Calor Y La Primera Ley De La Termodinamica

CALOR Y LA PRIMERA LEY DE LA

TERMODINAMICA.

La termodinámica es la rama de la física que estudia los procesos donde hay transferencia de energía en forma de calor y de trabajo. Cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto térmico entre sí, la temperatura del cuerpo más cálido disminuye y la del más frío aumenta. Si permanecen en contacto térmico durante cierto tiempo, finalmente alcanzan una temperatura común de equilibrio, de valor comprendido entre las temperaturas iniciales. En este proceso se produjo una transferencia de calor del cuerpo más cálido al más frío. La pregunta que surge es ¿cuáles son las características de esa trans¬ferencia de calor? En el próximo capítulo intentaremos dar una respuesta a esa pregunta, ya que en este debemos aprender a conocer la capacidad de absorber o liberar calor de los cuerpos, las diferentes formas de calor, el trabajo termo¬dinámico, la energía interna de los cuerpos y como se relacionan entre sí esas variables a través de la primera ley de la termodinámica.

13.1 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 13.1.

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 (figura 13.1).

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

Sistema abierto: sistema que puede tener variación de masa, como por ejem¬plo 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.

Cap. 13. Calor y la Primera Ley de la Termodinámica

Figura 13.1. Esquema donde se representa un sistema termodinámico rodeado por su am-

biente.

13.2 CALOR.

Se debe distinguir desde un principio claramente entre los conceptos de calor y energía interna de un objeto. El calor, (símbolo Q), se define como la ener¬gía cinética total de todos los átomos o moléculas de una sustancia. El con¬cepto de calor, se usa para describir la energía que se transfiere de un lugar a otro, es decir flujo de calor es una transferencia de energía que se produce únicamente como consecuencia de las diferencias de temperatura. La ener¬gía interna, estudiaremos más en detalle en la sección 13.6, es la energía que tiene una sustancia debido a su temperatura. La energía interna de un gas es esencialmente su energía cinética en escala microscópica: mientras mayor sea la temperatura del gas, mayor será su energía interna. Pero también puede haber transferencia de energía entre dos sistemas, aún cuando no haya flujo de calor. Por ejemplo, cuando un objeto resbala sobre una superficie hasta dete¬nerse por efecto de la fricción, su energía cinética se transforma en energía interna que se reparte entre la superficie y el objeto (y aumentan su temperatu¬ra) debido al trabajo mecánico realizado, que le agrega energía al sistema. Es¬tos cambios de energía interna se miden por los cambios de temperatura.

Cuando la ciencia termodinámica era bebe, digamos a principios del 1800, y no se comprendía bien el concepto de calor, los científicos definieron el calor en términos de los cambios en la temperatura que el calor produce en los cuer¬pos. Por lo que se definió una unidad de medida del calor, llamada caloría, símbolo cal, como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius desde 14.5° C a 15.5° C. La unidad de calor en el sistema ingles se llama Unidad térmica británica, (Btu), defini¬da como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una

Cap. 13. Calor y la Primera Ley de la Termodinámica

libra de agua en un grado Celsius de 63º F a 64º F. Se elige ese rango de temperatura, porque la cantidad de calor requerida depende levemente de la temperatura; se requiere más calor para elevar la temperatura del agua fría que la del agua a punto de hervir.

Cuando se describió el concepto de energía en el capítulo 5, se afirmo que en cualquier sistema mecánico siempre esta presente la fricción, por lo que siem¬pre se pierde energía mecánica y aparentemente no se conserva. Los experi¬mentos demuestran claramente que por efecto de la fricción, la energía no desaparece, sino que se transforma en energía térmica. James Joule (inglés, 1818-1889) fue el primero en establecer la equivalencia entre estas dos formas de energía. Joule encontró que la energía mecánica que se transforma en calor, es proporcional al aumento de temperatura. La constante de proporcionalidad, llamada calor específico, es igual a 4.186 J/(g ºC). Se demuestra que una calo¬ría, que se conoce como el equivalente mecánico del calor, es exactamente igual a 4.186 J, sin importar quien produce el aumento de temperatura:

1 cal = 4.186 J

Como en la actualidad se reconoce al calor como una forma de energía, la unidad de medida de calor en el SI es el Joule, J. Algunas de las conversiones más comunes entres las unidades de calor y energía son las siguientes:

1 cal = 4.186 J = 3.97x10-3 Btu 1 J = 0.239 cal = 9.48x10-4 Btu 1 Btu = 1055 J = 252 cal

En nutrición se llama Caloría, Cal con mayúscula, a las calorías alimenticias o dietéticas, usada en la descripción del contenido de energía de los alimentos y equivale a 1000 calorías o 1kilocaloría, es decir 1 Cal = 1kcal = 1000 cal.

Ejemplo 13.1 Una lola se sirve 1000 Cal en alimentos, los que luego quiere perder levantando pesas de 25 kg hasta una altura de 1.8 m. Calcular el núme¬ro de veces que debe levantar las pesas para perder la misma cantidad de ener¬gía que adquirió en alimentos y el tiempo que debe estar haciendo el ejercicio. Suponga que durante el ejercicio no se pierde energía por fricción.

Cap. 13. Calor y la Primera Ley de la Termodinámica

Solución: para perder las 1000 Cal, la lola debe realizar la misma cantidad de trabajo mecánico, es decir W = 1000 Cal. Transformando este valor al SI:

1000cal 4. 1 8 6 J 6

W = 1000 Cal x x = 4. 1 86 x 10 J

1Cal 1cal

Esta es la cantidad de trabajo que debe ser realizado levantando pesas de 25 kg. El trabajo en un solo levantamiento hasta 1.8 m es:

W1 = mgy = (25kg)x(10m/s2)x(1.8m) = 450J

Como el

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