Este documento presenta una introducción a la termodinámica. Explica conceptos como temperatura, calor, escalas termométricas, transmisión del calor, efectos del calor en los cuerpos como la dilatación, y la primera ley de la termodinámica. Cubre temas como la relación entre calor y temperatura, las diferentes formas de transmisión del calor, y cómo la variación de temperatura produce cambios en el volumen de los objetos.

1. TERMODINÁMICA
F R A N C I S C O R O D R Í G U E Z C .
P R O F E S O R D E F Í S I C A Y C O M P U T A C I Ó N .
Colegio Coeducacional Quilpué
Departamento de Ciencias Exactas
Asignatura de Física

2. QUE VEREMOS?
• ¿Qué es la temperatura?
• ¿Cómo se determina la temperatura?
• Los termómetros
• Escalas de temperatura
• ¿Qué es el calor?
• Formas de transmisión del calor
• Equilibrio térmico (Ley cero de la
termodinámica)
• Elementos reguladores del calor
• Conductores Térmicos
• Aislantes Térmicos
• ¿Cuáles son los efectos del calor
en los cuerpos?
• Dilatación Lineal
• Dilatación Superficial
• Dilatación Volumétrica
• La anomalía térmica del agua
• Cambios de Estado
• Calor Especifico
• Capacidad calórica
• Principio de las Mezclas
• Calor Latente y cambios de Fase

3. “Cierra la puerta que entra el frío” SÍ_____ NO______
“El agua está a la misma temperatura que el vapor de agua” SÍ___ _ NO____
“Desabrígate que te va a dar más calor y te va subir la temperatura” SÍ_____ NO____
Observa las imágenes e indica si las frases cotidianas son correctas en términos
físicos.
ANALICEMOS LO QUE SABEMOS

4. Calor
Se define como la energía en tránsito
que fluye, natural y espontáneamente,
desde un cuerpo o sistema más caliente
hacia otro más frio.
Es una magnitud escalar y se mide en:
S.I.: [joule] = [J]
C.G.S.: [ergio] = [erg]
También se suele expresar en
[calorías] = [cal].
Temperatura
Se puede decir que es una medida de la
energía cinética promedio de las
partículas de un cuerpo o sistema.
Mientras más se muevan (vibren) las
partículas de un cuerpo, mayor será su
“temperatura”.
Es una magnitud escalar y se puede
expresar en grados Celsius, Fahrenheit
o kelvin.
CALOR Y TEMPERATURA

5. Para que haya flujo de calor se requiere una diferencia de temperatura (fluye de los
cuerpos que se encuentran a mayor temperatura a los de menor temperatura). El
cuerpo que recibe calor aumenta su temperatura, el que cede calor disminuye su
temperatura.
Entonces:
¿Cómo se relacionan el calor y la temperatura?
o Directamente
o Inversamente
CALOR Y TEMPERATURA

6. Escala Celsius
Creada en 1742 por el sueco Anders Celsius. En
esta escala, a la temperatura de fusión del hielo
se le asigna el 0 [ºC], y a la temperatura de
ebullición del agua se le asigna el valor 100 [ºC]
(a nivel del mar).
Como ya lo mencionamos, la temperatura de un
cuerpo puede expresarse según diferentes escalas
termométricas. Las más usadas son: Celsius,
Fahrenheit y kelvin.
5
( 32)
9
C F
T T
 
Escala Fahrenheit
Creada en 1724 por Gabriel Fahrenheit (alemán);
en esta escala, la temperatura de fusión del
hielo corresponde a 32 [ºF], y la temperatura de
ebullición del agua corresponde a 212 [ºF] (a
nivel del mar).
Tº
ebullición
del agua
Tº fusión
del hielo
ESCALAS TERMOMÉTRICAS

7. Escala kelvin o absoluta
Creada en 1848 por el británico William Thomson (lord Kelvin). La escala absoluta incluye
la temperatura teórica más baja posible, el cero absoluto o 0 [kelvin] .
En esta escala la temperatura de fusión del hielo corresponde, aproximadamente, al 273
[K], y la de ebullición del agua al 373 [K] (a nivel del mar).
273
K C
T T
 
Tº ebullición
del agua
Tº fusión del
hielo
Cero absoluto
ESCALAS TERMOMÉTRICAS

8. LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA
“Si dos sistemas distintos
(A y B) están en equilibrio
termodinámico con un
tercero (C en 1), también
tienen que estar en
equilibrio entre sí (2)”

9. ¿A cuántos grados Celsius equivalen 0 [K], 100 [K] y 273 [K],
respectivamente?
A) 0, 100 y 273
B) 0, 173 y 273
C) 0, -173 y -273
D) -273, -173 y 0
E) -273, 373 y 546
D
Aplicación
EJEMPLO

10. Se tienen dos líquidos, P y Q, a distinta temperatura. Al medir la temperatura del
líquido P con un termómetro graduado en Celsius registra 87 [oC], y al medir la
temperatura del líquido Q con un termómetro graduado en kelvin registra 180 [K].
Al medir ambas temperaturas en kelvin y compararlas, es correcto afirmar que el
líquido P tiene
A) un cuarto de la temperatura del líquido Q.
B) la mitad de la temperatura del líquido Q.
C) la misma temperatura del líquido Q.
D) el doble de la temperatura del líquido Q.
E) el cuádruple de la temperatura del líquido Q.
D
EJEMPLO

11. El calor puede transmitirse de tres formas distintas, que dependerán del medio
por el cual se propague.
Conducción
El calor (energía) se transmite de
una partícula a otra, avanzando
paulatinamente por el material.
Esta forma de propagación del calor
ocurre solo en los sólidos.
TRANSMISIÓN DEL CALOR
Entonces…
Existe transmisión del calor
sin transporte de materia.

12. En el interior
de la Tierra
Convección
Corresponde a la transmisión del
calor en los fluidos (líquidos y
gases), mediante corrientes cálidas
ascendentes y frías descendentes.
Corrientes
cálidas
ascendentes
Corrientes frías
descendentes
En la atmósfera
TRANSMISIÓN DEL CALOR
Entonces…
Existe transmisión del calor
con transporte de materia.

13. Radiación
Corresponde a la transmisión del calor por medio de ondas electromagnéticas
(principalmente del espectro infrarrojo), pudiendo viajar grandes distancias a través del vacío,
sin calentar el espacio intermedio.
Fotografía térmica: los seres
vivos irradiamos calor
TRANSMISIÓN DEL CALOR
Existe transmisión del calor sin
la necesidad de un medio.
Entonces…

14. Respecto de la transmisión del calor por convección, es correcto afirmar
que
I) se requiere de una fuente de calor para que se produzca.
II) se produce en un medio material.
III) se produce solo en los fluidos.
A) Solo I
B) Solo II
C) Solo III
D) Solo I y II
E) I, II y III
E
Reconocimiento
EJEMPLO

15. ¿Cómo relacionarías
la 1° ley con el principio de
conservación de la energía?
La energía no se crea ni
se destruye, solo se
transforma.
El calor liberado por el
cuerpo que se enfría es
igual al calor absorbido
por el cuerpo que se
calienta.
Donde:
Q= calor
∆U= energía interna
W= trabajo mecánico
Ver enlace ley de la
termodinámica:
https://www.youtube.com/watch?
v=iPXvvTs3A3g
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

16. Al variar la temperatura de un cuerpo son varios los efectos que este puede
experimentar. Algunos de ellos son: los cambios de fase, la incandescencia,
deformación, el aumento de tamaño (dilatación) o la disminución de tamaño
(contracción).
Botellas deformadas por calor
Cambios de fase
Metal fundido
incandescente
Falla producida por dilatación
Chocolate fundido
por calor
Ampolleta
incandescente
EFECTOS DE LA VARIACIÓN DE LA
TEMPERATURA EN LOS CUERPOS

17. Dentro de los efectos mencionados, nos detendremos en los cambios de tamaño que
experimentan los cuerpos cuando varía su temperatura, es decir, estudiaremos la
dilatación y contracción.
Un alambre es un cuerpo “lineal”
Cuerpos lineales
En la naturaleza todos los cuerpos poseen 3 dimensiones: alto, largo y ancho.
En algunos cuerpos una (o dos) de esas dimensiones puede ser mucho menor que
las demás y, por tanto, despreciable respecto de las otras.
Por ejemplo, en un alambre delgado y largo, el alto y el ancho, comparados con su
longitud, pueden llegar a ser dimensiones despreciables.
En los cuerpos lineales nos
fijamos solo en su longitud.
Cuando un cuerpo posee una sola dimensión importante, siendo las otras dos
despreciables respecto de la primera, se dice que es un cuerpo “lineal”.
DILATACIÓN Y CONTRACCIÓN

18. Cuerpos superficiales
En cambio, otros cuerpos poseen dos dimensiones importantes (largo y ancho), siendo la
tercera (alto) despreciable respecto de las otras dos; en este caso se dice que el cuerpo
es “superficial”.
Una lámina metálica, una hoja de papel y una membrana son cuerpos “superficiales”.
En los cuerpos superficiales
nos interesa su superficie.
DILATACIÓN Y CONTRACCIÓN

19. Cuerpos volumétricos
Cuando todas las dimensiones de un cuerpo son relevantes, no existiendo dimensiones
despreciables respecto de las demás, entonces se dice que el cuerpo es “volumétrico”.
Un cubo, un cilindro, un balón de futbol y un microondas son cuerpos “volumétricos”.
En los objetos volumétricos nos
interesa el volumen.
DILATACIÓN Y CONTRACCIÓN

20. Dilatación - contracción lineal
En general, al variar la temperatura de un cuerpo lineal su longitud cambia, aumentando si
esta se eleva o disminuyendo si decrece. Así, el cuerpo se dilata al calentarse y se contrae
al enfriarse.
Por ejemplo: en un riel de ferrocarril.
  
i
L L T
L
i
L
Juntas de dilatación: son
espacios que permiten la
dilatación y contracción en las
estructuras.
DILATACIÓN Y CONTRACCIÓN

21.   
i
S S T
S
i
S
Dilatación - contracción superficial
En general, al variar la temperatura de un cuerpo superficial su área o superficie cambia,
dilatándose al calentarse o contrayéndose al enfriarse.
Por ejemplo: en una lámina delgada de metal.
Las estructuras deben tener espacio
suficiente para dilatarse, de lo contrario,
pueden romperse.
DILATACIÓN Y CONTRACCIÓN

22. Dilatación - contracción volumétrica
La dilatación o contracción afecta el volumen del cuerpo; todas las dimensiones del
cuerpo “crecen o se encogen” de forma relevante al variar su temperatura.
Por ejemplo: en un cubo de metal.
¿Sabías que la torre Eiffel
crece 6 [cm] en los
veranos?



3
 

  
i
V V T
V
DILATACIÓN Y CONTRACCIÓN

23. El espacio medido en centímetros que debe existir entre dos rieles de acero de 6
[m] de longitud cada uno, si se prevé una variación de temperatura de 100 [ºC], es:
(Considere que el coeficiente de dilatación lineal del acero es 11·10-6 [ºC]-1)
A) 0,33
B) 0,66
C) 0,99
D) 1,32
E) 1,88
B
Aplicación
EJEMPLO

24. Un líquido de coeficiente de dilatación volumétrica 6,9 ∙ 10-5 [°C]-1 se encuentra
contenido en un recipiente de metal, cuyo coeficiente de dilatación lineal es 2,3 ∙
10-5 [°C]-1. Si el líquido llena completamente el recipiente y el conjunto es sometido
a un aumento de temperatura de 40 [°C], es correcto afirmar que el líquido se
dilatará
A) el triple de lo que lo hará el recipiente.
B) el doble que el recipiente.
C) lo mismo que el recipiente.
D) la mitad de lo que se dilatará el recipiente.
E) la tercera parte de lo que se dilate el recipiente.
C
ASE
EJEMPLO

25. Como acabamos de ver, en general los materiales se dilatan cuando se calientan y se contraen cuando
se enfrían. Sin embargo, cuando enfriamos agua, a partir de los 4 [ºC] comienza a dilatarse, aún
cuando su temperatura siga disminuyendo.
Por otro lado, si tenemos agua a 0 [ºC], al aumentar su temperatura comienza a contraerse, al
contrario de lo esperado; esto sucede así hasta los 4 [ºC]. A partir de esta temperatura el agua
comienza a comportarse de manera “normal”, es decir, se dilata al calentarse y se contrae al enfriarse.
Recuerda, este comportamiento anómalo del agua solo se presenta entre los 0 [ºC] y los 4 [ºC].
ANOMALÍA TÉRMICA DEL AGUA

26. Si ponemos agua en una botella y la dejamos en el congelador a 0
[ºC], veremos que todo el volumen de agua se congela.
Sin embargo, en los lagos de zonas muy frías, aun cuando la temperatura en invierno
puede alcanzar varias decenas de grados bajo cero, solo se congela la capa superior
del agua. ¿Por qué no se congela el lago completo? ¿Qué importancia puede tener este
fenómeno?
ANOMALÍA TÉRMICA DEL AGUA

27. Si se tiene un líquido desconocido a 0 [°C] y se le aplica calor, entonces el líquido
A) se dilatará.
B) se contraerá.
C) mantendrá su volumen.
D) se dilatará o se contraerá, nunca mantendrá su volumen.
E) se contraerá o mantendrá su volumen, nunca se dilatará.
D
Comprensión
EJEMPLO

28. Para un gramo de agua que se encuentra en un recipiente cerrado a 1 atm y a
una temperatura inicial de 4 ºC, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es
correcta?
A) Si su temperatura aumenta en 1 ºC, entonces aumenta su volumen.
B) Si su temperatura aumenta en 1 ºC, entonces aumenta su densidad.
C) Si su temperatura disminuye en 1 ºC, entonces disminuye su masa.
D) Si su temperatura disminuye en 1 ºC, entonces disminuye su volumen.
E) Si su temperatura disminuye en 1 ºC, entonces aumenta su densidad.
A
Comprensión
EJEMPLO

29. CALOR
Se propaga
por
Sólidos Fluidos Vacío
Mediante
Conducción
Mediante
Convección
Mediante
Radiación
Es
Energía en
tránsito
Puede ser
Absorbido Liberado
Produciendo
Disminución de
temperatura
Produciendo
Aumento de
temperatura
Puede
producir
Se expresa
mediante
Puede
producir
Contracción
Kelvin
Escalas
termométricas
Dilatación
Celsius

30. Una mañana de verano, apenas sale el Sol, Alberto llega a la piscina para comenzar a bañarse. Para no
deshidratarse con el calor, lleva una botella con agua, llena un vaso y deja ambos junto al borde. Tanto
el agua de la botella como el agua de la piscina se encontraban inicialmente a temperatura ambiente.
Si los tres cuerpos permanecen al sol la misma
cantidad de tiempo, ¿cuál experimenta un mayor
aumento de su temperatura?
¿Y cuál es el que experimenta un menor
aumento de temperatura?
Los tres cuerpos están
compuestos
principalmente por
agua…
Y los tres estuvieron
expuestos al sol la
misma cantidad de
tiempo…
Entonces, ¿de qué depende que
la temperatura de uno haya
aumentado más que la de otro?
¿Cómo se puede expresar
esta “capacidad” de los
cuerpos de variar su
temperatura al absorber una
determinada cantidad de
calor?
Capacidad calórica
ANALICEMOS EL SIGUIENTE CASO

31. Es la cantidad de calor que un cuerpo debe absorber o ceder para elevar o disminuir,
respectivamente, su temperatura en 1 [ºC].
La capacidad calórica se designa por C y es característica de cada cuerpo.
Mientras mayor sea la capacidad calórica del cuerpo, más costará calentarlo o
enfriarlo.
Se calcula como:
Sus unidades son:
Q
C
T


La capacidad calórica de la piscina es mucho
mayor que la del vaso con agua.
º º
calorías cal
Celsius C
   

   
   
¿Qué posee mayor capacidad calórica: el vaso
con agua o la piscina con agua?
CAPACIDAD CALORICA

32. Ahora, tomemos 1 [g] de agua de la piscina, de la botella y del vaso.
1 [g] 1 [g] 1 [g]
Si quisiéramos aumentar la temperatura
de cada uno de estos gramos de agua en
1 [°C], ¿a cuál tendríamos que entregarle
una mayor cantidad de calor?
Esta cantidad de calor por unidad de
masa se denomina CALOR
ESPECÍFICO.
ANALICEMOS EL SIGUIENTE CASO

33. Se define como la capacidad calórica por unidad de masa. Es característica de cada
material y se calcula como:
Sus unidades son:
¿Qué posee mayor calor específico, el agua del
vaso o el agua de la piscina?
 

C Q
c
m m T
  
Q m c T
El calor específico del agua es:
1 [cal/g °C]
calorías cal
gramoº C g º C
   

   
   
Ambas poseen el mismo calor específico, pues
son el mismo material; agua.
CALOR ESPECIFICO

34. Si el calor específico del acero es 0,12 , la cantidad de calor necesaria para
que 400 [g] de acero pasen de 20 [°C] a 100 [°C] es
A) 3.840 [cal]
B) 4.350 [cal]
C) 4.520 [cal]
D) 4.800 [cal]
E) 5.500 [cal]
A
Aplicación
 
 
 
º
cal
g C
EJEMPLO

35. 2.1 Definición
Al aislar dos cuerpos a distinta temperatura, fluirá calor desde el cuerpo más
caliente (quien cederá calor, enfriándose) hacia el cuerpo más frío (quien
absorberá calor, calentándose) hasta que sus temperaturas se igualen; cuando
esto suceda, el sistema se encontrará en equilibrio térmico.
2. Equilibrio térmico
Calor
Pág. 169
Cap. 6

36. 3.1 Definición
Un cuerpo con una temperatura diferente a la del ambiente en el que se
encuentra termina, irremediablemente, alcanzando la temperatura de su
entorno.
3. Ley de enfriamiento de Newton
Ley de enfriamiento de Newton
Si la diferencia entre la temperatura de un cuerpo y la del ambiente en el que se
encuentra no es demasiado grande, la temperatura del cuerpo cambia a una
velocidad que es proporcional a dicha diferencia.
Pág. 171
Cap. 6

37. 3.2 Gráfica de enfriamiento - calentamiento
La ley de enfriamiento de Newton es una relación empírica y expresa que la cantidad de
calor que fluye en la unidad de tiempo hacia el cuerpo, o desde él, es aproximadamente
proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el ambiente.
Fíjate en el siguiente gráfico.
3. Ley de enfriamiento de Newton
Curva de enfriamiento para un cuerpo que varía su temperatura
siguiendo la ley de enfriamiento de Newton
A medida que transcurre el
tiempo, la rapidez de
enfriamiento del cuerpo
disminuye, pues la diferencia
de temperatura entre el
cuerpo y el entorno es
menor.
Temperatura
del ambiente
Curva de calentamiento de un cuerpo que varía
su temperatura siguiendo la ley
de enfriamiento de Newton
Esta ley también es válida
para el calentamiento de un
cuerpo.

38. 4. Principio calorimétrico de mezclas
4.1 Definición
Al mezclar dos materiales a distinta temperatura en un sistema en donde el
calor no pueda entrar ni escaparse hacia el exterior (sistema adiabático), todo
el calor cedido por el material a mayor temperatura será completamente
absorbido por aquel a menor temperatura.
 
Cedido Absorbido
Q Q 0
  
Ced. 1 1 1
Q m c T   
Abs. 2 2 2
Q m c T
Material más
frío.
Material más
caliente.
Pág. 169
Cap. 6

39. 5. Un recipiente de capacidad térmica despreciable contiene 100 [g] de agua a una
temperatura de 20 [°C]. Si al interior del mismo se vierten 200 [g] de agua a
80 [°C], la temperatura final de la mezcla es
A) 40 [°C]
B) 50 [°C]
C) 60 [°C]
D) 70 [°C]
E) 80 [°C]
Ejercicio
Ejercicio 5 guía Calor II: mezclas y cambios de fase
C
Aplicación

40. 5.1 Fases de la materia
5. Cambios de fase
Pág. 175
Cap. 6

41. 5.1 Fases de la materia
5. Cambios de fase
Evaporación
Sublimación
Fusión
Ebullición
Solidificación
Condensación

42. 1. A una determinada presión atmosférica, los cuerpos solo pueden cambiar de fase a
una temperatura bien definida llamada “temperatura crítica” o “punto crítico”; en el
caso del hielo, la temperatura a la cual logrará fundirse, es decir, su punto crítico de
fusión, es 0 [ºC].
2. Estando en su punto crítico, para que cada gramo de material pueda cambiar de fase
se le debe ceder o extraer una cantidad de calor Q por unidad de masa m, llamada
calor latente de cambio de fase “L”. El calor latente de cambio de fase se expresa
como:
3. Durante un cambio de fase la temperatura del material permanece constante.
En el caso del hielo, al fundirse (a 0 ºC), el agua que se obtiene está a 0 [ºC] ya que,
durante todo el proceso de fusión, la temperatura se mantiene constante.
4. El calor latente absorbido o liberado por un cuerpo para cambiar de fase será el
mismo que requiera liberar o absorber, respectivamente, para revertir dicho cambio.
5. Cambios de fase
5.2 Leyes del cambio de fase – Calor latente de cambio de fase
 
Q
L
m
Pág. 177
Cap. 6

43. Cada vez que frotamos dos superficies entre sí se produce fricción o roce entre ellas,
disipándose calor. Esto se debe a que interactúan entre sí los electrones de cada una de
las superficies en contacto, produciendo interacciones de tipo electromagnético.
La energía así disipada se manifiesta en forma de calor.
6. Roce y calor
6.1 Definición
Pág. 186
Cap. 6

44. 3. Un trozo de azufre de 200 [g] se encuentra a una temperatura de 119 [°C].Si se
le suministran 650 [cal] y el punto de fusión del azufre es 119 [ºC], ¿cuál es la
cantidad de masa que se logra fundir? (Considere que el azufre posee un calor
latente de fusión de ).
A) 25 [g]
B) 50 [g]
C) 60 [g]
D) 100 [g]
E) 200 [g]
Ejercicio
Ejercicio 3 guía Calor II: mezclas y cambios de fase
13
cal
g
B
Aplicación

45. 23. Bajo determinadas condiciones, y en el interior de un recipiente herméticamente
cerrado, se aplica calor a un cuerpo que se encuentra en estado sólido logrando
que sublime, es decir, que pase al estado gaseoso sin pasar por el estado
líquido. Entre las características del estado gaseoso está que el material puede
fluir libremente, ocupando completamente el volumen que lo contiene. Respecto
de esta situación, ¿cuál de las siguientes alternativas es correcta?
A) La cantidad de partículas del material aumentó después de experimentar
sublimación.
B) La cantidad de partículas del material disminuyó después de experimentar
sublimación.
C) La distancia entre las partículas del material aumentó después de la
sublimación.
D) La distancia entre las partículas del material disminuyó después de la
sublimación.
E) Las partículas del material cambiaron sus características químicas después de
la sublimación.
Ejercicio
Ejercicio 23 guía Calor II: mezclas y cambios de fase
C
Comprensión

46. Pregunta oficial PSU
En la figura se representan dos cuerpos, P y R, del mismo material y de igual
masa, que inicialmente estaban a diferente temperatura. Luego se pusieron en
contacto térmico entre sí, en un sistema aislado S. La temperatura inicial de P era
50 ºC.
Si ambos cuerpos alcanzaron el equilibrio térmico a 20 ºC, es correcto afirmar que
I) R disminuyó su temperatura en 30 ºC.
II) R inicialmente tenía una temperatura de –10 ºC.
III) R aumentó su temperatura en 30 ºC.
A) Solo I
B) Solo II
C) Solo III
D) Solo I y II
E) Solo II y III
Fuente : DEMRE - U. DE CHILE, proceso de admisión 2014, módulo común.
E
Aplicación

47. CALOR
Si se agrega
calor
Fusión
Evaporación -
Ebullición
Sublimación
Cambio de fase
Puede producir
Cambio de
temperatura
Si se extrae
calor
Solidificación
Condensación
Sublimación inversa
Capacidad
calórica
Calor
específico
Calor latente
Equilibrio
térmico
Lleva al