Principios Esenciales de Termodinámica y Comportamiento de los Gases

Termodinámica: Conceptos Fundamentales

Terminología Básica

El calor se interpreta como una energía en tránsito que fluye de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura.

La temperatura es una magnitud física que indica cuán caliente o fría se encuentra un cuerpo o una sustancia, y se mide con un termómetro.

Fórmulas de Conversión de Temperatura

• De Celsius a Fahrenheit: F = (1.8 × °C) + 32
• De Fahrenheit a Celsius: °C = (F - 32) / 1.8
• De Celsius a Kelvin: °K = °C + 273
• De Kelvin a Celsius: °C = °K - 273

Dilatación de los Cuerpos

La dilatación de los cuerpos se refiere a cómo los cambios de temperatura afectan su tamaño. La mayoría de los cuerpos se dilatan al calentarse y se contraen al enfriarse.

Mecanismos de Dilatación

• En los gases y líquidos, las partículas chocan continuamente. Sin embargo, si se calientan, chocarán violentamente, provocando la dilatación.
• En los sólidos, las partículas vibran alrededor de posiciones fijas. Al calentarse, aumenta su movimiento y se alejan de sus posiciones de equilibrio.

Dilatación Lineal

La dilatación lineal es el incremento de longitud que presenta una varilla, alambre o barra.

Fórmulas:

• Coeficiente de dilatación lineal (α): α = (Lf - Lo) / (Lo × (Tf - To))
• Longitud final (Lf): Lf = Lo × [1 + α × (Tf - To)]

Donde:

• Lf = Longitud final
• Lo = Longitud inicial
• Tf = Temperatura final
• To = Temperatura inicial
• α = Coeficiente de dilatación lineal

Coeficientes de Dilatación Lineal (α)

Valores aproximados (x 10^-6 /°C):

• Hierro: 11.7
• Aluminio: 22.4
• Cobre: 16.7
• Plata: 17.3
• Acero: 11.5
• Vidrio: 7.3

Existen tres tipos de dilatación: lineal, superficial y volumétrica.

Para obtener el valor del coeficiente de dilatación volumétrica (β), se multiplica por tres el coeficiente de dilatación lineal (α). Por ejemplo, para el aluminio, si α es 22.4 x 10^-6 /°C, su valor volumétrico (β) sería 3 × (22.4 x 10^-6) = 6.72 x 10^-5 /°C. Este proceso se aplica a todos los valores.

Unidades de Medida del Calor

El calor es una forma de energía, conocida como energía calorífica. Las unidades para medir el calor son las mismas que las del trabajo mecánico: Joule (J), donde 1 J = 1 N·m.

• Caloría (cal): Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en 1 °C.
• Kilocaloría (kcal): Es un múltiplo de la caloría. 1 kcal = 1000 cal.
• BTU (British Thermal Unit): Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 libra de agua en 1 °F. 1 BTU ≈ 252 cal.

Capacidad Calorífica y Calor Específico

Capacidad Calorífica

La capacidad calorífica (C) se define como la relación entre la cantidad de calor (ΔQ) que recibe un cuerpo o sustancia y su correspondiente elevación de temperatura (ΔT).

Fórmula: C = ΔQ / ΔT

Las unidades comunes son cal/°C, kcal/°C o J/°C.

Cuanto mayor sea el valor de la capacidad calorífica de una sustancia, mayor cantidad de calor requerirá para elevar su temperatura.

Calor Específico

El calor específico (c) se define como la cantidad de calor que necesita 1 gramo de una sustancia para elevar su temperatura en 1 °C.

Fórmula: c = ΔQ / (m × ΔT)

Donde:

• c = calor específico
• ΔQ = cantidad de calor
• m = masa
• ΔT = cambio de temperatura

Valores de Calor Específico (cal/g·°C)

• Agua: 1.00
• Hielo: 0.50
• Hierro: 0.113
• Cobre: 0.093
• Aluminio: 0.217
• Plata: 0.056
• Vidrio: 0.199

Leyes de los Gases Ideales

Ley de Boyle-Mariotte

Robert Boyle estableció que, a temperatura constante y para una masa dada de gas, el volumen del gas varía de manera inversamente proporcional a la presión absoluta.

Ley de Charles

Jacques Charles postuló que, a presión constante y para una masa dada de gas, el volumen del gas varía de manera directamente proporcional a su temperatura absoluta.

Ley de Gay-Lussac

Joseph Louis Gay-Lussac determinó que, a volumen constante y para una masa dada de gas, la presión absoluta que ejerce el gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

Conceptos Fundamentales de los Gases

Un gas se caracteriza porque sus moléculas están separadas unas de otras, razón por la cual carecen de forma definida y ocupan todo el volumen del recipiente que los contiene.

Cuando la temperatura de un gas aumenta, se incrementa la agitación de sus moléculas y, en consecuencia, se eleva la presión. Si la presión permanece constante, entonces aumenta el volumen ocupado.

Un gas ideal es un gas hipotético que permite realizar consideraciones prácticas que facilitan algunos cálculos.

La teoría cinética de los gases parte de la suposición de que las moléculas de un gas están muy separadas y se mueven en línea recta hasta que colisionan con otras o con las paredes del recipiente.

• Los gases están constituidos por moléculas de igual tamaño y masa, aunque estas propiedades varían entre gases distintos.
• Las moléculas de un gas contenido en un recipiente se encuentran en constante movimiento, razón por la cual chocan entre sí.
• Las fuerzas de atracción intermoleculares son despreciables, ya que la distancia entre moléculas es grande en comparación con sus diámetros.
• El volumen que ocupan las moléculas es despreciable en comparación con el volumen total del gas.