Principios de Termodinámica: Conceptos, Fórmulas y Escalas de Temperatura

Acordeón de Estudio - Quinto Período

1. Definiciones Fundamentales

• Calor: Energía transferida entre cuerpos debido a una diferencia de temperatura.
• Calor específico: Cantidad de calor necesaria para elevar en 1°C la temperatura de 1 g de una sustancia.
• Temperatura: Medida de la energía cinética promedio de las moléculas de un cuerpo.
• Conducción: Transferencia de calor a través de un material sin movimiento de la materia.
• Convección: Transferencia de calor mediante el movimiento de fluidos.
• Radiación: Transferencia de calor en forma de ondas electromagnéticas sin necesidad de un medio.
• Escala Fahrenheit: Escala de temperatura donde el agua se congela a 32°F y hierve a 212°F.
• Escala Celsius: Escala de temperatura donde el agua se congela a 0°C y hierve a 100°C.
• Escala Kelvin: Escala de temperatura absoluta donde 0 K es el cero absoluto.
• Equilibrio térmico: Estado donde dos cuerpos en contacto alcanzan la misma temperatura.
• Equivalente mecánico del calor: Relación entre calor y trabajo, definido por 1 cal = 4.18 J.

2-5. Conversiones de Temperatura

Fórmulas principales:

• Celsius a Fahrenheit: F = (C × 9/5) + 32
• Celsius a Kelvin: K = C + 273.15
• Fahrenheit a Celsius: C = (F − 32) × 5/9
• Kelvin a Celsius: C = K − 273.15

Ejemplos de aplicación:

• Conversión de 75°C a °F y K:
  • F = (75 × 9/5) + 32 = 167°F
  • K = 75 + 273.15 = 348.15 K

6-8. Cálculo de Masa con Calor Dado

Fórmula:

Q = m × c × ΔT ⇒ m = Q / (c × ΔT)

Ejemplo (Plata):

• m = 8000 / (0.056 × 60) = 2381 g

9-10. Cálculo de Calor Necesario

Fórmula:

Q = m × c × ΔT

Ejemplo (Hierro y Agua):

• Hierro: Q₁ = 200 × 0.11 × 36 = 792 cal
• Agua: Q₂ = 500 × 1 × 36 = 1800 cal
• Total: Q = 792 + 1800 = 2592 cal

11-12. Temperatura de Equilibrio

Fórmula:

m₁c₁(T_eq − T₁) = m₂c₂(T₂ − T_eq)

Ejemplo (Agua a 12°C y 80°C):

• 1.5 × 1 × (T_eq − 12) = 2 × 1 × (80 − T_eq)
• Resolviendo para T_eq, obtenemos 60°C.

13-15. Variación de Energía y Eficiencia

Fórmulas:

• ΔE = Q − W (Primera Ley de la Termodinámica)
• η = (W / Q) × 100% (Eficiencia térmica)

Ejemplo (750 cal aplicadas, trabajo de 900 J):

• Q = 750 × 4.18 = 3135 J
• ΔE = 3135 − 900 = 2235 J
• η = (900 / 3135) × 100 = 28.7%

Ecuación General: Q = c · m · ΔT

TABLA DE CALORES ESPECÍFICOS

(Valores medidos a presión constante)