Termodinámica: Efectos del Calor, Máquinas Térmicas y Propagación

Efectos del Calor

El calor es capaz de producir transformaciones en la materia. Estas transformaciones se manifiestan como variaciones de temperatura, cambios de estado y dilatación.

Variaciones de Temperatura

Cuando el calor fluye hacia un cuerpo, el primer efecto observable es el aumento de su temperatura. Este incremento depende del tipo de material y de la masa del cuerpo.

Cambios de Estado

Los cambios de estado se clasifican en progresivos y regresivos.

• Cambios de Estado Progresivos: Si las sustancias absorben calor, las partículas que las forman incrementan su velocidad de movimiento. Esto provoca que las partículas se separen, disminuyendo las fuerzas que las mantienen unidas y, en consecuencia, se produce un cambio de estado.
• Cambios de Estado Regresivos: Si las sustancias ceden energía, la velocidad de las partículas que las forman disminuye. Esto hace que las partículas se junten, aumentando las fuerzas que las mantienen unidas y provocando un cambio de estado.

Leyes que regulan los cambios de estado

• Durante el cambio de estado, la temperatura permanece invariable. Esta temperatura se denomina temperatura de cambio de estado.
• Los cambios de estado de sustancias puras se producen siempre a la misma temperatura.

Dilatación

La dilatación es el aumento de volumen que experimenta un cuerpo cuando absorbe calor. Por el contrario, si el cuerpo pierde calor, su volumen disminuye.

• En los gases, solo se aprecia la dilatación si las paredes del recipiente no son rígidas. Si el gas pierde energía, su volumen disminuye.
• Los líquidos se dilatan más que los sólidos. Apreciar la dilatación que sufren los líquidos es difícil, ya que cuando la temperatura aumenta, se dilata tanto el líquido como el recipiente sólido que lo contiene.
• Los sólidos absorben calor y las partículas que los forman empiezan a moverse con más velocidad. Las distancias entre ellas aumentan y el cuerpo se dilata.

Dependiendo de la forma del sólido, se pueden distinguir diferentes tipos de dilatación:

• Dilatación lineal: Cuando el sólido tiene forma de barra, se aprecia más el aumento de longitud que el grosor.
• Dilatación superficial: Cuando el sólido tiene forma de lámina, lo que más se aprecia es un aumento de la superficie.
• Dilatación volumétrica: Cuando las tres dimensiones del sólido son similares.

Calor, Trabajo y Máquinas Térmicas

• El calor y el trabajo son dos formas de transmitir energía entre cuerpos y están estrechamente relacionados.
• Este concepto tardó siglos en descubrirse, ya que inicialmente se pensaba que el calor era una especie de fluido que penetraba en los cuerpos y elevaba su temperatura.
• La transformación del trabajo en calor se observa en numerosos casos. Por ejemplo, al frotarse las manos, se realiza un trabajo. Al cabo de cierto tiempo, se siente calor en las manos, ya que el trabajo se ha transformado en calor.
• Las máquinas térmicas transforman el calor en trabajo. Un ejemplo sencillo es calentar agua en una cazuela con la tapadera puesta. Al aportar calor al agua líquida, esta cambia a estado gaseoso, y este gas es capaz de elevar la tapadera.
• La primera máquina térmica fue la máquina de vapor, utilizada fundamentalmente para mover trenes durante la Revolución Industrial en el siglo XVIII. Este tipo de máquinas también se encuentran en las centrales nucleares y en las centrales térmicas.
• El primer científico que midió la equivalencia entre calor y trabajo fue el físico inglés James Prescott Joule (1818-1889). Para ello, empleó la máquina de Joule. En ella, las pesas, al caer, transforman la energía potencial gravitatoria en energía cinética, que mueve las paletas. Estas, a su vez, mueven el agua y, como consecuencia, se eleva su temperatura.
• Se denomina equivalente mecánico del calor a la relación entre el calor y el trabajo: 4,18 J = 1 cal; 1 J = 0,24 cal.

Propagación del Calor

Conducción

• Es el modo en el que el calor se propaga en los sólidos.
• Las partículas del sólido que se encuentran más cerca del foco caliente comienzan a moverse con más velocidad y vibran con mayor amplitud. De esta manera, colisionan con las partículas cercanas, que también empiezan a moverse. Es decir, se transmite el aumento de velocidad de unas partículas a otras.

Convección

• Es el modo en que el calor se propaga en los fluidos (líquidos y gases).
• Las partículas del fluido situadas en el fondo, al calentarse, empiezan a moverse con más velocidad, ampliándose por ese motivo el espacio entre ellas. Como consecuencia, disminuye su densidad. Las sustancias menos densas tienden a subir y las más densas a bajar, produciéndose entonces un movimiento de circulación llamado corrientes de convección.

Radiación

• Es el modo por el que se propaga el calor en el vacío, es decir, donde no existe materia.
• Es el único medio en que se propaga el calor sin que exista materia, aunque en realidad todos los cuerpos que se encuentran a una cierta temperatura emiten calor por radiación.
• Este término siempre está relacionado con el transporte de energía.
• Su significado físico es mucho más amplio, porque la energía electromagnética, en realidad, es una radiación electromagnética.