Fundamentos de Termodinámica: Calor, Temperatura y Cambios de Fase

Definiciones Clave

¿Qué es el Calor?

El calor es energía en tránsito. Los cuerpos ceden o ganan calor, fluyendo desde objetos a mayor temperatura hacia aquellos de menor temperatura. Su unidad de medida es Q, expresada en calorías (cal).

¿Qué es la Temperatura?

La temperatura es una magnitud física que indica cuán caliente o fría está una sustancia. Se mide con un termómetro y su unidad es el grado Celsius (°C).

Equilibrio Térmico

Cuando dos cuerpos con diferente temperatura se ponen en contacto, después de un tiempo determinado alcanzan la misma temperatura. En este estado, se dice que los objetos han alcanzado el equilibrio térmico.

Cantidad de Calor y Calor Específico

Cantidad de Calor

El calor suministrado a una sustancia o cedido por ella, para producir un aumento o disminución de temperatura, respectivamente, depende de tres factores:

• La masa del cuerpo.
• El calor específico del material.
• La variación de la temperatura.

La cantidad de calor se expresa mediante la fórmula: Q = m ⋅ c_e ⋅ ΔT

Calor Específico

El calor específico de un material es la cantidad de calor que debe suministrarse a un gramo de una sustancia para que su temperatura aumente en un grado centígrado. Su unidad es J/kg·K.

Mecanismos de Transmisión de Calor

Conducción

Es la transmisión de calor a través de un sólido en contacto directo con otro sólido. Ejemplo: calentar una barra de hierro en el fuego.

Convección

Es la corriente que se establece entre dos puntos de un fluido cuando existe una diferencia de temperatura entre ellos. Ejemplo: calentar agua en una olla.

Radiación

Es la propagación de calor por medio de ondas electromagnéticas, incluso en el vacío, a una velocidad aproximada de 300,000 km/s. Ejemplo: el calentamiento de la Tierra por el Sol.

Cambios de Fase

Vaporización

Es el paso de la fase líquida a gaseosa. Puede ocurrir de dos formas:

• Evaporación: Ocurre a cualquier temperatura.
• Ebullición: Se observa la producción de burbujas dentro del líquido.

Licuefacción

Una sustancia cambia de estado gaseoso a líquido.

Solidificación

Una sustancia cambia de estado líquido a sólido.

Calor Latente y Cambios de Fase Específicos

Calor Latente de Fusión

Representa la cantidad de calor que absorbe la unidad de masa de un sólido para pasar al estado líquido a partir de su punto de fusión, sin que la temperatura varíe durante la transformación.

Leyes de la Fusión:

• Toda sustancia sólida se funde a una temperatura determinada (punto de fusión) para un valor de presión específico.
• Durante el proceso de fusión, la temperatura permanece constante.

Calor Latente de Solidificación

Representa la cantidad de calor que cede cada unidad de masa de un líquido para pasar al estado sólido a partir de su punto de solidificación, sin que la temperatura varíe durante la transformación.

Leyes:

• Toda sustancia líquida se solidifica a una temperatura determinada (punto de solidificación) para un valor de presión específico.
• La segunda ley es igual a la de la fusión (la temperatura permanece constante durante el proceso).

Calor Latente de Vaporización

Representa la cantidad de calor que absorbe cada unidad de masa de un líquido para pasar al estado gaseoso a partir de su punto de vaporización, sin que la temperatura varíe durante la transformación.

Leyes:

• Toda sustancia líquida puede pasar al estado gaseoso cuando se encuentra a una temperatura determinada (punto de vaporización) para un valor de presión específico.
• La segunda ley es la misma que en los casos anteriores (la temperatura permanece constante).

Calor Latente de Licuefacción

Representa la cantidad de calor que cede cada unidad de masa de un gas para pasar al estado líquido a partir de su punto de licuefacción, sin que la temperatura varíe durante la transformación.

Leyes:

• Toda sustancia gaseosa puede pasar al estado líquido cuando se encuentra a una temperatura determinada (punto de licuefacción) para un valor de presión específico.