Calor Y Termodinámica

Teoría básica y problemas propuestos de

Calor y Termodinámica

INTRODUCCIÓN

Al analizar situaciones físicas, la atención generalmente se enfoca en alguna porción de la materia que se separa en forma imaginaria del medio ambiente que le rodea. A tal porción se le denomina el sistema. A todo lo que esta fuera del sistema, y que tiene una participación directa en su comportamiento, se le llama medio ambiente o entorno. Después, se determina el comportamiento del sistema, encontrando la forma en que interactúa con su entorno.

Un concepto esencial de la termodinámica es el de sistema macroscópico, que se define como un conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable. El estado de un sistema macroscópico en equilibrio puede describirse mediante propiedades medibles como la temperatura, la presión o el volumen, que se conocen como variables termodinámicas. Ahora bien, en el análisis de sistemas tiene vital importancia la cuantificación del “calor”, el cual se refiere a la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura.

En este material instruccional se introducirá primero la diferencia entre temperatura y calor, para luego presentar las escalas termométricas. En forma sucinta se discutirá el efecto de la temperatura sobre la materia, enfatizando en las dilataciones térmicas: lineal, superficial y cúbica. Un apartado sobre los mecanismos de transferencia de calor se incluirá a fin de introducir las ecuaciones generales que gobiernan la conducción, convección y radiación.

Por otro lado, se estudiará la manera de cuantificar el calor latente, de vaporización, de fusión, de combustión y sensible en los procesos físicos, asimismo, se introducirá el concepto de calor específico. Por último, se explicará la ley cero y la primera ley de la termodinámica y como a partir de ellas se caracterizan los procesos térmicos que involucren gases ideales. Al final, se ofrecerá una recopilación de algunos problemas que han formado parte de las evaluaciones de cohortes precedentes.

OBJETIVO GENERAL

Al término de éste módulo, el estudiante tendrá la habilidad y pericia necesaria para aplicar los conceptos básicos de calor y termodinámica a problemas prácticos que involucren sistemas en donde se transfiera energía térmica.

CONTENIDOS

1. Calor y Temperatura.

2. Escalas termométricas.

3. Dilatación: lineal, superficial y volumétrica.

4. Calor: latente y sensible.

5. Ley cero de la termodinámica.

6. Primera ley de la termodinámica.

7. Mecanismos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación.

8. Procesos con gases ideales: isobárico, isocorico, isotérmico y adiabático.

9. Calor específico: a volumen constante y presión constante.

CONOCIMIENTOS PREVIOS

1. Cálculo integral: aplicaciones de integrales definidas con condiciones iniciales.

2. Ley de conservación de la energía.

3. Operaciones con logaritmos: suma, resta, multiplicación y división.

DESARROLLO TEÓRICO

1.1 ¿Qué es la temperatura y el calor?

El calor en física se refiere a la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo.

La sensación de calor o frío al tocar una sustancia depende de su temperatura, de la capacidad de la sustancia para conducir el calor y de otros factores. Aunque, si se procede con cuidado, es posible comparar las temperaturas relativas de dos sustancias mediante el tacto, es imposible evaluar la magnitud absoluta de las temperaturas a partir de reacciones subjetivas.

Cuando se aporta calor a una sustancia, no sólo se eleva su temperatura, con lo que proporciona una mayor sensación de calor, sino que se producen alteraciones en varias propiedades físicas que pueden medirse con precisión. Al variar la temperatura, las sustancias se dilatan o se contraen, su resistencia eléctrica cambia, y (en el caso de un gas) su presión varía. La variación de alguna de estas propiedades suele servir como base para una escala numérica precisa de temperaturas.

A manera de conclusión: la temperatura es una propiedad física de la materia que mide el grado de calor que un cuerpo posee.

1.2 Escalas para medir la temperatura

Una de las primeras escalas de temperatura, todavía empleada en los países anglosajones, fue diseñada por el físico alemán Gabriel Daniel Fahrenheit. Según esta escala, a la presión atmosférica normal, el punto de solidificación del agua (y de fusión del hielo) es de 32 ° F, y su punto de ebullición es de 212 ° F. La escala centígrada o Celsius, ideada por el astrónomo sueco Anders Celsius y utilizada en casi todo el mundo, asigna un valor de 0 ° C al punto de congelación del agua y de 100 ° C a su punto de fusión. En ciencia, la escala más empleada es la escala absoluta o Kelvin, inventada por el matemático y físico británico William Thomson, Lord Kelvin. En esta escala, el cero absoluto, que está situado en – 273,15 ° C, corresponde a 0 K, y una diferencia de un kelvin equivale a una diferencia de un grado en la escala centígrada.

La existencia de diferentes escalas termométricas hace necesario conocer las relaciones entre ellas:

(1)

Donde:

º C: grados centígrados

º F: grados Fahrenheit

º R: grados Rankine

Para transformar grados centígrados a grados Fahrenheit se usa la siguiente expresión:

(2)

Para transformar grados Fahrenheit a grados centígrados se usa la siguiente expresión:

(3)

Para transformar grados centígrados a grados Kelvin se usa la siguiente expresión:

(4)

Para transformar grados Fahrenheit a grados Rankine se usa la siguiente expresión:

(5)

Para realizar conversiones que involucren incrementos de temperatura, se emplea:

1,8 º F = 1 º C (6)

1,8 R = 1 K (7)

1 º F = 1 R (8)

1 º C = 1 K (9)

1.3 Efecto de la temperatura sobre la materia.

La temperatura desempeña un papel importante para determinar

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