TEMA 7. ENERGÍA, CALOR Y TEMPERATURA

1. TEMA 7. ENERGÍA, CALOR Y TEMPERATURA

2. 1. LA TEMPERATURA • TEORÍA CINÉTICO-MOLECULARPERMITE EXPLICAR EL CONCEPTO DE TEMPERATURA A TRAVÉS DEL MOVIMIENTO DE LAS PARTÍCULAS QUE CONFORMAN UN CUERPO • ESTE MOVIMIENTO SE CONOCE COMO AGITACIÓN TÉRMICA • TEMPERATURA: MAGNITUD FÍSICA DE UN CUERPO RELACIONADA CON LA VELOCIDAD DE LAS PARTÍCULAS QUE LO CONSTITUYEN

3. 1. LA TEMPERATURA • RELACIÓN TEORÍA CINÉTICO-MOLECULAR Y MOVIMIENTO TÉRMICO: • LA MATERIA ESTÁ FORMADA POR PARTÍCULAS • PARTÍCULAS EN CONTINUO MOVIMIENTO: MOVIMIENTO TÉRMICO • LA DISTRIBUCIÓN DE VELOCIDADES: • ES ESTRECHA EN LOS SÓLIDOS  TODAS LAS PARTÍCULAS VIBRAN CON VELOCIDADES PARECIDAS • ES MAYOR EN LOS LÍQUIDOS • ES MUY AMPLIA EN LOS GASES  LIBERTAD DE MOVIMIENTO CASI TOTAL

4. 1. LA TEMPERATURA • TERMÓMETRO: INSTRUMENTO FÍSICO UTILIZADO PARA MEDIR LA TEMPERATURA • FUNCIONAMIENTO BASADO EN QUE LAS PROPIEDADES TERMOMÉTRICAS VARÍAN CON LA TEMPERATURA • TERMÓMETRO TRADICIONAL: TUBO CAPILAR DE VIDRIO CON MERCURIO EN SU INTERIOR, QUE SE DILATA SI AUMENTA LA TEMPERATURA Y SE CONTRAE SI DISMINUYE • TERMÓMETRO DE RESISTENCIA: BASADO EN LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA ELÉCTRICA DE LOS MATERIALES EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA

5. 1. LA TEMPERATURA • ESCALAS DE TEMPERATURA: • ESCALA CELSIUS: PUNTOS FIJOS: TEMPERATURA DE FUSIÓN DEL HIELO Y DE EBULLICIÓN DEL AGUA A 1 ATMÓSFERA DE PRESIÓN. • EL INTERVALO ENTRE ESTOS DOS PUNTOS SE DIVIDE EN 100 º, LLAMADOS GRADOS CELSIUS • ESCALA KELVIN O ESCALA ABSOLUTA: OBTENIDA A PARTIR DE LA MEDIDA DE LA TEMPERATURA MÁS BAJA POSIBLE QUE PODEMOS OBTENER (-273 ºC),A LA CUAL ASIGNAMOS EL VALOR DE 0 K • T (K) = t(ºC) + 273,15 • 0 K SE CONSIDERA UN LÍMITE INACCESIBLE EN EL CUAL LAS PARTÍCULAS DEJARÍAN DE TENER ENERGÍA CINÉTICA • TEMPERATURA MÁS BAJA QUE EXISTE DE FORMA NATURAL: 3 K

6. 1. LA TEMPERATURA • ESCALAS DE TEMPERATURA: • ESCALA FARENHEIT: PUNTOS FIJOS: 0º F PARA LA TEMPERATURA MÁS BAJA QUE PUDO OBTENER EXPERIMENTALMENTE Y 96º F PARA LA TEMPERATURA DEL CUERPO HUMANO. • POSTERIORMENTE MEJORÓ LA ESCALA TOMANDO COMO PUNTOS FIJOS LA TEMPERATURA DE FUSIÓN DEL HIELO (32 ºF) Y LA DE EBULLICIÓN DEL AGUA (212 ºF)  ASÍ, LA ESCALA FARENHEIT Y LA CELSIUS TIENEN LOS MISMOS PUNTOS FIJOS • t (ºF) =180/100· t (ºC) +32

7. 2. CALOR Y ENERGÍA TÉRMICA • CALOR: Forma de transferencia de energía de un cuerpo a otro debido a la diferencia de temperatura existente entre ambos • Interpretación atómico-molecular de esta transferencia de energía cuando mezclamos agua fría y caliente: • Inicialmente: • Ecinética moléculas agua caliente > Ecinética moléculas agua fría (moléculas de agua caliente se mueven más rápido) • Tras la mezcla, se producen colisiones de partículas, en las cuales se transfiere velocidad desde las moléculas más rápidas hacia las más lentas • Finalmente se alcanza el equilibrio térmico

8. 2. CALOR Y ENERGÍA TÉRMICA • LA ENERGÍA SE TRANSFIERE A NIVEL ATÓMICO-MOLECULAR COMO ENERGÍA CINÉTICA • EN CAMBIO, A NIVEL MACROSCÓPICO DECIMOS QUE SE TRANSFIERE ENERGÍA TÉRMICA • LA ENERGÍA TÉRMICA SE MIDE EN JULIOS (J), AUNQUE TAMBIÉN SE UTILIZA LA CALORÍA (cal) • 1 cal = 4,18 J

9. 2. CALOR Y ENERGÍA TÉRMICA • EQUILIBRIO TÉRMICO. PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINÁMICA. • “CUANDO PONEMOS EN CONTACTO DOS SUSTANCIAS A DIFERENTE TEMPERATURA, SE COMPRUEBA QUE EL SISTEMA EVOLUCIONA HASTA QUE AMBAS ALCANZAN LA MISMA TEMPERATURA (EQUILIBRIO TÉRMICO)” • SE PRODUCE UNA TRANSFERENCIA DE ENERGÍA EN FORMA DE CALOR DESDE EL CUERPO QUE ESTÁ A MAYOR TEMPERATURA HACIA EL CUERPO QUE ESTÁ A MENOR TEMPERATURA

10. 2. CALOR Y ENERGÍA TÉRMICA • SI TENEMOS UN SISTEMA FORMADO POR DOS CUERPOS A DIFERENTE TEMPERATURA Y AISLADOS TÉRMICAMENTE DEL EXTERIOR, SE CUMPLE LA ECUACIÓN CALORIMÉTRICA: Q absorbido + Q desprendido = 0 • ESTA ECUACIÓN REPRESENTA EL PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA: “la energía cedida por un cuerpo es igual a la energía absorbida por el otro cuerpo” • Q absorbido cuerpo a menor T = - Q cedido por cuerpo a mayor T

11. 3. CALOR Y TEMPERATURA • LA ENERGÍA TRANSFERIDA A/POR UN CUERPO Y LA VARIACIÓN DE TEMPERATURA QUE EXPERIMENTA EL MISMO TIENEN LA SIGUIENTE RELACIÓN: Q=m·c·Dt = m·c·(t final – t inicial) • Siempre que: • Presión = constante • No existan cambios de estado ni cambios químicos • Q = energía transferida mediante calor (se mide en J) • m = masa de la sustancia (se mide en kg) • c = calor específico de la sustancia (energía necesaria para aumentar 1 K la temperatura de 1 kg de sustancia). Se mide en J/(kg·K) • Dt = t final – t inicial = cambio de temperatura que experimenta el cuerpo

12. 3. CALOR Y TEMPERATURA • CALORÍMETRO: Dispositivo que permite medir la transferencia de energía mediante calor y las propiedades térmicas de las sustancias • Consta de un recipiente aislado térmicamente del exterior que contiene una cantidad determinada de agua u otro líquido de calor específico conocido • Dispone de un termómetro y de un agitador para alcanzar rápidamente la temperatura de equilibrio • Determinación experimental se realiza llevando a cabo el método de mezclas

13. 3. CALOR Y TEMPERATURA • MÉTODO DE MEZCLAS: Consiste en mezclar masas conocidas de dos sustancias a diferente temperatura y medir la temperatura final de mezcla. Para ello, es necesario conocer el calor específico de una de las sustancias. • PASOS: • Se introduce en el vaso calorimétrico una masa de agua líquida a temperatura t1 (m1, t1) • Se dispone otra masa de una sustancia a temperatura t2, cuyo calor específico queremos determinar (m2, t2, ¿c2?) • Se mezclan en el vaso calorimétrico y se mide la temperatura final alcanzada

14. 3. CALOR Y TEMPERATURA • Si nuestro calorímetro está aislado térmicamente, se cumple que: Q cedido = Q absorbido • m agua·cagua·(t-t1) = -m sustancia·csustancia·(t-t2) • Siendo la única incógnita c sustancia • Como un aislamiento térmico perfecto no existe y el propio calorímetro también intercambia energía con las sustancias que contiene, se define el valor equivalente en agua del calorímetro (a), que es la masa de agua que tendría idéntico efecto sobre el cambio de temperatura que el calorímetro  debe determinarse experimentalmente para cada calorímetro: (m agua+ a)·c agua·(t-t1) = -m sustancia·csustancia·(t-t2)

15. 4. CALOR Y CAMBIOS FÍSICOS • Al calentar un cuerpo aumenta la agitación térmica de sus partículas, lo que puede provocar cambios físicos: • DILATACIÓN • CAMBIOS DE ESTADO • CAMBIO DE ESTADO • El calor latente de cambio de estado (L) es la cantidad de energía absorbida o desprendida por unidad de masa de sustancia que se produce cuando ocurre un cambio de estado a temperatura constante: • QL = m· L • Existen los calores latentes de: • Fusión • Vaporización

16. 4. CALOR Y CAMBIOS FÍSICOS • Al calentar un cuerpo aumenta la agitación térmica de sus partículas, lo que puede provocar cambios físicos: • DILATACIÓN • CAMBIOS DE ESTADO • DILATACIÓN • Es la variación de las dimensiones de un cuerpo debido a la mayor movilidad de las partículas que produce la agitación térmica • La dilatación de un cuerpo se puede considerar en 1, 2 o 3 dimensiones: • DILATACIÓN LINEAL  Cuando consideramos sólo una variación de longitud en una de las dimensiones (las otras dos son despreciables). • Si un cuerpo de longitud inicial L1 experimenta un cambio de temperatura Dt = t2 – t1 L2 = L1·(1 + a · Dt) donde a = coeficiente de dilatación lineal, característico de cada sustancia • Ejemplo: tubos, hilos, …

17. 4. CALOR Y CAMBIOS FÍSICOS • DILATACIÓN • Es la variación de las dimensiones de un cuerpo debido a la mayor movilidad de las partículas que produce la agitación térmica • DILATACIÓN SUPERFICIAL  Cuando consideramos que la dilatación lineal ocurre en dos dimensiones: • S2 = S1·(1 + b · Dt) donde b = 2·a = coeficiente de dilatación superficial • DILATACIÓN CÚBICA  Cuando consideramos que la dilatación lineal ocurre en las 3 dimensiones: • V2 = V1·(1 + g · Dt) donde g = 3·a = coeficiente de dilatación cúbica

18. 5. 1er PPIO. DE LA TERMODINÁMICA • MATERIA: ES TODO AQUELLO QUE TIENE MASA Y OCUPA UN ESPACIO • SISTEMA MATERIAL: PORCIÓN DE MATERIA QUE SE AISLA PARA SU ESTUDIO • TERMODINÁMICA: PARTE DE LA FÍSICA QUE ESTUDIA LAS TRANSFERENCIAS DE ENERGÍA QUE SE PRODUCEN ENTRE UN SISTEMA Y SU ENTORNO • SISTEMA ABIERTO: INTERCAMBIA MATERIA Y ENERGÍA CON EL ENTORNO (ejemplo: vaso de precipitados abierto) • SISTEMA CERRADO: INTERCAMBIA ENERGÍA CON EL ENTORNO, PERO NO MATERIA (ejemplo: vaso de precipitados cerrado) • SISTEMA AISLADO: NO INTERCAMBIA MATERIA NI ENERGÍA (ejemplo: termo)

19. 5. 1er PPIO. DE LA TERMODINÁMICA • ENERGÍA INTERNA (U). ES LA SUMA DE LAS ENERGÍAS CINÉTICA Y POTENCIAL DE TODAS LAS PARTÍCULAS QUE FORMAN UN SISTEMA MATERIAL • NO SE PUEDE DETERMINAR EL VALOR ABSOLUTO  U • SÍ SE PUEDE DETERMINAR LA VARIACIÓN QUE EXPERIMENTA UN SISTEMA EN UNA TRANSFORMACIÓN FÍSICA O QUÍMICA SI CONOCEMOS LA ENERGÍA INTERCAMBIADA CON EL ENTORNO MEDIANTE CALOR O TRABAJO • TRABAJO DE EXPANSIÓN Y DE COMPRESIÓN(W). ES LA TRANSFERENCIA DE ENERGÍA DEBIDA A LA VARIACIÓN DE VOLUMEN QUE EXPERIMENTA EL SISTEMA EN UNA TRANSFORMACIÓN • Ejemplo: gas dentro de un cilindro con un émbolo móvil. La fuerza que ejerce la presión exterior sobre el gas es F = Pext · S (S = superficie del émbolo)

20. 5. 1er PPIO. DE LA TERMODINÁMICA • TRABAJO DE EXPANSIÓN Y DE COMPRESIÓN(W). ES LA TRANSFERENCIA DE ENERGÍA DEBIDA A LA VARIACIÓN DE VOLUMEN QUE EXPERIMENTA EL SISTEMA EN UNA TRANSFORMACIÓN • W = -Pext·DV = -Pext·(V2-V1) = -Pext·DV

21. 5. 1er PPIO. DE LA TERMODINÁMICA • VARIACIÓN DE ENERGÍA INTERNA DE UN SISTEMA EN UNA TRANSFORMACIÓN: • DU = U2 – U1 • Principio de conservación de la energía: “La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma”, por lo que cualquier variación de energía interna será consecuencia de un intercambio de energía con el entorno mediante calor o trabajo • PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA DU = U2- U1 = Q + W = Q – Pext·DV

22. 6. 2O PPIO. DE LA TERMODINÁMICA • MÁQUINA TÉRMICA: SISTEMA CAPAZ DE CONVERTIR ENERGÍA TÉRMICA EN MECÁNICA • Energía térmica procedente de la combustión de un combustible • Funcionamiento: Tiene dos focos térmicos a distinta temperatura  Se transfiere energía desde el foco caliente hacia el foco frío, pero el sistema puede aprovechar parte de esa energía como trabajo mecánico (W) • Existe una parte de energía que se emplea en calentar al foco frío, por lo que la transformación de energía térmica en mecánica NUNCA es del 100 %

23. 6. 2O PPIO. DE LA TERMODINÁMICA • MÁQUINA TÉRMICA: SISTEMA CAPAZ DE CONVERTIR ENERGÍA TÉRMICA EN MECÁNICA • El ingeniero francés Carnot dedujo que era imposible convertir toda la energía térmica en mecánica • La expresión de esta restricción se conoce como SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA y se enuncia a partir del rendimiento de una máquina térmica: • El rendimiento depende de la diferencia de temperatura entre los focos: a mayor diferencia, mayor rendimiento

24. 6. 2O PPIO. DE LA TERMODINÁMICA • MÁQUINA TÉRMICA: SISTEMA CAPAZ DE CONVERTIR ENERGÍA TÉRMICA EN MECÁNICA • DEGRADACIÓN DE LA ENERGÍA: Se produce porque parte de la energía no se puede aprovechar, por lo que, aunque la energía total se conserva, en cada transferencia se produce una disminución de energía útil a causa del segundo principio de la termodinámica