FISICA II

CALOR Y CANTIDAD DE CALOR

CALOR.- Se llama calor a la propagacion o flujo de la energía entre cuerpos que se ponen en contacto, es decir, el calor es la energía en movimiento.

Todos los cuerpos de la naturaleza tienden a un estado final llamado equilibrio termodinámico con el medio que los rodea o con otros cuerpos en contacto, es decir adquieren la misma temperatura.

Capacidad Calorifica (C).- Se define como la cantidad de calor que se debe suministrar o sustraer a un cuerpo o sustancia para elevar o disminuir su temperatura en un grado centigrado, es decir.

Siendo T0, T las temperaturas inicial y final respectivamente.

La capacidad calorifica es una cantidad física escalar que depende de la composicion y estructura interna del cuerpo o sustancia, lo cual implica que cada cuerpo o sustancia tiene su propia capacidad calorifica.

Calor específico (Ce).- Se define como la cantidad de calor (Q), que se debe suministrar a la masa "m" de un cyuerpo para elevar su temperatura en un grado centigrado.

Cantidad de calor (Q).- Se llama así, a la cantidad de calor que gana o pierde un cuerpo o sustancia al ponerse en contacto con otro cuerpo que se encuentra a diferente temperatura, cuya ecuacion esta dado por:

Siendo Ce. el calor especifico, "m" la masa y T, T0 las temperaturas inicial y final.

Cuando, T >T0, el cuerpo gana calor

La unidad de Q esta dado en calorias.En esta dirección puede ver una tabla de calores espcíficos de algunas sustancias.

PROCESOS TERMODINÁMICOS

Los procesos termodinámicos comprenden el comportamiento y relación que se da entre las temperaturas, presión y el volumen es importante en diversos procesos industriales. 

PROCESO ISOTERMICO:
Se presenta cuando la temperatura del sistema, permanece constante independientemente de los cambio de presión o volumen que sufran.

Este proceso se rige por la ley de Boyle-Mariotte de Robert Boyle (1626-1691), Físico Químico irlandés conocido por sus experimentos acerca de las propiedades de los gases
y Edme Mariotte (1620-1684), Físico Francés que descubrió la ley que relación la presión y el volumen de los gases a temperatura constante.

Si un proceso isotérmico formado por un gas experimenta una expansión isotérmica, para que la temperatura permanezca constante la cantidad de calor recibido debe ser igual al trabajo que realiza durante la expansión. Pero si presenta una compresión isotérmica, para que la temperatura también permanezca constante el gas tiene que liberar una cantidad de calor igual al trabajo desarrollado sobre él.
La temperatura no cambia, su energía interna (Ei), son constantes y su variación de energía interna (ΔEi) es igual a cero, por lo que se cumple que (Ei es constante) (ΔEi = 0 ) Q=Tr.

 PROCESO ISOBARICO:
Es cuando hay una variación del volumen o temperatura y la presión permanece constante, no importando si el gas sufre una compresión o una expansión. Este proceso rige por la Ley de Charles: Jackes A. Charles ( 1742-1822). Químico, físico y aeronauta Frances, que fue el primero en hacer mediciones acerca de los gases que se expanden al aumentar la temperatura.
Las ecuaciones para el proceso isobárico son:

PROCESO ISOCORICO:Se presenta cuando el volumen del sistema permanece constante. Ya que la variación del volumen es cero, no se realiza trabajo sobre el sistema ni de éste último de sobre los alrededores, por lo que se cumple Tr = 0 Y ΔEi = Q, esto indica que todo el calor suministrado aumentara en la misma proporción a la energía interna, en general esto se presenta cuando un gas se calienta dentro de un recipiente con volumen fijo.
Cuando se calientan dos masas iguales de gas, a una presión constante y otra a volumen constante, para que logren el mismo incremento de temperatura se requiere proporcionar mayor calor al sistema a presión constante (Qp>Qv). Ello se debe a que en el proceso isobárico el calor suministrado se usa para aumentar la energía interna y efectuar trabajo, mientras que en el proceso isocórico todo el calor se usa para incrementar exclusivamente la energía interna.

PROCESO ADIABATICO:
Ocurre cuando el sistema no crea ni recibe calor, cumpliéndose que (Q=0) y ΔEi = -Tr , aun cuando el gas puede presentar expansión o comprensión.
En resumen las condiciones que se tienen que cumplir para los procesos son termodinámicos son:

TRANSMISIÓN DE CALOR

El calor se transmite de un lugar a otro de tres maneras diferentes:

• Por conducción entre cuerpo sólidos en contacto
• Por convección en fluidos (líquidos o gases)
• Por radiación a través del medio en que la radiación pueda propagarse

La energía se transmite de la forma que resulta más eficiente.

Características de cada modo de transmisión

CONDUCCIÓN.- La conducción es el transporte de calor a través de una sustancia y tiene lugar cuando se ponen en contacto dos objetos a diferentes temperaturas. El calor fluye desde el objeto que está a mayor temperatura hasta el que la tiene menor. La conducción continúa hasta que los dos objetos alcanzan a la misma temperatura (equilibrio térmico).

Podemos explicarlo si tenemos en cuenta las "colisiones de las moléculas". En la superficie de contacto de los dos objetos las moléculas del objeto que tiene mayor temperatura, que se mueven más deprisa, colisionan con las del objeto que está a menor temperatura, que se mueven más despacio. A medida que colisionan, las moléculas rápidas ceden parte de su energía a las más lentas. Estas a su vez colisionan con otras moléculas contiguas. Este proceso continúa hasta que la energía se extiende a todas las moléculas del objeto que estaba inicialmente a menor temperatura. Finalmente alcanzan todas la misma energía cinética y en consecuencia la misma temperatura.

Algunas sustancias conducen el calor mejor que otras.

Los sólidos son mejores conductores que los líquidos y éstos mejor que los gases.

Los metales son muy buenos conductores del calor, mientras que el aire es un mal conductor.

CONVECCIÓN.- La convección tiene lugar cuando áreas de fluido caliente (de menor densidad) ascienden hacia las regiones de fluido frío. Cuando ocurre esto, el fluido frío (de mayor densidad) desciende y ocupa el lugar del fluido caliente que ascendió. Este ciclo da lugar a una continua circulación (corrientes convectivas) del calor hacia las regiones frías.

En los líquidos y en los gases la convección es la forma más eficiente de transferir calor.

En el verano, en una carretera recalentada, se puede ver como asciende de ella el aire caliente formando una columnas oscilantes. También se ve a veces como asciende el aire desde un radiador (el aire caliente sube y el frío baja).

En este gif animado ves como un mechero calienta el aire, éste asciende en una corriente convectiva y hace girar la espiral de papel. Hemos usado un agitador del calorímetro sujeto por una pinza y en él apoyamos un dedal en el que pegamos la espiral de papel.

El calor calienta el aire y el papel y además de hacer girar la espiral la alarga y llega a tocar la pinza lo que le impide seguir girando.

RADIACIÓN.- Tanto la conducción como la convección requieren la presencia de materia para transferir calor.

La radiación es un método de transferencia de calor que no precisa de contacto entre la fuente de calor y el receptor.

No se produce ningún intercambio de masa y no se necesita ningún medio material para que se transmita.

Por radiación nos llega toda la energía del Sol. Al llegar a la Tierra empieza un complicado ciclo de transformaciones: la captan las plantas y luego la consumimos nosotros, el agua se evapora, el aire se mueve....

La energía radiante del Sol se transmite a través del espacio vacío en forma de radiación que viaja a la velocidad de la luz . Entre las diferentes ondas que la componen hay radiación visible, ultravioleta, infrarroja etc. La ultravioleta es tan energética que puede ionizar la materia, pero la radiación infrarroja interfiere con los electrones de los átomos promocionándolos a un nivel superior y produce la agitación de los átomos y de las moléculas que se traduce en calor.

En los hornos microondas la energía generada para que vibren las moléculas de la sustancia que se calienta la transmiten ondas con una frecuencia inferior a las del infrarrojo.

CAMBIOS DE ESTADO

Una sustancia puede variar de estado dependiendo de la temperatura a la que se encuentre. Cuando hablamos de que el agua está en estado líquido, el oxígeno en estado gaseoso o el granito en estado sólido nos estamos refiriendo a su estado físico a temperatura ambiente.

 Sin embargo, cuando aumenta o disminuye la temperatura una determinada materia puede cambiar de estado físico. El ejemplo más común es el caso del agua, ya que si bajamos la temperatura ésta se congela y pasa a estado sólido (hielo) y cuando subimos la temperatura pasa a estado gaseoso y forma vapor de agua. Por tanto, decimos que se produce un cambio de estado cuando un material pasa de un estado a otro al variar la temperatura, bien porque ésta aumenta o bien porque disminuye.

 Los cambios de estado que pueden producirse por aumento de la temperatura son la Fusión y la Vaporización. Los cambios de estado que pueden producirse por disminución de la temperatura son la Licuefacción y la Solidificación.

Los cambios de estado anteriores son graduales, pero existe un cambio de estado más drástico en el que se pasa directamente de sólido a gas o viceversa. En ambos casos, se denomina Sublimación, siendo más común el caso de la transformación de un gas a un sólido al bajar la temperatura de forma muy acusada.

FUSIÓN.- La fusión es el proceso mediante el cual un material en estado sólido se transforma en líquido al aumentar la temperatura. La temperatura a la cual se produce este cambio de estado se le denomina Punto de Fusión. Cada materia tiene su propio punto de fusión.

VAPORIZACIÓN.- Este proceso consiste en el paso de una sustancia en estado líquido a estado gaseoso al aumentar la temperatura. Este paso se produce generalmente al aplicarle calor y en este caso se denomina EBULLICIÓN. A la temperatura en la que ocurre este cambio de estado se le denomina punto de ebullición. Hay muchas sustancias líquidas que si se dejan a temperatura ambiente se van transformando poco a poco en gas sin que haya un aumento de la temperatura, como le ocurre a las colonias. Este proceso especial de cambio de estado se llama EVAPORACIÓN y sucede sólo en la superficie.

LICUEFACIÓN O CONDENSACIÓN.- En este cambio de estado se produce el paso de un gas a estado líquido, por un proceso inverso a la ebullición. Este cambio sucede también a la misma temperatura. En la naturaleza existe un proceso de condensación muy curioso que sucede cuando la temperatura de la superficie terrestre es muy baja, en el amanecer de los días fríos. En este caso, cuando la temperatura baja, entonces el vapor de agua del aire se condensa y se deposita sobre la superficie de las hojas de las plantas formando gotas de rocío. A la temperatura a la que esto ocurre se le denomina punto de rocío.

 

SOLIDIFICACIÓN.- La solidificación es el proceso por el cual una sustancia que está en estado líquido se transforma en una sustancia sólida al disminuir la temperatura. La temperatura a la cual sucede el proceso es la misma que el proceso inverso o fusión.

SUBLIMACIÓN.- En algunas ocasiones muy especiales, un material sólido puede transformarse directamente en gas o, al contrario, un gas puede solidificarse sin pasar por el estado líquido. A estos procesos tan especiales e inversos entre sí se les denomina con el nombre de Sublimación.

EQUILIBRIO TÉRMICO

Es el estado en el que se igualan las temperaturas de dos cuerpos que inicialmente tenían diferentes temperaturas. Al igualarse las temperaturas se suspende el flujo de calor, y el sistema formados por esos cuerpos llega a su equilibrio térmico.

Por ejemplo, si pone tienes un recipiente con agua caliente, y otro con agua fría, a través de sus paredes se establecerá un flujo de energía calorífica, pasado un tiempo, la temperatura del agua en ambos recipientes se igualará (por obra de las transferencias de calor, en este caso del agua más caliente a la más fría, también por contacto con el aire del medio ambiente y por evaporación), pero el equilibrio térmico lo alcanzarán cuando ambas masas de agua estén a la misma temperatura.

La cantidad de calor (Q) que gana o pierde un cuerpo de masa (m) se encuentra con la fórmula

Donde:

Q es la cantidad de calor (que se gana o se pierde), expresada en calorías.

m es la masa del cuerpo en estudio. Se expresa en gramos

Ce es el calor específico del cuerpo. Su valor se encuentra en tablas conocidas. Se expresa en cal / gr º C

Δt es la variación de temperatura = Tf − T0. Véase Temperatura final (Tf) menos Temperatura inicial (T0), y su fórmula es

ENERGÍA INTERNA

La energía interna se define como la energía asociada con el movimiento aleatorio y desordenado de las moléculas. Está en una escala separada de la energía microscópica ordenada, que se asocia con los objetos en movimiento. Se refiere a la energía microscópica invisible de la escala atómica y molecular. Por ejemplo, un vaso de agua a temperatura ambiente sobre una mesa, no tiene energía aparente, ya sea potencial o cinética. Pero en escala microscópica, es un hervidero de moléculas de alta velocidad que viajan a cientos de metros por segundo. Si el agua se tirase por la habitación, esta energía microscópica no sería cambiada necesariamente por la superposición de un movimiento ordenada a gran escala, sobre el agua como un todo.

La U es el símbolo común mas usado para representar la energía interna.

Ejemplo de Energía Interna

Cuando se calientan ambas muestras de agua y de cobre 1°C, la adición proporcionada a sus energías cinéticas es la misma en ambos casos, puesto que eso es lo que mide la temperatura. Pero para conseguir este incremento en el agua, se le debe añadir a la parte de energía potencial de la energía interna, una proporción de energía mucho mas grande. De modo que la energía total necesaria para aumentar la temperatura del agua es mucho mas grande, o sea; su calor específico es mayor.

MÁQUINAS TÉRMICAS 

Una máquina térmica es un dispositivo que realiza un trabajo mediante un proceso de paso de energía desde un foco claiente hasta un foco frio.

Las máquinas térmicas o motores térmicos aprovechan una fuente de energía para realizar un trabajo mecánico. La energía transferida como calor a la máquina no puede a su vez ser transferida integramente por esta como trabajo: una parte de la energía debe ser transferida como calor.

por ello las  máquinas térmicas constan de dos partes:

•  Un foco caliente, que cede enregía a la máquina mediante calor.
•  Un foco frío, que recibe energía de le máquina también mediante calor.

Máquina de vapor:

Fue la máquina térmica más utilizada hasta el siglo XX.
La energía obtenida al quemar el combustible (gas, petróleo, carbón...) se emplea en calentar agua hasta convertirla en vapor. Este vapor desplazaba el émbolo, realizando asi un trabajo.
Se utilizaban mucho en las locomotoras de vapor para el ferrocarril, pero en la actualidad ya no se usan tanto.

                                                                                                                                                                                      

Turbinas de vapor:
Las turbinas de vapor  expulsan un chorro de vapor, calentando con la energía generada en la quema de un combustible, incide sobre las paletas de la rueda giratoria de la turbina realizando un trabajo macánico de rotación.  
Se utiliza en las centrales termoeléctricas para mover los generadores eléctricos y en los barcos para accionar las hélices.

Motores de explosión:
Se utilizan en los automóviles. Aprovechan la energía generada en la combustión de una mezcla de aire con gasolina para mover un pistón.  
El trabajo macánico del movimiento del pistón de aprovecha para el desplazamiento del vehículo.

Motor de reacción:
También llamado turbina de gas. Es una máquina térmica de mayor potencia que el motor de explosión. 
Los gases generados continuamente al quemar un combustible son expulsados hacia atrás por una tobera impulsando el vehículo hacia delante. 
Se utilizan en aviación, para conseguir una mayor velocidad.