TERMODINÁMICA BÁSICA

CALOR


El calor es la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de nivel energético. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor nivel energético a una zona de menor nivel energético, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energía no fluye desde un objeto de nivel energético bajo a un objeto de nivel energético alto si no se realiza trabajo.



Q = m.ce.Δ T °


El calor, igual que el trabajo, corresponde a energía en tránsito (proceso de intercambio de energía), el calor es una transferencia de energía y puede causar los mismos cambios en un cuerpo que el trabajo. La energía mecánica puede convertirse en calor a través del rozamiento, y el trabajo mecánico necesario para producir 1 caloría se conoce como equivalente mecánico del calor. Según la ley de conservación de la energía, todo el trabajo mecánico realizado para producir calor por rozamiento aparece en forma de energía en los objetos sobre los que se realiza el trabajo.


Cuando el calor se convierte en energía mecánica, como en un motor de combustión interna, la ley de conservación de la energía también es válida. Sin embargo, siempre se pierde o disipa energía en forma de calor porque ningún motor tiene una eficiencia perfecta.


Cantidades de calor



Aun cuando no sea posible determinar el contenido total de energía calorífica de un cuerpo, puede medirse la cantidad que se toma o se cede al ponerlo en contacto con otro a diferente temperatura. Esta cantidad de energía en tránsito de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura es precisamente lo que se entiende en física por calor.


La ecuación calorimétrica


La experiencia pone de manifiesto que la cantidad de calor tomada (o cedida) por un cuerpo es directamente proporcional a su masa y al aumento (o disminución) de temperatura que experimenta. La expresión matemática de esta relación es la ecuación calorimétrica.



Q = ce.m.(Tf - Ti)


donde Q representa el calor cedido o absorbido, la masa del cuerpo y Tf y Ti las temperaturas final e inicial respectivamente. Q será positivo si la temperatura final es mayor que la inicial (Tf> Ti) y negativo en el caso contrario (Tf< Ti). La letra c representa la constante de proporcionalidad correspondiente y su valor es característico del tipo de sustancia que constituye el cuerpo en cuestión. Dicha constante se denomina calor específico.



El calor específico de una sustancia equivale, por tanto, a una cantidad de calor por unidad de masa y de temperatura; o en otros términos, es el calor que debe suministrarse a la unidad de masa de una sustancia dada para elevar su temperatura un grado.



Calor de cambio de estado



Si una sustancia llega a la temperatura de cambio de estado, toda la energía que le suministremos se invierte en realizar el cambio de estado. No en cambiar su temperatura, ya que esta permanece constante mientras este se realiza. Cuantitativamente, el calor de puesto en juego para cambiar de estado, viene determinado por la siguiente expresión:



Q = m·L


Donde "m" es la masa (kg) y "L" es el calor latente de cambio de estado (J/kg).

MÁQUINAS TÉRMICAS:



El rendimiento de cualquier máquina térmica, que funciona entre dos focos térmicos, viene dada por:




Si la máquina es ideal, se puede demostrar que el rendimiento viene dado por:




Para toda máquina se cumple la no existencia del Móvil Perpetuo de Segunda Especie "ninguna máquina puede transformar íntegramente el calor en trabajo", lo que se resume en:


EJERCICIOS


1) Determinar la cantidad de calor que absorbe una masa de hielo de 250 g que está a -15 °C para pasar a 30 °C. Respuesta: 28500 cal


2) Determinar la temperatura final que alcanza la mezcla de 30 g de agua a 35 °C con 25 g de alcohol a 18 °C. Respuesta: 29,33 °C


3) Determinar la cantidad de calor absorbida por una masa de 14 g de aire al pasar de 30 °C a 150 °C. Respuesta: 156,24 cal



4) Calcular la variación de temperatura sufrido por una masa de plomo de 920 g, si ha absorbido 2450 cal. Respuesta: 76,56 °C



5) Un automóvil de 1500 kg de masa se desplaza a 5 m/s. ¿Cuántas calorías se transfieren a los frenos al detenerlo? Respuesta: 4478 cal



6) Un recipiente de aluminio de 500 g de masa contiene 117,5 g de agua a 20 °C. Se deja caer dentro del recipiente un bloque de hierro de 200 g de masa a 75 °C. Calcular la temperatura final del conjunto, suponiendo que no hay intercambio de calor con el entorno. Respuesta: 24,97 °C



7) Una bala de plomo que se desplaza a 350 m/s alcanza el blanco y queda en reposo,determinar:


a) ¿Cuál sería la elevación de la temperatura de la bala si no hubiera pérdida de calor al medio?

b) ¿Se funde la bala?

Respuesta: a) 471 °C b) Si



8) Un trozo de hielo a 0 °C cae, partiendo del reposo, en un lago a 0 °C, y se funde un 0,5 % del hielo. Calcular la altura mínima desde la que cae el hielo. Respuesta: 170,92 m



9) ¿Cuál será la velocidad inicial de una bala de plomo a 25 °C, para que el calor disipado cuando alcance el reposo sea exactamente el necesario para fundirla? Respuesta: 357,28 m/s



10) Se sumerge una resistencia eléctrica en un líquido y se disipa energía eléctrica durante 100 s a un ritmo constante de 50 W. La masa del líquido es de 530 g y su temperatura aumenta desde 17,64 °C hasta 20,77 °C. Hallar el calor específico medio del líquido en éste intervalo de temperaturas. Respuesta: 3014J/kg.°C



CALORIMETRÍA Y CAMBIOS DE ESTADO


1) ¿Cuál es la temperatura a que llega una masa de hierro de 0,15 kg que está a 25 °C y absorbe 1,8 kcal? Respuesta: 84 °C


2) ¿Cuál es la variación de temperatura que sufre una masa de 3200 g de cobre que absorbe 24 kcal? Respuesta: 860,2 °C


3) Un alambre de cobre de 200 m absorbe 150 cal. Si su masa es de 40 g ¿cuál es la variación de longitud que ha sufrido? Respuesta: 0,137 m



4) Se mezclan 200 g de alcohol a 70 °F con 40 g de agua a 10 °C. ¿Cuál es la temperatura de equilibrio térmico? Respuesta: 18,32 °C



5) En un calorímetro con 500 g de agua a 18 °C se introducen 150 g de cobre a 100 °C. Si la temperatura final es de 20,2 °C, ¿ cuál es el calor específico del cobre? Respuesta: 0,09 cal/g.°C



6) ¿Calcular la cantidad de calor absorbida por 500 g de plomo que está a 20 °C para fundirse totalmente? Respuesta: 7,355 kcal



7) Se colocan 200 g de agua a 20 °C en un congelador y se obtienen cubitos de hielo a -8 °C. ¿Qué cantidad de calor cedió el agua? Respuesta: 20,8 kcal



8) Disponemos de un motor que trabaja entre dos focos, del primero obtiene 32000 J y cede al segundo 18000 J. Calcula el trabajo obtenido por dicho motor y su rendimiento. Sol: 14000, 43.75 %.






9) El rendimiento de un motor es del 40% y al foco frío que se encuentra a 300 K le cede 20000 J. Calcula:
      La temperatura del foco caliente. La cantidad de energía que extrae del foco caliente. El trabajo que es capaz de realizar dicho motor. Sol: a) 500 K; b) 33333 J; c) 13333 J



10) El rendimiento de una máquina térmica es del 60%. Del foco caliente toma una cantidad de energía en forma de calor de 15400 J y desprende otra cantidad al foco frío que está a una temperatura de 200 K.
a) Calcula la cantidad de calor que cede al foco frío.
b) Calcula el trabajo realizado por la máquina.
c) ¿A que temperatura se encuentra el foco caliente?
Sol: a) 6160 J; b) 9240 J; c) 500 K



11) Un motor no ideal obtiene 5000 J de un foco a 500 K de temperatura y transfiere 3000 J a un foco de 200 K de temperatura. Determinar:
a) El rendimiento del motor.
b) El trabajo obtenido.
Sol: a) 40%; b) 2000 J