Termodinámica

La termodinámica es la rama de la Física que estudia la relación entre trabajo y calor, y conduce a una magnitud de gran importancia, la energía.

El equivalente mecánico del calor, J, es la relación constante entre el calor desarrollado, Q, y el trabajo mecánico consumido, W:

J = Q/W

1 cal = 4,184 J ; 1 J = 0,24 cal

La termodinámica se ocupa de las leyes que rigen la interconversión de la energía, el sentido en el que fluye el calor, y la capacidad de los sistemas para producir trabajo.

Un sistema termodinámico, es la porción del universo escogida en cada caso para su estudio. El comportamiento del sistema en estudio depende de su interacción con el ambiente a través de la frontera de separación entre ambos. Así, los sistemas pueden ser:

- Abiertos: Pueden intercambiar tanto energía (en forma de trabajo y/o calor) como materia con su entorno.

- Cerrados. Solo pueden intercambiar energía con el ambiente, pero no materia.

- Aislados. No pueden inte4rcambiar energía ni materia.

El estado de equilibrio de un sistema es aquel en el cual las variables termodinámicas de estado se mantienen constantes.

El primer principio de la termodinámica se enuncia como:

Todo sistema posee una propiedad termodinámica, denominada energía interna, que toma un valor definido para cada estado y que aumenta cuando el sistema absorbe calor recibe trabajo.

ΔU = Q + W

 Donde ΔU es la variación de la energía interna del sistema; Q, el calor absorbido por el sistema, y W el trabajo recibido por el sistema.

Calor y trabajo son mecanismos de transferencia energética, pero no son tipos de energía. El trabajo se basa en el uso de una fuerza y el calor se debe a la diferencia de temperatura.

El segundo principio de la termodinámica dice que de forma natural o espontánea, el calor siempre fluye del foco caliente al foco frío. El proceso contrario nunca es espontáneo. O sea que es imposible construir una máquina térmica cuyo único resultado sea extraer calor de un foco térmico y convertirlo en trabajo.

Así, las máquinas frigoríficas, que son máquinas térmicas que funcionan a la inversa, extraen calor de algo que ya está frío para dárselo a algo que está más caliente, pero este proceso consume trabajo, no es espontáneo.

Dilatación térmica y propagación y efectos del calor

1. Dilatación térmica

La dilatación térmica es el aumento de volumen que experimenta un cuerpo material cuando se eleva tu temperatura. Afecta a todos los estados de agregación de la materia.

• Dilatación en sólidos
• Dilatación lineal: variación de la longitud que tiene lugar cuando una dimensión predomina sobre el resto, como en un hilo, una barra o un alambre: 
• l = l₀ . (1 + λ . ΔT)
• donde el coeficiente de dilatación lineal, , es un parámetro característico de cada material, que se mide en k^-1o ºC^-1 ; l₀ es la longitud inicial; l, la final, y ΔT=T-T₀, la variación de temperatura.
• Dilatación superficial: si una dimensión es mucho menor que las otras dos, como en láminas y planchas, se mide la variación de su área:
• S = S₀ . (1 + σ . ΔT)
• Dilatación cúbica: todas las dimensiones son similares:
• V = V₀ . (1 + φ . ΔT)
• Los coeficientes de dilatación superficial y cúbica, 1 y 1, se calculan a partir de 1, el coeficiente de dilatación lineal:
• σ = 2 . φ
• φ = 3. λ

• Dilatación en líquidos
• Es similar a la dilatación cúbica en solidos. Si 1 es el coeficiente de dilatación del líquido, resulta:
• V = V₀ . (1 + β . ΔT)
• Dilatación en gases
• El volumen de un gas varía tanto con la presión como con la temperatura. Para medir los cambios de volumen debidos a variaciones de temperatura, mantenemos constante la presión:
• V = V0 . (1 + β_p . ΔT)
• donde β_p vale igual para todos los gases: β_p =1/273,15 ºC^-1

^{2. Efectos y propagación del calor}

• Capacidad calorífica y calor específico

La relación entre la variación de temperatura, ΔT, y el calor intercambiado, Q, viene dada por la ecuación fundamental de la termología:

Q = C . ΔT

C es la capacidad calorífica del cuerpo. La capacidad calórica de un cuerpo es la cantidad de calor que tiene que intercambiar para que su temperatura varíe 1 kelvin. Se mide en J . K^-1o J. ºC^-1. Cuando el cuerpo está formado por una única sustancia, se utiliza la magnitud física llamada calor específico.

El calor específico , c, es la cantidad de calor que tiene que recibir la unidad de masa de esa sustancia para que su temperatura aumente 1 kelvin.

c = C/m

Q = m. c. ΔT

• Cambios de estado de agregación

 La característica térmica fundamental de los cambios de estado es que ocurren a temperatura constante, porque todo el calor ganado o perdido por el cuerpo se consume en dicho cambio.

En los cambios de estado interviene una cantidad de calor característica de cada sustancia llamada calor latente, L, o variación de entalpía.

Así, la fusión de 1 kg de hielo a 0ºC y 1 atm consume 335 kJ. Por tanto, L_fusión =335 kJ/kg es el calor latente de fusión del hielo. Como L se refiere a la unidad de masa, el calor global de un cambio de estado será: Q = m .L

• Propagación del calor

Cuando dos cuerpos intercambian energía térmica, el flujo de calor puede tener lugar por tres mecanismos: conducción, convección y radiación.

• Conducción. Se produce entre cuerpos en contacto o partes de un mismo cuerpo a distinta temperatura. Se basa en la transferencia directa de energía cinética a escala atómico-molecular.

• Convección. Precisa materia en forma fluida (gas o líquido). El calor se propaga por corrientes de convección. Es mucho más eficaz que la conducción.

• Radiación. No requiere presencia de una conexión material. Así llega a la Tierra la energía solar tras cruzarse el espacio vacío intermedio. Todos los cuerpos materiales emiten radiación térmica. Su naturaleza es electromagnética, como la luz, pero en general fuera de la zona visible del espectro. Solo cuerpos muy calientes como el Sol o el filamento de una bombilla emiten radiación visible a nuestros ojos. A temperaturas más bajas, la emisión es radiación infrarroja, no visible, pero que nos produce sensación de calor.

Escalas de temperatura

Para asignar valores numéricos a la temperatura se utilizan dos escalas de tipo práctico llamadas Celsius (centígrada) y Fahrenheit. Además de estas, se usa una escala en todo el mundo llamada Kelvin, termodinámica o absoluta.

En España y otros muchos países se usa la escala Celsius. En ella se asignan el valor 0 al punto normal de congelación del agua y el valor 100 al punto normal de ebullición del agua. Se llama centígrada porque contiene 100 grados entre estos dos puntos fijos. Se mide en grados Celsius, ºC.

En Estados Unidos, Gran Bretaña y otros países se usa la escala Fahrenheit, que asigna los valores 32 y 212 a los puntos de congelación y ebullición normales del agua, respectivamente. El intervalo se divide en 180 partes iguales en la que cada una es un grado Fahrenheit, ºF.

La escala Kelvin, cuya unidad no se llama grado sino kelvin, k, es la elegida para la magnitud física temperatura (T) en el Sistema Internacional de Unidades.

• Cero absoluto

La termodinámica predice la existencia de una temperatura mínima para todo cuerpo. Esta temperatura teórica correspondería al estado de la materia en el cual el movimiento atómico-molecular se ha reducido al mínimo posible.

Dicha temperatura, que es inalcanzable, recibe el valor de cero en la escala absoluta, Kelvin o termodinámica (0K). Este estado se denomina cero absoluto de temperatura. Una consecuencia muy importante es que en la escala kelvin no puede haber temperaturas negativas.

La expresión que relaciona la temperatura expresada en Kelvin, T, con la expresada en la escala centígrada, tC, es:

T=t_C+273,15

Por esta expresión, el cero absoluto se corresponde con:

0K (kelvin)   <----------->   -273,15º C (Celsius)   <----------->   -459,67º F (Fahrenheit)

Aunque exista una temperatura mínima, no existe una máxima. Las leyes termodinámicas no imponen ningún limite superior a la temperatura. Así, se calcula que el centro del Sol o de otras estrellas puede tener una temperatura de 10 millones de kelvin, o más.

Energía térmica

1. La energía térmica y el calor

El conocimiento de la verdadera naturaleza del calor se retrasó frente a su utilización técnica. Con el nombre de fuego, Empédocles y Aristóteles consideraron el calor como un de los cuatro elementos constituyentes de la materia. Mediante los trabajos de científicos como Rumford o Lord Kelvin se llegó al concepto moderno de calor, por medio de su relación con la energía térmica.

La energía térmica es aquella que poseen los cuerpos como consecuencia del movimiento interno de sus partículas constituyentes (átomos, iones o moléculas).
Con esta base se desarrolló en el siglo XIX la teoría cinético-molecular, esta dice que:

• Los gases están formados por partículas. Estas se mueven de forma continuada y al azar, chocando entre sí y contra las paredes del recipiente que las contiene, produciendo una presión interna.
• La temperatura del gas es la manifestación global de este movimiento microscópico. La energía cinética media de las partículas es proporcional a la temperatura a la que se encuentre el gas.

2. Temperatura y calor

La temperatura (Tª) indica el nivel térmico de los cuerpos. Si se ponen en contacto dos cuerpos, la energía térmica fluye siempre del de temperatura superior al de temperatura inferior.

El calor es la energía térmica que se transfiere de forma natural o espontánea entre dos cuerpos que están a diferente temperatura. Por tanto, el calor no es una forma de energía, sino una transferencia de energía.
Las unidades del calor son las mismas que las de la energía. En el Sistema Internacional, la unidad de calor es el julio (J).

Termómetros

La Tª es una magnitud estadística, un promedio, no puede medirse directamente. Sin embargo, existen magnitudes físicas que varían con la temperatura, como la altura de una columna líquida, la resistencia eléctrica, o el volumen y la presión de un gas. Estas magnitudes termométricas, son la base del funcionamiento de los termómetros.