Conceptos Esenciales de Termodinámica: Agitación Térmica, Calor y Equilibrio

Temperatura y Calor: Fundamentos de la Materia

La materia es discontinua, está formada por un gran número de pequeñas partículas materiales separadas entre sí que se encuentran en constante movimiento. El movimiento de las partículas que componen la materia (átomos y moléculas) recibe el nombre de agitación térmica.

Definición de Temperatura

La **temperatura de un cuerpo** es una medida de la agitación térmica de las partículas que lo forman. Cuanto mayor es la agitación térmica, mayor es la temperatura del cuerpo. La temperatura nos da una idea de si un cuerpo está caliente o frío.

Escalas de Temperatura

Las escalas de temperatura más utilizadas son Celsius, Kelvin y Fahrenheit.

El Calor y la Transferencia de Energía

El **Calor** es una forma de transmisión de la energía que se produce cuando existe una diferencia de temperatura entre dos cuerpos o entre diferentes partes de un mismo cuerpo. El calor también recibe los nombres de energía térmica o energía calorífica.

Equivalencia: 1 cal = 4.18 J.

Calor Específico

El **Calor Específico** de una sustancia es el calor que debe recibir la unidad de masa para aumentar su temperatura en un Kelvin.

Equilibrio Térmico

El proceso de intercambio de calor hasta alcanzar el equilibrio se describe así:

• La temperatura del cuerpo más caliente va disminuyendo porque cede calor al que está más frío.
• La temperatura del cuerpo más frío aumenta progresivamente porque absorbe el calor procedente del cuerpo más caliente.
• Finalmente, se alcanza el **equilibrio térmico** cuando los dos cuerpos alcanzan la misma temperatura. El intercambio de calor cesa y la temperatura de cada uno se estabiliza.

Estados de la Materia y Cambios de Fase

A continuación, se describen las características de los estados de la materia y los procesos de cambio de estado:

Características de los Estados

• Estado Sólido: Las partículas están ordenadas y se mueven oscilando alrededor de sus posiciones. Al calentar, las partículas ganan energía y se mueven más deprisa, pero conservan sus posiciones.
• Estado Líquido: Las partículas están muy próximas, moviéndose con libertad y de forma desordenada. Al calentar, las partículas se mueven más rápido y la temperatura aumenta.
• Estado de Vapor (Gaseoso): Las partículas de agua se mueven libremente, ocupando mucho más espacio que en estado líquido. Si calentamos el vapor de agua, la energía es absorbida por las partículas y ganan velocidad, por lo tanto, la temperatura sube.

Procesos de Cambio de Estado

• Fusión (Sólido-Líquido): Tiene lugar a una temperatura fija, la temperatura de fusión.
• Solidificación (Líquido-Sólido): Ocurre a la temperatura de fusión.
• Condensación (Gaseoso-Líquido): Ocurre a la temperatura de ebullición.
• Sublimación (Sólido-Gas) y Sublimación Inversa o Deposición (Gas-Sólido).

Calores Latentes

Calor Latente de Fusión: Es el calor necesario para que la unidad de masa de una sustancia pase de sólido a líquido a la temperatura de fusión.

Calor de Vaporización: Es el calor necesario para que la unidad de masa de una sustancia pase de líquido a vapor a la temperatura de ebullición.

Dilatación y Principios Termodinámicos

Dilatación Térmica

Consiste en el aumento de volumen de un cuerpo como consecuencia de un incremento de su temperatura.

Trabajo y Calor: El Equivalente Mecánico

El principio de conservación de la energía afirmaba que la energía total se conserva en cualquier transformación. Joule comprobó que el trabajo mecánico produce los mismos efectos que el calor y determinó con exactitud la equivalencia entre los valores de ambas magnitudes.

Joule utilizó un calorímetro con una cierta masa de agua al cual incorporó unas paletas giratorias. Hizo caer el peso atado a un hilo que unió alrededor del eje de las paletas. El peso, al caer, hacía mover las paletas y estas agitaban el agua. De este modo, el trabajo realizado por el cuerpo se empleaba en aumentar la temperatura del agua.

Equivalencia: 4.18 J = 1 cal. Esta relación se conoce como equivalente mecánico del calor y permite estudiar los procesos de transformación de trabajo en calor.

Primer Principio de la Termodinámica

La variación de energía interna de un sistema es igual a la suma del calor y el trabajo intercambiados con el exterior.

Máquina Térmica

Una máquina térmica es un dispositivo que, actuando de manera cíclica, transforma el calor suministrado por un foco calorífico en trabajo mecánico.