Termodinámica Esencial: Conceptos de Calor, Temperatura y Sistemas Físicos

Conceptos Fundamentales de Calor y Temperatura

Definiciones Clave

• Temperatura

  : Magnitud física que nos indica cuán caliente o frío se encuentra un cuerpo o sustancia.

• Calor

  : Energía en tránsito que se transfiere de un cuerpo a otro cuando están en contacto y a diferente temperatura.

• Escalas de Temperatura

  : Celsius, Kelvin y Fahrenheit.

• Temperatura Más Baja (Cero Absoluto)

  : −273.15 °C.

• Equilibrio Térmico

  : Dos cuerpos están en equilibrio térmico cuando, al estar en contacto, tienen la misma temperatura.

• Unidad del Sistema Internacional (SI) del Calor

  : Joule (J).

Sistemas Físicos y su Interacción con el Entorno

Tipos de Sistemas

• Sistema Físico

  : Conjunto de componentes u objetos que interactúan entre sí bajo ciertas leyes físicas.

• Sistema Abierto

  : Intercambia energía y materia con su entorno.
  Ejemplo: Olla destapada hirviendo.

• Sistema Cerrado

  : Intercambia energía pero no materia con su entorno.
  Ejemplo: Olla tapada.

• Sistema Aislado

  : No intercambia ni materia ni energía con su entorno.
  Ejemplo: Un termo ideal.

Métodos de Transmisión de Calor

Formas de Propagación del Calor

• Convección

  : Transferencia de calor por el movimiento de un fluido (líquido o gas) debido a las diferencias de temperatura y densidad.

• Conducción

  : Transferencia de calor a través de un material sólido debido al contacto directo y el movimiento de moléculas.

• Radiación

  : Transferencia de calor en forma de ondas electromagnéticas, como la luz infrarroja.

Fenómenos Térmicos Específicos

Cambios de Fase

¿Por qué los cambios de fase ocurren a temperatura constante?

El calor que se suministra o se libera durante un cambio de fase se utiliza para romper o formar las fuerzas intermoleculares, en lugar de aumentar o disminuir la energía cinética promedio de las moléculas (que se relaciona con la temperatura).

Capacidades Térmicas y Unidades

• Capacidad Térmica

  : Cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de un cuerpo.

• Calor Específico

  : Cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de un gramo de una sustancia en una unidad de temperatura.

• Calor Latente

  : Cantidad de calor necesaria para cambiar el estado de una sustancia sin modificar su temperatura.

Unidades de Medida

• Calor: Joule (J)
• Temperatura: Kelvin (K)
• Calor Específico: Joule por kilogramo-Kelvin (J/(kg·K))
• Masa: Kilogramo (kg)

Conceptos Adicionales y Aplicaciones

Definiciones y Ejemplos Prácticos

1. Se define como la razón que existe entre la cantidad de calor que recibe un cuerpo y su incremento de temperatura: Capacidad Calorífica.
2. Cantidad de calor necesaria para elevar en un grado Celsius la temperatura de un gramo de agua: Caloría.
3. Es la forma en que el calor se conduce o propaga en los sólidos: Conducción.
4. Es la razón que existe entre la capacidad calorífica de una sustancia y su masa: Calor Específico.

Fenómenos y Problemas Resueltos

• Aumento del área de un cuerpo al incrementar su temperatura: Dilatación Superficial.
• Propagación del calor a través de un cuerpo sólido debido al choque molecular: Conducción.
• Se tiene un cubo de aluminio (0.217 cal/g°C) y uno de cobre (0.093 cal/g°C) ambos de las mismas dimensiones. Si se exponen al fuego, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera? Se calienta más rápido el cubo de cobre.
• A 300 g de una sustancia se le aplican 742.5 cal para elevar su temperatura de 15°C a 90°C. ¿Cuál es la sustancia? Hierro (0.113 cal/g°C).
• Las águilas son aves que para poder volar a grandes alturas necesitan corrientes de aire caliente. Este fenómeno se conoce como: Convección.
• Calor que requiere una sustancia para cambiar de un estado físico a otro, manteniendo constante su temperatura: Calor Latente.
• Es la cantidad de calor que necesita un gramo de cualquier sustancia para elevar su temperatura en un grado centígrado: Calor Específico.
• Es un grupo de objetos o entidades materiales ordenados según ciertas leyes, entre cuyas partes existe una conexión o interacción de tipo causal: Sistema.