Física y Química 4º ESO

Energía Térmica

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CONCEPTO DE CALOR Y TEMPERATURA Según el modelo cinético molecular de la materia, sabemos que las partículas que la forman están sometidas a un movimiento constante. Los sólidos están formados por partículas que se atraen con gran fuerza por lo que ocupan un volumen constante. No obstante estas partículas están sometidas a una pequeñísima vibración alrededor de una posición de equilibrio.

Las partículas que forman los líquidos se atraen fuertemente entre si por lo que ocupan un volumen constante. No obstante pueden cambiar de posición unas respecto de otras por lo que adoptan la forma del recipiente que los contiene.

Las partículas que forman los gases se atraen muy poco entre si por lo que tienen una gran movilidad ocupando la totalidad del recipiente que los contiene y adoptando su forma.

Supongamos un gas cualquiera a distintas temperaturas: Cada partícula tendrá una energía cinética que será función de la temperatura, a mayor temperatura mayor será la agitación de las partículas. La temperatura de un sistema nos da una idea de la agitación térmica de las partículas que contiene. La temperatura nos indica si un cuerpo está caliente o frío. No obstante no se puede confundir calor con temperatura, ni siquiera temperatura y el concepto anterior de caliente o frío. Un ejemplo: si tenemos una mano sumergida durante un tiempo en agua fría y la otra el mismo tiempo en agua caliente y al sacarlas las metemos en un recipiente con agua templada la sensación que tenemos en ambas manos es distinta pues la que estaba en agua fría sentirá el agua templada como caliente y la que estaba en agua caliente la percibirá como fría. Otro ejemplo más: tocamos con una mano una mesa de madera y al mismo tiempo un objeto metálico que esté sobre ella. Ambos están a la temperatura ambiente y sin embargo percibimos como más frío el metal. ¿Por qué?

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ESCALAS TERMOMÉTRICAS Parece que los primeros intentos de medir la temperatura fueron realizados en el año 170 AC por Galeno que propuso una escala con cuatro grados de calor y cuatro de frío en torno a una temperatura media (se dice que agua a 50ºC). El termómetro Los primeros ingenios para medir la temperatura se llamaron termoscopios y consistían en un recipiente esférico que se prolongaba por un largo tubo. Éste contenía un líquido coloreado y en el interior del recipiente esférico se quitaba parte del aire lo que permitía que al sumergir el tubo en otro recipiente con un líquido este suba por su interior. Al calentar el aire contenido en el bulbo la presión aumenta lo que hace descender el líquido. Esta puede ser una forma de medir las temperaturas. Galileo construyó uno de estos termoscopios utilizando vino como líquido de color. La construcción de nuevos ingenios que usaban la propiedad de los líquidos de dilatarse en cambios de temperatura en el interior de un tubo muy fino llevó a la construcción de los termómetros. Fue Fahrenheit quien empezó a utilizar el mercurio en los termómetros. También hemos de recordar que la fabricación de los termómetros se basaba en la elección de puntos fijos dando lugar a distintas escalas termométricas:

El termómetro se utiliza para medir la temperatura de un sistema. Generalmente consistían en un depósito que contiene un líquido que al dilatarse o contraerse se extiende o se retrae en un capilar lo que, tomando unos puntos fijos, nos permite dividir la escala termométrica. Ese líquido suele ser alcohol coloreado y hasta hace poco mercurio. Existen diferentes tipos de termómetros, los que miden la temperatura ambiente, los termómetros clínicos que solamente permiten medir la máxima de la temperatura corporal evitando que al dejar de estar en contacto con el cuerpo la temperatura baje... En estos momentos están ganando terreno los termómetros digitales que en poco tiempo, con bastante exactitud, nos dan la temperatura de un sistema. Además los termómetros clínicos de mercurio están siendo retirados en la Unión Europea para evitar la contaminación a causa de este metal. Debemos diferenciar entre calor y temperatura. Para ver las animaciones y descargar apuntes en pdf visita http://fisicayquimicaenflash.es

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El calor, o energía térmica, se define como la energía que se transmite desde un cuerpo a otro cuando entre ellos hay una diferencia de temperatura. El calor siempre fluye, en forma espontánea, desde el cuerpo a mayor temperatura hacia el cuerpo a menor temperatura. Puesto que el calor es una forma de energía su unidad en el S.I. es el Joule (J) aunque se usa también habitualmente otra unidad, la caloría (1 cal = 4,18 J). Se define ésta última como el calor necesario para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14,5ºC a 15,5ºC CALOR ESPECÍFICO Se define como la catidad de calor necesaria para elevar la temperatura de la unidad de masa de un elemento o compuesto en un grado. En el sistema internacional sus unidades serán por tanto J·kg-1·K-1. El calor específico del agua es de 4180 J·kg-1·K-1. Teniendo en cuenta esta definición de calor específico propio de un cuerpo o un sistema Ce podemos deducir que el calor absorbido o cedido por un cuerpo de masa m cuando su temperatura varía desde una temperatura T1 hasta otra T2 (ΔT = T2 - T1) vendrá dado por la expresión: Q = m·Ce·ΔT Cuando dos cuerpos que están a distinta temperatura se ponen en contacto se produce un flujo de calor desde el que está a mayor temperatura hacia el que está a menor temperatura hasta que ambas temperaturas se igualan. Se dice que se ha alcanzado el equilibrio térmico: Si dos cuerpos a diferente temperatura se ponen en contacto pasa calor del que está a mayor temperatura al que está a menor temperatura hasta que ambas se igualan. Se dice que se alcanza entonces el equilibrio térmico. El calor cedido por el que estaba a mayor temperatura es igual y de signo contrario al ganado por el que estaba a menor temperatura. Calor ganado: mA · cA · (Te – TA) Calor cedido: mB · cB · (TB – Te) Esto puede aplicarse al cálculo del calor específico de un material conociendo el calor específico de otro, la masa de ambos, la temperatura inicial de ambos y la temperatura de equilibrio en la práctica que se propone.

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CABIOS DE ESTADO Recordemos que el estado de un sistema podía explicarse desde el punto de vista de la teoría cinética. Si se va comunicando calor a un sistema sólido la amplitud de los movimientos vibratorios de sus partículas va aumentando hasta que dicho sistema se convierte en líquido y si se sigue haciendo lo mismo acabará pasando a gas. Por el contrario si a un gas le quitamos energía puede que llegue a transformarse en líquido y luego en sólido. A lo largo de estos procesos se cumple que la energía suministrada, al o por el sistema, va elevando o disminuyendo la temperatura del mismo teniendo en cuenta la expresión: Q = m·Ce·ΔT Debemos considerar que el calor específico de cada sustancia depende del estado en que se encuentre, de la temperatura, aunque a veces puede considerarse constante sin cometer mucho error. No obstante cuando se está produciendo un cambio de estado toda la energía suministrada, al o por el sistema, se emplea en ese cambio de estado por lo que la temperatura del sistema, mientras se está produciendo el cambio de estado permanece constante.

Se llama calor latente de fusión (LF) al calor que se absorbe por unidad de masa de una sustancia cuando esta pasa de sólido a líquido. El calor latente de vaporización (LV) es el calor absorbido por unidad de masa del sistema cuando este pasa de líquido a gas. Para cada substancia tiene un valor determinado, así, en el caso del agua el calor latente de fusión es 3,335·105 J/kg y el de vaporización de 2,257·106 J/kg. El calor que se ha de suministrar para fundir una masa m será: QF = m · LF El calor que se ha de suministrar para que una masa m hierva será: QV = m · LV

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DILATACIÓN Se trata de un fenómeno con el que estamos familiarizados. Todos sabemos que un anillo nos hace más marca en verano qu en invierno. Los railes de tren guardan entre si una cierta separación para evitar que, cuando la temperatura es más alta se deformen. En los puentes y en las casas se dejan espacios, juntas de dilatación, para evitar la aparición de grietas. Un experimento se hace muy a menudo para observar este fenómeno. Consiste en pasar una bola de acero por un aro. A temperatura ambiente pasa bastante justa, a mayor temperatura no pasa.

En un principio la bola pasa, Calentamos durante un cierto … y en el nuevo intento la aunque muy justa, por el aro tiempo… bola no pasa por el aro…

Los líquidos y los gases también se dilatan, basta con recordar como se fabrican algunos termómetros. Podemos definir por tanto la dilatación como el aumento de volumen que se produce al variar la temperatura. Se puede considerar el coeficiente de dilatación de tres formas. Coeficiente de dilatación lineal (λ) se aplica fundamentalmente a cuerpos en los que la longitud es más importante que el ancho y alto. Ejemplo hilos metálicos. Coeficiente de dilatación superficial (σ) se aplica a cuerpos planos como chapas de metal. Coeficiente de dilatación volumétrico para cuerpos que las tres magnitudes, largo ancho y alto tienen una importancia similar. Ejemplo un bloque de hormigón.

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TRANSFORMACIONES DE TRABAJO EN CALOR En primer lugar vamos a pensar lo que ocurre si frotamos una mano contra otra, ambas se calientan. Algunas culturas primitivas frotan un palo contra otro para lograr fuego. Es decir, el trabajo realizado sobre un sistema puede transformarse en calor. Un experimento realizado por Joule permite calcular el equivalente mecánico del calor.

La energía potencial perdida por las pesas se transforma en calor que eleva la temperatura del agua. Esto se puede comprobar midiendo h y ∆T y teniendo en cuenta la ecuación: 2 m g h = M Ce ∆T Siendo M la masa del agua del calorímetro. Equivalente mecánico del calor: 1 cal = 4,18 J

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA Primero vamos a definir un nuevo concepto, el de energía interna de un sistema: Se representa por la letra U y corresponde a la suma de todas las energías que poseen todas las partículas del sistema (energía cinética, potencial...) Es una magnitud de la que no podemos conocer su valor aunque si podemos conocer su variación en un sistema. La energía interna de un sistema es una función de estado cuyo valor depende exclusivamente del estado en que se encuentra el sistema y por tanto su variación depende solamente de los estados inicial y final y no del camino seguido para ir de uno a otro. Esta variación es igual a la suma de calor y trabajo intercambiados con el exterior.

Para ello tenemos en cuenta el siguiente criterio de signos:

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•

Cuando el sistema gana calor procedente del exterior Q > 0

•

Si es el sistema el que cede calor al exterior Q < 0

•

Cuando el sistema realiza un trabajo de expansión sobre el exterior W < 0

•

Si sobre el sistema se realiza un trabajo desde el exterior W > 0

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Por tanto la variación de energía interna de un sistema ΔU vendrá dada por: ΔU = Q + W Esta expresión es el Primer Principio de la Termodinámica que no es más que otra forma de expresar el principio de conservación de la energía. MAQUINAS TÉRMICAS Serán aquellas que transforman en un proceso cíclico, el calor en trabajo. Para que esto ocurra es preciso que exista un foco emisor de calor y otro receptor. Este últímo debe estar a una temperatura inferior al foco emisor. Evidentemente no se transforma todo el calor cedido por el foco caliente en trabajo puesto que una parte de él pasa al foco frío. El rendimiento ( r ) de una máquina térmica vendrá dado por el cociente entre el trabajo obtenido y el calor cedido pudiendo expresarse el resultado en tanto por ciento o en tanto por uno. En cualquier caso este rendimiento es inferior al 100% o bien 0 < r < 1.

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