fisico quimica de los alimentos

1. Calor y primer
principio de la
Termodinámica
MSc. Norman Tomás Delgado Cabrera

2. Calor y primer principio de laTermodinámica
• Temperatura y equilibrio térmico:principio cero de la
Termodinámica
• Medida de temperaturas y escalas termométricas
• Calor
• Medida del calor y calor específico
• Propagación del calor: conductividad térmica
• Calor y trabajo
• Primer principio de la termodinámica

3. Introducción
Un cubito de hielo sobre una mesa
 Equilibrio mecánico
  F = 0
Funde al cabo de un tiempo
 Proceso inexplicable en el contexto de la mecánica.
 Es necesario introducir nuevos conceptos (Temperatura, transformación de calor, etc.) y desarrollar nuevas teorías
(métodos de trabajo): Termodinámica, Mecánica Estadística.
•Supongamos una cantidad pequeña de gas (vgr. 5 gr.)
•Muchísimas moléculas 1023
No es razonable hacer uso de las ecuaciones. de Newton y de la dinámica de los sistemas de partículas.
Métodos Mecánica estadística : conectar valores promedios con diferentes magnitudes (T., presión, etc.)
Termodinámica "Descripción macroscópica de la interacción de un sistema con sus alrededores"
Su interpretación en términos de promedios ayude a entender lo que ocurre.
Magnitudes macroscópicas utilizadas: Temperatura, número de moles, Energía Interna, Entropía, presión, volumen,
todas son variables de estado (p, n, V, T, U y S)

4. Temperatura y EquilibrioTérmico: Principio cero de la
Termodinámica.
• Variables de estado son constantes en todo el sistema
• "Se dice que un sistema está en equilibrio mientras permanezca constante la variable de
estado en el tiempo”
• Pared adiabática:evita interacciones (polistireno)
• Pared diatérmica: facilita la intercomunicación (Cu)
A B
C
A B
A B
A B
• “El concepto de temperatura está relacionado con el movimiento aleatorio de las moléculas de un sistema. Un aumento de la energía
interna promedio implica un aumento de temperatura.
• "Dos sistemas en equilibrio térmico tienen igual T ".
• Si al poner en contacto dos sistemas, sus variables cambian no están en equilibrio; cuando se estabiliza, habrán alcanzado el
equilibrio térmico y tendrán igual T.  Fundamento para la medida de temperaturas
“Dos sistemas estarán en equilibrio térmico si al ponerlos en contacto a través
de una pared diatérmica, sus variables de estado no cambian".
• “Principio cero de la termodinámica "Dos sistemas que están en equilibrio
térmico con un tercero están, a su vez, en equilibrio térmico entre si".

5. Termómetro de gas a volumen constante.
–Se mide la presión en los dos casos
–Hay que fijar una referencia: punto triple( coincide en equilibrio las
tres fases del agua)
–T3= 273,16 K (igual tamaño 1K = 1ºC)
Medida deTemperatura y escalas
termométricas
• Descripción subjetiva: Sin significado consistente
• Caliente
• Frío
• Medida: Termómetro dispositivo capaz de conectar el valor de una de sus variables con la
Temperatura.
• T. de mercurio (longitud)
• Termopar (Potencial eléctrico)
• Resistencia de Platino. (Resistencia)
A
B
A
B
p
p
T
T

3
3
3
16
,
273
p
p
K
T
p
p
T
T




6. Medida deTemperatura y escalas
termométricas
3
0 16
,
273
lim 3
p
p
K
T p 

• Cuando p tiende a cero, también lo hace T (cero absoluto de
temperaturas).
• Gases se licúan, no se pueden medir T<1K, con el
termómetro de gas
• La medida depende de la cantidad de gas y de la naturaleza del
mismo, si se se extrapola el valor es el mismo.
Gas ideal “gas ficticio cuya dependencia entre la temperatura y
la presión es válida para cualquier concentración”

7. Medida deTemperatura y escalas
termométricas
• Centígrados o Celsius
• tc = T - 273,16 K
• Rankine
• Tm =(2/5)T
• igual cero que la
escala Kelvin
• grado inferior
• Fahrenheit
• tF = (2/5) tc + 32ºF
• igual tamaño que la
escala Rankine
• distinto cero que
Rankine
• T crece ~ 0.4 C ~ últimos
100 años
• T crece ~ 0.25 C ~ 25 años
• Nivel mar aumenta ~ 1 mm
por año

8. Medida deTemperatura y escalas termométricas:
Dilatación térmica
Dilatación anómala del agua
 máxima a 4ºC volumen
mínimo
Al aumentar T aumenta la longitud de
una varilla
DL=aL0DT
a es el coeficiente de dilatación lineal
(1/K)
Es independiente de L0, pero
depende de T
Coeficiente de dilatación en volumen
 DV=V0DT
Como una ampliación fotográfica
Explicación microscópica
dT
dL
L
T
L
L
lim T
1
0 
D
D
 
D
a
dT
dV
V
T
V
V
lim T
1
0 
D
D
 
D

a
 3


9. CALOR
• ¿Como se aumenta la temperatura de un sistema?
• En contacto con otro de temperatura superior
• Calor es la energía transferida entre un sistema y su entorno, debida únicamente a una diferencia de temperatura entre dicho
sistema y alguna parte de su entorno
• Existen otras formas de transmisión de energía
• Diferentes mecanismos de transmisión del calor
• Conducción
• Convección
• Radiación
• Calor, término utilizado para designar la energía que se transfiere
• No se puede hablar de calor de un sistema

10. MEDIDA DEL CALORY CALOR
ESPECÍFICO
• Al adicionar calor a un sistema aumenta su T (salvo en cambios de fase)
• La cantidad de energía necesaria para elevar la T de un sistema Q = C DT = m c DT donde C es la capacidad térmica o calorífica y
m la masa del sistema
• Capacidad calorífica “ cantidad de energía necesaria para aumentar un grado la temperatura de una substancia”
• c = C/m; c calor específico o capacidad térmica por unidad de masa
• Puede depender de la temperatura (el del agua aproximadamente 1% de 0-100ºC)
• Caloría: cantidad de energía térmica necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius (de 14,5º a
15,5ºC)
• Unidad de energía 1cal=4.184 J
• Btu (British thermal unit) = 252 cal
• Capacidad térmica molar
• Cm=M c (M masa molar o masa por mol)
• C=n Cm ( capacidad calorífica de n moles)
El calor específico del agua es grande
Excelente capacidad de almacenaje de energía térmica
Excelente refrigerante (capaz de absorber mucho calor)

11. •Parte de la energía térmica utilizada en calentar una substancia puede invertirse en el proceso de dilatación (realiza trabajo contra su entorno)
–cv calor específico a volumen constante (sin dilatación)
–cp calor específico a presión constante
–cp >cv en sólidos y líquidos hay poca diferencia en gases muy grande
•Cambios de fase: Absorción de calor sin cambio de T
–fusión
–vaporización
–sublimación (bolas antipolillas)
–otros (formas cristalinas)
•La energía se invierte en variar la Energía Potencial del sistema
•En substancias puras el cambio se da a temperaturas determinadas
–Q = m Lf, v (cantidad de calor precisa para fundir o vaporizar una masa m)
–Lf calor latente de fusión
–Lv calor latente de vaporización
MEDIDA DEL CALORY CALOR
ESPECÍFICO
Calorímetro: aparato para medida del
calor ( agua; Qsale=Qentra)
Vaporización 100 ºC
Fusión 0ºC Tiempo
T ºC

12. PROPAGACION DEL CALOR:
CONDUCTIVIDADTERMICA
¿Cómo se transmite el calor?
• Conducción: Interacción molecular sin transporte de materia
• Convección: Transporte directo de masa (movimiento masas de aire calientes
• Radiación: Emisión y absorción radiación electromagnética

13. 13
Corriente térmica o flujo de energía térmica I : Velocidad o ritmo de conducción de la energía
térmica (wat= joules/s)
•k coeficiente de conductividad térmica (wat/m K)
•Como la resistencia eléctrica
oRt= R1+R2+... (en serie)
o1/Rt=1/R1+1/R2+.....(en paralelo) Calor que sale de una habitación, techo, paredes,
ventanas , etc.
PROPAGACION DEL CALOR:
CONDUCTIVIDADTERMICA
a térmica
Resistenci

D



D

D
D
D

D
D

kA
x
R
IR
I
kA
x
T
x
T
kA
t
Q
I
Conducción
DT
Dx
A
x=L
x=0
T=T2
T=T1
equilibrio
inicial
En la construcción se utiliza el factor R (Rf= Dx/k) =RA
El Aire buen aislante, R pequeña, pero atención a la
convección

14. PROPAGACION DEL CALOR:
CONDUCTIVIDADTERMICA
Condutividades térmicas: (kcal/s)/ (oC m)
Alumínio 4,9  10-2
Cobre 9,2  10-2
Acero 1,1  10-2
Aire 5,7  10-6
Hielo 4  10-4
Madera 2  10-5
Vidrio 2  10-4
Amianto 2  10-5
Convección
•Aparece en fluidos cuya densidad varía con la T
•Se puede forzar con ventiladores
•Aire es buen aislante (capas finas pegadas al vidrio), si hay
grandes volúmenes pierde esta capacidad
•Pequeños volúmenes (plumón, styrofoam)
• Complicado de tratar matemáticamente

15. PROPAGACION DEL CALOR:
CONDUCTIVIDADTERMICA
Radiación
•Ondas electromagnéticas
•Ley de Stefan-Boltzmann da la potencia radiada en watt
I = e  AT4
e emisividad térmica (entre 0 y 1), A área, s
constante de Stefan
 = 5.6703 x 10-8 W/m2 K4
•Radiación absorbida depende del cuerpo (claros
reflejan mucha, obscuros absorben mucha), y de la
temperatura del entorno T0
Ia = e  AT0
4
Ineto = e  A(T4-T4
0)
•Cuerpo negro: e=1, absorbe toda la radiación que incide sobre él
•Radiador ideal

16. PROPAGACION DEL CALOR:
CONDUCTIVIDADTERMICA
Radiación
•A temperaturas ordinarias (<600ºC)
la mayor parte de la energía radiante
está en la zona infrarroja (invisible)
•Al aumentar T se desplaza hacia
ondas más cortas (visible)
•Color rojo y blanco
Ley de Newton del enfriamiento
La velocidad de enfriamiento de un cuerpo es aproximadamente
proporcional a la diferencia de temperatura de un cuerpo y sus
alrededores
En situaciones reales los diferentes mecanismos de transferencia
térmica, pueden tener distintas efectividades. Una estufa de cuarzo
calienta por radiación, una de metal por convección
Ley de Wien max= 2.898 mm.K/T
•Se utiliza para medir temperaturas
•Discrepancias entre resultados y teoría: Catástrofe ultravioleta, bases
de la Mecánica Cuántica T0, I

17. CALORYTRABAJO
•Otras formas de transferencia de energía distintas del calor
“Trabajo es la energía transferida entre uno sistema y su entorno por métodos que no dependen de la diferencia de temperatura
entre ambos
•Mediante diferentes fuerzas, eléctricas, magnéticas, mecánicas...
•Fuerza por desplazamiento, ligado al movimiento de una parte del sistema
•Positivo si hay transferencia de energía del sistema al entorno
•Consideraremos procesos muy lentos, cuasistáticos
•Para poder trabajar en condiciones de equilibrio y con las variables de estado
émbolo
Si dV>0
dW>0
W =∫f
ip dV
•Las variables de estado P y V indican estados particulares de un gas
•Están relacionadas con T por la ecuación de estado.
•El trabajo se puede evaluar gráficamente calculando el área bajo la curva
•Para presiones bajas, o gases ideales, la relación viene dada por
pV = nRT
•R (8.31 J mol-1K-1) es la constante universal de los gases
•Veremos diferentes tipos de procesos
p A x
dW = Fx dx = p A dx = p dV

18. 18
CALORYTRABAJO
p
V
Proceso isobárico
p = cte.
i f
Vi Vf
p
V
Proceso isócoro
V=cte.
W = 0
i
f
Vi Vf
p
V
Proceso isotérmico
T = cte.
Si Vf > Vi => W > 0
i
f
Vi Vf
p
V
Diferentes caminos.
Distintos trabajos
i
f
Vi Vf
•Procesos adiabáticos Q = cte.

19. 19
PRIMER PRINCIPIO DE LA
TERMODINAMICA
•Dos tipos de transferencia de energía (convenio de signos en el esquema)
•calor
•trabajo
sistema W<0
Q>0
sistema W>0
Q>0
sistema W<0
Q<0
sistema W>0
Q<0
La energía total transferida al sistema desde el exterior será Q -W
•La elección del sistema condicionará el tipo de energía transferida.
Resulta muy importante una definición adecuada del sistema.
•Calentador eléctrico de agua
Sistema: agua + resistencia ==> trabajo
Sistema: agua ==> calor
El calor y el trabajo realizados al pasar de un estado inicial a otro final dependen
de los detalles del proceso
p
V
i
f
Vi Vf
b
a
c
Wa  Wb  Wc
Qa  Qb  Qc

20. PRIMER PRINCIPIO DE LA
TERMODINAMICA
Sin embargo la energía total transferida a un sistema solo depende de los
estados
inicial y final del proceso.
Qa -Wa = Qb -Wb = Qc -Wc
Primera ley de la Termodinámica: En todo proceso en que se cede
un calor Q al sistema y este realiza un trabajo W, la energía total
transferida a dicho sistema es igual al cambio en su energía
interna
Q -W = Uf -Ui = DU
•Consecuencias de la primera ley
°Conservación de la energía: la energía total transferida es igual a la
variación de la energía interna
°La energía interna solo depende de los estados inicial y final
°La energía interna es una variable de estado (cada punto del
diagrama pV se caracteriza por un valor determinado), al contrario
que el calor y el trabajo
Ti
p
V
i
f
Vi Vf
Tf
U
f
U
i
p
i
p
f

21. PRIMER PRINCIPIO DE LA
TERMODINAMICA
Aplicaciones
Proceso isocórico
DU = Q - W = Q - 0 = Q
El calor cedido es igual al cambio en la energía interna
Proceso adiabático (dQ = 0)
DU = Q - W = 0 - W = -W
Aislando el sistema mediante una pared adiabática
Procesos muy rápidos (dQ despreciable)
Proceso isobárico
DU = Q - W
Ambos tipos de transferencia de energía
Expansión libre
pi, Vi
Ti, Ui
vacío pf, Vf, ,Tf, Uf
paredes
adiabática
s
•Q = 0
•Sin movimiento (W = 0)
•Uf - Ui = Q - W= 0 - 0= 0 ==> los estados inicial y final tienen la misma
energía interna U(Ti,Vi)=U(Tf,Vf), y como experimentalmente se comprueba
que tienen igual temperatura
•La energía interna de un gas ideal depende solo de la temperatura U(T)

22. Proceso cíclico ( i = f )
DU = 0 = Q - W ==> Q = W
La energía interna permanece constante
El trabajo realizado por el sistema en un ciclo es
igual al calor neto cedido al sistema
Aplicaciones
Proceso isotérmico (T=cte)
•Cambio de fase se puede ceder calor pero la T no
cambia
Proceso estrangulamiento
•Importancia práctica, ciclos de refrigeración
•Paso de un fluido de una zona de alta presión a otra de baja
(válvula o pared porosa)
•U + p dV = H (cte (entalpía))
C
pared
adiabática
p >
p <
p
V
W
PRIMER PRINCIPIO DE LA
TERMODINAMICA

23. 23
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