El documento describe los conceptos de cambio de estado, calor latente, y calor específico. Explica que el calor latente se refiere al calor absorbido u liberado durante un cambio de estado sin cambio de temperatura. También resuelve algunos problemas de cálculo de temperatura de equilibrio térmico y altura necesaria para quemar calorías comidas.

1. Josué David Fritz
Física calor-ondas grupo 1

2. • “Usamos el término fase (o estado) para describir un
estado específico de la materia, como sólido, líquido o
gas.”

3. • Se define como la transición de un
estado a otro.
• Éstos se dan a una temperatura
dada, acompañado por lo general de
absorción o emisión de calor, y
cambios de volumen y densidad.
• El calor latente (L) se define como
el calor requerido por masa; para
fundir el elemento se define como
calor latente de fusión, y para
evaporarlo calor latente de
vaporización.

4. • El concepto de calor latente se da
porque la energía agregada o retirada
no resulta en un cambio de
temperatura.
• El concepto de calor de fusión se
aplica cuando el cambio de estado es
de sólido a líquido. Análogamente, el
calor de vaporización se aplica
cuando el cambio de estado es de
líquido a gas.
• Matemáticamente, se define el calor
latente así:
𝑄 = ±𝑚𝐿
Siendo m la cantidad de masa de la
sustancia y Q la cantidad de calor
requerida por el cuerpo para el cambio de
fase.

6. • En el campo una geóloga bebe su café matutino de una
taza de Aluminio. La taza tiene una masa de 0.120 Kg e
inicialmente está a 20.0°C cuando se vierte en ella 0.300
Kg de café que, inicialmente estaba a 70.0°C. ¿A qué
temperatura alcanzarán la taza y el café el equilibrio
térmico? (Suponga que el calor específico del café es el
mismo del agua y que no hay intercambio de calor con el
entorno).

7. La solución final de esta ecuación es de T= 66.0°C

8. • Una posible definición de
trabajo en termodinámica
sería la siguiente:
“El trabajo es una
transferencia de energía a
través de la frontera de un
sistema asociada a un cambio
en las variables
macroscópicas.”
Podemos entender el trabajo
realizado por un gas en un
cambio de volumen
considerando sus moléculas.

9. • Acorde a la figura:
dW= Fdx= pA dx
Pero:
Adx=dV
Siendo dV el cambio infinitesimal
de volumen del sistema. Por esto,
se reescribe la ecuación como:
dW= pdV
En un cambio de V1 a V2;
𝑊 =
𝑉1
𝑉2
𝑝𝑑𝑉
Siendo esta formula el trabajo
efectuado en un cambio de
volumen.

10. • Si el trabajo se realiza por el
entorno sobre el sistema, es
positivo
• Si el trabajo es realizado por el
sistema sobre el entorno, es
negativo

11. • La primera ley de la
termodinámica establece que,
cuando se agrega calor Q a un
sistema mientras éste efectúa
un trabajo W la energía interna
U cambia en una cantidad igual
a Q-W.
∆𝑈 = 𝑄 − 𝑊
• Esta ley también puede
plantearse para un sistema
infinitesimal.
𝑑𝑈 = 𝑑𝑄 − 𝑑𝑊

12. • Un estudiante se propone comer un mantecado de 900
calorías (con crema batida) y luego subir corriendo varios
tramos de escaleras para quemar la energía que ingirió.
¿A qué altura debe ascender? Suponga que la masa del
estudiante es 60.0 Kg.

13. • SOLUCIÓN:
• ∆𝑈 = 0
• ∆𝑈 = 𝑄 − 𝑊
• 𝑄 = 𝑊; 𝑊 = 𝑚𝑔ℎ
• 𝑄 = 𝑚𝑔ℎ
• ℎ =
𝑄
𝑚𝑔
• 𝑄 = 900 𝐾𝐶𝑎𝑙 ∗
4190𝐽
1 𝐾𝐶𝑎𝑙
= 3.77𝑥106
𝐽
• ℎ =
3.77𝑥106 𝐽
(60.0 𝐾𝑔)(9.8 𝑚
𝑠2)
= 6410𝑚

14. La energía interna de cualquier
sistema termodinámico
depende exclusivamente de su
estado. El cambio de energía
interna durante cualquier
proceso depende únicamente
de los estados inicial y final, no
de la trayectoria seguida. La
energía interna de un sistema
aislado es contante.

15. • La gráfica muestra una serie
de procesos termodinámicos.
En el proceso ab se agregan
150 J de calor al sistema. En
el proceso bd se agregan otros
600 J. Calcule:
A. El cambio de energía interna
en el proceso ab.
B. El cambio de energía interna
en el proceso abd (azul
claro).
C. El cambio de energía interna
en el proceso acd (azul
oscuro).

16. • Una máquina térmica es un
dispositivo que toma energía por
calor y, al funcionar en un
proceso cíclico, expulsa una
fracción de dicha energía
mediante trabajo.

17. • Si una máquina repite el mismo
ciclo una u otra vez, 𝑄 𝐻 será la
cantidad de energía absorbida
por la máquina y 𝑄 𝐶 será la
cantidad de energía rechazada
por la máquina durante un ciclo.
El calor neto absorbido por ciclo
viene dado por:
𝑄 = 𝑄 𝐻 + 𝑄 𝐶 = 𝑄 𝐻 − 𝑄 𝐶
• La salida útil de la máquina es el
trabajo neto efectuado por la
sustancia de trabajo. Por la
primera ley:
𝑊 = 𝑄 = 𝑄 𝐻 + 𝑄 𝐶 = 𝑄 𝐻 − 𝑄 𝐶

18. • Las máquinas pueden no ser 100% eficientes, pero se
les puede medir su eficiencia, pero necesitamos saber
¿en qué es eficiencia térmica?
“la eficiencia térmica e de una máquina se define como la
relación de trabajo neto invertido por una máquina durante
un ciclo.”
• Es la fracción de calor suministrado a la maquina 𝑄 𝐻
que sí se convierte en trabajo:
𝑒 =
𝑊
𝑄 𝐻

19. • Si se sustituyen las fórmulas de W en la ecuación
anterior se tiene finalmente que:
𝑒 =
𝑊
𝑄 𝐻
= 1 +
𝑄 𝐶
𝑄 𝐻
= 1 −
𝑄 𝐶
𝑄 𝐻
Siendo 𝑒 un número “puro”, sin unidades. La fórmula
anterior representa la eficiencia térmica de una maquina.

20. • Un motor de gasolina de un camión
toma 10.000 J de calor y produce
2.000 J de trabajo mecánico por ciclo.
El calor se obtiene quemando gasolina,
cuyo calor de combustión es de LC =
5.0x104 J
g.
A. Calcule la eficiencia térmica del
motor.
B. ¿Cuánta calor se desecha en cada
ciclo?
C. ¿Cuánta gasolina se desecha en
cada ciclo?
D. Si el motor ejecuta 25 ciclos por
segundo, ¿qué potencia desarrolla en
watts y en hp?
E. ¿cuánta gasolina se quema por
segundo? ¿Y por hora?

21. A. 𝑒 =
𝑊
𝑄 𝐻
=
2000𝐽
10000𝐽
= 20%
B. 𝑄 𝐶 = 𝑊 − 𝑄 𝐻 = 2000𝐽 − 10000𝐽 = −8000𝐽
C. 𝑄 𝐻 = 𝑚𝐿 𝐶; 𝑚 =
𝑄 𝐻
𝐿 𝐶
=
10000𝐽
5.0𝑥104 𝐽
𝑔
= 0.20𝑔
D. 𝑃 = 2000 𝐽
𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 25 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠
𝑠 = 50.000𝑊 ∗
1ℎ𝑝
746𝑊
= 67ℎ𝑝
E. 0.20 𝑔
𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 ∗ 25 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠
𝑠 = 5.0 𝑔
𝑠 ∗
3600𝑠
1ℎ
= 18.000 𝑔
ℎ =
18 𝑘𝑔
ℎ

22. • La segunda ley de la
termodinámica describe la
direccionalidad de los procesos
termodinámicos naturales y puede
plantearse de varias formas
equivalentes. La forma de Kelvin-
Planck establece que:
“es imposible construir una máquina
térmica que, funcionando en un
ciclo, no produzca otro efecto que la
entrada de energía por calor por
depósito y la realización de una
cantidad igual de trabajo”.

23. • El planteamiento de
máquina es que
ningún proceso cíclico
puede convertir calor
totalmente en calor. el
planteamiento de
refrigerador es que
ningún proceso cíclico
puede transferir calor
de un lugar mas frío a
un lugar mas caliente
sin aporte de trabajo
mecánico.