RESUMEN DE LOS CONCEPTOS DE CALORIMETRÍA Y TERMODINÁMICA

CALOR: Es un flujo de energía que procede desde un cuerpo que está a mayor temperatura hacia otro que está a menor temperatura para alcanzar el equilibrio térmico, es decir, ambos cuerpos llegan a tener la misma temperatura. Los cuerpos no poseen calor, sino energía interna. El calor es energía en movimiento. La unidad de calor es la caloría.

Para saber la cantidad de calor que un cuerpo gana o cede se utiliza la fórmula

Q = m . Ce . ∆t

La ecuación que se usa cuando dos cuerpos de diferentes temperaturas se ponen en contacto es:

Q1 + Q2 = 0

¿Es posible que una masa determinada de alguna sustancia absorba calor y no aumente su temperatura? La respuesta es sí. En el caso de los cambios de estado, por ejemplo el pasaje de agua líquida a vapor de agua, la energía absorbida se está utilizando para romper los puentes de hidrógeno que mantienen unidas a las moléculas de agua en el estado líquido. La temperatura permanece constante e igual a 100°C durante este lapso de tiempo hasta que todo el líquido se ha convertido en gas. A esta temperatura se la llama punto de ebullición del agua y al calor absorbido en esta instancia calor latente de evaporación.

CALOR ESPECÍFICO: es la energía que hay que entregar a un gramo de cualquier sustancia para que su temperatura suba 1 °C. El calor específico es propio de cada material y del estado físico en que éste se encuentre. Las unidades son calorías/gramo.°C.

CALORÍA: Es la energía que debo entregar a un gramo de agua para que su temperatura suba un grado centígrado. Esa energía es equivalente a 4,18 Joule.

ENERGÍA INTERNA: Es el total de todas las energías que una sustancia contiene, es decir, es la suma de las energías de todas las partículas de un cuerpo. Incluye a la energía cinética de

traslación de las moléculas, energía cinética de rotación de las moléculas, energía cinética debida a los movimientos internos de los átomos dentro de las moléculas y la energía potencial debida a las fuerzas que se ejercen entre las moléculas. SI depende del número de partículas presentes en el cuerpo.

TEMPERATURA: Desde el punto de vista microscópico es una medida del movimiento o agitación de las partículas que constituyen un cuerpo. A mayor temperatura, mayor agitación. La temperatura NO depende del número de partículas que se mueven, sino de su velocidad PROMEDIO de traslación (movimiento a lo largo de trayectorias rectas o curvas). NO depende, por lo tanto, de la masa total de un cuerpo. Hay que remarcar el hecho de que la temperatura NO es una medida de la energía cinética TOTAL de las moléculas de una sustancia: hay dos veces más energía cinética en dos litros a 80°C que en un litro, pero la temperatura de ambos volúmenes de agua es la misma porque la energía cinética promedio de las moléculas es la misma en cada caso.

TERMÓMETRO: Es un instrumento que sirve para medir la temperatura. Los termómetros constan de:

a) Un tubo de vidrio con un bulbo en la base que contiene a la sustancia térmica.b) Una sustancia térmica capaz de cambiar apreciablemente alguna de sus características

físicas: propiedad térmica observable, por ejemplo el volumen, ante pequeños cambios de temperatura.

c) Una escala de referencia con un punto inferior de referencia y un punto superior de referencia dado por una sustancia de referencia.

Vamos a trabajar con tres tipos de termómetros y sus respectivas escalas:

I – Escala Celsius o Centígrada

Sustancia térmica mercurio Propiedad térmica dilatación del mercurio. Sustancia de referencia para establecer la escala el agua

- Punto superior punto de ebullición del agua, que se le asigna un valor de 100°C.- Punto inferior punto de fusión del agua, que se le otorga el valor de 0°C.

II – Escala Fahrenheit

Sustancia térmica mercurio Propiedad térmicadilatación del mercurio Sustancias de referencia: el agua y una mezcla de sal con hielo (salmuera)

- Punto superior punto de ebullición del agua, que se le asigna un valor de 212°F.- Punto inferior punto de fusión de la salmuera, que se le asigna el valor de cero °F.

III – Escala Kelvin : mide temperaturas reales de las sustancias, es decir, la agitación media de las partículas, a diferencia de las otras escalas, las cuales se basan en el intercambio de calor entre el cuerpo cuya temperatura se quiere medir y la sustancia térmica, la cual se dilata o contrae de acuerdo a este intercambio, hasta alcanzar el equilibrio térmico. Esta escala admite la mínima temperatura posible, los cero Kelvin: cero absoluto teórico, en la cual las partículas tienen la mínima energía posible por lo cual las partículas carecen de movimiento. Así, la escala Kelvin, no admite temperaturas negativas.

IV –Termómetros de alcohol:

Sustancia térmica alcohol coloreado (con un colorante para que pueda ser distinguido) Propiedad térmica dilatación del alcohol. Sustancia de referencia: el etanol. Tiene la ventaja de registrar temperaturas desde - 112

°C (punto de congelación del etanol, el alcohol empleado en él) hasta 78 °C (su punto de ebullición), cubriendo por lo tanto toda la gama de temperaturas que hallamos normalmente en nuestro entorno.

MODOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

- Conducción : Hay contacto entre los cuerpos y la energía se transfiere molécula a molécula. Sólo se transfiere energía

- Convección : Hay transferencia de energía y materia. Ejemplo, en los vientos- Conducción : A través de de la radiación electromagnética, por ejemplo, los rayos del

sol.

Conducción

Si calientas una varilla de cobre por un extremo, en poco tiempo toda la varilla se habrá calentado.

¿Cómo se produce la conducción? Al calentar el extremo de la varilla, sus átomos empiezan a agitarse y a moverse más deprisa, aumentando su energía cinética. Estos átomos comienzan a chocar con los átomos vecinos, a los que comunican parte de su energía, y así sucesivamente, hasta que la energía térmica se transmite al otro extremo de la varilla.

Si en lugar de una varilla de cobre empleamos una de plástico, lo más probable es que el extremo calentado se derrita.

La distinta capacidad de las sustancias para conducir el calor recibe el nombre de conductividad térmica y permite distinguir entre materiales conductores y aislantes térmicos.

En la conducción se transmite energía térmica, pero no materia.

El proceso por el que se transmite calor de un punto a otro de un sólido se denomina conducción.

Convección.

Cuando pones a calentar un recipiente con agua, esta empieza a calentarse por el fondo. Al aumentar su temperatura, el agua del fondo se dilata y se hace menos densa (hay menos moléculas por unidad de volumen). Como el agua superficial está más fría, es más densa y desciende, mientras que el agua caliente del fondo asciende. Entonces, el agua que ha descendido se calienta y la que ha ascendido se enfría algo.

La transmisión de energía térmica se produce así mediante las llamadas corrientes de convección, o corrientes de ascenso y descenso del fluido.

Los radiadores que se emplean para calentar una habitación, el funcionamiento de un circuito de calefacción en una vivienda o la existencia de brisas y vientos se basan en las corrientes de convección.

En la convección, se transmite energía térmica mediante el transporte de materia.

La convección es el proceso por el que se transfiere energía térmica de un punto a otro de un fluido (líquido o gas) por el movimiento del propio fluido.

En la convección, se transmite energía térmica mediante el transporte de materia.

Radiación

La radiación es el proceso por el que los cuerpos emiten energía que puede propagarse por el vacío.

DILATACIÓN: Cambio de dimensiones que experimentan los sólidos, líquidos y gases cuando se varía la temperatura, permaneciendo la presión constante. La mayoría de los sistemas aumentan sus dimensiones cuando se aumenta la temperatura.

¿POR QUÉ SE DILATAN LAS SUSTANCIAS CON LA TEMPERATURA?

Todos los sólidos, líquidos y gases se dilatan cuando se calientan, e inversamente se encogen al enfriarse. La temperatura no es más que la expresión del grado de agitación de las partículas o moléculas de una sustancia. Cuando se da calor a un sólido se está dando energía a sus moléculas; éstas, estimuladas, vibran más enérgicamente. Es cierto que no varían de volumen; pero se labran un espacio más grande para su mayor oscilación, de manera que al aumentar la distancia entre molécula y molécula el sólido concluye por dilatarse.

Dilatación de los sólidos

A) Dilatación lineal

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 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. 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 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. Lo. Podemos entonces escribir:

ΔL =αot. Lo. Δt

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

Si efectuamos el análisis dimensional, advertimos que las unidades de α, estarán dadas por:

α = cm / cm. ºC = 1/ºC o bien ºC-1 ( grado -1). Así, el coeficiente de dilatación lineal es un valor propio para cada material que me dice lo que varió la longitud con respecto a su longitud inicial cuando aumentó 1°C la temperatura:

α = ΔL/L0

α = Lf – L0 / L0

Sus unidades son 1/°C que es lo mismo que decir °C-1

SUSTANCIA α ºC-1 SUSTANCIA α ºC-1

Plomo 29 x 10-6 Aluminio 23 x 10-6

Hielo 52 x 10-6 Bronce 19 x 10-6

Cuarzo 0,6 x 10-6 Cobre 17 x 10-6

Hule duro 80 x 10-6 Hierro 12 x 10-6

Acero 12 x 10-6 Latón 19 x 10-6

Mercurio 182 x 10-6 Vidrio (común) 9 x 10-6

Oro 14 x 10-6 Vidrio (pirex) 3.3 x 10-6

* En el intervalo de 0ºC a 100ºC, excepto para el hielo, que es desde – 10ºC a 0ºC.

B) Dilatación superficial

Si en vez de considerar una de las dimensiones, es decir longitudes, considero dos de las dimensiones del cuerpo sólido, voy a estar midiendo la dilatación superficial, es decir por ejemplo que si tengo un cuerpo sólido en forma de cubo si yo considero la dilatación lineal estaría viendo cuanto aumentó la longitud de cualquiera de sus aristas, pero si estoy midiendo la dilatación superficial me voy a fijar cuanto aumentaron de tamaño cada una de sus caras.

La fórmula que se utiliza es la siguiente:

ΔS = S0 . β . ΔTdonde β es el coeficiente de dilatación superficial y es igual a dos (2) veces el coeficiente

de Dilatación Lineal

β = 2 . α

Las unidades del coeficiente de dilatación superficial son iguales a las del coeficiente de dilatación lineal : 1/°C.

C) Dilatación volumétrica Si considero al cuerpo entero, es decir sus tres (3) dimensiones voy a estar midiendo la

dilatación volumétrica con respecto al aumento de temperatura.

La fórmula que utilizo es:

ΔV = V0 . ɣ . ΔTDonde ɣ es el coeficiente de dilatación volumétrica que es igual a tres (3) veces α.

ɣ = 3 . α

El coeficiente de dilatación volumétrica tiene las mismas unidades que el coeficiente de dilatación lineal y superficial : 1/°C

Dilatación en líquidos

Los líquidos se caracterizan por no tener forma propia sino que adquieren la forma del recipiente que los contiene. Por lo tanto es prácticamente imposible medir una dilatación lineal o superficial. Por esto los líquidos solamente van a experimentar dilatación volumétrica.

La fórmula que se utiliza es la misma que la de dilatación volumétrica de sólidos:

ΔV = V0 . ɣ . ΔTLa diferencia con respecto a los sólidos es que el coeficiente de dilatación volumétrica ɣ

no va a ser igual a 3* α, ya que el coeficiente de dilatación lineal no existe en líquidos. Tendremos entonces una tabla con valores de ɣ para líquidos.

Material Coeficiente (1/°C) Material Coeficiente (1/°C)

AguaAguarrás

Alcohol EtílicoBencina

Eter

0,000180,001

0,00110,001

0,0016

GlicerinaMercurioPetróleoTolueno

0,00050,000182

0,0010,00108

En este tema tenemos que tener en cuenta dos conceptos fundamentales, a saber:

a) Dilatación real : Al calentar un líquido dentro de un recipiente tenemos que se produce dilatación del líquido pero también del recipiente sólido que lo contiene. Si consideramos que el recipiente está completamente lleno, una dilatación del líquido va a producir un derrame del mismo. La dilatación real del líquido es “el volumen de líquido derramado más la dilatación del recipiente”.

b) Dilatación aparente: Es únicamente el volumen del líquido derramado, sin considerar la dilatación del recipiente.