El documento describe los conceptos fundamentales de la energía térmica, calor y la primera ley de la termodinámica. Explica que la energía térmica es parte de la energía interna de un sistema que depende de su temperatura, y que el calor es la transferencia de energía térmica debido a una diferencia de temperatura. La primera ley establece que el cambio en la energía interna de un sistema es igual al trabajo realizado sobre el sistema menos el calor transferido al sistema.

1. Calor y primera ley de la termodinámica Física II

2. Calor y energía térmica La energía interna es toda la energía que pertenece a un sistema mientras está estacionario (es decir, no se traslada ni rota), incluida la energía nuclear, la energía química y la energía de deformación (como un resorte comprimido o estirado), así como energía térmica.

3. Energía Térmica La energía térmica es la parte de la energía interna que cambia cuando cambia la temperatura del sistema. La transferencia de energía térmica es la transferencia de energía térmica producida por una diferencia de temperatura entre un sistema y sus alrededores, la cual puede o no cambiar la cantidad de energía térmica en el sistema. El término calor se utiliza para dar entender tanto energía térmica como transmisión de energía térmica.

4. Unidades de calor La caloría fue definida como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14.5ºC a 15.5ºC. La unidad de calor en el sistema ingles es la unidad térmica británica (Btu), definida como el calor necesario para elevar la temperatura de 1 lb de agua de 63ºF a 64ºF. En el sistema SI la unidad de calor es la unidad de energía, es decir, el Joule .

5. El equivalente mecánico del calor 4.1858 J de energía mecánica elevaban la temperatura de 1 g de agua de 14.5ºC a 15.5ºC. É ste valor se conoce como el equivalente mecánico del calor.

6. Capacidad Calorífica y calor específico La capacidad calorífica , C’, de una muestra particular de una sustancia se define como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de esa muestra en un grado centígrado. Q = C ’  T El calor específico c de una sustancia es la capacidad calorífica por unidad de masa. El calor específico molar de una sustancia es la capacidad calorífica por mol.

7. Calor latente Los cambios de sólido a líquido, de líquido a gas y los opuestos, se llaman cambios de fase . La energía térmica necesaria para cambiar de fase una masa m de una sustancia pura es Q = mL Donde L es el calor latente (calor oculto) de la sustancia. Existen dos tipos de calor latente: L f –calor latente de fusión L v - calor latente de vaporización

8. Gráfica de la temperatura contra la energía térmica añadida cuando 1 g inicialmente a –30°C se convierte en vapor. Hielo Hielo + agua Agua Agua + vapor Vapor 62.7 396.7 815.7 3076 -30 0 50 100 T (°C) A B C D E

9. Trabajo y calor en procesos termodinámicos Gas contenido en un cilindro a una presión P efectúa trabajo soble un émbolo movil cuando el sistema se expande de un volumen V a un volumen V + dV . dW = Fdy = FAdy dW = PdV

10. El trabajo total cuando el volumen cambia de V i a V f es: El trabajo efectuado en la expansión desde el estado inicial hasta el estado final es el área bajo la curva en un diagrama PV.

11. Podemos decir que el sistema tiene una energía térmica, a esta energía se le llama energía interna U . Si se efectua un trabajo sobre un sistema sin intercambiar calor (adiabático), el cambio en la energía interna es igual al negativo trabajo realizado: dU = - dW infinitesimal U B - U A = - W A  B finito La energía interna se relaciona con la energía de las moléculas de un sistema térmico, y es solo función de las variables termodinámicas.

12. La primera ley de la termodinámica La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía interna de un sistema es igual al trabajo realizado por el sistema sobre sus alrededores, con signo negativo, más el calor hacia el sistema:  U = U B  U A =  W A  B + Q A  B Esta ley es la ley de la conservación de la energía para la termodinámica. Para cambios infinitesimales la primera ley es: dU =  dW + dQ

13. Aplicaciones de la primera ley Un trabajo es adiabático si no entra o sale energía térmica del sistemas, es decir, si Q = 0. En tal caso:  U =  W Expansión libre adiabática Como Q = 0 y W = 0,  U = 0

14. Un proceso a presión constante se denmina isobárico , el trabajo realizado es: P ( V f – V i ). Un proceso a volumen constante se llama isovolumétrico , en tal proceso el trabajo es cero y entonces:  U = Q Un proceso a temperatura constante se llama isotérmico . Si consideramos un gas ideal es trabajo es:

15. Transferencia de calor El proceso de transferencia de energía térmica más sencillo de describir recibe el nombre de conducción . En este proceso, la transferencia de energía térmica se puede ver en una escala atómica como un intercambio de energía cinética entre moléculas, donde las partículas menos energéticas ganan energía al chocar con las partículas más energéticas. La conducción ocurre sólo si hay una diferencia de temperatura entre dos áreas del medio conductor. La tasa a la cual fluye el calor es:

16. Ley de conducción de calor La ley de conducción de calor establece que: Donde k es la conductividad térmica y dT / dx es el gradiente de temperatura. T 2 T 1 Flujo de calor por T 2 > T 1 A L

17. Convección El calor que fluye debido a la variación de la densidad de aire se denomina convección. La convección puede ser natural o forzada. Radiador

18. Radiación El calor también se transmite por la emisión de ondas electromagnética, a este proceso se le llama radiación . La ley de Stefan establece la forma como un cuerpo radia. La tasa a la cual un objeto emite energía radiante es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. P =  AeT 4 Si un objeto está a una temperatura T y sus alrededores a una temperatura T 0 , entonces la energía que pierde por segundo es P =  Ae ( T 4 - T 0 4 )