Termodinámica Esencial: Conceptos de Calor, Temperatura y Dilatación de la Materia

Conceptos Fundamentales de Termodinámica

Equilibrio Térmico

Cuando se ponen en contacto dos cuerpos a diferente temperatura (tª), el cuerpo caliente cede energía (E) al frío hasta que sus temperaturas se igualan. Cuando deja de transferirse energía, se dice que ambos están en equilibrio térmico (que no es la media de las dos temperaturas).

Temperatura

La temperatura es la magnitud común a dos cuerpos en equilibrio térmico.

La temperatura de un cuerpo es proporcional a la energía cinética (Ec) de sus partículas.

Calor y sus Mecanismos de Transferencia

El calor es el proceso de transferencia de energía (E) de un cuerpo de mayor temperatura (tª) a otro de menor temperatura (tª) como consecuencia de la diferencia de temperatura entre ellos.

Mecanismos de Transferencia de Calor

• Conducción: Propagación calorífica sin desplazamiento de materia. Las partículas que reciben energía se mueven más rápido y transmiten la energía mediante choques a las restantes partículas del cuerpo.
• Convección: Propagación calorífica mediante desplazamiento de la materia. Se produce en los fluidos.
• Radiación: Propagación de energía a través de ondas electromagnéticas sin necesidad de un medio material. Todos los cuerpos radian energía en función de su temperatura.

Escalas de Temperatura y Unidades

Escalas Termométricas

• Fahrenheit: T(°F) = T(°C) × 1.8 + 32; T(°C) = [T(°F) - 32] / 1.8
• Kelvin: T(K) = T(°C) + 273

Unidades y Equivalencias

• 1 cal = 4.18 J
• 1 CV = 735 W

Propiedades Termodinámicas Clave

Capacidad Calorífica

La capacidad calorífica es la cantidad de energía que hay que transferir a un cuerpo para que su temperatura aumente un grado. Depende de la masa del cuerpo y de la sustancia, y se mide en J/K.

Calor Específico

El calor específico es la energía que absorbe mediante calor un kilogramo (kg) de la sustancia para aumentar 1K su temperatura. Se mide en J/(kg·K).

Coeficiente de Dilatación Lineal

El coeficiente de dilatación lineal es la variación de longitud que experimenta un metro (m) de una sustancia al aumentar su temperatura un grado centígrado (°C).

Rendimiento de Máquinas Térmicas

El rendimiento de una máquina térmica nunca es el 100% debido a las pérdidas que se producen al calentar el entorno. Se puede expresar en función de las temperaturas absolutas de sus focos caliente y frío: r = W/Q = (Q1 - Q2) / Q1.

Dilatación de la Materia

Dilatación de Sólidos

Las partículas de los sólidos oscilan alrededor de posiciones fijas. Con el aumento de la temperatura, la vibración se hace mayor y la partícula se separa de otras, produciendo un aumento del tamaño del cuerpo. Por el contrario, cuando disminuye la temperatura, se produce la contracción del cuerpo. Se observa que la variación de longitud dependerá de la longitud inicial del cuerpo, de la sustancia y del incremento de la temperatura (final - inicial).

Dilatación de Líquidos

Los líquidos también se dilatan al calentarse y se contraen al enfriarse. Al transferir energía mediante calor a un líquido, sus partículas aumentan su energía cinética (Ec), chocan con mayor frecuencia y tienden a separarse más. La dilatación de los líquidos es mayor que la de los sólidos porque sus partículas tienen más libertad de movimiento.

Dilatación de Gases

Los gases se dilatan más que los sólidos y que los líquidos porque sus moléculas se mueven con total libertad por todo el recipiente. Las distintas formas de calentar un gas son a presión constante o a volumen constante.