lunes, 26 de febrero de 2018

TERMODINÁMICA


¿Qué se quiere expresar cuando decimos: hace calor? ¿Es correcto?


La termodinámica proviene de dos disciplinas separadas hasta el  siglo XIX, la termología y la mecánica. La primera se encargaba de los fenómenos exclusivamente térmicos y la segunda trataba el movimiento, la fuerza y el trabajo.


La termodinámica es la parte de la física que estudia las transferencias de calor, la conversión de la energía y la capacidad de los sistemas para producir trabajo. Las leyes de la termodinámica explican los comportamientos globales de los sistemas macroscópicos en situaciones de equilibrio.

Tiene las siguientes características:
  • Se aplica al estudio de sistemas que contienen muchas partículas y no al estudio de moléculas, átomos o partículas subatómicas

  • Estudia el sistema en situaciones de equilibrio, que son aquellas a las que sistema tiende a evolucionar y caracterizadas porque en ellas todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente aplicadas

  • Sus postulados son indemostrables, están basados en las experiencias y no en razonamientos teóricos

Calor y temperatura


 El calor es una forma de energía que se transfiere de unos cuerpos a otros. Este concepto es físicamente de gran importancia y significa que los cuerpos ceden o ganan calor, más no lo poseen, es un concepto análogo al de trabajo.


La temperatura es una medida de la energía cinética media de las moléculas que constituyen un cuerpo. Cuando la temperatura de un cuerpo aumenta, se produce un aumento en la velocidad con la que se mueven sus moléculas.





Las moléculas que conforman un sólido o un fluido están en constante movimiento, debido a ello poseen cierta cantidad de energía. Al total de las energías asociadas a las moléculas que constituyen una sustancia se le llama energía interna. La energía total  interna de una cantidad de sustancia es igual a la suma de la energía cinética y potencial de cada una de las partículas  que la constituyen. Cuando la energía interna de una sustancia aumenta, se produce un aumento de la temperatura.

Medida de la temperatura

Históricamente se han diseñado diversas escalas para medir la temperatura a través de la asignación arbitraria de un punto inicial, uno final y una serie de divisiones o grados entre estos  puntos limite. Las más comunes son:

Escala centígrada o Celsius: Se basa en la asignación de un punto inicial, igual a cero, correspondiente a la temperatura de solidificación del agua y de un valor igual a 100, para la temperatura de ebullición del agua, a 1 atmósfera de presión. El intervalo entre estos dos puntos se divide en cien partes iguales, cada una de las cuales se le denomina grado centígrado o grado Celsius, ºC.

Escala Fahrenheit: En esta escala se fijó el valor de 32ºF como punto de congelación del agua y de 212ºF para el punto de ebullición a una presión de 1 atmósfera. El intervalo entre ambas temperaturas se divide en 180 partes iguales, cada una de las cuales se llama grado Fahrenheit. 

La equivalencia entre las escalas centígrada y Fahrenheit es:   TF = 9/5 TC  + 32

Escala Absoluta o Kelvin: Aquí se fija un valor de 0 a la temperatura más baja posible, es decir, el estado en que todas las moléculas están en reposo absoluto, esta temperatura equivale a -273ºC. Cada unidad  o grado tienen la misma magnitud la unidad en la escala centígrada, por lo que un valor de temperatura dado en grados centígrados (TC), se puede expresar en Kelvin (TK) mediante la relación:

TK = TC + 273

El instrumento con el cual se mide la temperatura es el termómetro, cuyo funcionamiento se basa en la dilatación que experimentan los materiales en respuesta a un aumento de temperatura.

 La siguiente gráfica muestra las tres escalas de temperatura



Calor y temperatura:





Escalas:



MEDIDA DEL CALOR.


Durante los siglos XVII y XVIII, los científicos tenían opiniones enfrentadas acerca de la naturaleza del calor, unos pensaban que era un fluido (fluido calórico) que se difundía con enorme rapidez entre los cuerpos y que poseía masa, otros en cambio, a los que el tiempo les dio la razón, creían que el calor se relacionaba con la vibración de las moléculas de los cuerpos.


El científico británico James Prescott Joule demostró que el trabajo mecánico producía calor y encontró que para aumentar en un grado centígrado la temperatura de un gramo de agua, era necesaria una energía de 4,186 julios. La unidad de calor en el S. I. es el julio. 


Una unidad de calor usada muy frecuentemente es la caloría (cal), definida como la cantidad de calor necesaria que se debe transferir a un gramo de agua para que su temperatura aumente en un grado centígrado, concretamente de 14,5ºC a 15,5ºC, esta unidad de medida del calor se utilizaba cuando se desconocía que el calor era energía, y existían por separado la termología y la mecánica, en las publicaciones científicas se usa la unidad de energía, el julio.


La relación entre julios y calorías se conoce como el equivalente mecánico del calor: 1 cal = 4,186 J


Otra unidad de calor es la Unidad Térmica  Británica (B.T.U), que es la cantidad de calor que es necesario suministrar a una libra de agua, para aumentar su temperatura en 1ºF.


Su equivalencia es:
1 B.T.U = 252 calorías = 1,054x103J

  INTERESANTE: Equivalente mecánico del calor:


http://www2.montes.upm.es/dptos/digfa/cfisica/termo1p/joule.html


CALOR ESPECÍFICO


El calor específico, ce, de una sustancia es la cantidad de calor que se debe suministrar a un gramo de sustancia para que su temperatura aumente en un grado centígrado.


Cuanto mayor sea el calor específico de una sustancia, mayor será la cantidad de calor que deberá absorber para aumentar su temperatura, y de la misma forma, mayor será también la cantidad de calor que desprenda cuando disminuya su temperatura.


El calor específico se mide en julios por kilogramo, por cada grado kelvin (J/kg.K) o en calorías por gramo, por cada grado centígrado (cal/g.ºC).


Calor específico de algunas sustancias:
 
Sustancia
Cal/g.ºC
J/kg.K
Agua
1,00
4186
Aire
0,24
1003
Alcohol etílico
0,60
2511
Aluminio
0,22
920
Cobre
0,092
376
Hielo
0,53
2215
Hierro
0,12
502
Mercurio
0,03
126
Vapor de agua
0,48
2020
Plomo
0,031
130

 
 
 
 
 

EL CÁLCULO DEL CALOR


El calor Q, absorbido o desprendido por un cuerpo para que se produzca un aumento o disminución de la temperatura, depende de tres factores: de la masa, m, del cuerpo, del calor específico, ce, y de la diferencia entre la temperatura inicial, Ti, y la final, Tf. estos factores se relacionan mediante la expresión:

Q = m(ce)ΔT


Cuando una sustancia absorbe calor y como consecuencia aumenta su temperatura, la diferencia de temperatura, ΔT, es mayor que cero, por lo que el calor absorbido es positivo; si la sustancia desprende calor, y por ello disminuye su temperatura, la diferencia de temperatura, ΔT, es menor que cero, por tanto, el calor desprendido es negativo.


Con ejemplos:







 

 




 

EQUILIBRIO TÉRMICO


Cuando dos cuerpos de masa m1 y m2, y cuyos calores específicos son respectivamente ce1 y ce2, que se encuentran a temperaturas diferentes, T1 y T2, se ponen en contacto, el calor fluye desde el cuerpo de mayor temperatura hacia aquel de menor temperatura y este flujo de calor se mantiene hasta que las temperaturas de ambos cuerpos se igualan. Cuando se produce esta igualdad en las temperaturas, se dice que se produjo el equilibrio térmico.


Cuando se alcanza el equilibrio térmico, el calor absorbido, Qabs, es igual y de signo contrario al calor desprendido, Qdes y se cumple:

Qabs = Qdes

EJERCICIOS RESUELTOS


1.- ¿Qué cantidad de calor hay que suministrarle a 2 kg de agua a 25ºC, para aumentar su temperatura a 95ºC?

Datos:
m = 2 kg = 2000 g
To = 12ºC
Tf = 95ºC
Ce = 1cal/g ºC
Q = ?

Solución

Sabemos que el calor que se debe suministrar es  Q = m Ce(Tf – To), luego:

Q = 2000g ( 1cal/g ºC) (95ºC 12ºC)

Q = 2000g ( 1cal/g ºC) (83ºC) = 166000 cal = 166 kcal = 166000 (4,186J) = 694876 J

Q = 166 kcal = 694876 J


2.- En un recipiente aislante que contiene 4 kg de agua a 30ºC, so coloca un trozo de plomo de 600 g con una temperatura de 850ºC. ¿Cuál debe ser la temperatura de equilibrio en kelvin, teniendo en cuenta que el recipiente ni cede ni absorbe calor?

Datos:

Para resolver este ejercicio, debemos calcular la cantidad de calor que cede o absorbe cada uno de las masas, llamando a la temperatura de equilibrio de los dos cuerpos, Tm y aplicar el principio de conservación de la energía, calor absorbido = calor cedido

Para el agua:
ma = 4 kg = 4000 g
To = 30ºC
Tm = ?
Ce = 1cal/g ºC
Qa = ?

Como el agua está a menor temperatura que el plomo absorbe calor, luego:

Qa = ma Ce(Tm – To

Qa = 4000 g (1cal/g ºC) (Tm – 30ºC) =  4000 cal/ ºC(Tm – 30ºC)       (1)

Para el plomo, como está a mayor temperatura que el agua, cede calor, el calor cedido es:

Qp = – mp Ce(Tm – To) = mp Ce(To – Tm)

m = 600 g
To = 850ºC
Tm = ?
Ce = 0.031cal/g ºC
Qp = ?

Qp = mp Ce(To – Tm)

Qp = 600 g (0,031cal/g ºC) (850ºC – Tm) = 18,6 cal/ ºC (850ºC – Tm)        (2)

Igualando las ecuaciones (1) y (2), tenemos:

Qa  = Qp

4000 cal/ ºC(Tm – 30ºC) = 18,6 cal/ ºC (850ºC – Tm)  
     
4000 (Tm – 30ºC) = 18,6 (850ºC – Tm)

4000Tm – 120000ºC = 15810ºC – 18,6Tm

4000Tm + 18,6Tm = 15810ºC + 120000ºC

4018,6 Tm = 135810ºC         de donde 

Tm = 135810ºC/4018,6 = 33,79ºC    

La temperatura final es de  33,79ºC = 306,79 K  

MÁS EJERCICIOS RESUELTOS








 

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