroscópico. El Diccionario de
la lengua española de la Real Academia Española, por su parte, define
a la termodinámica como la rama de la física encargada del estudio de la
interacción entre el calor y otras manifestaciones de
la energía. Constituye una teoría fenomenológica, a partir
de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales,
sin modelizar y sigue un método experimental. Los estados de
equilibrio se estudian y definen por medio de magnitudes
extensivas tales como la energía interna, la entropía,
el volumen o la composición molar del sistema, o por
medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como
la temperatura, presión y el potencial químico; otras
magnitudes, tales como la imanación, la fuerza electromotriz y
las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general también
pueden tratarse por medio de la termodinámica.
PROCESOS
TERMODINAMICOS
En física, se
denomina proceso termodinámico a la evolución de
determinadas magnitudes (o propiedades)
propiamente termodinámicas relativas a un determinado sistema
termodinámico. Desde el punto de vista de la termodinámica, estas
transformaciones deben transcurrir desde un estado
de equilibrio inicial a otro final; es decir, que las magnitudes que
sufren una variación al pasar de un estado a otro deben estar perfectamente
definidas en dichos estados inicial y final. De esta forma los procesos
termodinámicos pueden ser interpretados como el resultado de
la interacción de un sistema con otro tras ser eliminada
alguna ligadura entre ellos, de forma que finalmente los sistemas se
encuentren en equilibrio (mecánico, térmico y/o material) entre sí.
TRANSMISION DE CALOR
La transferencia de
calor es el proceso de propagación del calor en distintos medios. La parte
de la física que estudia estos procesos, se llama a su vez: Transferencia
de calor o Transmisión de calor. La transferencia de calor se produce
siempre que existe un gradiente térmico o cuando dos sistemas con diferentes
temperaturas, se ponen en contacto. El proceso persiste hasta alcanzar el
equilibrio térmico, es decir, hasta que se igualan las temperaturas. Cuando
existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo
suficientemente próximas, la transferencia de calor no puede ser detenida, solo
puede hacerse más lenta.
CAMBIOS DE ESTADO
Cuando un cuerpo, por acción del
calor o del frío pasa de un estado a otro, decimos que ha cambiado de estado.
En el caso del agua: cuando hace calor, el hielo se derrite y si calentamos
agua líquida vemos que se evapora. El resto de las sustancias también puede
cambiar de estado si se modifican las condiciones en que se encuentran. Además
de la temperatura, también la presión influye en el estado en que se encuentran
las sustancias.
EQUILIBRIO TERMICO
El equilibrio
térmico es aquel estado en el cual se igualan las temperaturas de dos
cuerpos, las cuales, en sus condiciones iniciales presentaban diferentes
temperaturas, una vez que las temperaturas se equiparan se suspende el flujo de
calor, llegando ambos cuerpos al mencionado equilibrio térmico.
Para poder dar una definición más
precisa del concepto de equilibrio térmico desde un punto de vista
termodinámico es necesario definir algunos conceptos.
Dos sistemas que están en
contacto mecánico directo o separados mediante una superficie que permite
la transferencia de calor lo que se conoce como superficie
diatérmica, se dice que están en contacto térmico.
Consideremos entonces dos
sistemas en contacto térmico, dispuestos de tal forma que no puedan
mezclarse o reaccionar químicamente. Consideremos además que estos sistemas
están colocados en el interior de un recinto donde no es posible que
intercambien calor con el exterior ni existan acciones desde el
exterior capaces de ejercer trabajo sobre ellos. La experiencia indica que
al cabo de un tiempo estos sistemas alcanzan un estado de equilibrio
termodinámico que se denominará estado de equilibrio térmico
recíproco o simplemente de equilibrio térmico. A partir de ese
momento cesaran los cambios que pueden detectarse macroscópicamente y no
obstante que la actividad continúa, de algún modo el estado macroscópico ha
llegado al equilibrio y se caracteriza porque ambos sistemas tienen la misma
temperatura.
ENERGIA INTERNA
En física, la energía
interna (U) de un sistema intenta ser un reflejo de la energía a
escala macroscópica. Más concretamente, es la suma de:
La energía cinética interna,
es decir, de las sumas de las energías cinéticas de las individualidades que lo
forman respecto al centro de masas del sistema,
La energía potencial
interna, que es la energía potencial asociada a las interacciones entre estas
individualidades.
La energía interna no incluye la
energía cinética traslacional o rotacional del sistema como un todo. Tampoco
incluye la energía potencial que el cuerpo pueda tener por su localización en
un campo gravitacional o electrostático externo.
Si pensamos en constituyentes
atómicos o moleculares, será el resultado de la suma de la energía
cinética de las moléculas o átomos que constituyen el
sistema (de sus energías de traslación, rotación y vibración) y de la energía
potencial intermolecular (debida a las fuerzas intermoleculares) e
intramolecular de la energía de enlace.
En un gas
ideal monoatómico bastará con considerar la energía cinética de
traslación de sus átomos.
En un gas ideal poliatómico,
deberemos considerar además la energía vibracional y rotacional de las mismas.
En un líquido o sólido deberemos
añadir la energía potencial que representa las interacciones moleculares.
Desde el punto de vista de
la termodinámica, en un sistema cerrado (o sea, de paredes
impermeables), la variación total de energía interna es igual a la suma de las
cantidades de energía comunicadas al sistema en forma de calor y de
trabajo
(En
termodinámica se considera el trabajo negativo cuando este entra en el sistema
termodinámico, positivo cuando sale). Aunque el calor transmitido depende del
proceso en cuestión, la variación de energía interna es independiente del
proceso, sólo depende del estado inicial y final, por lo que se dice que es
una función de estado. Del mismo modo
es una diferencial
exacta, a diferencia de
, que depende del
proceso.
MAQUINAS TERMICAS
Una máquina térmica es
un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía,
generalmente a través de un eje, mediante la variación
de energía de un fluido que varía su densidad significativamente
al atravesar la máquina. Se trata de una máquina de fluido en la
que varía el volumen específico del fluido en tal magnitud que los
efectos mecánicos y los efectos térmicos son interdependientes.
Por el contrario, en
una máquina hidráulica, que es otro tipo de máquina de fluido, la
variación de densidad es suficientemente pequeña como para poder desacoplar el
análisis de los efectos mecánicos y el análisis de los efectos térmicos,
llegando a despreciar los efectos térmicos en gran parte de los casos. Tal es
el caso de una bomba hidráulica, a través de la cual pasa líquido.
Alejándose de lo que indica la etimología de la palabra «hidráulica», también
puede considerarse como máquina hidráulica un ventilador, pues, aunque
el aire es un fluido compresible, la variación de volumen
específico no es muy significativa con el propósito de que no se desprenda
la capa límite.
Eint = Q - W
