El calor se define como la transferencia de energía térmica. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico. Puede ser transferida por diferentes mecanismos: radiación, conducción y la convención.
-Radiación:
La radiación a la transmisión de calor entre dos cuerpos los cuales, en un instante dado, tienen temperaturas distintas, sin que entre ellos exista contacto ni conexión por otro sólido conductor. Es una forma de emisión de ondas electromagnéticas (asociaciones de campos eléctricos y magnéticos que se propagan a la velocidad de la luz) que emana todo cuerpo que esté a mayor temperatura que el cero absoluto. El ejemplo perfecto de este fenómeno es el planeta Tierra. Los rayos solares atraviesan la atmósfera sin calentarla y se transforman en calor en el momento en que entran en contacto con la tierra.
Radiación térmica:
La radiación térmica tiene básicamente tres propiedades:
* Radiación absorbida: La cantidad de radiación que incide en un cuerpo y queda retenida en él, como energía interna, se denomina radiación absorbida. Aquellos cuerpos que absorben toda la energía incidente de la radiación térmica, se denominan cuerpos negros.
* Radiación reflejada: Es la radiación reflejada por un cuerpo gris.
* Radiación transmitida: La fracción de la energía radiante incidente que atraviesa un cuerpo se llama radiación transmitida
-Conducción:
La conducción es el fenómeno consistente en la propagación de calor entre dos cuerpos o partes de un mismo cuerpo a diferente temperatura debido a la agitación térmica de las moléculas, no existiendo un desplazamiento real de estas.
-Convención:
La convención es la transmisión de calor por movimiento real de las moléculas de una sustancia. Este fenómeno sólo podrá producirse en fluidos en los que por movimiento natural (diferencia de densidades) o circulación forzada (con la ayuda de ventiladores, bombas, etc.) puedan las partículas desplazarse transportando el calor sin interrumpir la continuidad física del cuerpo.
-Calor específico: Es la energía necesaria para elevar 1°C la temperatura de un gramo de materia. El calor específico es un parámetro que depende del material y relaciona el calor que se proporciona a una masa determinada de una sustancia con el incremento de temperatura.
-Capacidad calorica: Es la sustancia, es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor.
* Cambios de fase: Existen tres estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Al aplicarse calor ala sustancia esto puede cambiar de un estado a otro. Los posibles cambios de fase son:
Fusión: de estado sólido a líquido.
Solidificación: de estado liquido a sólido.
Evaporación: de estado líquido a gaseoso.
Condensación: de estado gaseoso a líquido.
Sublimación: de estado sólido a gaseoso.
Deposición: de estado gaseoso a sólido.
Ionización: de estado gaseoso a plasma.
Desionización: de estado de plasma a gaseoso.
Es la energía requerida por una cantidad de sustancias para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización).
Se debe tener en cuenta que esta energía en forma de calor se invierte para el cambio de fase y no para aumento de la temperatura.
*Transmisión de calor: Puede ser transmitido en distintas formas:
-Temperatura: Es una magnitud referida a las nociones comunes de calor medicable 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.
-Termómetro: Instrumento de medición de temperatura.
Tipos: Termómetro de mercurio es un tubo de vidrio sellado que contiene mercurio, cuyo volumen cambia con la temperatura de manera uniforme, donde se aprecia en una escala graduada.
-Pirómetro: Termómetros para altas temperaturas, se utilizan en fundiciones.
-Termómetro de láminas bimetálicas: formado por dos láminas de metales de coeficientes de dilatación muy distintos y arrollados dejando el coeficiente más alto en el interior. Se utiliza sobre todo como sensor de temperaturas en el termohigrógafo.
-Termómetro de gas: Pueden ser a presión constante o a volumen constante. este tipo de termómetros son muy exactos y generalmente son utilizados para la calibración de otros termómetros. -Termómetro de resistencia: Consiste en un alambre de algún metal cuya resistencia eléctrica cambia cuando varía la temperatura.
-Termopar: Es un sensor para medir la temperatura. Se compone de dos metales diferentes, unidos en un extremo. Cuando la unión de los dos metales se calienta o enfría, se produce una tensión que es proporcional a la temperatura. Las aleaciones de termopar están comúnmente disponibles como alambres.
Ecuación diferencial de Calor-Temperatura
La medida de la temperatura:
*Pasar de escala Celsius a Kelvin:
K= °C + 273
*Pasar de escala Celsius a Fahrenheit:
°F= °C x 1,8 + 32
*Pasar de escala Kelvin a Celsius:
°C= K - 273
*Pasar de escala Fahrenheit a Celsius:
°C= (°F-32) 1,8.
Ejercicios de calor:
1. En un vaso de cobre, que pesa 1.5 kg, contiene un bloque de hielo de 10 kg a la temperatura de -10 ºC, se inyecta 5 kg de vapor de agua a 100 ºC.
*Determinar el estado de la mezcla.
*Determinar la variación de entropía
Calor específico del cobre 397 J/(kg·K). Calor de fusión del hielo 334 400 J/kg. Calor específico del agua 4180 J/(kg·K). Calor específico del hielo 2090 J/(kg·K).Calor de licuefacción del vapor del agua 2 257 200 J/kg.
Solución:
m = 7 798 505 2 257 200 = 3.45 kg Δ S = ∫ T 1 T 2 d Q T = ∫ T 1 T 2 m · c · d T T = m c ln ( T 2 T 1 ) 10 · 2090 · ln 273 263 + 10 · 334 400 273 + 10 · 4180 · ln 373 273 1.5 · 397 ln 373 263 − 7 798 505 373 = − 20907 J/K
2. Un trozo de hielo de 583 cm3 a 0 ºC se calienta y se convierte en agua a 4 ºC. Calcular
Δ S = 534.611 · 80 273 + ∫ 273 277 534.611 · 1 · d T T = 534.611 ( 1 273 + ln 277 273 ) = 9.73 cal/K
Termodinámica:
La termodinámica es la disciplina que dentro de la ciencia madre, la Física, se ocupa del estudio de las relaciones que se establecen entre el calor y el resto de las formas de energía. Entre otras cuestiones la termodinámica se ocupa de analizar los efectos que producen los cambios de magnitudes tales como: la temperatura, la densidad, la presión, la masa, el volumen, en los sistemas y a un nivel macroscópico.
La base sobre la cual se ciernen todos los estudios de la termodinámica es la circulación de la energía y como ésta es capaz de infundir movimiento.
Vale destacar que justamente esta cuestión fue la que promovió el desarrollo de esta ciencia, ya que su origen se debió a la necesidad de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor.
Entonces, desde este puntapié inicial, la termodinámica, se ha ocupado de describir cómo es que los sistemas responden a los cambios que se producen en su entorno, pudiéndose aplicar a una infinidad de situaciones, tanto de la ciencia como de la ingeniería, como ser: motores, reacciones químicas, transiciones de fase, fenómenos de transporte, agujeros negros, entre otras. Y por tanto sus resultados son realmente apreciados por la química la física y la ingeniería química.
Leyes de la termodinámica:
1. Se conoce popularmente como el principio de conservación de la energía y sostiene que si un sistema intercambia calor con otro, su propia energía interna cambiará. En este caso, el calor será la energía necesaria que deberá intercambiar un sistema para compensar las diferencias entre la energía interna y el trabajo.
2. propone distintas restricciones para las transferencias de energía, que podrían concretarse si se tiene en cuenta la ley primera; el segundo principio habla de la regulación de dirección en la cual se llevan a cabo los procesos termodinámicos, imponiendo la posibilidad de que los mismos se desarrollen en sentido contrario. Esta segunda ley se encuentra apoyada en la entropía (magnitud física que mide parte de la energía que podrá utilizarse para producir trabajo).
3. sostiene que es imposible alcanzar una temperatura que sea igual a cero absoluto a través de un número finito de procesos físicos.
Y los procesos más importantes que tienen lugar en la termodinámica son: isotérmicos (la temperatura no se modifica), isobáricos (la presión no se modifica), isócoros (el volumen no cambia) y adiabáticos (no se produce transferencia de calor).
Ley cero de la termodinámica:
Se dice que dos cuerpos están en equilibrio térmico cuando, al ponerse en contacto, sus variables de estado no cambian. En torno a esta simple idea se establece la ley cero.
"La ley cero de la termodinámica establece que, cuando dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, estos están a su vez en equilibrio térmico entre sí".
Observa que podemos decir que dos cuerpos tienen la misma temperatura cuando están en equilibrio térmico entre sí.
Aunque la ley cero puede parecer evidente, lo cierto es que no es necesariamente lógica. Imagina un triángulo amoroso en el que Juan ama a Lidia y Pedro ama a Lidia, sin embargo Juan y Pedro no se aman entre sí.
Finalmente, quizás te estés preguntando por qué el inusual término ley cero. La razón es que, aunque precede a la primera ley, la necesidad de establecerla como principio de la termodinámica sólo se admitió después de que la primera hubiese tomado su nombre.
Sistemas termodinámicos:
Un sistema termodinámico es cualquier cantidad de materia o radiación lo suficientemente grande como para ser descrito por parámetros macroscópicos, sin ninguna referencia a sus componentes individuales (microscópicos).
Para una descripción completa del sistema también se necesita un descripción del contorno (los límites), y de las interacciones que este permite con el entorno. Los contornos pueden permitir el paso de materia y energía.
Sistema aislado: no intercambia energía ni masa con su entorno.
Sistema cerrado: sólo puede intercambiar energía.
Sistema abierto: puede intercambiar materia y energía.
Sistema móvil / rígido: las paredes permiten (o no) transferir energía en forma de trabajo mecánico.
Sistema diatérmico: transferencia de calor sin trabajo.
Sistema adiabático: no hay transferencia de calor por las paredes.
Sistemas en contacto térmico, permeables, en contacto difusivo, etc.
Parámetros termodinámicos: variables termodinámicas que describen el macroestado del sistema.
Los macroestados se pueden describir en términos de un pequeño número de variables de estado (Ej:macroestado de un gas: masa, presión y volumen lo describen totalmente)
Variables intensivas: independientes de la masa (ej: temperatura)
Variables extensivas: proporcionales a la masa (ej: energía interna)
Cantidades específicas: expresadas por unidad de masa.
Cantidades molares: expresadas por mol. (EJ: Capacidad calorífica específica y molar)
Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando sus variables de estado son constantes a escala macroscópica. No se requiere que los parámetros termodinámicos sean estrictamente independientes del tiempo.
Los parámetros termodinámicos son promedios macroscópicos del movimiento microscópico, por tanto habrá fluctuaciones. El valor relativo de estas fluctuaciones es casi despreciable en sistemas macroscópicos, excepto cerca de las transiciones de fase.
Ecuación de estado: es una relación funcional entre los parámetros de un sistema en equilibrio.
Un estado de un sistema descrito por los parámetros p,V y T tendrá una ecuación de estado f[p,V,T]=0, y por tanto reduce en uno el número de variables independientes.
Esta ecuación describe una superficie, la superficie de equilibrio.
-Radiación:
La radiación a la transmisión de calor entre dos cuerpos los cuales, en un instante dado, tienen temperaturas distintas, sin que entre ellos exista contacto ni conexión por otro sólido conductor. Es una forma de emisión de ondas electromagnéticas (asociaciones de campos eléctricos y magnéticos que se propagan a la velocidad de la luz) que emana todo cuerpo que esté a mayor temperatura que el cero absoluto. El ejemplo perfecto de este fenómeno es el planeta Tierra. Los rayos solares atraviesan la atmósfera sin calentarla y se transforman en calor en el momento en que entran en contacto con la tierra.
Radiación térmica:
La radiación térmica tiene básicamente tres propiedades:
* Radiación absorbida: La cantidad de radiación que incide en un cuerpo y queda retenida en él, como energía interna, se denomina radiación absorbida. Aquellos cuerpos que absorben toda la energía incidente de la radiación térmica, se denominan cuerpos negros.
* Radiación reflejada: Es la radiación reflejada por un cuerpo gris.
* Radiación transmitida: La fracción de la energía radiante incidente que atraviesa un cuerpo se llama radiación transmitida
-Conducción:
La conducción es el fenómeno consistente en la propagación de calor entre dos cuerpos o partes de un mismo cuerpo a diferente temperatura debido a la agitación térmica de las moléculas, no existiendo un desplazamiento real de estas.
-Convención:
La convención es la transmisión de calor por movimiento real de las moléculas de una sustancia. Este fenómeno sólo podrá producirse en fluidos en los que por movimiento natural (diferencia de densidades) o circulación forzada (con la ayuda de ventiladores, bombas, etc.) puedan las partículas desplazarse transportando el calor sin interrumpir la continuidad física del cuerpo.
-Calor específico: Es la energía necesaria para elevar 1°C la temperatura de un gramo de materia. El calor específico es un parámetro que depende del material y relaciona el calor que se proporciona a una masa determinada de una sustancia con el incremento de temperatura.
-Capacidad calorica: Es la sustancia, es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor.
* Cambios de fase: Existen tres estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Al aplicarse calor ala sustancia esto puede cambiar de un estado a otro. Los posibles cambios de fase son:
Fusión: de estado sólido a líquido.
Solidificación: de estado liquido a sólido.
Evaporación: de estado líquido a gaseoso.
Condensación: de estado gaseoso a líquido.
Sublimación: de estado sólido a gaseoso.
Deposición: de estado gaseoso a sólido.
Ionización: de estado gaseoso a plasma.
Desionización: de estado de plasma a gaseoso.
Es la energía requerida por una cantidad de sustancias para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización).
Se debe tener en cuenta que esta energía en forma de calor se invierte para el cambio de fase y no para aumento de la temperatura.
*Transmisión de calor: Puede ser transmitido en distintas formas:
-Temperatura: Es una magnitud referida a las nociones comunes de calor medicable 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.
-Termómetro: Instrumento de medición de temperatura.
Tipos: Termómetro de mercurio es un tubo de vidrio sellado que contiene mercurio, cuyo volumen cambia con la temperatura de manera uniforme, donde se aprecia en una escala graduada.
-Pirómetro: Termómetros para altas temperaturas, se utilizan en fundiciones.
-Termómetro de láminas bimetálicas: formado por dos láminas de metales de coeficientes de dilatación muy distintos y arrollados dejando el coeficiente más alto en el interior. Se utiliza sobre todo como sensor de temperaturas en el termohigrógafo.
-Termómetro de gas: Pueden ser a presión constante o a volumen constante. este tipo de termómetros son muy exactos y generalmente son utilizados para la calibración de otros termómetros. -Termómetro de resistencia: Consiste en un alambre de algún metal cuya resistencia eléctrica cambia cuando varía la temperatura.
-Termopar: Es un sensor para medir la temperatura. Se compone de dos metales diferentes, unidos en un extremo. Cuando la unión de los dos metales se calienta o enfría, se produce una tensión que es proporcional a la temperatura. Las aleaciones de termopar están comúnmente disponibles como alambres.
Ecuación diferencial de Calor-Temperatura
La medida de la temperatura:
*Pasar de escala Celsius a Kelvin:
K= °C + 273
*Pasar de escala Celsius a Fahrenheit:
°F= °C x 1,8 + 32
*Pasar de escala Kelvin a Celsius:
°C= K - 273
*Pasar de escala Fahrenheit a Celsius:
°C= (°F-32) 1,8.
Ejercicios de calor:
1. En un vaso de cobre, que pesa 1.5 kg, contiene un bloque de hielo de 10 kg a la temperatura de -10 ºC, se inyecta 5 kg de vapor de agua a 100 ºC.
*Determinar el estado de la mezcla.
*Determinar la variación de entropía
Calor específico del cobre 397 J/(kg·K). Calor de fusión del hielo 334 400 J/kg. Calor específico del agua 4180 J/(kg·K). Calor específico del hielo 2090 J/(kg·K).Calor de licuefacción del vapor del agua 2 257 200 J/kg.
Solución:
Calor necesario para convertir 10 kg de hielo a -10 ºC en agua a 100 ºC
10·2090·10+10·334 400+10·4180·100=7 733 000
Calor necesario para elevar la temperatura de 1.5 kg de cobre de -10 ºC a 100 ºC
1.5·397·110=65 505
Total: 7 733 000+65 505=7 798 505 J
Masa de agua condensada
El resto 1.54 kg queda como vapor.
Entropía
Variación de entropía cuando el agua cambia de temperatura.
Variación de entropía cuando se convierten 10 kg de hielo a -10 ºC en agua a 100 ºC.
Variación de entropía cuando se eleva la temperatura de 1.5 kg de cobre de -10 ºC a 100 ºC
Total: 26370 J/K
Variación de entropía cuando se condensa una masa de 3.45 kg de vapor de agua
La variación total de entropía es ΔS=26370-20907=5463 J/K
- el incremento de energía interna
- el incremento de entropía que ha experimentado.
Datos: densidad del hielo 0.917 g/cm3, del agua 1 g/cm3, calor de fusión del hielo 80 cal/g. 1 atm=101 293 Pa. 1 cal=4.186 J
Solución:
Masa: m=583·0.917=534.611 g
Volumen inicial: Vi=583 cm3.
Volumen final: Vf=534.611 cm3.
Variación de volumen: ΔV= Vf-Vi=-48.389 cm3.
Calor: Q=534.611·80+534.611·1·4=44 907. 3 cal=187 982 J.
Trabajo: W=101 293·48.389·10-6=-4.90 J.
Variación de energía interna: ΔU=Q-W=187 987 J
Variación de entropía
Termodinámica:
La termodinámica es la disciplina que dentro de la ciencia madre, la Física, se ocupa del estudio de las relaciones que se establecen entre el calor y el resto de las formas de energía. Entre otras cuestiones la termodinámica se ocupa de analizar los efectos que producen los cambios de magnitudes tales como: la temperatura, la densidad, la presión, la masa, el volumen, en los sistemas y a un nivel macroscópico.
La base sobre la cual se ciernen todos los estudios de la termodinámica es la circulación de la energía y como ésta es capaz de infundir movimiento.
Vale destacar que justamente esta cuestión fue la que promovió el desarrollo de esta ciencia, ya que su origen se debió a la necesidad de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor.
Entonces, desde este puntapié inicial, la termodinámica, se ha ocupado de describir cómo es que los sistemas responden a los cambios que se producen en su entorno, pudiéndose aplicar a una infinidad de situaciones, tanto de la ciencia como de la ingeniería, como ser: motores, reacciones químicas, transiciones de fase, fenómenos de transporte, agujeros negros, entre otras. Y por tanto sus resultados son realmente apreciados por la química la física y la ingeniería química.
Leyes de la termodinámica:
1. Se conoce popularmente como el principio de conservación de la energía y sostiene que si un sistema intercambia calor con otro, su propia energía interna cambiará. En este caso, el calor será la energía necesaria que deberá intercambiar un sistema para compensar las diferencias entre la energía interna y el trabajo.
2. propone distintas restricciones para las transferencias de energía, que podrían concretarse si se tiene en cuenta la ley primera; el segundo principio habla de la regulación de dirección en la cual se llevan a cabo los procesos termodinámicos, imponiendo la posibilidad de que los mismos se desarrollen en sentido contrario. Esta segunda ley se encuentra apoyada en la entropía (magnitud física que mide parte de la energía que podrá utilizarse para producir trabajo).
3. sostiene que es imposible alcanzar una temperatura que sea igual a cero absoluto a través de un número finito de procesos físicos.
Y los procesos más importantes que tienen lugar en la termodinámica son: isotérmicos (la temperatura no se modifica), isobáricos (la presión no se modifica), isócoros (el volumen no cambia) y adiabáticos (no se produce transferencia de calor).
Ley cero de la termodinámica:
Se dice que dos cuerpos están en equilibrio térmico cuando, al ponerse en contacto, sus variables de estado no cambian. En torno a esta simple idea se establece la ley cero.
"La ley cero de la termodinámica establece que, cuando dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, estos están a su vez en equilibrio térmico entre sí".
Observa que podemos decir que dos cuerpos tienen la misma temperatura cuando están en equilibrio térmico entre sí.
Aunque la ley cero puede parecer evidente, lo cierto es que no es necesariamente lógica. Imagina un triángulo amoroso en el que Juan ama a Lidia y Pedro ama a Lidia, sin embargo Juan y Pedro no se aman entre sí.
Finalmente, quizás te estés preguntando por qué el inusual término ley cero. La razón es que, aunque precede a la primera ley, la necesidad de establecerla como principio de la termodinámica sólo se admitió después de que la primera hubiese tomado su nombre.
Sistemas termodinámicos:
Un sistema termodinámico es cualquier cantidad de materia o radiación lo suficientemente grande como para ser descrito por parámetros macroscópicos, sin ninguna referencia a sus componentes individuales (microscópicos).
Para una descripción completa del sistema también se necesita un descripción del contorno (los límites), y de las interacciones que este permite con el entorno. Los contornos pueden permitir el paso de materia y energía.
Sistema aislado: no intercambia energía ni masa con su entorno.
Sistema cerrado: sólo puede intercambiar energía.
Sistema abierto: puede intercambiar materia y energía.
Sistema móvil / rígido: las paredes permiten (o no) transferir energía en forma de trabajo mecánico.
Sistema diatérmico: transferencia de calor sin trabajo.
Sistema adiabático: no hay transferencia de calor por las paredes.
Sistemas en contacto térmico, permeables, en contacto difusivo, etc.
Parámetros termodinámicos: variables termodinámicas que describen el macroestado del sistema.
Los macroestados se pueden describir en términos de un pequeño número de variables de estado (Ej:macroestado de un gas: masa, presión y volumen lo describen totalmente)
Variables intensivas: independientes de la masa (ej: temperatura)
Variables extensivas: proporcionales a la masa (ej: energía interna)
Cantidades específicas: expresadas por unidad de masa.
Cantidades molares: expresadas por mol. (EJ: Capacidad calorífica específica y molar)
Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando sus variables de estado son constantes a escala macroscópica. No se requiere que los parámetros termodinámicos sean estrictamente independientes del tiempo.
Los parámetros termodinámicos son promedios macroscópicos del movimiento microscópico, por tanto habrá fluctuaciones. El valor relativo de estas fluctuaciones es casi despreciable en sistemas macroscópicos, excepto cerca de las transiciones de fase.
Ecuación de estado: es una relación funcional entre los parámetros de un sistema en equilibrio.
Un estado de un sistema descrito por los parámetros p,V y T tendrá una ecuación de estado f[p,V,T]=0, y por tanto reduce en uno el número de variables independientes.
Esta ecuación describe una superficie, la superficie de equilibrio.
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