Tensión superficial, capilaridad, calorimetría, dilatación, calor

Dr. Marco A. Castro Márquez

En un fluido cada molécula  interacciona con las que le rodean. El radio de acción de las fuerzas moleculares es relativamente pequeño, abarca a las moléculas vecinas más cercanas. Vamos a determinar de forma cualitativa, la resultante de las fuerzas de interacción sobre una molécula que se encuentra en

Tensión Superficial en los líquidos

A, el interior del líquido

B, en las proximidades de la superficie

C, en la superficie

Tensión Superficial en los líquidos

Tensión Superficial en los líquidos

Consideremos una molécula (en color rojo) en el seno de un líquido en equilibrio, alejada de la superficie libre tal como la A. Por simetría, la resultante de todas las fuerzas atractivas procedentes de las moléculas (en color azul) que la rodean, será nula.

Tensión Superficial en los líquidos

En cambio, si la molécula se encuentra en B, por existir en valor medio menos moléculas arriba que abajo, la molécula en cuestión estará sometida a una fuerza resultante dirigida hacia el interior del líquido.

Si la molécula se encuentra en C, la resultante de las fuerzas de interacción es mayor que en el caso B.

Tensión Superficial en los líquidos

La fuerzas de interacción, hacen que las moléculas situadas en las proximidades de la superficie libre de un fluido experimenten una fuerza dirigida hacia el interior del líquido.

Tensión Superficial en los líquidos

Como todo sistema mecánico tiende a adoptar espontáneamente el estado de más baja energía potencial, se comprende que los líquidos tengan tendencia a presentar al exterior la superficie más pequeña posible.

Tensión Superficial en los líquidos

Se puede determinar la energía superficial debida a la cohesión mediante el dispositivo de la figura.

Coeficiente de Tensión Superficial

Una lámina de jabón queda adherida a un alambre doblada en doble ángulo recto y a un alambre deslizante AB. Para evitar que la lámina se contraiga por efecto de las fuerzas de cohesión, es necesario aplicar una fuerza F al alambre deslizante.

Coeficiente de Tensión Superficial

La fuerza F es independiente de la longitud x de la lámina. Si desplazamos el alambre deslizante una longitud Δx, las fuerzas exteriores han realizado un trabajo FΔx, que se habrá invertido en incrementar la energía interna del sistema.

Coeficiente de Tensión Superficial

Como la superficie de la lámina cambia en ΔS=2d. Δx (el factor 2 se debe a que la lámina tiene dos caras), lo que supone que parte de las moléculas que se encontraban en el interior del líquido se han trasladado a la superficie recién creada, con el consiguiente aumento de energía.

Coeficiente de Tensión Superficial

Si llamamos a g la energía por unidad de área, se verificará que

la energía superficial por unidad de área o tensión superficial se mide en J/m2 o en N/m.

Coeficiente de Tensión Superficial

La tensión superficial depende de la naturaleza del líquido, del medio que le rodea y de la temperatura. En general, la tensión superficial disminuye con la temperatura, ya que las fuerzas de cohesión disminuyen al aumentar la agitación térmica.

Coeficiente de Tensión Superficial

La influencia del medio exterior se comprende ya que las moléculas del medio ejercen acciones atractivas sobre las moléculas situadas en la superficie del líquido, contrarrestando las acciones de las moléculas del líquido.

Coeficiente de Tensión Superficial

Tensión superficial de los líquidos a 20ºC

Coeficiente de Tensión Superficial

Líquido g (10-3 N/m)

Aceite de oliva 33.06

Agua 72.8

Alcohol etílico 22.8

Benceno 29.0

Glicerina 59.4

Petróleo 26.0

La capilaridad es una propiedad física del agua por la que ella puede avanzar a través de un canal minúsculo (desde unos milímetros hasta micras de tamaño) siempre y cuando el agua se encuentre en contacto con ambas paredes de este canal y estas paredes se encuentren suficientemente juntas.

Principio de capilaridad

Esta propiedad la conocemos todos pues es perfectamente visible cuando ponemos en contacto un terrón de azúcar con el café. El agua del café "invade" en pocos segundos los pequeños espacios de aire que quedan entre los minúsculos cristales de sacarosa del azucarillo.

Principio de capilaridad

Pues bien, esta misma propiedad es la que distribuye el agua por los micro-espacios de aire que quedan entre las partículas del suelo o sustrato.

Principio de capilaridad

Allí queda el agua retenida hasta que finalmente es encontrada por las raíces de las plantas siendo absorbida por unos pelillos que tienen las mismas, que son los encargados de cumplir con esta misión de absorción.

Principio de capilaridad

Principio de capilaridad

En la foto podemos ver una comparación entre el agua ,como sube por la propiedad de la capilaridad y el mercurio, que no tiene esta propiedad.

Principio de capilaridad

La calorimetría se encarga de medir el calor en una reacción química o un cambio físico usando un calorímetro. La calorimetría indirecta calcula el calor que los organismos vivos producen a partir de la producción de dióxido de carbono y de nitrógeno (urea en organismos terrestres), y del consumo de oxígeno.

Calorimetría

A cualquier temperatura sobre el cero absoluto, los átomos poseen distintas cantidadesde energía cinética por la vibración. Ya que los átomos vecinos colisionan entre sí, estaenergía se transfiere.

Temperatura y Energía Interna

Aunque la energía de los átomos individuales puede variar comoresultado de estas colisiones, una serie de átomos aislados del mundo exterior tiene una cantidad de energía que no cambia porque va pasando de átomo a átomo.

Temperatura y Energía Interna

Conceptualmente, la energía promedio por átomo puede calcularse dividiendo la energíatotal por el número de átomos.

Temperatura y Energía Interna

Aunque no conocemos la energía total de los átomos de un objeto, podemos medir el efecto de esa energía cinética promedio - se trata de la temperatura del objeto. Un aumento en la energía cinética promedio de los átomos del objeto se manifiesta como un aumento de temperatura y viceversa.

Temperatura y Energía Interna

Si un objeto se aísla del resto del universo, su temperatura se mantendrá constante. Si la energía entra o sale, la temperatura deberá cambiar. La energía moviéndose de un lugar a otro se llama calor y la calorimetría usa las mediciones de los cambios de temperatura para registrar el movimiento de calor.

Temperatura y Energía Interna

En física, el calor es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos,moléculas y otras partículas que forman la materia.

Calor

El calor puede ser generado por:reacciones químicas (como en la combustión), nucleares (como en la fusión nuclear de los átomos de hidrógeno que tienen lugar en el interior del Sol), disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) o por disipación mecánica (fricción).

Calor

Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cualdos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibre.

Calor

El calor puede ser transferido entre objetos por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos los mecanismos anteriores se encuentran presentes en mayor o menor grado.

Calor

Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es la transferencia de parte de dicha energía interna (energía térmica) de un sistema a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura.

Calor

Se dice que los cuerpos en contacto térmico se encuentran en equilibrio térmicocuando no existe flujo de calor de uno hacia el otro.

Esta definición requiere además que las propiedades físicas del sistema, que varían con la temperatura, no cambien con el tiempo.

Algunas propiedades físicas que varían con la temperatura son el volumen, la densidad y la presión.

Equilibrio Térmico

El parámetro termodinámico que caracteriza el equilibrio térmico es la temperatura.Cuando dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico, entonces estos cuerpos tienen la misma temperatura.

Equilibrio Térmico

El concepto de equilibrio térmico puede extenderse para hablar de un sistema o cuerpo en equilibrio térmico. Cuando dos porciones cualesquiera de un sistema se encuentran en equilibrio térmico se dice que el sistema mismo está en equilibrio térmico o que es térmicamente homogéneo.

Equilibrio Térmico

1.¿Qué relación crees que hay entre este hecho y las costumbres alimenticias de las diferentes regiones de nuestro país?

2.- ¿Sabes que temperatura mínima (en el medio externo) ha soportado un ser humano y no ha muerto?

3.- ¿Cuáles son las partes y funciones de un termo o calorímetro de mezclas?

Cuestionario

4. ¿ Por qué se pones una botella llena de agua a la congeladora ésta puede romperse?

5.-¿ Cuál es la diferencia entre calor y temperatura?

Cuestionario

Se denomina dilatación al cambio de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al cambio de temperatura que se provoca en ella por cualquier medio, permaneciendo su presión constante.

Dilatación

Según su naturaleza cada cuerpo posee lo que se llama coeficiente de dilatación térmica, cuyo símbolo es a y su unidad de medida es 1/°C o °C-1

Dilatación

Generalmente se observa la dilatación lineal al tomar un trozo de material en forma de barra o alambre de pequeña sección, sometido a un cambio de temperatura, el aumento que experimentan las otras dimensiones son despreciables frente a la longitud.

Dilatación

La dilatación es el cambio de cualquier dimensión lineal del sólido tal como su longitud, alto o ancho, que se produce al aumentar su temperatura. Generalmente se observa la dilatación lineal.

Dilatación

Al tomar un trozo de material en forma de barra o alambre de pequeña sección, sometido a un cambio de temperatura, el aumento que experimentan las otras dimensiones son despreciables frente a la longitud.

Dilatación

Si la longitud de esta dimensión lineal es Lo, a la temperatura to y se aumenta la temperatura a t, como consecuencia de este cambio de temperatura, que llamaremos Δt se aumenta la longitud de la barra o del alambre

Dilatación

produciendo un incremento de longitud que simbolizaremos como ΔL Experimentalmente se encuentra que el cambio de longitud es proporcional al cambio de temperatura y la longitud inicial.

Dilatación

Dilatación

Lo. Podemos entonces escribir:ΔL ∝ Lo. Δt o bien que

ΔL =αot. Lo. Δt

Dilatación

Donde α es un coeficiente de proporcionalidad, que denominado “coeficiente de dilatación lineal ”, y que es distinto para cada material. Por ejemplo: Si consideramos que el incremento de temperatura, Δt = 1ºC y la longitud inicial de una cierta pieza, Lo = 1 cm consecuentemente el alargamiento será: ΔL = α.1cm .1ºC

Capacidad Calorífica

La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta

Capacidad Calorífica

En una forma menos formal es la energía necesaria para aumentar 1 K la temperatura de una determinada cantidad de una sustancia, (usando el SI).

Capacidad Calorífica

Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica.

Capacidad Calorífica

Es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende, no solo de la sustancia, sino también de la cantidad de materia del cuerpo o sistema; por ello, es característica de un cuerpo o sistema particular.

Capacidad Calorífica

Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua de una piscina olímpica será mayor que la de un vaso de agua. En general, la capacidad calorífica depende además de la temperatura y de la presión.

Capacidad Calorífica

La capacidad calorífica no debe ser confundida con la capacidad calorífica específica o calor específico, el cual es la propiedad intensiva que se refiere a la capacidad de un cuerpo «para almacenar calor», y es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa del objeto.

Capacidad Calorífica

El calor específico es una propiedad característica de las sustancias y depende de las mismas variables que la capacidad calorífica.

Calor Específico

El calor específico es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius).

Calor Específico

En general, el valor del calor específico depende de dicha temperatura inicial. Se la representa con la letra c (minúscula).

Calor Específico

En forma análoga, se define la capacidad calorífica como la cantidad de calor que hay que suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). Se la representa con la letra C (mayúscula).

Calor Específico

Por lo tanto, el calor específico es la capacidad calorífica específica, esto es c = C/m donde “m”es la masa de la sustancia

Calor

Unidades de calorLa unidad de medida del calor en el Sistema Internacional es el joule (J). La caloría (cal) también se usa frecuentemente en las aplicaciones científicas y tecnológicas.

Calor

Unidades de calor específicoEn el Sistema Internacional de Unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramo y por kelvin (J·kg-1·K-1); otra unidad, no perteneciente al SI, es la caloría por gramo y por kelvin (cal·g-1·K-1).

Calor

Así, el calor específico del agua es aproximadamente 1 cal/(g·K) en un amplio intervalo de temperaturas, a la presión atmosférica; y exactamente 1 cal·g-1·K-1 en el intervalo de 14,5 °C a 15,5 °C (por la definición de la unidad caloría).

Equilibrio Térmico

Si en el universo se alcanzara el equilibrio y existiera en todos los lugares la misma temperatura eso supondría la muerte, la quietud, la falta de cambio.

Equilibrio Térmico

Todos los cuerpos tienen una energía llamada energía interna. La cantidad de energía interna de un cuerpo es muy difícil de establecer ya que las partículas que forman un cuerpo tienen energías muy variadas.

Equilibrio Térmico

Tienen energías de tipo eléctrico, de rotación, de traslación y vibración debido a los movimientos que poseen, energías de enlace (que pueden dar posibles reacciones químicas) e incluso energía al desaparecer la materia y transformarse en energía ΔE=mc2 ....

Equilibrio Térmico

Al poner en contacto dos cuerpos a distinta temperatura, el de mayor temperatura cede parte de su energía al de menos temperatura hasta que sus temperaturas se igualan. Se alcanza así lo que llamamos "equilibrio térmico".

Equilibrio Térmico

La energía calorífica (calor) no pasa del cuerpo que tiene más energía al que tiene menos sino del que tiene mayor temperatura al que la tiene menor

Equilibrio Térmico

Los mares (los océanos están intercomunicados) pueden ceder mucha más energía calorífica que mi cuerpo. El mar es capaz de fundir un iceberg y sus aguas apenas se enfrían unos grados.

Equilibrio Térmico

Yo, con el calor que puedo desprender en todos los días de mi vida (parte de las 2.100.000 calorías que consumo al día) fundiría muy pocas toneladas de iceberg.

Equilibrio Térmico

Puede ceder mucho más calor el mar que mi cuerpo.Pero si me sumerjo en el agua de mar el calor pasa de mi cuerpo al mar. El calor fluye desde los cuerpos que están a más temperatura a los que están a temperatura menor.

Cambio de fase

Para poder estudiar los procesos físicos o químicos, los investigadores suelen crear sistemas aislados donde es posible someter a la materia a observación controlando diferentes variables que pueden influir en su comportamiento.

Cambio de fase

Un sistema es cualquier porción del universo aislada en un recipiente inerte para estudiar las variables sobre el contenido del sistema. De acuerdo a las relaciones que se establecen entre un sistema y sus alrededores los sistemas se pueden clasificar en:

Cambio de fase

Cambio de faseSistema Abierto: es aquel sistema que intercambia materia y energía con sus alrededores. Un ejemplo de sistema abierto es un líquido colocado en un recipiente abierto a la atmósfera.

Cambio de faseSistema cerrado: es un sistema que puede recibir o ceder energía, pero no puede intercambiar materia. Un ejemplo de sistema cerrado puede ser un recipiente cerrado al cual se le aplican variaciones de temperatura. El ganará o perderá energía, pero su masa permanecerá constante.

Cambio de fase

Cambio de fase

Sistema aislado: en este tipo de sistema no existe intercambio de energía con sus alrededores. Como ejemplo de este sistemas se encuentran los sistemas al vacío donde se producen reacciones aisladas del medio que las rodea.

Cambio de fase

Cambio de faseElementos de un sistema: Componentes, fases y entorno. Componentes: en un sistema puede estar presente uno o más componentes. Por ejemplo; un sistema conformado por un componente sería un vaso con aceite.

Cambio de faseSi se coloca en el mismo recipiente, vinagre, el sistema estará conformado por 2 componentes: aceite y vinagre. Los componentes pueden encontrarse en estado gaseoso, líquido o sólido, en el ejemplo ambos componentes se presentan en estado líquido y conforman 2 fases.

Cambio de fase

Las fases son porciones homogéneas de un sistema que pueden diferenciarse físicamente y separarse mecánicamente. El entorno de un sistema se refiere a todo aquello que le rodea y que tiene influencia sobre el comportamiento de sus componentes.

Cambio de fase

Cuando se estudia un sistema se describen sus propiedades o variables de estado. Por ejemplo: si se tienen dos recipientes, uno que contiene 2 litros de agua líquida (l) y otro que contiene 10 g de hielo (s). Se indicarán las variables que permiten que el estado de la materia se mantenga:

Cambio de fase

T= 25ºC , Presión = 1 atm, H 2 O =Líquido

T= 0ºC , Presión = 1 atm, H 2 O =Sólida

Cambio de fase

Cambios de Estado y Energía asociada:Los cambios de estado de un elemento o sustancia son posibles gracias a la fusión que es el paso de una sustancia sólida a estado líquido. Esto se logra cuando el calor vence, en parte, a las fuerzas de atracción que mantienen unidas las moléculas del sólido, la energía calórica aumenta la velocidad de las moléculas de un sólido haciendo que éstas pierdan su orden inicial.

Cambio de fase

Cambio de fase

La solidificación o congelación: es el proceso inverso de la fusión donde se desprende el calor que permite que la sustancia se solidifique, es decir, donde las moléculas de la sustancia pierden su movimiento encontrándose en un estado de orden casi total y donde el movimiento entre las moléculas es la vibración.

Cambio de fase

Cambio de fase

La Evaporización: es el proceso que permite que una sustancia en estado líquido se convierta en gas.

La Condensación: es el proceso inverso a la vaporización ya que el gas pasa al estado líquido

Cambio de fase

La sublimación: es el paso del estado sólido al estado gaseoso

Todos estos procesos traen como consecuencia la transferencia de energía dando lugar a reacciones exotérmicas las cuales liberan calor o reacciones endotérmicas las cuales requieren de calor.

Cambio de fase

En un sistema es posible mantener diferentes condiciones constantes entre ellas la presión y así observar el comportamiento de una sustancia al aplicar una temperatura determinada. Los ensayos de este tipo han permitido conocer el punto de fusión (p.f.) y el punto de ebullición (p.e.)

Cambio de fase

 

Cambio de fase

 

El punto de fusión: es la temperatura en que una sustancia puede coexistir en equilibrio en los estados sólido y líquido a una presión constante de 750 mmHg.

En el punto de fusión la sustancia puede absorber calor adicional pero la temperatura no aumenta, ya que toda la energía añadida se usa para vencer las fuerzas de atracción que mantienen a las moléculas en sus posiciones fijas en el estado sólido.

Cambio de fase

 

El punto de ebullición: es la temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido es igual a la presión atmosférica. Esa temperatura siempre es la misma para un líquido en particular.

Cambio de fase

 

El punto de ebullición: es la temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido es igual a la presión atmosférica. Esa temperatura siempre es la misma para un líquido en particular.

Cambio de fase

   

Cambio de fase

   

Si se calienta una cantidad determinada de hielo en un recipiente inicialmente a -20ºC hasta transformarlo totalmente en vapor y se mide la temperatura cada cierto tiempo se obtiene la siguiente gráfica denominada curva de calentamiento:

Cambio de fase

   

Equivalente mecánico del calor

   

Equivalente mecánico del calor

   

Joule, en 1845, demostró experimentalmente que la energía mecánica en un proceso es equivalente a la cantidad de calor producido. Para ello realizó la experiencia mostrada en el dibujo de arriba. Al caer las dos pesas, hacían girar unas aspas unidas al eje, removiendo el agua contenida en el recipiente (calorímetro).

Equivalente mecánico del calor

   

Al caer los cuerpos de masa m desde una altura h, el trabajo realizado es: W = 2 m · g · h.El eje se pone en movimiento y las aspas mueven el agua. La cantidad de calor producida se puede calcular midiendo el aumento de temperatura del agua, y sería:Q= m · ce · (T2 - T1)

Equivalente mecánico del calor

   

Con esta experiencia, Joule demostró que siempre que se realizaba una misma cantidad de trabajo, se obtenía la misma cantidad de calor: W = Q.La relación entre la cantidad de calor producido y el trabajo realizado es una constante llamada equivalente mecánico del calor.Si expresamos el calor en calorías y el trabajo en julios:1 cal = 4,18 Jy la relación inversa es:1 J = 0,24 cal