Guía de Termodinámica

Internado Nacional
“Barros Arana”
Depto. de Física.
Nivel: Cuarto año Medio Diferenciado.
Guía de Termodinámica.
PRIMERA PARTE.
TEMA: EL CALOR COMO ENERGÍA:
TEORÍA DEL CALÓRICO.
Cuando analizamos el concepto de equilibrio térmico, vimos que si dos cuerpos
con diferente temperatura se ponen en contacto, alcanzan, luego de cierto tiempo, una misma
temperatura. A principios del 1800, los científicos explicaban este hecho suponiendo que todos
los cuerpos contenían en su interior una sustancia fluida, invisible y de masa nula, llamada
“calórico”. Cuanto mayor fuese la temperatura de un cuerpo, tanto mayor sería la cantidad de
calórico en su interior. De acuerdo con este modelo, cuando dos cuerpos con distinta
temperatura se ponen en contacto, se produce una transmisión de calor del cuerpo más
caliente al más frío, ocasionando una disminución de la temperatura del primero y un
incremento en la temperatura del segundo. Una vez que ambos cuerpos han alcanzado la
misma temperatura, el flujo calórico se interrumpiría y permanecerían, a partir de ese momento,
en equilibrio térmico.
A pesar de que esta teoría explicaba satisfactoriamente un gran número de
fenómenos, algunos físicos se mostraban insatisfechos en relación con ciertos aspectos
fundamentales del concepto del calórico, y trataron de sustituirla por otra, más adecuada, en la
cual el calor se considera como una forma de energía.
CALOR ES ENERGÍA:
La idea de que el calor es energía fue presentada por Benjamín Thompson (Conde
Rumford) , un ingeniero militar que en 1798 trabajaba en la fabricación de tubos de cañón. Al
observar el calentamiento de las piezas de acero que eran perforadas, pensó atribuir este
calentamiento al trabajo realizado contra la fricción durante el proceso. En otras palabras,
consideró que la energía empleada en las realización de dicho trabajo era transmitida a las
piezas, produciendo un incremento en su temperatura. Por tanto, la vieja idea que un cuerpo
más caliente posee mayor cantidad de “calórico”, empezaba a ser sustituida por la de que tal
cuerpo en realidad posee mayor cantidad de energía en su interior.
La divulgación de estas ideas dio lugar a muchas discusiones entre los
científicos. Algunos efectuaron experimentos que confirmaron las suposiciones de Rumford.
Entre estos científicos debemos destacar a James Joule, cuyos famosos experimentos
acabaron por establecer, definitivamente, que el calor es una forma de energía.
Actualmente, se considera que cuando crece la temperatura de un cuerpo, la
energía que posee en su interior, denominada energía interna, también aumenta. Si este
cuerpo se pone en contacto con otro de más baja temperatura, habrá una transmisión o
transferencia de energía del primero al segundo, energía que se denomina calor. Por lo tanto,
el concepto moderno de calor es el siguiente: Calor es la energía que se transmite de un
cuerpo a otro, en virtud únicamente de una diferencia de temperatura entre ellos.
Debemos observar que el término calor sólo debe emplearse para designar la
energía en transición, es decir, la que se transfiere de un cuerpo a otro debido a una diferencia
de temperatura. La transferencia de calor hacia un cuerpo origina un aumento en la energía de
agitación de sus moléculas y átomos, o sea, que ocasiona un aumento en la energía interna del
cuerpo, lo cual, generalmente, produce una elevación de su temperatura. Por lo tanto no se
puede decir que un cuerpo “tenga calor”.
Es importante observar, incluso, que la energía interna de un cuerpo puede
aumentar sin que el cuerpo reciba calor, siempre que reciba alguna otra forma de energía.
1
UNIDADES DE CALOR:
Una vez establecido que el calor es una forma de energía, es obvio que una
cierta cantidad de calor debe medirse en unidades energéticas. Entonces, en el sistema
internacional SI, mediremos el calor en Joules. Pero en la práctica actual se emplea aún otra
unidad de calor, muy antigua, (de la época del calórico), la cual recibe el nombre de Caloría
(cal). Por definición, 1 cal es la cantidad de calor que debe transmitirse a 1 gr de agua para que
su temperatura se eleve en 1°C.
Experimentalmente, James Joules estableció la relación, a saber 1 cal = 4,18 J.
TRANSMISIÓN DEL CALOR:
a) CONDUCCIÓN: Suponga que una persona sostiene uno de los extremos de una barra
metálica, y que el otro extremo se pone en contacto con una flama. Los átomos o
moléculas del extremo calentado por la flama, adquieren una mayor energía de agitación.
Parte de esta energía se transfiere a las partículas de la región más próxima a dicho
extremo, y entonces la temperatura de esta región también aumenta. Esta transmisión se
debe a la agitación de los átomos de la barra, transferida sucesivamente de uno a otro
átomo, sin que estás partículas sufran ninguna traslación en el interior del cuerpo.. La
mayor parte del calor que se transfiere a través de cuerpos sólidos, es transmitida de un
punto a otro por conducción.
Dependiendo de la constitución atómica de una sustancia, la agitación térmica podrá
transmitirse de uno a otro átomo con mayor o menor facilidad, haciendo que tal sustancia
sea buena o mala conductora del calor.
b) CONVECCIÖN: Cuando un recipiente con agua es colocado sobre una flama, la capa de
agua del fondo recibe calor por conducción. Por consiguiente el volumen de esta capa
aumenta, y por lo tanto su densidad disminuye, haciendo que se desplace hacia la parte
superior del recipiente para ser reemplazada por agua más fría y más densa, proveniente
de tal región superior. El proceso continúa, con una circulación continua de masas de agua
caliente hacia arriba, y de masas de agua más fría hacia abajo, movimientos que se
denominan corrientes de convección.
La transferencia de calor en los líquidos y gases puede efectuarse por conducción, pero el
proceso de convección es el responsable de la mayor parte del calor que se transmite a
través del fluido.
c) RADIACIÓN: Suponga que un cuerpo caliente se coloca en el interior de una campana de
vidrio, donde se hace el vacío. Un termómetro, situado en el interior de la campana,
indicará una elevación de la temperatura, mostrando que existe transmisión de calor a
través de vacío que hay entre el cuerpo caliente y el exterior. Evidentemente, esta
transmisión no pudo haberse efectuado por conducción ni convección, pues estos procesos
sólo pueden ocurrir cuando hay un medio material a través del cual pueda transferir el
calor. En este caso, la transmisión de calor se lleva a cabo mediante otro proceso,
denominado radiación térmica. El calor que nos llega del Sol se debe a este mismo
proceso.
Todos los cuerpos calientes emiten radiaciones térmicas que cuando son absorbidas por
algún otro cuerpo, provocan en él un aumento de temperatura. Estas radiaciones, así como
las ondas de radio, la luz, los rayos X, etc., son ondas electromagnéticas capaces de
propagarse en el vacío.
CAPACIDAD TÉRMICA Y CALOR ESPECÍFICO
CAPACIDAD TÉRMICA: Suponga que a un cuerpo A se le proporciona una cantidad de
calor igual a 100 cal, y que su temperatura se eleva en 20°C. Pero si se suministra esa
misma cantidad de calor a otro cuerpo, B, podemos observar un aumento de temperatura
diferente, por ejemplo, de 10°C. Para caracterizar este comportamiento de los cuerpos se
define una magnitud llamada capacidad térmica, la cual corresponde al cuociente entre la
cantidad de calor necesaria para variar su temperatura.
Es decir: C 
Q
T
2
Podemos notar, entonces, que cuanto mayor sea la capacidad térmica de un cuerpo,
tanto mayor será la cantidad de calor que debemos proporcionarle para producir
determinado aumento de la temperatura, y de la misma manera, tanto mayor será la
cantidad de calor que cederá cuando su temperatura sufra determinada reducción. La
unidad para medir esta magnitud es la
cal
Joule
o
C
C
CALOR ESPECÍFICO: De manera general, el valor de la capacidad térmica varía de un
cuerpo a otro. Independientemente de que estén hechos del mismo material, dos cuerpos
pueden tener distintas capacidades térmicas, pues sus masas pueden ser diferentes.
De modo que si tomamos bloques hechos del mismo material, de masas
m1m2 m3 distintas, sus capacidades térmicas C1C2C3 serán distintas. Pero se halla que
al dividir la capacidad térmica de cada bloque entre su masa, se obtiene el mismo resultado
para todos los cuerpos, es decir:
C1 C2 C3


 constante (para un mismo material).
m
m2 m3
C
Entonces, el cociente
es constante para determinado material, y varía, por tanto de
m
un material a otro. Este cociente se denomina calor específico, c , del material . Las
unidades del calor específico son cal/gr°C y Joule/kg°C.
CALORES ESPECÍFICOS
SUSTANCIA
C( Cal/gr°C)
Agua
Hielo
Vapor de agua
Aluminio
Vidrio
Hierro
Latón
Cobre
Plata
Mercurio
Plomo
1.00
0.55
0.50
0.22
0.20
0.11
0.094
0.093
0.056
0.033
0.031
(Nota: Apuntes extraídos del texto FISICA GENERAL de A. Máximo _ B. Alvarenga)
Cuestionario:
1. Dos bloques idénticos A y B , de fierro ambos, se colocan en contacto y libres de
influencias externas. Las temperaturas iniciales de los bloques son t A = 200°C y t B =
50°C.
a) Después de cierto tiempo, ¿que sucede a la temperatura de t A ? ¿ y a la de t B ?
b) De acuerdo con los científicos anteriores a Rumford y Joule, ¿cuál era la causa de las
variaciones de temperaturas t A yt B ?.
c) Después de cierto tiempo ¿qué sucedió a la energía interna de cada cuerpo?.
d) ¿Hubo transferencia de energía de un bloque a otro?, ¿en qué sentido?.
e) ¿Cómo se denomina esta energía transmitida?.
2. Una persona golpea varias veces con un martillo un bloque de plomo. Se halla que la
temperatura del cuerpo se eleva considerablemente.
3
a) ¿Aumento la energía interna del bloque de plomo?.
b) ¿Hubo alguna transferencia de calor hacia el bloque de plomo?.
c) Entonces, ¿cuál fue la causa del aumento en la energía interna del bloque?.
3. Una persona afirma que su abrigo es de buena calidad, porque impide que el frío pase
a través de él. ¿Esta afirmación es correcta?. Explique.
4. ¿Por qué en un refrigerador las capas de aire cercanas al congelador, luego de hacer
contacto con él, se dirigen hacia abajo?. Si el congelador se colocara en la parte
inferior de un refrigerador ¿se formarían las corrientes de convección?.
5. Cuando estamos cerca de un horno muy caliente, la cantidad de calor que recibimos
por conducción y por convección es relativamente pequeña. Pero aún así sentimos
que estamos recibiendo una gran cantidad de calor. ¿Por qué?.
6. Dos autos, uno de color claro y otro de color oscuro, permanecen estacionados al Sol
durante cierto tiempo. ¿Cuál cree usted que se calentará más?. Explique.
7. Un bloque metálico se encuentra inicialmente a una temperatura de 20°C. Al recibir
una cantidad de calor Q  330cal , su temperatura s eleva a 50°C.
a) ¿Cuál es la capacidad térmica del bloque?
b) ¿Qué significa este resultado?.
8. Considerando el bloque del ejercicio anterior responda:
a) ¿Cuántas calorías deben suministrárseles para que su temperatura se eleve de 20°C
a 100°C?.
b) ¿Cuántas calorías serían liberadas si su temperatura bajara de 100°C a 0°C?.
9. Se sabe que la masa del bloque del ejercicio 1 es de del material que constituye el
bloque es de 100 gr.
a) ¿Cuál es el valor del calor específico del material que constituye el bloque?.
b) ¿Cuál es este material?.
10.
suponga que dos bloques A y B de cinc ambos, poseen masas m A y mB tales que
m A  mB .
a) ¿El calor específico de A es mayor, menor o igual al de B?.
b) La capacidad térmica de A ¿es mayor, igual o menor que la de B?.
c) Si A y B sufrieran la misma disminución de temperatura. ¿Cuál liberaría mayor
cantidad de calor?.
11. Considere 1 kg de agua y 1 kg de mercurio. Considerando la tabla de valores de
calores específicos, señale:
a) La capacidad térmica de esta masa de agua es ¿ mayor, igual o menor que la del
mercurio?.
b) Al suministrar a ambos la misma cantidad de calor, ¿cuál sufrirá un mayor aumento de
temperatura?.
c) Si el agua y el mercurio se encontraran, inicialmente, ambos a la misma temperatura
de 60°C, ¿cuál será mejor para calentar los pies de una persona en un día frío?
12. Un bloque de cobre, de masa m= 200 gr, es calentado de 30°C a 80°C.
a. ¿Qué cantidad de calor se suministró al bloque?.
b. Si a un cuerpo se le proporcionan 186 cal, ¿en cuánto se elevará su temperatura?.
4
Ejercicios Selección Múltiple.
1.
Considere los tres fenómenos siguientes:
I)
II)
III)
Agua de un lago que se congela.
Vapor de agua que se condensa en el parabrisas de un automóvil.
Una bolita de naftalina que se sublima en el cajón de un guardarropa.
Indique la opción correcta, si uno de los sistemas – agua, vapor, naftalina – está cediendo o recibiendo
calor del medio ambiente:
a)
b)
c)
d)
e)
Agua
Cede
cede
recibe
cede
recibe
Vapor
cede
recibe
cede
cede
recibe
Naftalina.
cede.
recibe.
cede.
recibe.
recibe.
Para las preguntas 2,3 y 4 considere la siguiente información: la temperatura de fusión del plomo es de
327ºC y su calor de fusión es de 6,0 cal/gr. Suponga un bloque de plomo sólido, cuya masa es de 20 gr.
a una temperatura de 327ºC.
2.
Para fundir totalmente el bloque de plomo, debemos suministrarle por lo menos:
a)
b)
c)
d)
e)
6,0 cal.
20 cal.
327 cal.
100 cal.
327 cal.
3.
Suponiendo que se hayan suministrado las calorías calculadas en la pregunta
anterior, llegamos a la conclusión de que el plomo líquido formado estará a una
temperatura de :
a)
b)
c)
d)
e)
447ºC
333ºC
327ºC
321ºC
100ºC
4.
Si suministramos al bloque sólido 200 calorías, obtendremos 20 gr. de plomo líquido a
una temperatura de:
a)
b)
c)
d)
e)
527ºC
333ºC
327ºC
321ºC
Imposible calcular con la información dada.
5.
Se ponen 200 gr. De hielo a 0ºC y 200 gr. De agua a 5ºC en un recipiente térmicamente
aislado.
Cuando se alcanza el equilibrio térmico, el recipiente contiene:
a)
b)
c)
d)
e)
Hielo a 0ºC.
Una mezcla de hielo y agua a 0ºC.
Una mezcla de hielo y agua a 5ºC.
Agua a 2,5ºC.
Agua a 5ºC.
5
6.
El gráfico adjunto representa la variación de la temperatura de 50 gr. De una sustancia
inicialmente en estado líquido y a 0ºC., en función del calor que absorbe.. Indique
cuál de las siguientes afirmaciones está EQUIVOCADA.
120
t(°C)
a)
La temperatura de ebullición del líquido es 80ºC.
b)
El calor específico del líquido es 0,25
c)
El calor de vaporización de la sustancia es de 1000 cal.
d)
El calor específico de la sustancia es estado gaseoso es 0,50
e)
La sustancia absorbe 2000 calorías desde el inicio de la ebullición hasta vaporizarse totalmente.
cal
gr.º C .
80
cal
gr.º C .
1000 2000 3000 4000
7.
a)
b)
c)
d)
e)
El calor de fusión del plomo vale 6,0 cal/gr. Y su temperatura de fusión es de 327ºC. Esta
información significa que:
Para elevar la temperatura de 1 gr. de plomo , desde 0ºC a 327ºC , debemos suministrarle 6,0
calorías.
Para fundir 6.0 gr de plomo necesitamos suministrarle 327 calorías.
1gr. de plomo, a 327ºC solamente puede estar en la fase líquida.
1 gr. de plomo sólido, a 327ºC, necesita 6 calorías para transformarse totalmente en plomo
líquido.
Si suministramos 6 calorías a 1 gr. de plomo sólido, a 327ºC, su temperatura aumenta en 1ºC.
8.
a)
b)
c)
d)
e)
Para cocer determinado alimento, debemos sumergirlo en cierta cantidad de agua y
someterlo durante algún tiempo a una temperatura de 120ºC. ¿Qué debemos hacer
para cocerlo?:
Usar una olla común, ponerla al fuego y esperar a que el agua alcance los 120ºC de temperatura
y esperar el tiempo necesario.
Poner el alimento en una olla herméticamente cerrada, disminuirle bastante le presión en su
interior, aumentar el fuego y esperar que el agua alcance los 120ºC y darle el tiempo
necesario de cocción.
Disminuir al máximo la cantidad de agua de la olla, agregar una determinada sustancia que eleve
el punto de ebullición del agua, aumentar el fuego hasta obtener la temperatura de 120ºC, y
darle el tiempo de cocción.
Colocar el alimento dentro de una olla herméticamente cerrada, incrementar bastante la presión
en su interior, colocar al fuego, esperar que el agua alcance los 120ºC de temperatura y
darle el tiempo de cocción.
Nunca lograríamos cocer el alimento en agua, ya que su punto de ebullición es de 100ºC.
9.
La figura de este problema representa la cantidad de calor absorbido por dos cuerpos
A y B, en función de sus temperaturas. La masa de B vale 100 gramos, pero no
conocemos la masa de A.
Señale, entre las afirmaciones siguientes la que está EQUIVOCADA.
a)
La pendiente de la gráfica para un cuerpo dado, proporciona el valor de su capacidad térmica.
b)
La capacidad térmica de B tiene un valor de
c)
La capacidad térmica de B no puede calcularse
porque no conocemos su masa.
0,40cal
40cal
C
Q
(cal)
B
A
800
d)
El calor específico de B vale
e)
El calor específico de A no se puede calcular
pues desconocemos su masa.
grC
20

40
t(°C)
Para efectuar una autoevaluación, las respuestas al cuestionario y a los ejercicios de
selección múltiple se enviarán la próxima semana.
6
Q(cal)