2. Concepto de Termodinámica
Al estudio del calor y su transformación en energía mecánica se
le llama termodinámica. La palabra es derivada de palabras
griegas que significan "movimiento del calor". La base de la
termodinámica es la conservación de la energía ya que esta fluye
espontáneamente desde lo más caliente a lo frío y no a la
inversa. La termodinámica proporciona las leyes y principios que
sirven para la construcción de máquinas térmicas como lo son las
turbinas de vapor, los refrigeradores y hasta la calefacción.
Máquina térmica típica donde
puede observarse la entrada
desde una fuente de calor
(caldera) a la izquierda y la
salida a un disipador de calor
(condensador) a la derecha.
El trabajo se extrae en este
caso mediante una serie de
pistones.
3. DIMENSIONES & UNIDADES
Cualquier medida física tiene dimensiones y debe ser expresada en las
unidades
correspondientes a estas dimensiones de acuerdo a un sistema de unidades
particular.
Dimensión: Es el nombre que se le da a las cantidades físicas, así: Longitud,
masa, tiempo, etc.
Unidad: Es la medida de la dimensión. Por ejemplo: pie, metro, y milla son
unidades de la dimensión longitud.
Expresar una aceleración como 9.8 no tiene sentido, si se agrega la unidad
correspondiente de un determinado sistema y se dice que la aceleración es 9.8
m/s2
esta información adquiere sentido.
4. Los sistemas de unidades se clasifican en:
Absolutos: Aquellos donde las unidades de
fuerza y energía son derivadas, como
el Sistema Internacional (S.I.)
Gravitacionales: Los que no cumplen la
condición anterior, para ellos la fuerza es
una dimensión fundamental definida con
base en la fuerza de atracción
gravitacional al nivel del mar, un ejemplo es
el sistema inglés.
5. Sistema internacional de unidades
Está sustentado en siete unidades básicas y dos
suplementarias como se indica en la tabla
6. En este sistema algunas definiciones de unidades
son:
Metro: Longitud igual a 1,650763.73 veces la
longitud de onda en el vacío, de la
radiación correspondiente a la transición entre
los niveles 2p10 y 5d5
del átomo de
kriptón 86.
Segundo: Duración de 9,192631770 períodos de
la radiación correspondiente a la
transición entre dos niveles hiperfinos del
estado fundamental del átomo de cesio
133.
7. Energía térmica & Temperatura
Todos los cuerpos poseen energía interna, debido en
parte a la energía cinética de sus partículas. Esta
energía se llama energía térmica. A mayor velocidad de
las partículas mayor es la energía del cuerpo.
La temperatura es una magnitud macroscópica. Los
cuerpos con más temperatura pasan energía a los
cuerpos con menos temperatura, hasta que éstas se
igualan.
La temperatura está directamente
relacionada con la energía térmica de un
cuerpo. A más
temperatura, más velocidad tendrán sus
partículas.
8. La energía térmica es la energía cinética (relacionada con
el movimiento) media de un conjunto muy grande de
átomos o moléculas. Esta energía cinética media depende
de la temperatura, que se relaciona con el movimiento de
las partículas (átomos y moléculas) que constituyen las
sustancias.
9. La energía térmica se asocia a la energía cinética de las
partículas que componen un cuerpo.
Cuanto mayor sea la temperatura mayor será la energía de
las partículas y mayor será la velocidad de las partículas.
Las partículas en los sólidos sólo pueden vibrar en torno a
su posición de equilibrio, mientras que en los gases se
mueven casi con total libertad.
Cuando a un sólido se le da calor, aumenta la energía
térmica de sus partículas y éstas vibran con más velocidad.
Cuando su velocidad es lo suficientemente grande ya no
pueden mantenerse juntas y se separan. Así el sólido va
pasando a estado líquido o gaseoso.
Lo contrario pasa cuando un gas pierde calor, sus partículas
pierden energía y pueden terminar juntándose dando lugar
a sólidos o líquidos.
10. Calorimetría
La Calorimetría es la parte de la física que se encarga de medir la
cantidad de calor generada en ciertos procesos físicos o químicos.
El aparato que se encarga de medir esas cantidades es el calorímetro.
Consta de un termómetro que esta en contacto con el medio que esta
midiendo. En el cual se encuentran las sustancias que dan y reciben
calor. Las paredes deben estar lo más aisladas posible ya que hay que
evitar al máximo el intercambio de calor con el exterior. De lo
contrario las mediciones serían totalmente erróneas.
También hay una varilla como agitador para mezclar bien antes de
comenzar a medir. Básicamente hay dos tipos de calorímetros. Los
que trabajan a volumen constante y los de presión constante.
11. DILATACIÓN DE CUERPOS
Todos los cuerpos materiales (sólidos, líquidos y gaseosos)
experimentan una dilatación de su volumen cuando aumenta su
temperatura interna. Dependiendo de la sustancia, cada una posee
diferente comportamiento, el cual se registra con un coeficiente de
dilatación específico para cada material. A excepción de los
gases, se presentan tres tipos de dilatación para cuerpos sólidos y
líquidos:
DILATACIÓN LINEAL
Es el incremento de la longitud (Primera Dimensión) de un cuerpo en
forma de barra por su aumento interno de temperatura. Se
llama Coeficiente de Dilatación Lineal (K) al incremento de longitud
que experimenta la unidad de longitud al aumentar su temperatura en
1°C.
Nota: La unidad de medida de K es 1/°C, o también °C-1.
12. Su fórmula es:
LF: Longitud final
LO: Longitud Inicial
TF: Temperatura final
TO: Temperatura inicial
13. DILATACIÓN SUPERFICIAL
Es el incremento del área (Segunda Dimensión) de un
cuerpo en forma plana por su aumento interno de
temperatura. Se llama Coeficiente de Dilatación
Superficial (KS) al incremento del área que
experimenta la unidad de superficie al aumentar su
temperatura en 1°C.
El coeficiente de dilatación superficial KS es igual al
doble del coeficiente de dilatación lineal del mismo
material, o sea:
KS = 2*K
14. Su fórmula es:
AF: Área final
AO: Área Inicial
TF: Temperatura final
TO: Temperatura inicial
15. DILATACIÓN CÚBICA
Es el incremento del volumen (Tercera Dimensión) de un
cuerpo en forma de un sólido geométrico por su aumento
interno de temperatura. Se llama Coeficiente de Dilatación
Cúbico (KC) al incremento del volumen que experimenta la
unidad de volumen al aumentar su temperatura en 1°C.
El coeficiente de dilatación cúbico KC es igual al triple del
coeficiente de dilatación lineal del mismo material, o sea:
16. VARIACIÓN DE LA DENSIDAD
Aunque cambie el volumen de un cuerpo por una dilatación
cúbica, su masa permanece constante, variando sólo su
densidad. Este cambio se determina por la fórmula:
17. DILATACIÓN ANORMAL DEL AGUA
Normalmente, cuando disminuye la temperatura de un líquido, éste se
contrae de acuerdo con el principio de la dilatación cúbica. Sin
embargo, existe una gran excepción con el agua, ya que:
El agua se contrae cuando su temperatura aumenta desde 0°C hasta
4°C.
Luego de los 4°C, el agua se comporta de forma normal, aumentando su
volumen según se incremente la temperatura. Por lo tanto: El agua
líquida tiene su mayor densidad a los 4°C y no a los 0°C como era de
esperarse.
Esto trae como consecuencia que:
El agua es la única sustancia en la que el hielo puede flotar sobre el
líquido, debido a que el hielo es menos denso que el agua.
Gracias a esta importante propiedad por ejemplo: El agua de los lagos sólo se
congela en la superficie cuando llega el invierno, conservando dentro del
estanque agua líquida, que mantiene la vida de los pecesy animales que lo
habitan.
Nota: Sólo una décima parte del hielo se asoma afuera de la superficie del
agua; el resto se mantiene sumergido.
18.
19. 1ª Ley de la Termodinámica:
Es el principio de conservación de la energía y
se define como: La energía ni se crea ni se
destruye, sólo se transforma.
Viéndola desde mi punto de vista de amante de
la Astrofísica significa que, toda la energía que
contiene el Universo siempre es la misma y
simplemente se va transformando. Lo que antes
formaba parte de una estrella, ahora forma
parte de nosotros y de cuanto nos rodea.
20. 2ª Ley de la Termodinámica:
Esta ley indica la dirección en la que deben darse los procesos
termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el
sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en
el agua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen o que un
vaso que cae al suelo y se rompa en mil pedazos, pueda volver a unirse
lanzando de nuevo los pedazos al aire) y se define como: En un sistema
aislado la entropía nunca disminuye o su valor siempre es mayor que
cero -Entropía es el grado de desorden de un sistema-.
21. 3ª Ley de la Termodinámica:
Esta ley viene a decir que si llevamos un proceso al cero absoluto
(cosa imposible) su entropía sería cero. Es tanto como decir que
los sistemas cuanto más fríos son, más ordenados. Un gas tiene
las moléculas sueltas, chocando unas con otras. Un líquido tiene
las moléculas más juntas y menos libres y un sólido –un cristal por
ejemplo- tiene las moléculas tan juntas y apretadas que apenas
tiene entropía.
22. Aplicaciones de la Termodinámica
En la construcción de edificaciones, en especial de las
estructuras metálicas se tiene que tomar en cuenta sus
propiedades al dilatarse o contraerse con los cambios de
temperatura del ambiente.
* En el estudio de los cambios de fase de las diferentes
sustancias.
* En la construcción de máquinas térmicas, por ejemplo:
motores que funcionan con combustible, refrigeradoras ...
El estudio del rendimiento de reacciones energéticas.
El estudio de la viabilidad de reacciones químicas.
El estudio de las propiedades térmicas de los sistemas
(dilataciones, contracciones y cambios de fase).
Establece rangos delimitados de los procesos posibles en
función de leyes negativas.
