Fundamentos de Termodinámica
Materia y Energía
Cuerpo: Es todo aquello que tiene forma y ocupa un lugar en el espacio.
Materia: Es lo que forma un cuerpo.
Energía: Es la capacidad que tiene un cuerpo o sistema de cuerpos para realizar un trabajo.
Trabajo: Es la cantidad de energía necesaria para modificar un cuerpo.
Propiedades de la Materia
Físicamente, la materia es un concepto cualitativo. Para establecer su valor cuantitativo se recurre a tres propiedades fundamentales:
Masa: Es la cantidad de materia que compone un cuerpo. Se puede medir y no varía.
Forma: La forma está determinada por la porción de materia que tiene un cuerpo y su disposición extrema.
Duración: Es el tiempo que perdura o persiste.
Estados de la Materia
Sólido: La masa y el volumen se mantienen constantes.
Líquido: La masa y el volumen se mantienen constantes.
Gaseoso: Solo la masa se mantiene constante.
Termodinámica
Es la parte de la física que estudia la energía calorífica y sus transformaciones, así como su acción sobre la materia.
Escalas de Temperatura
Para la medición de la temperatura de los cuerpos se establecieron escalas térmicas definidas por puntos fijos:
Cero absoluto: Temperatura teórica fijada por Celsius donde se supone que no hay ninguna actividad celular, molecular ni ambiental.
Punto de fusión del hielo: Es una mezcla de agua saturada de aire y hielo a una presión de una atmósfera.
Punto de ebullición del agua: A una presión de una atmósfera y 100°C.
Termómetros
Los más comunes son el de mercurio (hasta 40°C), el de alcohol (hasta 130°C) y el de pentano (hasta 200°C). Todos parten de 0 y el fluido se desplaza por un tubo de doble pared, en cuya parte exterior tiene una escala.
Termómetros digitales: Utilizan un semiconductor que, cuando la temperatura actúa sobre él, produce una diferencia de potencial captada por un circuito que emite una orden a una pantalla que indica el valor de la temperatura.
Termómetros de gas: Se basan en los cambios de presión de un gas cuyo volumen se mantiene constante.
Calorimetría
La calorimetría se refiere a la medición de la cantidad de calor. Sus unidades son:
- Caloría: En condiciones normales (presión atmosférica, temperatura y humedad ambiente), es la cantidad de calor necesaria que se suministra a 1g de agua.
- Kilocaloría: Es la cantidad de calor a suministrar a 1 kg de agua para elevar su temperatura en 1°C.
- BTU: Es la cantidad de calor suministrada a una libra de agua para elevar su temperatura en 1°F.
Termómetros Metálicos
Se basan en las diferentes dilataciones de dos metales (plata y platino, hierro y cobre). Consiste en un espiral constituido por dos láminas de diferentes metales. La lámina exterior es del material más dilatable, lo que permite que al calentarse haga desplazar la aguja que indica la temperatura.
Capacidad Calorífica y Calor Específico
Se define como la relación entre la cantidad de calor suministrada y su correspondiente incremento de temperatura.
La capacidad calorífica es directamente proporcional al incremento de la cantidad de calor e inversamente proporcional al incremento de temperatura.
Capacidad calorífica:
La capacidad calorífica de los cuerpos se expresa en calorías por grado centígrado o en BTU por grado Fahrenheit. Si el incremento de temperatura es igual a 1°C, es numéricamente igual a la cantidad de calor que hay que suministrarle.
Calor específico: Es la capacidad calorífica por unidad de peso.
Cn:
= 
Calor específico medio: Es la cantidad de calor que ha de suministrarse a un cuerpo de un determinado peso (G) para incrementar su temperatura. De esto se deduce que el incremento de la capacidad calorífica de un cuerpo es igual al producto del calor específico medio de la sustancia por el peso de la misma por el incremento de temperatura.
Equivalente Mecánico del Calor
La energía mecánica generalmente se traduce en trabajo, que se mide en kgm, ergios, joules, etc. En cambio, la energía calorífica se mide en kcal, BTU. Para relacionar la magnitud entre las unidades caloríficas y mecánicas, se efectúa una experiencia mediante la cual una cierta cantidad de energía mecánica se transforma en una cantidad determinada de calor que es medida en el mismo lugar de la experiencia.
Transmisión de Calor
Un cuerpo cede calor no solo a otro cuerpo frío, sino también a todo lo que lo rodea. Estas formas de transmisión de calor pueden ser:
- Conducción: Tiene lugar en el interior de los cuerpos o entre dos cuerpos en íntimo contacto. Esta transmisión se efectúa de molécula en molécula.
- Radiación: La radiación calorífica es una emisión continua de energía radiante desde la superficie de un cuerpo caliente.
- Convección: Es la transmisión de calor mediante un fluido que circula dentro de un sistema.
Transmisión de Calor por Radiación
La radiación calorífica es la emisión continua de energía radiante desde la superficie de los cuerpos calientes. Esta energía se propaga por medio de ondas y puede propagarse a través de un espacio vacío. Ej: el sol y la tierra.
Todo cuerpo radia calor si su temperatura absoluta es mayor a 0°C. El cuerpo irradiará más cuanto mayor sea su temperatura, independientemente de la temperatura de los cuerpos que lo rodeen.
Transmisión de Calor por Convección
Se efectúa mediante el movimiento real de una sustancia caliente. El transporte de calor se efectúa mediante un fluido que circula dentro del sistema. Si el fluido es impulsado por una bomba, el proceso se denomina convección forzada. También se puede utilizar el aire para refrigerar, en este caso se utiliza un ventilador y también se denomina convección forzada.
Sistema Termodinámico
Se define como sistema termodinámico a cualquier sustancia o conjunto de sustancias, de masa fija, que se suponen limitadas por una superficie o envoltura. Esta envoltura, que separa el sistema del espacio exterior, puede ser móvil o fija.