Resumen - IES Trevenque

TEMA 13: CALOR Y ENERGÍA
1.- Termodinámica.
1.1. Sistemas
formados por muchas
partículas.
1.2. Sistemas
termodinámicos.
1.3. Relación entre
energía, temperatura y
calor.
2. Equilibrio térmico.
3. Temperatura.
3.1 Medida de la
temperatura.
3.2. Significado
microscópico de la
temperatura.
3.3. El cero absoluto.
La escala Kelvin.
4. Transferencia de
energía.
4.1. Calor y trabajo.
5. Efectos del calor.
5.1. Aumento de la
temperatura. Calor
específico.
RESUMEN :1ºBACHILLERATO
1
La termodinámica estudia los sistemas de muchas partículas desde el punto de vista macroscópico,
interesándose en la energía térmica (asociada a los movimientos desordenados de las partículas que
componen un sistema) y su relación con la energía mecánica.
La mecánica estadística estudia los sistemas con muchas partículas relacionando los aspectos
macroscópicos (se perciben con los sentidos) con los microscópicos (partículas en movimiento), sin
tratar el movimiento de cada partícula. Gracias a ella entendemos el concepto de temperatura
(medida de la energía cinética media de las partículas del sistema) y el de flecha del tiempo (los
objetos más calientes que su entorno tienden a enfriarse y nunca ocurre lo contrario).
Un sistema termodinámico es una porción del universo que seleccionamos para estudiar los
intercambios de materia y/o energía con su entorno.
1.- Sistema abierto: Intercambia materia y energía con su entrono.
2.- Sistema cerrado. Intercambia solo energía con su entorno.
3.- Sistema aislado: No se producen intercambios de ningún tipo con el entorno.
La energía interna es la suma de la energía cinética debida al movimiento interno de todas las
partículas de un sistema, más la energía potencial intermolecular.
La temperatura es la medida de la energía cinética media de las partículas que componen el
sistema.
El calor NO es otra forma de energía, sino que es energía en tránsito entre dos sistemas que se
ponen en contacto y que se encuentran a diferente temperatura.
Dos sistemas aislados Ay B con distinta temperatura, puesto en contacto prolongado, alcanzan
finalmente la misma temperatura, estado al que denominamos equilibrio térmico.
Se transfiere energía en forma de calor desde el sistema que está a mayor temperatura hacia el que
está a menor temperatura.
La temperatura es la medida de la energía cinética media que tienen las partículas de un sistema.
El instrumento que la mide es el termómetro; ya que se basa en una propiedad que varia al absorber
o ceder energía (el mercurio se dilata por el capilar al absorber energía) (en otros varia una
resistencia eléctrica al variar la temperatura). Etc.
Existen varias escalas de medida de temperatura, las más utilizadas son la escala Kelvin , la escala
centígrada y la escala Farentheit. Y las fórmulas que se usan para convertir unos datos en otros son:
ºC=K-273
ºC=0,8· (ºF-32)
Dado que la temperatura de un sistema está relacionado con el movimiento de sus partículas,
definimos la temperatura de un gas, por ejemplo, como: una medida de la energía cinética media que
poseen sus partículas.
T  cte 
1
mv 2
2
.
El valor más bajo para la temperatura de un sistema se alcanzaría cuando todas sus partículas
estuvieran en reposo; a esa temperatura se le llama “cero absoluto” y de ahí parte la idea de hacer
una escala que no tenga valores negativos: la escala Kelvin de temperaturas.
Por otra parte la física cuántica nos enseña que las partículas de un sistema nunca pueden estar con
velocidad cero, de ahí que el cero absoluto sea inalcanzable.
Para aumentar la energía de un muelle o de un gas encerrado dentro de una jeringa podemos:
a) Realizar un trabajo: comprimiendo el muelle o el gas, con lo que se produce una transferencia de
energía desde el entorno hacia sistema. Este trabajo conlleva el movimiento organizado y coherente
de los átomos de los alrededores del sistema.
b) Calentar el gas o el muelle en un horno, con lo que hay una transferencia neta de energía desde
el medio de mayor temperatura debido al movimiento térmico aleatorio y caótico de las partículas
hacia el sistema que está a menor temperatura. A esa energía así transferida se le llama: calor.
Para disminuir la energía del muelle o del gas, podemos:
a) Meter le muelle o el gas en un frigorífico.
b)Expandir el gas o hacer que el muelle retorne a su longitud natural.
Ya sabemos que existen dos formas de transferir la energía: calor y trabajo.
El calor es una forma de transferencia de energía a través del movimiento microscópico desordenado
de las partículas (a nivel atómico-molecular). A nivel macroscópico está asociado con la diferencia de
temperaturas.
El trabajo es un mecanismo de transferencia de energía a través del movimiento coherente de dichas
partículas (en grupo y a mayor escala).
Según el criterio de signos egoísta, que usaremos, todo lo que reciba el sistema será positivo y todo
lo que tenga que salir del sistema será negativo. Q y W positivos los gana el sistema, en caso
contrario son negativos.
El calor produce distintos efectos sobre la materia: a) modifica la temperatura, b)provoca cambios de
estado y c) produce dilataciones.
El calor necesario que hay que suministrar a un sistema de masa “m” para variar su temperatura sin
que ocurra un cambio de estado será:
Q  m·ce ·T
donde “ce” es un valor característico de la
sustancia, llamada “calor específico”. El concepto físico del calor específico es la energía que hay
que suministrar a la unidad de masa para elevar un grado su temperatura. Las sustancias con calor
específico elevado necesitan mucha energía para elevar un grado su temperatura y cuando se
enfrían también desprende mucha energía, por cada grado que descienden.
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TEMA 13: CALOR Y ENERGÍA
RESUMEN :1ºBACHILLERATO
Su unidad en el S.I. es
El equilibrio térmico.
J
kg·K
La ”capacidad calorífica”
5.2. Cambios de
estado. Calor latente.
5.3. Dilatación de
sólidos y líquidos.
J
K
Cuando dos cuerpos que están a diferentes temperaturas se ponen en contacto, se transfiere energía
desde el cuerpo que está a mayor temperatura hacia el cuerpo que está a menor temperatura, hasta
que las temperaturas de ambos se igualan. Tenemos que tener en cuenta que cuando dos sistemas
intercambian calor el sistema que cede el calor, ese calor es negativo, mientras que el sistema que
absorbe calor ese calor es positivo.  Qcedido  Qganado
 m·ce(Te  T1 )  m·ce·(Te  T2) )
La sensación de
caliente y frio.
es C  m·ce se mide en
2
en el primer miembro la temperatura de equilibrio es menor
que la temperatura 1 ya que el sistema desciende su temperatura, pues cede calor. Aparecen dos
signos negativos que se anulan, el signo negativo del paréntesis de la temperatura y el signo menos
del calor cedido.
Esta ecuación de equilibrio térmico se usa para calcular la temperatura de equilibrio y para calcular
algún calor específico desconocido.
Veamos un ejemplo: Si tocamos el tablero de madera de la mesa con una mano, y con la otra
tocamos la pata metálica de la misma mesa, la sensación es que la pata metálica está más fría que el
tablero, a pesar de que ambos objetos llevan mucho tiempo en la clase y por lo tanto están a la
misma temperatura. ¿Entonces a qué es debida esa diferente sensación? La solución está en
comprender que es un problema de conductividad térmica, el metal conduce mejor el calor y por lo
tanto roba más rápidamente la energía de la mano y por tanto la sensación térmica es más intensa,
pues la madera también roba el calor de la mano pero lo hace más lentamente y la sensación es
menos intensa.
En los cambios de estado de las sustancias puras hay transferencia de energía, pero esa energía
solo se emplea en cambiar de estado al sistema (romper o formar enlaces), manteniendo su
temperatura constante durante el cambio de estado.
En estos procesos se utiliza otra ecuación de intercambio de calor: Q  m·c L siendo “cL” el calor
latente de cambio de estado.
El calor latente de cambio de estado representa la energía que hay que darle a la unidad de masa
para que cambie de estado. Depende de la sustancia y del cambio de estado.
Los materiales se dilatan de distinta manera cuando se calientan, por regla general los gases se
dilatan más que los líquidos y estos más que los sólidos.
1.- Coeficiente dilatación lineal: (alfa): es el incremento de longitud que se produce por cada metro
al aumenta un grado su temperatura.
L  L0 ·(1  ·T )
2.- Coeficiente dilatación superficial: (beta=2·alfa): es el incremento de superficie que se produce
por cada metro cuadrado al aumenta un grado su temperatura.
S  S 0 ·(1   ·T )
3.- Coeficiente dilatación de volumen: (gamma=3·alfa): es el incremento de volumen que se
produce por cada metro cubico al aumenta un grado su temperatura.
6.- Mecanismos de
trasmisión del calor.
6.1. Conducción
6.2. Convección
6.3. Radiación
7.- Conservación de la
energía. El primer
principio de la
termodinámica.
7.1. La energía interna.
V  V0 ·(1   ·T )
Para evitar desastres en la construcción, los ingenieros colocan unas juntas de dilatación entre
edificios construidos en distintos tiempos o en los puentes, etc.
1.- Trasmisión de calor por conducción: Necesita un medio de propagación. Es el mecanismo
habitual en sólidos. La energía se trasmite mediante las colisiones entre los átomos y moléculas de
los sistemas que están en contacto. La energía viaja pero no la materia.
2.- Trasmisión de calor por convección: Necesita un medio para propagarse. Es el mecanismo
habitual en fluidos. En la convección hay un movimiento macroscópico de materia que sube al
calentarse (disminuye su densidad) y baja al enfriarse.
3.- Trasmisión de calor por radiación: No necesita un medio para propagarse. Todos los cuerpos
emiten espontáneamente radiación electromagnética, a llamada radiación térmica, si su temperatura
es mayor del 0K.
Energía interna de un sistema (U): es la suma de las energías cinéticas de sus partículas más
todas las energías potenciales debidas a las interacciones entre ellas. Es decir, la energía total de un
sistema sin tener en cuenta sus interacciones con el exterior ni su posible movimiento global.
Los flujos de energía del sistema son positivos cuando su energía aumenta U  0 y negativos en
caso contrario.
U  Ufinal  Uinicial
7.2. El principio de
conservación de la
energía.
El primer principio de la termodinámica o principio de conservación de la energía: “cualquier variación
de la energía interna (U ) de un sistema se debe al intercambio de calor y de trabajo con el medio.
7.3. Equivalente
mecánico del calor.
Experiencia de Joule.
8. El segundo principio
de la termodinámica: la
entropía.
James Prescott Joule publico los resultados de una experiencia que ayudó a la comunidad científica a
comprender que era el calor. Joule calculó con esta experiencia lo que se denominó el equivalente
mecánico del calor es decir 1cal=4,18J.
La naturaleza solo permite una dirección en las transformaciones energéticas; es decir en la
experiencia de Joule, el trabajo se puede convertir íntegramente en calor pero no al contrario; y esa
dirección la marca el segundo principio de la termodinámica que dice: “Tanto la energía como la
materia tienden a estar en estados cada vez mas desordenados”
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U  Q  W
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TEMA 13: CALOR Y ENERGÍA
8.1.Entropía y la
segunda ley de la
termodinámica.
8.2. Entropía y
probabilidad.
8.3. La entropía y el
desorden.
8.4. La entropía y la
flecha del tiempo.
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3
Se define la entropía como el desorden, así pues podemos definir nuevamente la segunda ley de la
termodinámica diciendo que: “ El rendimiento de una máquina térmica siempre es menor del 100%” o
bien de esta otra forma “No se puede dar un proceso cuyo resultado neto sea la transferencia de
calor desde un cuerpo a menor temperatura a un cuerpo a mayor temperatura”
De todas las moléculas de una habitación, la mayor probabilidad será que haya muchos más estados
desordenados (moléculas de distinta energía en distintas partes de la habitación) que estados
ordenados (moléculas con mayor energía en el mismo rincón de la habitación). Lo más probable es el
estado de mayor entropía o desorden, así pues podemos afirmar que: “En un sistema aislado el
desorden ( la entropía) siempre aumenta, (hasta que, en el equilibrio, alcanza el máximo valor
posible)”
La entropía una magnitud que mide el desorden, y podemos definir definitivamente el segundo
principio de la termodinámica o la segunda ley como: “ La entropía de un sistema aislado siempre
aumenta S  0 o permanece constante S  0 cuando el sistema ha alcanzado el equilibrio, el
estado de máxima entropía posible y, por tanto, aquel al que tienden espontáneamente los sistemas
aislados”.
La entropía nos proporciona una flecha de tiempo ya que los procesos evolucionan espontáneamente
en el sentido de aumentar la entropía o el desorden del universo.
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