Energía interna La magnitud que designa la energía almacenada por un sistema de partículas se denomina energía interna (U). La energía interna es el resultado de la contribución de la energía cinética de las moléculas o átomos que lo constituyen, de sus energías de rotación, traslación y vibración, además de la energía potencial intermolecular debida a las fuerzas de tipo gravitatorio, electromagnético y nuclear. La energía interna es una función de estado: su variación entre dos estados es independiente de la transformación que los conecte, sólo depende del estado inicial y del estado final. Como consecuencia de ello, la variación de energía interna en un ciclo es siempre nula, ya que el estado inicial y el final coinciden: Energía interna de un gas ideal Para el caso de un gas ideal puede demostrarse que la energía interna depende exclusivamente de la temperatura, ya en un gas ideal se desprecia toda interacción entre las moléculas o átomos que lo constituyen, por lo que la energía interna es sólo energía cinética, que depende sólo de la temperatura. Este hecho se conoce como la ley de Joule. La variación de energía interna de un gas ideal (monoatómico o diatómico) entre dos estados A y B se calcula mediante la expresión: donde n es el número de moles y Cv la capacidad calorífica molar a volumen constante. Las temperaturas deben ir expresadas en Kelvin. Para demostrar esta expresión imaginemos dos isotermas caracterizadas por sus temperaturas TA y TB como se muestra en la figura. Un gas ideal sufrirá la misma variación de energía interna (ΔUAB) siempre que su temperatura inicial sea TA y su temperatura final TB, según la Ley de Joule, sea cual sea el tipo de proceso realizado. Elijamos una transformación isócora (dibujada en verde) para llevar el gas de la isoterma TA a otro estado de temperatura TB. El trabajo realizado por el gas es nulo, ya que no hay variación de volumen. Luego aplicando el Primer Principio de la Termodinámica: El calor intercambiado en un proceso viene dado por: siendo C la capacidad calorífica. En este proceso, por realizarse a volumen constante, se usará el valor Cv (capacidad calorífica a volumen constante). Entonces, se obtiene finalmente: Esta expresión permite calcular la variación de energía intena sufrida por un gas ideal, conocidas las temperaturas inicial y final y es válida independientemente de la transformación sufrida por el gas. Máquina térmica Una máquina térmica es un dispositivo que realiza un trabajo mediante un proceso de paso de energía desde un foco claiente hasta un foco frio. Las máquinas térmicas o motores térmicos aprovechan una fuente de energía para realizar un trabajo mecánico. La energía transferida como calor a la máquina no puede a su vez ser transferida integramente por esta como trabajo: una parte de la energía debe ser transferida como calor. por ello las  máquinas térmicas constan de dos partes:  Un foco caliente, que cede enregía a la máquina mediante calor.  Un foco frío, que recibe energía de le máquina también mediante calor. Máquina de vapor: Fue la máquina térmica más utilizada hasta el siglo XX. La energía obtenida al quemar el combustible (gas, petróleo, carbón...) se emplea en calentar agua hasta convertirla en vapor. Este vapor desplazaba el émbolo, realizando asi un trabajo. Se utilizaban mucho en las locomotoras de vapor para el ferrocarril, pero en la actualidad ya no se usan tanto.                                                                                                                                                                                        Turbinas de vapor:Las turbinas de vapor  expulsan un chorro de vapor, calentando con la energía generada en la quema de un combustible, incide sobre las paletas de la rueda giratoria de la turbina realizando un trabajo macánico de rotación.  Se utiliza en las centrales termoeléctricas para mover los generadores eléctricos y en los barcos para accionar las hélices. Motores de explosión: Se utilizan en los automóviles. Aprovechan la energía generada en la combustión de una mezcla de aire con gasolina para mover un pistón. El trabajo macánico del movimiento del pistón de aprovecha para el desplazamiento del vehículo. Motor de reacción: También llamado turbina de gas. Es una máquina térmica de mayor potencia que el motor de explosión. Los gases generados continuamente al quemar un combustible son expulsados hacia atrás por una tobera impulsando el vehículo hacia delante. Se utilizan en aviación, para conseguir una mayor velocidad.

CANTIDAD DE CALOR

Calor

El sol suele dar una sensación de calor.

Esquema de la transferencia de calor por conducción.

El calor se define como la transferencia de energía térmica que se da entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo en termodinámica generalmente el término calor significa transferencia de energía. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia).

La energía calórica o térmica puede ser transferida por diferentes mecanismos de transferencia, estos son la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado. Cabe resaltar que los cuerpos no tienen calor, sino energía térmica. La energía existe en varias formas. En este caso nos enfocamos en el calor, que es el proceso mediante el cual la energía se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura.

CANTIDAD DE CALOR

CALOR.- Se llama calor a la propagacion o flujo de la energía entre cuerpos que se ponen en contacto, es decir, el calor es la energía en movimiento.

Todos los cuerpos de la naturaleza tienden a un estado final llamado equilibrio termodinámico con el medio que los rodea o con otros cuerpos en contacto, es decir adquieren la misma temperatura.

Capacidad Calorifica (C).- Se define como la cantidad de calor que se debe suministrar o sustraer a un cuerpo o sustancia para elevar o disminuir su temperatura en un grado centigrado, es decir.

Siendo T0, T las temperaturas inicial y final respectivamente.

La capacidad calorifica es una cantidad física escalar que depende de la composicion y estructura interna del cuerpo o sustancia, lo cual implica que cada cuerpo o sustancia tiene su propia capacidad calorifica.

Calor específico (Ce).- Se define como la cantidad de calor (Q), que se debe suministrar a la masa "m" de un cyuerpo para elevar su temperatura en un grado centigrado.

Cantidad de calor (Q).- Se llama así, a la cantidad de calor que gana o pierde un cuerpo o sustancia al ponerse en contacto con otro cuerpo que se encuentra a diferente temperatura, cuya ecuacion esta dado por:

Siendo Ce. el calor especifico, "m" la masa y T, T0 las temperaturas inicial y final.

Cuando, T >T0, el cuerpo gana calor

Procesos Termodinámicos

Si sobre un sistema se  realiza un  proceso termodinámico de modo tal que no haya intercambio de calor (energía) con el medio circundante, se lo denomina  proceso adiabático. Este tipo de proceso tiene lugar si el sistema estuviera perfectamente aislado térmicamente o bien si se lo realiza suficientemente rápido como para que no haya tiempo suficiente para que se produzca un intercambio de calor con el medio circundante.

Si el sistema puede intercambiar energía con su medio y el proceso se realiza lentamente, de modo que el sistema  tenga tiempo de entrar en equilibrio térmico con el medio circundante, el proceso es isotérmico. Cuando el proceso es intermedio entre estos dos extremos (adiabático e isotérmico) el proceso se denomina politrópico.

A presiones moderadas,  P£3 bar,  casi todos los gases pueden ser considerados como ideales ideales. Esto significa que, entre otras propiedades, ellos se comportan siguiendo la ecuación de estado:

P.V = n. R.T

donde, P  es la presión absoluta del gas,  V su volumen,  T  la temperatura absoluta,  n el número de moles del gas y R la constante universal de los gases.

Es importante considerar que para estudiar las propiedades de un gas es crucial evitar la presencia de vapores (agua) en el mismo, ya que los vapores no siguen la misma ley. Cuando a un  gas se lo somete a distintos procesos termodinámicos, el mismo sigue trayectorias en un diagrama PV que son características del tipo de proceso al que es sometido.

Proceso Adiabatico :

Un proceso es adiabático cuando no se produce intercambio de calor entre el sistema y el ambiente. Esta situación se tendría cuando hubiera un aislamiento térmico perfecto del sistema, o cuando el proceso ocurriera tan rápido que no hubiera prácticamente transferencia de calor.

Simulación física de una expansión adiabática de un gas ideal. Representación en un diagrama p-V.

El término adiabático hace referencia a elementos que impiden la transferencia de calor con el entorno. Una pared aislada se aproxima bastante a un límite adiabático. Otro ejemplo es la temperatura adiabática de llama, que es la temperatura que podría alcanzar una llama si no hubiera pérdida de calor hacia el entorno. En climatización los procesos de humectación (aporte de vapor de agua) son adiabáticos, puesto que no hay transferencia de calor, a pesar que se consiga variar la temperatura del aire y su humedad relativa. El calentamiento y enfriamiento adiabático son procesos que comúnmente  ocurren debido al cambio en la presión de un gas. Esto puede ser cuantificado usando la ley de los gases ideales.

Procesos Iso

Son los procesos cuyas magnitudes permanecen “constantes”, es decir que el sistema cambia manteniendo cierta proporcionalidad en su transformación. Se les asigna el prefijo iso-.

Ejemplo:

• Isotérmico: Estos son los procesos en los cuales antes durante y después la temperatura es constante.

Simulación física de una expansión isoterma de un gas ideal. Representación en un diagrama p-V

• Isobárico: Procesos en los cuales antes durante y despues la presion es constante

Simulación física de una expansión isóbara de un gas ideal. Representación en un diagrama p-V

• Isométrico o isocorico: El volumen es constante  antes durante y después.

Simulación física de una transformación isócora de un gas ideal. Representación en un diagrama p-V.

Transmisión del calor

El calor se transmite de un lugar a otro de tres maneras diferentes:Introducción

• Por conducción entre cuerpo sólidos en contacto
• Por convección en fluidos (líquidos o gases)
• Por radiación a través del medio en que la radiación pueda propagarse

La energía se transmite de la forma que resulta más eficiente.

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Vamos a ver unos ejemplos de transmisión de calor

Ejemplo 1

Placa solar

El calor llega desde el Sol hasta la placa metálica por radiación. El metal de la placa emite radiación en el infrarrojo

. El calor se transmite al líquido que está en contacto con la placa por conducción. En el líquido se establecen corrientes covectivas que lo mezclan y uniformizan el calor. El agua caliente sube y la fría baja. El agua más caliente sube al depósito superior y de la parte inferior de este depósito baja el agua más fría que entra por la parte de abajo de la placa

Con esta sencilla placa, y dependiendo de la radiación solar, se alcanzan temperaturas muy altas. Probablemente hayas visto estas placas en los tejados de algunas casas. Busca en la red "placas solares"

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Ejemplo 2

Recipiente metálico con agua al fuego

Las llamas (o una plancha eléctrica) calientan el metal porque los gases de combustión están en contacto con el fondo y le transmiten el calor por conducción (el metal se dilata y sus partículas vibran más). El metal transmite el calor al agua del fondo del recipiente por conducción. El agua caliente del fondo asciende, originando corrientes convectivas (propagación por convección) y se mezcla con el agua fría. Las paredes de los recipientes calientes emiten radiación en el infrarrojo a los alrededores.

Ejemplo 3

Cocina vitrocerámica

En las cocinas vitrocerámicas la plancha de la cocina está fría y sólo sirve de soporte a la base del recipiente. En el fondo del recipiente se originan corrientes eléctricas inducidas por un campo magnético variable. La energía eléctrica pasa del interior de la cocina en forma de onda electromagnéticas (ondas originadas en un generador de campo magnético variable) hasta el fondo de la olla. Las ondas no interfieren con la plancha, pero si con el fondo del recipiente en el que se origina una corriente eléctrica que genera calor. Del fondo del recipiente pasa al líquido que está en contacto con él por conducción.

El calor circula dentro del líquido por convección y el fondo y las paredes radian en el infrarrojo.

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Características de cada modo de transmisión

CONDUCCIÓN.- La conducción es el transporte de calor a través de una sustancia y tiene lugar cuando se ponen en contacto dos objetos a diferentes temperaturas. El calor fluye desde el objeto que está a mayor temperatura hasta el que la tiene menor. La conducción continúa hasta que los dos objetos alcanzan a la misma temperatura (equilibrio térmico).

Podemos explicarlo si tenemos en cuenta las "colisiones de las moléculas". En la superficie de contacto de los dos objetos las moléculas del objeto que tiene mayor temperatura, que se mueven más deprisa, colisionan con las del objeto que está a menor temperatura, que se mueven más despacio. A medida que colisionan, las moléculas rápidas ceden parte de su energía a las más lentas. Estas a su vez colisionan con otras moléculas contiguas. Este proceso continúa hasta que la energía se extiende a todas las moléculas del objeto que estaba inicialmente a menor temperatura. Finalmente alcanzan todas la misma energía cinética y en consecuencia la misma temperatura.

Algunas sustancias conducen el calor mejor que otras.

Los sólidos son mejores conductores que los líquidos y éstos mejor que los gases.

Los metales son muy buenos conductores del calor, mientras que el aire es un mal conductor.

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CONVECCIÓN.- La convección tiene lugar cuando áreas de fluido caliente (de menor densidad) ascienden hacia las regiones de fluido frío. Cuando ocurre esto, el fluido frío (de mayor densidad) desciende y ocupa el lugar del fluido caliente que ascendió. Este ciclo da lugar a una continua circulación (corrientes convectivas) del calor hacia las regiones frías.

En los líquidos y en los gases la convección es la forma más eficiente de transferir calor.

En el verano, en una carretera recalentada, se puede ver como asciende de ella el aire caliente formando una columnas oscilantes. También se ve a veces como asciende el aire desde un radiador (el aire caliente sube y el frío baja).

En este gif animado ves como un mechero calienta el aire, éste asciende en una corriente convectiva y hace girar la espiral de papel. Hemos usado un agitador del calorímetro sujeto por una pinza y en él apoyamos un dedal en el que pegamos la espiral de papel.

El calor calienta el aire y el papel y además de hacer girar la espiral la alarga y llega a tocar la pinza lo que le impide seguir girando.

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RADIACIÓN.- Tanto la conducción como la convección requieren la presencia de materia para transferir calor.

La radiación es un método de transferencia de calor que no precisa de contacto entre la fuente de calor y el receptor.

No se produce ningún intercambio de masa y no se necesita ningún medio material para que se transmita.

Por radiación nos llega toda la energía del Sol. Al llegar a la Tierra empieza un complicado ciclo de transformaciones: la captan las plantas y luego la consumimos nosotros, el agua se evapora, el aire se mueve....

La energía radiante del Sol se transmite a través del espacio vacío en forma de radiación que viaja a la velocidad de la luz . Entre las diferentes ondas que la componen hay radiación visible, ultravioleta, infrarroja etc. La ultravioleta es tan energética que puede ionizar la materia, pero la radiación infrarroja interfiere con los electrones de los átomos promocionándolos a un nivel superior y produce la agitación de los átomos y de las moléculas que se traduce en calor.

En los hornos microondas la energía generada para que vibren las moléculas de la sustancia que se calienta la transmiten ondas con una frecuencia inferior a las del infrarrojo. Ver tipos de radiaciones

La radiación se produce cuando los electrones situados en niveles de energía altos caen a niveles de energía más bajos. La diferencia de energía entre estos niveles se emite en forma radiación electromagnética. Cuando esta energía es absorbida por los átomos de una sustancia los electrones de dichos átomos "salten" a niveles de energía superiores.

Todos los objetos absorben y emiten radiación. Este "applet" de java muestra como un átomo absorbe y emite radiación. Cuando la absorción de energía está equilibrada con la emisión, la temperatura del objeto permanece constante. Si la energía absorbida es mayor que la emitida la temperatura del objeto aumenta, y si ocurre lo contrario la temperatura disminuye.

La energía total radiada por un cuerpo caliente es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura expresada como temperatura absoluta. E=cte· T⁴

Un cuerpo negro se define como aquel que absorbe todo el calor que cae sobre él.

Un cuerpo a una temperatura dada emite más con su superficie ennegrecida.  

En esta página puedes ampliar tus conocimientos sobre la radiación infrarroja.

En física y química se denomina cambio de estado a la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición. Los tres estados más estudiados y comunes en la Tierra son el sólido, el líquido y el gaseoso; no obstante, el estado de agregación más común en el Universo es el plasma, material del que están compuestas las estrellas (si se descarta lamateria oscura).

Cambios de estado 

En física y química se denomina cambio de estado a la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición. Los tres estados más estudiados y comunes en la Tierra son el sólido, el líquido y el gaseoso; no obstante, el estado de agregación más común en el Universo es el plasma, material del que están compuestas las estrellas (si se descarta lamateria oscura).

Este diagrama muestra la nomenclatura para las diferentes transiciones de fase su relación con la variación de la entalpí

Cambios de estado de agregación de la materia

Son los procesos en los que un estado de la materia cambia a otro manteniendo una semejanza en su composición. A continuación se describen los diferentes cambios de estado o transformaciones de fase de la materia:

• Fusión: Es el paso de un sólido al estado líquido por medio del calor; durante este proceso endotérmico (proceso que absorbe energía para llevarse a cabo este cambio) hay un punto en que la temperatura permanece constante. El "punto de fusión" es la temperatura a la cual el sólido se funde, por lo que su valor es particular para cada sustancia. Dichas moléculas se moverán en una forma independiente, transformándose en un líquido. Un ejemplo podría ser un hielo derritiéndose, pues pasa de estado sólido al líquido.

• Solidificación: Es el paso de un líquido a sólido por medio del enfriamiento; el proceso es exotérmico. El "punto de solidificación" o de congelación es la temperatura a la cual el líquido se solidifica y permanece constante durante el cambio, y coincide con el punto de fusión si se realiza de forma lenta (reversible); su valor es también específico.

• Vaporización y ebullición: Son los procesos físicos en los que un líquido pasa a estado gaseoso. Si se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión continuar calentándose el líquido, éste absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión del agua en estado líquido en agua en estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura del gas.

• Condensación: Se denomina condensación al cambio de estado de la materia que se pasa de forma gaseosa a forma líquida. Es el proceso inverso a la vaporización. Si se produce un paso de estado gaseoso a estado sólido de manera directa, el proceso es llamado sublimación inversa. Si se produce un paso del estado líquido a sólido se denomina solidificación.

• Sublimación: Es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Al proceso inverso se le denomina Sublimación inversa; es decir, el paso directo del estado gaseoso al estado sólido. Un ejemplo clásico de sustancia capaz de sublimarse es el hielo seco.

• Desionización: Es el cambio de un plasma a gas.

• Ionización: Es el cambio de un gas a un plasma.

Es importante hacer notar que en todas las transformaciones de fase de las sustancias, éstas no se transforman en otras sustancias, solo cambia su estado físico.

Las diferentes transformaciones de fase de la materia en este caso las del agua son necesarias y provechosas para la vida y el sustento del hombre cuando se desarrollan normalmente.

Los cambios de estado están divididos generalmente en dos tipos: progresivos y regresivos.

• Cambios progresivos: Vaporización, fusión y sublimación progresiva.
• Cambios regresivos: Condensación, solidificación y sublimación regresiva

La siguiente tabla indica cómo se denominan los cambios de estado:

Inicial\Final	Sólido	Líquido	Gas
Sólido		fusión	sublimación, sublimación progresiva o sublimación directa
Líquido	solidificación		evaporación o ebullición
Gas	sublimación inversa, regresiva o deposición	condensación y licuefacción (licuación)

                                             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.

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. 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 DE=mc² ....

Lo más fácil de medir es la variación de energía en un proceso de transformación concreto y si el proceso es sólo físico mucho mejor. (Ejemplos: calentamiento, cambios de estado...).

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".

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.

Con el siguiente ejemplo aclaramos la anterior afirmación:

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. 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. 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.

Vamos a comprobarlo

Calentamos en un tubo de ensayo 25 ml H₂O (agua) hasta una temperatura alta. Lo introducimos centrado en un vaso de precipitados mas grande que contiene 100 ml de agua. Medimos las temperaturas de los dos a intervalos de un minuto.

Agitamos el tubo de ensayo para homogeneizar la temperatura dentro y fuera y mantenemos la sonda externa alejada del tubo de ensayo.

Registramos los datos, los anotamos en una tabla y registramos gráficamente las temperaturas de cada uno frente al tiempo.

En nuestro caso el registro lo hizo el aparato electrónico y la gráfica nos la dio el mismo aparato, pero disponiendo de dos termómetros podemos anotar los datos y luego hacer la gráfica.

Los recursos electrónicos nos permiten hacer más rápidas y más bonitas las gráficas, pero los conceptos que se descubren se pueden obtener igualmente aunque no dispongamos de tantos recursos.

¿Puedes saber la temperatura inicial del foco caliente viendo la gráfica? ¿Y del foco frío?. ¿Cuál fue la temperatura final?

¿Cuánto tardaron en igualarse las temperaturas?

En el punto en que se igualan las T el foco frío queda momentáneamente a una temperatura inferior debido a un error de lectura experimental. Una agitación continuada de los dos líquidos en contacto las igualará.

Si dejamos el sistema abandonado las temperaturas del agua del tubo y del vaso continuarán iguales y empezarán a descender al mismo tiempo, porque los alrededores están a menor temperatura.

Las pendientes de las curvas obtenidas en los registros de las temperaturas hacia el equilibrio dependen de las masa y de los calores específicos de las sustancias puestas en contacto.

Si la curva de enfriamiento y la de calentamiento tienen la misma pendiente (una creciente y la otra decreciente) ¿qué puedes deducir? ¿Estará relacionado con que la masa del líquido caliente es igual a la del frío y se trata de la mismas sustancia?