Fundamentos de Termodinámica: Calor, Transferencia y Dilatación Térmica

Concepto de Calor

El calor es la energía térmica que se transfiere de forma natural o espontánea entre dos cuerpos que están a diferente temperatura.

Propagación del Calor

• Conducción: Es la propagación de calor sin desplazamiento de materia; se transmite la energía térmica en los sólidos. Al absorber energía térmica, las partículas del sólido disponen de mayor energía cinética, por lo cual vibran con mayor intensidad. La vibración se va transmitiendo a lo largo del sólido sin que haya transporte de materia.
• Convección: Es la propagación de calor con transporte de materia; se transmite la energía térmica en los fluidos. El calor se propaga por dentro de la masa del fluido mediante la formación de corrientes de convección, las cuales se originan debido a la diferencia de densidad.
• Radiación: Propagación de calor mediante ondas electromagnéticas. No requiere la presencia de un medio material; todos los cuerpos materiales emiten radiación térmica.

Variación de Temperatura y Calor Específico

Para calcular la variación de temperatura se utiliza la fórmula: Q = m · c · ΔT, donde Q es la cantidad de calor, m es la masa y c es la constante de calor específico.

La fórmula extendida es: Q = m · c · (T_final - T_inicial).

Calor específico: De una sustancia pura es la cantidad de calor que tiene que intercambiar con su entorno la unidad de masa de esa sustancia para que su temperatura varíe un kelvin.

Ecuación del Equilibrio Térmico

Se define como: m_A · c_A · (T_A - T_eq) = m_B · c_B · (T_eq - T_B).

Dilatación Térmica

Es el aumento en las dimensiones que experimenta un cuerpo o un sistema material cuando se eleva su temperatura; afecta a todos los estados de agregación de la materia.

• Sólidos: Puede ser lineal, superficial o cúbica.
• Líquidos y Gases.

Fórmulas de Dilatación y Geometría

• Dilatación lineal: ΔL = α · L₀ · (T_f - T₀)
• Coeficiente de dilatación cúbica: ΔV = 3α · L₀ · (T_f - T₀)
• Esfera: V_esfera = 4/3 · π · r³ | S_esfera = 4 · π · r²

Cambio de Estado

Calor latente de cambio de estado (L): Es la energía térmica que intercambia con su entorno 1 kg de sustancia pura para cambiar de estado a una presión determinada. La fórmula es: Q = m · L.

Máquinas Térmicas

Es un dispositivo capaz de producir trabajo mecánico a partir de la energía térmica que suministra un combustible.

Rendimiento de una máquina

η = (W / Q_c) · 100 = (Q_c - Q_f) / Q_c · 100