Que es la termodinamica

La termodinámica (del griego termo , que significa " calor " y dinámico , que significa "fuerza") es una rama de la física que estudia los fenómenos relacionados con el calor.



Motor de combustión interna: transferencia de energía.

Específicamente, la termodinámica se ocupa de las propiedades macroscópicas (grandes, en oposición a lo microscópico o pequeño) de la materia, especialmente las que son afectadas por el calor y la temperatura, así como de la transformación de unas formas de energía en otras.

Estudia los intercambios de energía térmica entre sistemas y los fenómenos mecánicos y químicos que implican tales intercambios. En particular, estudia los fenómenos en los que existe transformación de energía mecánica en térmica o viceversa.

Cuando la energía (mecánica, térmica, eléctrica, química…) se transforma de una forma a otra, siempre hay una cantidad que se convierte en calor.

Aproximadamente, calor significa "energía en tránsito" y dinámica se refiere al "movimiento", por lo que, en esencia, la termodinámica estudia la circulación de la energía y cómo la energía infunde movimiento.

Históricamente, la termodinámica se desarrolló a partir de la necesidad de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor.

Es importante saber que la termodinámica estudia los sistemas que se encuentran en equilibrio. Esto significa que las propiedades del sistema —típicamente la presión, la temperatura, el volumen y la masa, que se conocen como variables termodinámicas— son constantes.

Además, la termodinámica nos ayuda a comprender por qué los motores no pueden ser nunca totalmente eficientes y por qué es imposible enfriar nada hasta el cero absoluto, una temperatura a la que las sustancias no tienen energía calórica.

Los principios de la termodinámica se pueden aplicar al diseño de motores, al cálculo de la energía liberada en reacciones o a estimar la edad del Universo.

Intercambio de energía.
El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinámicas son las leyes de la termodinámica, que postulan que la energía puede ser intercambiada entre sistemas físicos en forma de calor o trabajo. También se postula la existencia de una magnitud llamada entropía , que puede ser definida para cualquier sistema.

Efectos del calor

El calor que se comunica a un cuerpo además de aumentar su energía interna produce tres tipos de efectos físicos: variación de la temperatura, dilatación o contracción y cambio de estado.

VARIACION DE LA TEMPERATURA

El efecto más inmediato del intercambio de calor entre dos cuerpos es la variación de la temperatura.

• Si un cuerpo recibe energía en forma de calor aumenta su temperatura. El aporte de calor se considera positivo.
• Si un cuerpo pierde energía en forma de calor, disminuye su temperatura. La pérdida de calor se considera negativa.

Si calentamos de igual forma dos sustancias diferentes (la misma cantidad de agua y aceite por ejemplo), comprobamos que el aceite alcanza primero mayores temperaturas. Esta propiedad es la  capacidad calorífica  o  calor específico  de un cuerpo y mide su facilidad para enfriarse o calentarse.

1. La capacidad calorífica es la cantidad de energía en forma de calor que debemos aportar a una sustancia para aumentar en un grado la temperatura de un kilogramo de su masa.

La cantidad de energía transferida  en forma de calor (Q) por un cuerpo es directamente proporcional a la masa (m), a su calor específico (Ce) y a la variación de temperatura  (Tf - Ti ) que experimenta:

• Q = m . ce. (Tf-Ti)

La Ce es constante para cada sustancia y se expresa  en el SI en Julio /kg . K ; la masa se expresa en kg ; la temperatura en grados Kelvin (K).

DILATACION Y CONTRACCION

Tanto los sólidos como los líquidos y los gases se dilatan y se contraen.

• la  dilatación  es el aumento de volumen que experimentan los cuerpos al aumentar su temperatura.
• la  contracción  es la disminución de volumen que experimentan los cuerpos al disminuir su temperatura.

El agua es una sustancia especial, pues al contario que la mayoría de las sustancias  aumenta su volumen (se dilata) cuando se enfria por debajo de los 4ºC.

CAMBIOS DE ESTADO


El esquema reproduce los cambios de estado posibles.
La energía en forma de calor necesaria para el cambio de estado recibe el nombre de  calor latente . Así se habla de calor latente de fusión (qf)o calor latente de vaporización (qv). el valor de estos calores latentes es propio y característico de cada sustancia y viene expresado  en el SI en Julios/kilogramo (J/kg).

Los principios de la termodinamica

PRIMER PRINCIPIO

El primer principio de la termodinámica o primera ley de la termodinámica es un principio que refleja la conservación de la energía en el contexto de la termodinámica. Más específicamente el principio se puede formular como:

En un sistema cerrado adiabático (que no hay intercambio de calor con otros sistemas o su entorno, como si estuviera aislado) que evoluciona de un estado inicial A a otro estado final B, el trabajo realizado no depende ni del tipo de trabajo ni del proceso seguido 

El trabajo de la conexión adiabática entre dos estados de equilibrio de un sistema cerrado depende exclusivamente de ambos estados conectados.

Este enunciado supone formalmente definido el concepto de trabajo termodinámico, y sabido que los sistemas termodinámicos sólo pueden interaccionar de tres formas diferentes (interacción másica, interacción mecánica e interacción térmica). En general, el trabajo es una magnitud física que no es una variable de estado del sistema, dado que depende del proceso seguido por dicho sistema. Este hecho experimental, por el contrario, muestra que para los sistemas cerrados adiabáticos, el trabajo no va a depender del proceso, sino tan solo de los estados inicial y final. En consecuencia, podrá ser identificado con la variación de una nueva variable de estado de dichos sistemas, definida como energía interna. Se define entonces la energía interna, U, como una variable de estado cuya variación en un proceso adiabático es el trabajo intercambiado por el sistema con su entorno

SEGUNDO PRINCIPIO

El segundo principio de la termodinámica o segunda ley de la termodinámica,expresa que:

La cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse en el tiempo.

Es una de las leyes más importantes de la física; aún pudiéndose formular de muchas maneras todas llevan a la explicación del concepto de irreversibilidad y al de entropía. Este último concepto, cuando es tratado por otras ramas de la física, sobre todo por la mecánica estadística y la teoría de la información, queda ligado al grado de desorden de la materia y la energía de un sistema. La termodinámica, por su parte, no ofrece una explicación física de la entropía, que queda asociada a la cantidad de energía no utilizable de un sistema. Sin embargo, esta interpretación meramente fenomenológica de la entropía es totalmente consistente con sus interpretaciones estadísticas. Así, tendrá más entropía el agua en estado gaseoso con sus moléculas dispersas y alejadas unas de las otras que la misma en estado líquido con sus moléculas más juntas y más ordenadas.

Suponiendo estados iniciales y finales de equilibrio, el principio establece que los sistemas físicos saltan de un estado con cierto orden a un estado menos ordenado, aumentando su entropía. El proceso inverso es imposible de forma espontánea.

Energia termica

La energía térmica es la parte de la energía interna de un sistema termodinámico en equilibrio que es proporcional a su temperatura absoluta y se incrementa o disminuye por transferencia de energía, generalmente en forma de calor o trabajo, en procesos termodinámicos. A nivel microscópico y en el marco de la Teoría cinética, es el total de la energía cinética media presente como el resultado de los movimientos aleatorios de átomos y moléculas o agitación térmica, que desaparecen en el cero absoluto.

Los 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 la materia oscura).

CAMBIOS DE ESTADO DE AGREGACION 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.

Animación de cómo el hielo pasa a estado líquido en un vaso. Los 50 minutos transcurridos se concentran en 5 segundos.

Conversiones de temperatura

A veces hay que convertir la temperatura de una escala a otra. A continuación encontrará cómo hacer esto.

1. Para convertir de ºC a ºF use la fórmula:   ºF = ºC x 1.8 + 32.
2. Para convertir de ºF a ºC use la fórmula:   ºC = (ºF-32) ÷ 1.8.
3. Para convertir de K a ºC use la fórmula:   ºC = K – 273.15
4. Para convertir de ºC a K use la fórmula: K = ºC + 273.15.
5. Para convertir de ºF a K use la fórmula: K = 5/9 (ºF – 32) + 273.15.
6. Para convertir de K a ºF use la fórmula:   ºF = 1.8(K – 273.15) + 32.

 COMPARACION DE TEMPERATURAS

A continuación encontrará algunas comparaciones comunes entre temperaturas de las escalas Celsius y Fahrenheit.

TEMPERATURA	ºC	ºF
Punto Ebullición Agua	100	212
Punto Congelación Agua	0	32
Temperatura Corporal Promedio del Cuerpo Humano	37	98.6
Temperatura ambiente confortable	20 to 25	68 to 77

El fenomeno anomalo del agua

También conocido como el comportamiento anómalo del agua.

Los líquidos se caracterizan por dilatarse al aumentar la temperatura, siendo su dilatación volumétrica unas diez veces mayor que la de los sólidos.

Sin embargo, el líquido más común, el agua, no se comporta como los otros líquidos. La densidad del agua tiene un máximo a 4ºC, donde su valor es de 1000 kg/m³. A cualquier otra temperatura su densidad es menor. Este comportamiento del agua es la razón por la que en los lagos se congela primero la superficie, y es en definitiva lo que hace posible la vida subacuática. A temperatura ambiente, el agua se dilata cuando la temperatura sube y se contrae cuando baja. Pero próximo al punto de congelación, a los 0 ºC, ocurre lo contrario, lo cual es muy importante para la preservación de la vida.

Las escalas de temperatura

La temperatura es el nivel de calor en un gas, líquido, o sólido. Tres escalas sirven comúnmente para medir la temperatura. Las escalas de Celsius y de Fahrenheit son las más comunes. La escala de Kelvin es primordialmente usada en experimentos científicos.

ESCALA CELSIUS

La escala Celsius fue inventada en 1742 por el astrónomo sueco Andrés Celsius. Esta escala divide el rango entre las temperaturas de congelación y de ebullición del agua en 100 partes iguales. Usted encontrará a veces esta escala identificada como escala centígrada. Las temperaturas en la escala Celsius son conocidas como grados Celsius (ºC).

ESCALA FAHRENHEIT

La escala Fahrenheit fue establecida por el físico holandés-alemán Gabriel Daniel Fahrenheit, en 1724. Aun cuando muchos países están usando ya la escala Celsius, la escala Fahrenheit es ampliamente usada en los Estados Unidos. Esta escala divide la diferencia entre los puntos de fusión y de ebullición del agua en 180 intervalos iguales. Las temperaturas en la escala Fahrenheit son conocidas como grados Fahrenheit (ºF).

ESCALA KELVIN
La escala de Kelvin lleva el nombre de William Thompson Kelvin, un físico británico que la diseñó en 1848. Prolonga la escala Celsius hasta el cero absoluto, una temperatura hipotética caracterizada por una ausencia completa de energía calórica. Las temperaturas en esta escala son llamadas Kelvins (K).




COMPARACION DE LAS ESCALAS

El calor especifico

La capacidad calorífica específica, calor específico o capacidad térmica específica 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. En general, el valor del calor específico depende del valor de la temperatura inicial. Se le representa con la letra c (minúscula).

De forma análoga, se define la capacidad calorífica como la cantidad de calor que se debe 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).

Las moléculas tienen una estructura interna porque están compuestas de átomos que tienen diferentes formas de moverse en las moléculas. La energía cinética almacenada en estos grados de libertad internos no contribuye a la temperatura de la sustancia sino a su calor específico.

Algunos ejemplos de calor y temperatura

El calor se trasmite. Ejemplos:
-Calor que nos suministra el sol en una hora.
-Calor que expele un motor en marcha
-Calor que suministra una cocina en 30 minutos

Temperatura (velocidad promedio de las moléculas)...
Ejemplos:
-Temperatura media de mi cuerpo
- Temperatura de una piedra al sol.
- Temperatura de la cocina (disco) a los 3 minutos exactos de conectado.



Esta imagen nos dice que a mayor velocidad de las
moleculas en un gas, mayor sera su temperatura.
Las moleculas de mayor velocidad, son las rojas,
y poseen una mayor temperatura que las que van
a menor velocidad, las azules

Diferencias entre calor y temperatura

Es de común conocimiento que cuando ponemos a calentar un cuerpo, su temperatura aumenta. Por eso, es común pensar que calor y temperatura significan lo mismo.
Pero esto no es así, si bien el calor y la temperatura se relacionan, son 2 cosas diferentes.
El calor es la energía del desplazamiento de moléculas en un elemento. La temperatura en tanto, es una medida de la energía molecular.

En palabras más simples, el calor es el encargado de aumentar o disminuir la temperatura de un cuerpo.

Es decir, si le agregamos calor, la temperatura subirá. Si le disminuimos el calor, la temperatura bajará. Cuando las temperaturas son más altas, es porque las moléculas se están desplazando y rotando con más energía.

Por ejemplo, si tenemos 2 cuerpos con igual temperatura y los ponemos en contacto, no existirá transferencia de energía entre ellos ya que la energía media de las particulas será igual. En cambio si la temperatura de uno de los cuerpos es más baja que la del otro cuerpo, entonces sí existirá una transferencia de energía del cuerpo más caliente al cuerpo más helado hasta que la temperatura de ambos se nivelen.

En conclusión, podemos decir que la temperatura no es energía en si, sino una medición de ella, mientras que el calor sí es energía.

Calor y temperatura

Que es calor?

Calor es el proceso de intercambio de energía térmica que se transfiere entre dos sistemas (o un sistema y sus alrededores) debido a una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito que se reconoce solo cuando se cruza la frontera de un sistema termodinámico. Una vez dentro del sistema, o en los alrededores, si la transferencia es de dentro hacia afuera, el calor transferido se vuelve parte de la energía interna del sistema o de los alrededores, según su caso. El término calor, por tanto, se debe de entender como transferencia de calor y solo ocurre cuando hay diferencia de temperatura y en dirección de mayor a menor. De ello se deduce que no hay transferencia de calor entre dos sistemas que se encuentran a la misma temperatura (están en equilibrio térmico)

Que es temperatura?

La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de calor medible mediante un termómetro. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como «energía cinética», que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida que sea mayor la energía cinética de un sistema, se observa que éste se encuentra más «caliente»; es decir, que su temperatura es mayor.

En el caso de un sólido, los movimientos en cuestión resultan ser las vibraciones de las partículas en sus sitios dentro del sólido. En el caso de un gas ideal monoatómico se trata de los movimientos traslacionales de sus partículas (para los gases multiatómicos los movimientos rotacional y vibracional deben tomarse en cuenta también).

El desarrollo de técnicas para la medición de la temperatura ha pasado por un largo proceso histórico, ya que es necesario darle un valor numérico a una idea intuitiva como es lo frío o lo caliente.

Multitud de propiedades fisicoquímicas de los materiales o las sustancias varían en función de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su estado (sólido, líquido, gaseoso, plasma), su volumen, la solubilidad, la presión de vapor, su color o la conductividad eléctrica. Así mismo es uno de los factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar las reacciones químicas.

La temperatura se mide con termómetros, los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a unidades de medición de la temperatura. En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin (K), y la escala correspondiente es la escala Kelvin o escala absoluta, que asocia el valor «cero kelvin» (0 K) al «cero absoluto», y se gradúa con un tamaño de grado igual al del grado Celsius. Sin embargo, fuera del ámbito científico el uso de otras escalas de temperatura es común. La escala más extendida es la escala Celsius, llamada «centígrada»; y, en mucha menor medida, y prácticamente solo en los Estados Unidos, la escala Fahrenheit. También se usa a veces la escala Rankine (°R) que establece su punto de referencia en el mismo punto de la escala Kelvin, el cero absoluto, pero con un tamaño de grado igual al de la Fahrenheit, y es usada únicamente en Estados Unidos, y solo en algunos campos de la ingeniería. Sin embargo, debería utilizarse el julio puesto que la temperatura no es más que una medida de la energía cinética media de un sistema