Principios Esenciales de Termodinámica: Calor, Dilatación y Comportamiento de los Gases

Conceptos Fundamentales de Termodinámica y Calor

Temperatura

Magnitud física que indica cuán caliente o fría está una sustancia respecto a un cuerpo de referencia.

Calor

Energía transferida de un cuerpo a otro debido a la diferencia de temperatura.

Unidades del Calor

Las unidades comunes para el calor incluyen la caloría (cal), la kilocaloría (kcal) y la BTU (Unidad Térmica Británica).

• 1 cal = 4.18 J
• 1 kcal = 4186 J
• 1 BTU ≈ 718 pies·libras (Nota: Este valor puede variar ligeramente según la definición específica de BTU utilizada, siendo 778 ft·lbf un valor más común para la equivalencia con trabajo mecánico)
• 1 BTU ≈ 252 cal

Capacidad Calorífica

Cantidad de energía calorífica necesaria para elevar la temperatura de una sustancia en 1°C.

Calor Específico (Ce)

Es la capacidad calorífica de una sustancia por unidad de masa. Representa la cantidad de calor que se requiere para que una masa determinada de una sustancia eleve su temperatura en 1°C. El calor específico (Ce) es un valor que se encuentra en tablas y depende de la sustancia. Este valor refleja la cantidad de calor que debe ser suministrada o eliminada para cambiar la temperatura de una sustancia de masa conocida.

Caloría

Es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius (específicamente de 14.5 °C a 15.5 °C).

Cambios de Fase y Calor Latente

Calor Latente de Fusión

Es la cantidad de calor absorbido o emitido por unidad de masa de un material durante un cambio de fase sin variación de temperatura. El calor latente asociado al cambio de fase de sólido a líquido se denomina calor latente de fusión.

Calor Latente de Vaporización

Es la cantidad de calor necesaria para vaporizar la unidad de masa de una sustancia en su punto de ebullición (cambio de fase de líquido a gas). Por ejemplo, para el agua, se requieren aproximadamente 540 cal/g para cambiar de líquido a gas.

Calor Latente de Condensación

Es el proceso inverso a la vaporización, es decir, el paso de gas a líquido. La temperatura a la cual ocurre este proceso se conoce como temperatura de condensación, que es igual a la temperatura de ebullición y su valor de calor latente es el mismo que el de vaporización, pero con signo opuesto (calor liberado).

Calorimetría y Dilatación Térmica

Calorimetría

La calorimetría es la rama de la física que estudia la medición del calor. Su principio fundamental es la conservación de la energía. Un calorímetro es un dispositivo que, como sistema aislado, permite medir el flujo de calor entre su interior y su exterior, y se utiliza comúnmente para determinar el calor específico (Ce) de una sustancia.

Dilatación Térmica

La dilatación es el fenómeno por el cual un cuerpo aumenta sus dimensiones (longitud, superficie o volumen) cuando su temperatura se incrementa.

Dilatación Lineal

Se presenta principalmente en sólidos y se refiere al aumento de la longitud de un cuerpo debido al incremento de la vibración de sus moléculas por efecto del calor.

Dilatación Volumétrica

Se observa tanto en fluidos (líquidos y gases) como en sólidos, y se refiere al aumento del volumen total de una sustancia cuando se le aplica calor, afectando todas sus dimensiones.

Dilatación Superficial

Se refiere al aumento del área superficial de un cuerpo (generalmente sólidos bidimensionales) debido al efecto del calor. Un ejemplo clásico es el Anillo de Gravesande.

Comportamiento de los Gases y Sistemas Termodinámicos

Conceptos Fundamentales

El estudio del comportamiento de los gases implica analizar transformaciones termodinámicas dentro de un sistema (el objeto de estudio). Un sistema está delimitado por paredes, y todo lo que lo rodea se denomina vecindad. Las propiedades que describen el estado de un sistema se conocen como variables termodinámicas, incluyendo la masa, el volumen, la presión y la temperatura. Si estas propiedades no varían con el tiempo, se dice que el sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinámico.

Tipos de Paredes en Sistemas Termodinámicos

• Paredes Aislantes: Aíslan completamente el sistema, impidiendo cualquier intercambio de materia o energía con el exterior.
• Paredes Adiabáticas: Permiten interacciones de tipo mecánico (trabajo), pero impiden el flujo de calor.
• Paredes Diatérmicas: Permiten el intercambio de calor entre el sistema y su entorno.

Cuando se genera un cambio en el sistema, se denomina proceso termodinámico. Los sistemas se encuentran en contacto térmico si comparten un equilibrio termodinámico.