CALOR Y LEYES DE TERMODINÁMICA
CALOR Y LEYES DETERMODINÁMICA
Los principios de la termodinámica rigen el Universo. Cualquier cuerpo u objeto imaginable está regulado y limitado por las leyes universales de la termodinámica, una rama de la Física que describe el comportamiento de la energía, la temperatura y el movimiento, tres magnitudes que, de acuerdo a estos principios, están estrechamente relacionados.El concepto de “termodinámica” procede del griego “thermos” (calor) y “dynamos” (fuerza). Este origen léxico ya nos da una pista de cuál es el objeto de estudio de esta disciplina. En efecto, la termodinámica es una rama de la física estudia todos aquellos fenómenos que suceden en los cuerpos afectados por los intercambios de temperatura y por el flujo de energía, cosa que determina directamente su movimiento.
En otras palabras, la termodinámica es la disciplina física que estudia las propiedades macroscópicas (visibles al ojo humano, aunque sea de forma indirecta) de la materia afectada por fenómenos relacionados con el calor. Y es que la temperatura determina la circulación de la energía y esta induce movimiento.
Equilibrio térmico :ley cero
Se dice que dos cuerpos están en equilibrio térmico cuando, al ponerse en contacto, sus variables de estado no cambian. En torno a esta simple idea se establece la ley cero. La ley cero de la termodinámica establece que, cuando dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, estos están a su vez en equilibrio térmico entre sí.Según la ley cero de la termodinámica aunque el cuerpo A y B no están en contacto térmico directo, se encuentra en equilibrio térmico gracias al cuerpo C.
Medición de temperatura.La temperatura es una magnitud escalar que se define como la cantidad de energía cinética de las partículas de una masa gaseosa, liquida o sólida. Cuanto mayor es la velocidad de las partículas, mayor es la temperatura y viceversa. Magnitud física que expresa el grado o nivel de calor de los cuerpos o del ambiente, y cuya unidad en el sistema internacional es el kelvin (K).
La temperatura se mide mediante magnitudes termométricas, es decir, diferentes unidades que representan la temperatura a distintas escalas. Para eso se emplea un dispositivo llamado “termómetro” del que existen varios tipos dependiendo del fenómeno que se necesite medir, por ejemplo:
- Dilatación y contracción. Existen termómetros para medir los gases (termómetro de gas a presión constante), los líquidos (termómetro de mercurio) y los sólidos (termómetro de columna líquida o bimetálico), que son elementos que se expanden con temperaturas altas o se contraen con temperaturas bajas.
- Variación de resistencia eléctrica. Las resistencias eléctricas, es decir, los flujos de electrones que se mueven a través de un material conductor, varían según la temperatura que adquieren. Para su medición se emplean termómetros de resistencia eléctrica como los sensores (en base a una resistencia capaz de transformar la variación eléctrica en una variación de temperatura) y los termoeléctricos (que generan fuerza motriz).
- Termómetro de radiación térmica. Los fenómenos de radiación emitidos en el sector industrial pueden ser medidos mediante sensores de temperatura como los pirómetros infrarrojos (para medir temperaturas muy bajas de refrigeración) y los pirómetros ópticos (para medir altas temperaturas de hornos y metales de fusión).
- Potencial termoeléctrico. La unión de dos metales diferentes que se someten a temperaturas distintas entre sí, genera una fuerza electromotriz que se convierte en potencial eléctrico y que se mide en voltios.
Calor como forma de energía
El calor se define como la transferencia de energía térmica desde un cuerpo caliente a uno más frío. Según la teoría cinética molecular de la materia, todas las sustancias están formadas por partículas en constante movimiento, que chocan entre sí. El movimiento de estas partículas determina la energía cinética o energía de movimiento de un cuerpo. El
calor es una forma de la energía que resulta del movimiento activo de las partículas de los cuerpos. La temperatura es el nivel de calor en los cuerpos. La apreciamos relativamente por los sentidos táctiles. Cuando dos cuerpos de distinta temperatura se ponen en contacto, el más caliente cede calor al más frío. La unidad medida del calor es la caloría. Calor específico es la cantidad de calor necesario para subir a un gramo masa del cuerpo un grado centígrado su temperatura..
Conducción de calor
La conducción de calor es el proceso mediante el cual el calor se transfiere de una región de alta temperatura a otra de baja temperatura a través de contacto físico. Esto puede ocurrir a través de un material conductor, como un metal, o a través del espacio vacío.Se trata de una forma de transferencia de energía térmica que se produce en la mayoría de los materiales, incluyendo los sólidos, líquidos y gases. La velocidad a la que el calor se conduce depende de la conductividad térmica del material en cuestión.
En la conducción no existe un desplazamiento real de las partículas de energía calórica, sino que estas se agitan y se propagan a través del cuerpo. La transferencia por conducción es invisible: una herramienta de metal se calienta al entrar en contacto con el fuego sin que se observen cambios en ella.
La primera ley de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica establece que: "La energía total de un sistema aislado ni se crea ni se destruye, permanece constante". Es un principio que refleja la conservación de la energía. el sistema no está aislado esta igualdad no se cumple y el sistema sufre una variación de calor.Para la primera ley de la termodinámica, no hay un paso trivial de la concepción física desde la vista del sistema cerrado a una vista del sistema abierto.
Para los sistemas cerrados, los conceptos de un recinto adiabático y de una pared adiabática son fundamentales. La materia y la energía interna no pueden penetrar o penetrar en tal pared. Para un sistema no aislado, hay un muro que permite la penetración de la materia.
La segunda ley de la termodinámica
Al igual que ocurren con otras leyes de termodinámica, el segundo principio es de tipo empírico, llegamos a él a través de la experimentación. La termodinámica no se preocupa de demostrar por qué las cosas son así, y no de otra forma.
La segunda ley termodinámica se expresa en varias formulaciones equivalentes:
Enunciado de Kelvin - Planck
No es posible un proceso que convierta todo el calor absorbido en trabajo.
Enunciado de Clausius
No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un cuerpo frio otro mas caliente.
Esta segunda ley no dice que no sea posible la extracción de calor de un foco frío a otro más caliente. Simplemente dice que dicho proceso nunca será espontáneo.
A continuación vamos a estudiar las consecuencias de estas leyes en el caso de máquinas térmicas y a introducir el concepto de entropía.
El concepto de “termodinámica” procede del griego “thermos” (calor) y “dynamos” (fuerza). Este origen léxico ya nos da una pista de cuál es el objeto de estudio de esta disciplina. En efecto, la termodinámica es una rama de la física estudia todos aquellos fenómenos que suceden en los cuerpos afectados por los intercambios de temperatura y por el flujo de energía, cosa que determina directamente su movimiento.
En otras palabras, la termodinámica es la disciplina física que estudia las propiedades macroscópicas (visibles al ojo humano, aunque sea de forma indirecta) de la materia afectada por fenómenos relacionados con el calor. Y es que la temperatura determina la circulación de la energía y esta induce movimiento.
La temperatura es una magnitud escalar que se define como la cantidad de energía cinética de las partículas de una masa gaseosa, liquida o sólida. Cuanto mayor es la velocidad de las partículas, mayor es la temperatura y viceversa. Magnitud física que expresa el grado o nivel de calor de los cuerpos o del ambiente, y cuya unidad en el sistema internacional es el kelvin (K).
La temperatura se mide mediante magnitudes termométricas, es decir, diferentes unidades que representan la temperatura a distintas escalas. Para eso se emplea un dispositivo llamado “termómetro” del que existen varios tipos dependiendo del fenómeno que se necesite medir, por ejemplo:
- Dilatación y contracción. Existen termómetros para medir los gases (termómetro de gas a presión constante), los líquidos (termómetro de mercurio) y los sólidos (termómetro de columna líquida o bimetálico), que son elementos que se expanden con temperaturas altas o se contraen con temperaturas bajas.
- Variación de resistencia eléctrica. Las resistencias eléctricas, es decir, los flujos de electrones que se mueven a través de un material conductor, varían según la temperatura que adquieren. Para su medición se emplean termómetros de resistencia eléctrica como los sensores (en base a una resistencia capaz de transformar la variación eléctrica en una variación de temperatura) y los termoeléctricos (que generan fuerza motriz).
- Termómetro de radiación térmica. Los fenómenos de radiación emitidos en el sector industrial pueden ser medidos mediante sensores de temperatura como los pirómetros infrarrojos (para medir temperaturas muy bajas de refrigeración) y los pirómetros ópticos (para medir altas temperaturas de hornos y metales de fusión).
- Potencial termoeléctrico. La unión de dos metales diferentes que se someten a temperaturas distintas entre sí, genera una fuerza electromotriz que se convierte en potencial eléctrico y que se mide en voltios.
calor es una forma de la energía que resulta del movimiento activo de las partículas de los cuerpos. La temperatura es el nivel de calor en los cuerpos. La apreciamos relativamente por los sentidos táctiles. Cuando dos cuerpos de distinta temperatura se ponen en contacto, el más caliente cede calor al más frío. La unidad medida del calor es la caloría. Calor específico es la cantidad de calor necesario para subir a un gramo masa del cuerpo un grado centígrado su temperatura.
Se trata de una forma de transferencia de energía térmica que se produce en la mayoría de los materiales, incluyendo los sólidos, líquidos y gases. La velocidad a la que el calor se conduce depende de la conductividad térmica del material en cuestión.
En la conducción no existe un desplazamiento real de las partículas de energía calórica, sino que estas se agitan y se propagan a través del cuerpo. La transferencia por conducción es invisible: una herramienta de metal se calienta al entrar en contacto con el fuego sin que se observen cambios en ella.
Para la primera ley de la termodinámica, no hay un paso trivial de la concepción física desde la vista del sistema cerrado a una vista del sistema abierto.
Para los sistemas cerrados, los conceptos de un recinto adiabático y de una pared adiabática son fundamentales. La materia y la energía interna no pueden penetrar o penetrar en tal pared. Para un sistema no aislado, hay un muro que permite la penetración de la materia.
Al igual que ocurren con otras leyes de termodinámica, el segundo principio es de tipo empírico, llegamos a él a través de la experimentación. La termodinámica no se preocupa de demostrar por qué las cosas son así, y no de otra forma.
La segunda ley termodinámica se expresa en varias formulaciones equivalentes:
Enunciado de Kelvin - Planck
No es posible un proceso que convierta todo el calor absorbido en trabajo.
Enunciado de Clausius
No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un cuerpo frio otro mas caliente.
Esta segunda ley no dice que no sea posible la extracción de calor de un foco frío a otro más caliente. Simplemente dice que dicho proceso nunca será espontáneo.
A continuación vamos a estudiar las consecuencias de estas leyes en el caso de máquinas térmicas y a introducir el concepto de entropía.
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