Conceptos Fundamentales de Termodinámica: Calor, Temperatura y Dilatación
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El Calor y la Temperatura
El Calor (Q)
El calor, Q, es la transferencia de energía que tiene lugar desde un cuerpo a mayor temperatura a otro cuerpo de menor temperatura al ponerlos en contacto.
Su unidad en el Sistema Internacional (S.I.) es el Julio (J).
La Temperatura
Para cuantificar el calor se utiliza la temperatura, la cual se mide con los termómetros.
La unidad de la temperatura en el S.I. es el Kelvin (K), aunque se utiliza más el grado centígrado (°C).
La relación entre ambas escalas es:
T (K) = T (°C) + 273
Transferencia de Energía Térmica
Cantidad de Calor Transferida entre los Cuerpos
Cuando se comunica calor a un cuerpo, aumenta su energía interna. Este aumento no se puede observar a simple vista, pero sí podemos observar sus posibles efectos:
- Aumento de la temperatura.
- Cambio de estado.
- Dilatación del cuerpo.
Energía Transferida con Variación de Temperatura
Cuando se comunica calor o energía a un cuerpo en un determinado estado de agregación, este se utiliza para variar la temperatura del mismo.
Esta cantidad de calor absorbida o cedida por un cuerpo depende de la masa del cuerpo, de la diferencia de temperatura y de su propia naturaleza.
La naturaleza de cada sustancia se refleja en una magnitud denominada: Capacidad Calorífica Específica o Calor Específico, c.
El calor absorbido o cedido por un cuerpo se calcula mediante la siguiente expresión:
Q = m · c · ΔT
- Q: calor (J)
- m: masa (kg)
- c: calor específico (J/kg·K)
- ΔT: variación de temperatura (K)
Convención de signos:
Q > 0→ el cuerpo absorbe calorQ < 0→ el cuerpo cede calor
Ejemplo: Calcula la energía térmica que se ha de comunicar a 500 g de plomo para elevar su temperatura de 20 °C a 80 °C.
Dato: cPb = 130 J/kg·°C.
Energía Transferida en Cambios de Estado
Cuando se comunica calor o energía a un cuerpo, este se puede utilizar para producir un cambio de estado. Mientras tenga lugar el cambio de estado, la temperatura permanece constante.
La cantidad de calor suministrada durante el cambio de estado depende de la masa del cuerpo y de la naturaleza de cada sustancia.
La naturaleza de cada sustancia se refleja en una magnitud llamada: Calor Latente, L.
La expresión matemática que permite calcular el calor durante un cambio de estado es:
Q = m · L
- Q: calor (J)
- m: masa (kg)
- L: calor latente (J/kg)
Equilibrio Térmico
Cuando se ponen en contacto dos cuerpos que están a distinta temperatura, el cuerpo de mayor temperatura cede calor al cuerpo de menor temperatura hasta que ambos alcanzan la misma temperatura. Se dice que se ha alcanzado el equilibrio térmico.
Dado que la energía ni se crea ni se destruye, el calor cedido por el cuerpo a mayor temperatura es igual al calor absorbido por el cuerpo a menor temperatura.
Qabsorbe = Qcede
Ejemplo: Mezclamos 0,5 kg de agua a 70 °C con 0,75 kg de agua a 25 °C. Calcula la temperatura de la mezcla cuando se alcance el equilibrio térmico.
Otros Efectos del Calor en los Cuerpos: La Dilatación
La Dilatación
La dilatación es el aumento de longitud, superficie o volumen que experimentan los cuerpos al recibir calor y elevar su temperatura.
La dilatación afecta a todos los estados de agregación, aunque en distinta magnitud. Los gases se dilatan más que los líquidos, y estos más que los sólidos.
Los sólidos pueden experimentar una dilatación lineal, superficial o cúbica.
Dilatación Lineal
La dilatación lineal es el aumento de longitud que experimenta un cuerpo al ser calentado.
Se determina mediante la siguiente expresión:
lT = l0 · (1 + λ · T)
- lT: longitud final a la temperatura T en °C (m)
- l0: longitud del cuerpo a 0 °C (m)
- λ: coeficiente de dilatación lineal (°C⁻¹)
- T: temperatura (°C)