MINISTERIODE EDUCACIÓN

Fase 2, semana 1

Estudiantes 1.er año de bachillerato

Guía de continuidad educativa

Ciencias Naturales

1 | Ciencias Naturales Guía de autoaprendizaje 1.er año de bachillerato

Unidad 4. La termodinámica Fase 2, semana 1

Contenido

• Ley cero de la termodinámica • Escalas de temperatura • Efectos del calor en la dilatación de sólidos y líquidos • Cambios de fases

Evaluación sugerida Resolución de problemas (100%)

Orientación sobre el uso de la guía Esta guía es un resumen de los contenidos y actividades que se desarrollan de forma virtual por el MINED

(www.mined.gob.sv/emergenciacovid19/), incluyendo las tareas sugeridas para la semana. Tu docente podrá revisar estas tareas en el formato que se te indique.

A. ¿Qué debes saber?

1. Introducción En la vida cotidiana utilizamos los términos de calor y temperatura indistintamente, que a veces pasan

desapercibidos. Pero, ¿sabemos realmente qué es el calor?, ¿qué es la temperatura?, ¿cuáles escalas se

utilizan para medir la temperatura?, y ¿cómo esos

cambios de temperatura afectan las dimensiones de los objetos? Continúa leyendo y aprenderás sobre

estos y otros conceptos muy prácticos.

2. Ley cero de la termodinámica Hoy en día sabemos que la temperatura es una medida del movimiento y del estado de vibración de las partículas

que componen a todos los cuerpos de la naturaleza. Sin

embargo, se reconoce que dicha definición se originó en un principio por la necesidad de medir las sensaciones de

calidez y frialdad de los cuerpos.

Ahora bien, cuando dos cuerpos a diferente

temperatura se ponen en contacto físico se produce como consecuencia de esa desigualdad un proceso de

transferencia de energía térmica del cuerpo que tiene

mayor temperatura hacia el de menor temperatura. Es entonces esta energía térmica la que denominamos

calor, que continuará transfiriendo por un tiempo

hasta que se establezca el estado de equilibrio térmico, el cual ocurrirá cuando ambos cuerpos

alcancen la misma temperatura.

Entendidos ambos conceptos, la ley cero de la termodinámica establece que, si inicialmente dos cuerpos A y C están en equilibrio térmico y a su vez C

está en equilibrio térmico con un tercer cuerpo B,

entonces A y B están también en equilibrio térmico (Fig. 1).

Figura 1. Los cuerpos A y B están separados mediante un aislante, pero se encuentran en contacto y en equilibrio térmico con el cuerpo C.

De la figura anterior, imagina que el cuerpo B ahora es un termómetro que se encuentra en contacto con C,

y este a la vez con A. Entonces, ¿qué sucede con esta

interacción? ¿Cuál es la lectura del termómetro una vez transcurra un lapso de tiempo? Como lo pensaste,

cuando se alcanza el punto de equilibrio térmico, B medirá la temperatura no solo de C si no la de A

también porque ambos cuerpos tienen en realidad la

misma temperatura.

3. Escalas de temperatura Los termómetros son instrumentos que se aprovechan de la variación en ciertas propiedades medibles de un

cuerpo que acompañan a los cambios de temperatura en el mismo, como el volumen en un líquido, o la

presión en un gas. Los termómetros se calibran de

manera que se les pueda asignar un valor numérico o escala a una temperatura. Las escalas de temperatura

más conocidas y utilizadas son: Celsius (°C), Fahrenheit (°F) y Kelvin (K). La escala Celsius es el resultado de dividir en cien intervalos iguales la distancia entre el nivel "0" y "100"

del líquido de un termómetro a la temperatura de

congelación y ebullición del agua pura. Por otro lado, la escala Fahrenheit tiene valores de 32.0 °F para la

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temperatura de condensación y de 212 °F para la temperatura de ebullición. Las relaciones de

conversión entre las dos escalas son:

𝑇! =95𝑇" + 32°

𝑇" =59 (𝑇! − 32°)

La escala de temperatura Kelvin tiene como base una temperatura hipotética de referencia de -273.15 °C, en

la que la presión absoluta del gas es cero. Esta resulta

de extrapolar la recta graficada entre las temperaturas de 0 °C y 100 °C. La temperatura Kelvin y Celsius se

relacionan de la siguiente manera: 𝑇# = 𝑇" + 273.15

Ejemplo 1. La temperatura normal de una persona es

de 37.0 °C. ¿A cuánto equivale en Kelvin y en

Fahrenheit?

Solución. Identificamos la ecuación necesaria para la

conversión de Kelvin a Celsius y sustituimos de la siguiente manera:

𝑇# = 𝑇" + 273.15𝑇# = 37.0 + 273.15𝑇# = 310.15𝐾

Para convertir de Celsius a Fahrenheit:

𝑇! =95𝑇" + 32°

𝑇! = (1.80)(37.0°) + 32° = 66.6° + 32.0°𝑇! = 98.6°𝐹

4. Efectos del calor en la dilatación de sólidos y

líquidos Durante un proceso de expansión térmica y

correspondiente aumento de temperatura, cada átomo incrementa tanto su energía como su amplitud de

vibración y, en consecuencia, se separan, aumentando

las dimensiones del cuerpo. En los sólidos, por ejemplo, la dilatación suele ser volumétrica, es decir, el cuerpo se

expande en todas las direcciones. No obstante, dependiendo de las dimensiones del cuerpo, también

podemos considerar una dilatación lineal o superficial.

Por ejemplo, una barra cuya sección transversal es despreciable frente a su longitud puede exhibir una

dilatación lineal, y una lámina rectangular cuyo espesor

es despreciable en comparación a su superficie puede presentar una dilatación superficial. Por otro lado, la

dilatación en los líquidos se debe a que las fuerzas de atracción entre las moléculas son menores que en las de

los sólidos, entonces, cuando existe un incremento de

temperatura, tienden a tener una mayor dilatación. Esto

representa un caso aplicable que ha permitido construir los reconocidos termómetros de vidrio y líquido, en los

cuales podemos apreciar una variación rápida en la

columna del líquido con el aumento de temperatura.

5. Cambios de fase El término cambio de fase lo utilizamos para describir la transición entre una fase y otra. Dicho cambio es

posible por la intervención del calor latente (L). Por ejemplo, para producir un cambio de fase en una masa

m de material con un calor latente L se requiere una

cantidad de calor Q (transferencia de calor en un cambio de fase) dada por:

𝑄 = ±𝑚𝐿

La variación en los signos se relaciona con la adición

(+) o reducción (-) de calor durante el proceso.

En el cambio de fase de líquido a vapor se identifican los procesos de evaporación y ebullición. Así, cuando has

dejado secar al exterior una prenda mojada habrás

notado que al transcurrir un lapso de tiempo esa prenda se secó, es decir, el líquido se evaporó a temperatura

ambiente. Este fenómeno ocurre cuando aumenta la

temperatura y las moléculas que conforman al cuerpo adquieren la energía necesaria para vencer las fuerzas de

atracción entre las partículas y escapan pasando a integrar una fase gaseosa, que se pueden incorporar en

el ambiente, como en el caso del agua como vapor disperso en la atmósfera. Por otro lado, cuando la temperatura alcanza ciertos valores específicos a su

punto de ebullición se forma en toda la masa del líquido

burbujas que se elevan hacia la superficie, entonces el líquido entra en ebullición y cambia de fase. En ese

proceso de ebullición en algún momento habrás notado que el agua puede alcanzar en unos minutos la

temperatura de ebullición, pero tarda mucho más tiempo

en evaporarse completamente. Lo anterior sucede porque el calor latente de vaporización a presión

atmosférica es de 2.26 × 10$𝐽/𝑘𝑔 y para convertir 1.00

kg de agua líquida a 100 °C en 1.00 kg de vapor de agua

se requerirá una transferencia de calor de 𝑄 = 2.26 ×10$𝐽. Por el contrario, para elevar la temperatura de 1.00

kg de agua desde 0 °C hasta 100 °C, como lo que sucede en el proceso de ebullición, se requiere de 𝑄 =4.19 × 10&𝐽, el cual resulta ser menos de la quinta parte

del calor necesario para la vaporización a 100 °C; sin embargo, es la requerida para realizar el cambio de

temperatura y alcanzar la ebullición, por lo que se

requerirá entonces más tiempo para alcanzar la vaporización.

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El proceso contrario al anterior corresponde a la condensación, donde se produce un cambio de fase

de vapor a líquido. Esto ocurre cuando las moléculas

que se encuentran en una fase gaseosa no logran mantenerse así debido a la poca energía que

mantienen, con lo que comienzan a formar gotas de

líquido hasta formar una masa líquida mayor.

El cambio de fase de sólido a líquido se conoce como fusión, en la cual, a medida que la temperatura de un

sólido aumenta hasta su punto de fusión, los átomos

incrementan su amplitud de vibración, con lo que la red cristalina tiende a desarmarse. Un ejemplo de ello

es el que observamos al agregar calor al hielo, el cual,

se funde para formar agua líquida. El proceso inverso se llama solidificación. Finalmente, el cambio directo de una fase sólida a vapor se conoce como

sublimación, como el que le sucede a la naftalina o al alcanfor, y sublimación inversa al cambio de una fase

gaseosa a sólida, como cuando se forma hielo, nieve o escarcha a partir del vapor de agua.

B. Ponte a prueba

1. Si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, entonces los dos primeros están en equilibrio térmico entre sí. A este postulado se llama: a. Primera ley de la termodinámica. b. Ley cero de la termodinámica.

c. Equilibrio térmico.

2. La transferencia de energía térmica como

consecuencia de una diferencia de temperatura se define como: a. Calor.

b. Energía interna. c. Temperatura.

3. A la medida del movimiento y del estado de vibración de las partículas que componen a todos los cuerpos de la naturaleza se le conoce como: a. Temperatura

b. Equilibrio térmico

c. Escala de temperatura

4. A la escala que resulta de dividir en cien intervalos iguales la distancia entre el nivel "0" y "100" del líquido de un termómetro a la temperatura de congelación y ebullición del agua se le denomina: a. Escala Celsius. b. Escala Fahrenheit.

c. Escala Kelvin.

5. Al proceso que involucra un cambio de fase de

líquido a gas se le llama: a. Evaporación

b. Condensación

c. Sublimación

C. Tareas de la semana

Resuelve de forma clara y ordenada cada uno de los siguientes problemas (100%): 1. Si se introduce un termómetro en una olla de agua

caliente y se registra la lectura de aquel, ¿qué

temperatura se registrará?

2. Ordene de mayor a menor las siguientes temperaturas: 0.00 °C, 0.00 °F, 260 K, 77.0 K, y -

180 °C.

3. En un recetario se indica que un pastel se debe hornear a 450 °F. ¿A cuántos grados Celsius debe

calentarse el horno? ¿Cuánto equivale en grados Kelvin?

4. El oro se funde a 1336 K. Expresa esta temperatura en grados Celsius y en Fahrenheit.

5. Si coloca un trozo de hielo en su boca y

transcurrido un tiempo toda el agua cambia de temperatura de 32.0 °F a la temperatura corporal

de 98.6 °F. Exprese estas temperaturas como °C y

K.

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D. ¿Saber más?

Si deseas ahondar más sobre los temas antes desarrollados, puedes consultar en los siguientes enlaces:

• Temperatura: https://bit.ly/2M9qjFI

• La ley cero de la termodinámica: https://bit.ly/2NOZrvC • Cambios de fase y calor: https://bit.ly/3ckm1qd

E. Respuestas de la prueba

1: b

2: a

3: a 4: a

5: a

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