Calor y termodinámica

Desde cero: temperatura y transferencia

La temperatura caracteriza el estado térmico de un sistema; no mide por sí sola toda su energía interna. El calor es energía que se transfiere debido a una diferencia de temperatura. Espontáneamente fluye del cuerpo más caliente al más frío.

La conducción ocurre por interacción entre partículas, la convección implica movimiento de un fluido y la radiación puede propagarse en el vacío. Para comparar temperaturas absolutas usa T(K) = t(°C) + 273.15.

Aplicación: calentamiento y fase

Sin cambio de fase y con calor específico aproximadamente constante, Q = mcΔT. El calor específico indica cuánta energía requiere cada unidad de masa para cambiar un grado su temperatura.

Durante una transición de fase de una sustancia pura a presión constante, la temperatura permanece constante mientras cambia la proporción de fases. Entonces Q = mL. El calor latente se utiliza en la transformación, no en aumentar ΔT.

Reto: balances y primera ley

En un recipiente ideal aislado, el calor cedido por unos cuerpos se equilibra con el absorbido por otros. Si mezclas masas de la misma sustancia, sin cambio de fase ni calor hacia el recipiente, la temperatura final es un promedio ponderado por las masas.

La primera ley expresa conservación de energía: ΔU = Q − W si W es el trabajo realizado por el sistema. Un motor térmico no transforma todo el calor recibido en trabajo en un ciclo; rechaza parte a un foco frío. Debes declarar la convención de signos.

En una barra libre, el modelo de dilatación lineal para cambios moderados es ΔL = αL₀ΔT. L₀ es la longitud inicial y α el coeficiente del material, con unidad inversa de temperatura. No basta conocer la temperatura final: se necesita el cambio respecto de la inicial.

Sigue el razonamiento

Una cuchara metálica se calienta al permanecer en sopa caliente: hay conducción desde el extremo sumergido.

El movimiento del agua dentro de una olla es convección, mientras que recibir energía del Sol es radiación. Pueden coexistir varios mecanismos en una situación.

Sigue el razonamiento

Calentar 0.5 kg de agua de 20 a 30 °C, usando c = 4200 J/(kg·°C), requiere Q = 0.5(4200)(10) = 21000 J.

Si después se realiza un cambio de fase, ese tramo debe calcularse aparte con mL. No se aplica un único ΔT a toda una curva de calentamiento con transiciones.

1. ¿Cuál situación describe calor en sentido físico?

1. La masa de una taza
2. Energía que pasa de una taza caliente al aire más frío
3. El valor de temperatura escrito en un termómetro
4. La cantidad de agua sin cambio térmico

2. Una pieza de 2 kg con c = 500 J/(kg·°C) aumenta 4 °C. ¿Cuánto calor absorbe?

1. 2000 J
2. 250 J
3. 1000 J
4. 4000 J

3. Se mezclan masas iguales de agua a 10 y 50 °C en un recipiente ideal aislado, sin transición. ¿Cuál es la temperatura final?

1. 60 °C
2. 30 °C
3. 20 °C
4. 10 °C