Calor y energía térmica

Una de las maneras de incrementar la temperatura de un cuerpo es colocarlo en contacto con otro cuerpo  más CALIENTE. La  energía térmica (CALOR) del  cuerpo más caliente disminuye y la del cuerpo más frío aumenta, presentándose una  transferencia de CALOR como resultado de  la diferencia de TEMPERATURA.

Como conclusión podemos decir que el CALOR es la energía transferida de un cuerpo a otro debido a la diferencia de TEMPERATURA.  Para representar el calor usaremos el símbolo Q.

El calor Q fluye espontáneamente de un cuerpo más caliente a uno  más frío. 

Calor específico

El calor específico  de una sustancia determinada se define como el incremento de su ENERGÍA TÉRMICA cuando un kilogramo de la sustancia aumenta su temperatura en un grado KELVIN. El calor específico se representa por el símbolo C y se mide en:

                                 Joule

                  C      =      -----------------------

                    Kg  x  °K

Calor específico del agua       Calor específico II

Veamos algunos videos donde se puede observar el calor específico del agua.

Video uno

Video dos

Video tres

Vídeo cuatro: Razones por la q no se debe mezclar  agua con aceite  caliente. 

El calor específico (C)  se emplea para determinar la cantidad de calor (Q) que debe transferirse para cambiar en cierta cantidad la temperatura de una masa dada.  A continuación veremos el calor específico de algunas sustancias:

El CALOR ganado o perdido por un cuerpo cuando cambia su TEMPERATURA, depende  de su masa, del cambio de la temperatura y del calor específico  del cuerpo, es decir:

Ejemplo

Un bloque de plomo de 0,800 Kg de masa se calienta desde los 210 °K hasta 300°K. Halle el Q que absorvio el PLOMO.

Experimento de energía térmica      Experimento de energía calórica  Calor específico, ejercicio

Cambios de estado

En la física y en la química se denominará cambio de estado  a la evolución que tiene un cuerpo o la materia entre varios   estados de agregación, sin que ocurra un cambio en su composición. Los tres estados más estudiados y comunes en la tierra son el  estado sólido,  el estado  líquido y el estado  geseoso; ahora  el estado de agregación más común en el universo es el plasma, este es el material del que están compuestas las estrellas. El estado de un cuerpo depende principalmente de la TEMPERATURA a la que se encuentre el cuerpo. Los cambios de estado se conocen con los nombres de: Fusión, ebullición, vaporización, solidificación, licuefacción y sublimación.

            La materia y sus estados   Cambios de estado     Estados de la materia  

            Propiedades de los estados de la materia        Propiedades de la materia      La materia

            La materia II

Fusión

          Es el cambio de estado que se presenta  cuando  un cuerpo pasa del estado SOLIDO al estado LÍQUIDO.  Esto ocurre debido al aumento de la temperatura, donde las partículas del cuerpo adquieren mucha libertad de movimiento, sus velocidades son muy altas, por lo tanto  se pierde la fuerza electromagnética que las mantenía unidas entre sí. Por ejemplo un cubo de hielo que se derrite. El calor Q necesario para derretir un cuerpo de  masa m está dado por la ecuación:


           Q  =   mHf    Donde         Q     Es el calor

                                                                    m      Es la masa

                                                                    Hf     Calor de  fusión

         

          En la siguiente tabla encontraremos valores del CALOR de FUSIÓN y de VAPORIZACIÓN de algunas sustancias:

Fusión y vaporización

 EJEMPLO

         Sí a un bloque de hielo  se le suministra CALOR por 1200 J.   ¿Qué cantidad de hielo se debe derretir?

           Fusión         Animación     Cambios de estado  Cambios de estado, animaciones

          El calor de fusión es la energía necesaria para derretir un Kg de una sustancia cualquiera. Durante el cambio de estado, el cuerpo absorbe según su masa una determinada cantidad de CALOR.

Vaporización

           Es el cambio de estado que se presenta cuando  un cuerpo pasa del estado LÍQUIDO al estado GASEOSO.  El calor Q necesario para evaporar una  masa m de un líquido está dado por la ecuación:

Q  =  mHv     Donde       Q     Es el calor

                                                         m    Es la masa del líquido

                                                         Hv  Calor de vaporización

Ejemplo

¿Qué cantidad de CALOR debe absorber un cubo de hielo de 250 Kg  a 0 °C  para que se derrita y la temperatura final del agua sea de 30 °C?

Vaporización del agua     Evaporización del alcohol

     El calor de vaporización es la energía necesaria para evaporar un Kg de una sustancia cualquiera.

Ebullición 

     Se llama punto de ebullición, a la  temperatura a la que la presión de vapor de un líquido se iguala a la presión atmosférica existente sobre dicho líquido. A temperaturas inferiores al punto de ebullición (p.e.), la evaporación tiene lugar únicamente en la superficie del líquido. Durante la ebullición se forma vapor en el interior del líquido, que sale a la superficie en forma de burbujas, con el característico hervor tumultuoso de la ebullición. Cuando el líquido es una sustancia simple o una mezcla azeotrópica, continúa hirviendo mientras se le aporte calor, sin aumentar la temperatura; lo que quiere decir que la ebullición se produce a una temperatura y presión constantes con independencia de la cantidad de calor aplicada al líquido.

 Física entretenida     ¿A que temperatura hierve el agua?

            El incremento de energía produce un cambio de estado, pero no de temperatura.

Solidificación

         La solidificación es el proceso inverso a la fusión. Es el cambio de estado que se da  cuando  un cuerpo pasa del estado LÍQUIDO al estado SÓLIDO. Se presenta porque el cuerpo pierde calor, enfriándose rápidamente. Dos ejemplos de la solidificación se pueden observar con la lava de un volcán y cuando el agua se congela.

Congelamiento de agua al instante   Congelamiento de agua hirviendo

Licuefacción o condensación 

     Es el cambio de estado que se presenta  cuando  se  pasa del estado GASEOSO al estado LÍQUIDO. Tanto la condensación como la licuefacción son cambios de estado que se producen de gas a líquido.

En la licuefacción solo algunos gases se pueden licuar (pasar al estado líquido) siempre que posean un punto crítico de licuación, para ello se debe disminuir la temperatura o aumentar la presión o bien ambos procesos simultáneos.

         La condensación es el pasaje de gas a líquido pero por acción de una corriente de aire frió o una superficie fría, cuando el gas choca con una superficie fría se condensa no se licúa, por ejemplo, las gotas que se observan en los vidrios son por la condensación. Los gases licuables son generalmente almacenados en un recipiente como gas líquido, por ejemplo, el gas licuado contenido en un encendedor.

Condensación del agua   El poder de la condensación 

Sublimación

Es el cambio de estado que se presenta cuando se pasa en forma directa del estado SÓLIDO al estado GASEOSO y viceversa.  En este cambio directo no se presenta el estado líquido.

              Como conclusión de los cambios de estado, tenemos:

Sublimación del YODO        ¿Qué es la sublimación?

Sublimación inversa del Yodo    Cambios progresivos y regresivos

Estados de agregación  Cinco estados de la materia      Ejemplos

Leyes de la termodinámica: Principio cero

Leyes de la termodinámica

Principio cero  

El llamado principio cero de la termodinámica  proporciona una definición precisa de la temperatura. Este principio fue explicado por  Joseph Black, en 1770.

Cuando dos sistemas están en equilibrio mutuo, comparten una determinada propiedad. Esta propiedad se puede medir, y se le puede asignar un valor numérico definido. Una consecuencia de ese hecho es el principio cero de la termodinámica, que afirma que: ¨Si dos sistemas distintos están en equilibrio termodinámico con un tercero, también tienen que estar en equilibrio entre sí.¨  Esta propiedad compartida en el equilibrio es la temperatura.

Si uno de estos sistemas se pone en CONTACTO  con un entorno infinito que se encuentra a una TEMPERATURA determinada, el SISTEMA acabará alcanzando el equilibrio termodinámico con su entorno, es decir, llegará a tener la misma TEMPERATURA que este.

Principio cero       Principio cero en la vida diaria   Principio cero

Como conclusión del principio cero de la termodinámica, podemos decir:

• El equilibrio térmico implica la misma temperatura, no el mismo calor.
• Si dos cuerpos están en equilibrio térmico y uno de ellos alcanza el equilibrio con un       tercero, el primero también alcanza el equilibrio térmico con el tercero.
• Los cuerpos que están en contacto, directamente o a través del aire, alcanzan la  misma            temperatura.
• La Ley cero de la termodinámica justifica el concepto de temperatura.
• La Ley cero de la termodinámica justifica el empleo del termómetro.

Equilibrio térmico       Equilibrio térmico II

Recordemos que la temperatura es una medida de la cantidad de energía cinética que tienen las partículas de un sistema. No es una forma de energía. Si hablamos de  sistemas, estos pueden ser:

abierto, cerrado y aislado. 

Cuando dos sistemas se encuentran en equilibrio térmico puede haber transferencia de energía, pero el cambio neto de la energía es igual a cero y la temperatura no cambia.

Leyes de la termodinámica

Primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica fue establecida por el físico Alemán Julius Von Mayer, esta ley o primer principio de la termodinámica,  afirma que:   El CALOR y el TRABAJO son interconvertibles, es decir que tienen conversión mutua. La  primera ley  es una ley de conservación de la energía, afirma que:     ¨ La cantidad de energía transferida a un sistema en forma de CALOR más la cantidad de energía transferida en forma de TRABAJO sobre el mismo  sistema, debe ser igual al aumento de la energía interna del sistema.¨  El calor y el trabajo son mecanismos por los que los sistemas intercambian energía entre sí.

Ejemplo de la primera ley de la termodinámica   Primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica establece que la ENERGÍA no se crea, ni se destruye, sino que se conserva. Entonces se puede decir que cuando un SISTEMA es sometido a un ciclo termodinámico, el CALOR cedido por el sistema será igual al TRABAJO recibido por el mismo y viceversa.  En otras palabras  se   cumple     que   Q = W, donde Q es el calor suministrado por el sistema y W el trabajo realizado por el medio ambiente al sistema durante el ciclo.

Explicación 1ra ley de la termodinámica  Ejemplo de la 1ra ley termodinámica

Máquina de vapor, primera ley de la termodinámica

En el siglo XIX,  Joule ideó un experimento para demostrar que el calor no era más que una forma de energía, y que se podía obtener a partir de la energía mecánica. Dicho experimento se conoce como experimento de Joule para determinar el equivalente mecánico del calor.

Experimento de Joule     Demostración de Joule  Equivalente mecánico del calor

Máquina de vapor

La gráfica anterior  nos muestra una de las aplicaciones de la primera ley de la termodinámica (conservación de la energía). Se puede observar la transformación de  la energía en forma de calor, este calienta el agua hasta convertirla en vapor, luego este hace que se mueva un pistón dentro del cilindro que a su vez mueve una biela dándole un movimiento a la rueda, a su vez la rueda le da movimiento al generador produciendo electricidad.

Experimentalmente se demostró que el CALOR, que originalmente se medía en unidades llamadas calorías, y el TRABAJO o energía, medidos en Joule, son completamente equivalentes.

Una caloría equivale a 4,186 joule.   La energía térmica de un sistema puede aumentarse añadiendo CALOR o realizando TRABAJO sobre el sistema.

Segunda ley de la termodinámica

           En el siglo XIX el Francés  Sadi Carnot estudió la capacidad de las máquinas para convertir CALOR en ENERGÍA MECÁNICA. Los resultados de Sadi Carnot se describen mejor en términos de una sustancia llamada  ENTROPÍA.  La entropía al igual que la energía térmica se encuentra  contenida en los CUERPOS. La entropía,  se puede considerar como una medida de lo próximo o no que se halla un sistema al equilibrio; también se puede considerar como una medida del desorden  del sistema. Podemos decir entonces que es la tendencia que tiene el universo a alcanzar el EQUILIBRIO térmico, el DESORDEN y el CAOS, y si se alcanza, el sistema deja de funcionar, se pude decir que MUERE.

¿Qué es la entropía?     ¿ ENTROPÍA?    Entropía y ejemplos de la naturaleza  Entropía y universo

     Una máquina térmica solo puede funcionar si trabaja entre dos sistemas o fuentes a diferente TEMPERATURA. El calor siempre se transmite del sistema más caliente al más frio. Cuando los dos cuerpos llegan a la misma  TEMPERATURA, se acaba la transferencia de CALOR, llega entonces el equilíbrio térmico y la máquina ya no funciona. Se dice entonces que la ENTROPÍA es máxima y se ha alcanzado el EQUILIBRIO. Cuando la entropía es máxima, ya no se puede  TRANSFORMAR más energía y llega el CAOS y la muerte térmica del universo. En el caso de la TIERRA y los demás planetas, sería con la muerte del SOL al agotarse su energía.

            Podemos entonces decir que:

La segunda ley de la termodinámica afirma que la ENTROPIA de un sistema aislado nunca puede decrecer. Por lo tanto cuando un sistema aislado alcanza una MÁXIMA entropía, ya no puede experimentar cambios. Además:

• Si no se realiza TRABAJO, es imposible transferir CALOR desde una región de temperatura más BAJA a una región de temperatura más ALTA.

Como conclusión podemos decir:

Si se aumenta el CALOR  de un objeto, aumenta también su entropía
Si el CALOR disminuye, la entropía del cuerpo es menor.
Si se realiza TRABAJO sin cambio de TEMPERATURA, la entropía no cambia.
La entropía se utiliza como una medida para verificar la NO DISPONIBILIDAD de energía.

Algunos ejemplos gráficos de la entropía:

En definitiva, ENTROPIA es:

       

        Una de las consecuencias de la ENTROPIA en el ser humano, es la vejez.

           De los tres estados de la materia que se observan en la naturaleza, ¿En donde hay mayor entropía? ¿Porqué lo crees?

Vídeo uno

Vídeo dos

Vídeo tres

La máquina del universo   Ejemplo de entropía   Entropía, ¿Qué es?  Entropía