El documento aborda la temperatura y el calor desde un enfoque microscópico y macroscópico, definiendo el calor como la energía transferida entre cuerpos con diferencias de temperatura. También se analizan conceptos como dilatación térmica, calor específico, calor de fusión y vaporización, así como los principios de la termodinámica a través de la ecuación de estado de gases ideales y la primera y segunda ley de la termodinámica. Por último, se discuten los procesos termodinámicos, la eficiencia de los dispositivos que convierten calor en trabajo, y el concepto de entropía.

1. FISICA GENERAL TEMPERATURA Y CALOR

2. TEMPERATURA Y CALOR Microscópicamente la temperatura esta en función de la energía cinética media de los átomos de un cuerpo. Macroscópicamente la temperatura es el grado de calidez o frialdad de un cuerpo. El calor es la energía que se transfiere de un cuerpo a otro cuando hay diferencia de temperaturas.

3. T A Consideremos dos cuerpos en contacto térmico: Q (calor) T A Q = 0 (no existe calor) Hay equilibrio térmico T B > T B =

4. Termómetros y escalas de temperatura.- Están basados en la “ley cero” de la termodinámica: “ Si dos sistemas A y B estan por separado en equilibrio térmico con un sistema C, entonces A y B estan en equilibrio térmico entre si”. T A = T B Equilibrio térmico C A B

5. Escala Celsius.- Los patrones de medida son: mezcla de agua y hielo para 0°C y agua hirviendo para los 100°C. Se divide en 100 partes

6. Otra escala ampliamente usada es la escala Fahrenheit; para hacer cambios de escala: 100° 0° T C °C 212° 32° T F °F

7. Escala Kelvin.- Llamada también escala absoluta de temperatura, esta basada en un termómetro de gas: 0 K es llamado el cero absoluto. Gas 1 Gas 2 Gas Hg h -273,15 P T(°C) 0 100 0 K 273,15 K 373,15 K

8. DILATACIÓN.- Estudia el cambio de las dimensiones de un cuerpo debido a los cambios de temperatura, microscópica-mente si aumenta la temperatura, aumenta la distancia media entre los átomos.

9. Dilatación lineal.- Estudia los cambios de longitud en un cuerpo; consideremos una varilla a una temperatura inicial T 0 : L =  L o  T L F = L o ( 1 +   T ) Donde:  L = cambio de longitud  T = cambio de temperatura Lo = longitud inicial L F = longitud final  = coeficiente de dilatación térmica lineal, en (°C) -1 = K -1  L T F T 0 L 0  Al  = 2,4x10 -5 °C -1  Vidrio  = 5x10 -6 °C -1

10. DILATACION SUPERFICIAL : Donde:   T = cambio de temperatura So = á rea inicial S F = á rea final  = coeficiente superficial de dilatación térmica (°C) -1 = K -1  S F = S o ( 1 +  T ) T 0 b 0 a 0 S F = b F a F = b o ( 1 +  T ) a 0 ( 1 +  T ) S F = S o ( 1 + 2  T +    T 2 ) T F b F a F

11. An á logamente en dilataci ó n volum é trica: Donde:  T = cambio de temperatura Vo = volumen inicial V F = volumen final  = coeficiente volumétrico de dilatación térmica (°C) -1 = K -1  V F = V o ( 1 +  T ) T 0 b 0 a 0 c 0 T F b F a F c F

12. Medidores de temperatura usando una tira bimetálica:

13. Anomalía del agua: casi todos los cuerpos al aumentar su temperatura incrementa sus dimensiones, algunos cuerpos como el agua no cumplen esta regla. Consideremos aproximadamente 1 gramo de agua a 4 °C:

14. CANTIDAD DE CALOR.- Históricamente se define la caloría como la energía necesaria (calor) para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1°C (de 14,5 a 15,5 °C). Según el experimento de Joule, el mismo efecto se logra al hacer un trabajo mecánico de aproximadamente 4,18 J : 1 cal = 4.186 J Llamado también equivalente mecánico del calor . mg

15. CAPACIDAD CALORÍFICA.- Es la cantidad de calor que necesita un cuerpo para incrementar su temperatura: En: cal/°C o J/K La capacidad calorífica depende del material y de su masa: El material puede ser el mismo, pero como Δ T 1 > Δ T 2 , entonces C 1 < C 2 m 2m 1 2 Q Q

16. CALOR ESPECÍFICO.- Es la capacidad calorífica por unidad de masa: El calor específico solo depende del tipo de material. El calor ganado o perdido por el cuerpo está dado por: Si: Q > 0  gana calor Q < 0  pierde calor

17. Calorimetría.- Consiste en medir el calor (ganado y perdido) en la mezcla de cuerpos a diferentes temperaturas. Ejm. Por conservación de la energía: ∑Q = 0 m 1 Ce 1 (T F – T 1 ) + m 2 Ce 2 (T F – T 2 ) = 0 Q 1 + Q 2 = 0 Si: T 1 > T 2  T 1 > T F > T 2 + T 1 T 2 m 1 m 2 = T F Equilibrio térmico

18. Cambios de fase.- Cuando un cuerpo gana o pierde calor y no experimenta cambio de temperatura, es posible que este cambiando de fase o estado. Calor de Fusión: Q = ± m L F Donde m es la masa y L F es el calor latente de fusión. +Q cuando pasa de sólido a líquido -Q cuando pasa de líquido a sólido Para el agua a 0° se tiene L F ≈ 80 cal/g 0°C 0°C +Q (el hielo se funde)

19. Calor de Vaporización: Q = ± m L V Donde L V es el calor latente de vaporización. +Q cuando pasa de líquido a vapor -Q cuando pasa de vapor a líquido Para el agua a 100° se tiene L V ≈ 540 cal/g 100°C 100°C +Q (se evapora) Agua Vapor -Q (se condensa)

20. Temperatura vs. Calor agregado a una muestra de agua inicialmente en fase sólida a -20 °C : (°C)

21. Mecanismos de transferencia de calor.- Hay tres formas transferencia de calor de un punto a otro: Conducción: por acción directa de los átomos vecinos de un cuerpo. Los metales conducen mejor el calor por tener electrones libres. T 2 T 1 Q Aislante térmico T 1 > T 2

22. - Convección: el calor se transfiere por el movimiento de la masa del cuerpo. Se produce en los fluidos: +Q Tierra Vientos

23. - Radiación: el calor se transfiere mediante ondas electromagnéticas emitidas por los cuerpos : T Tierra

25. Calor latente (todos a presión atmosférica): Sustancia Punto de fusión (ºC) Calor latente fusión (kJ/kg) Punto de ebullición (ºC) Calor lat. vaporización (kJ/kg) Helio -268,9 21 Nitrógeno -209,9 25,5 -195,8 201 Alcohol etílico -114 104 78 854 Mercurio -39 11,8 357 272 Agua 0 333 100 2255 Plata 96 88,3 2193 2335 Plomo 327 24,5 1620 912 Oro 1063 64,4 2660 1580

26. Calores específicos (a 20ºC y 1 atm de presión constante) Sustancia Calor específico Sustancia Calor específico Kca/(kg ºC) J/(kg ºC) Kca/(kg ºC) J/(kg ºC) Aluminio 0.22 900 Alcohol etílico 0.58 2400 Cobre 0.090 390 Mercurio 0.033 140 Vidrio 0.20 84 Agua: Hierro/Acero 0.11 450 Hielo (-5ºC) 0.50 2100 Plomo 0.031 130 Líquida (15ºC) 1.00 4183 Mármol 0.21 860 Vapor (110ºC) 0.48 2010 Plata 0.056 230 Cuerpo humano (promedio) 0.83 3470 Madera 0.4 1700 Proteínas 0.4 1700

27. Calores latentes (a 1 atm) Sustancia Punto de fusión (ºC) Calor de fusión Punto de ebullición (ºC) Calor de evaporación Kcal/kg kJ/kg Kcal/kg kJ/kg Oxígeno -218.8 3.3 14 -883 51 210 Alcohol etílico -114 25 104 78 204 85 Agua 0 79.7 333 100 539 2260 Plomo 327 5.9 25 1750 208 870 Plata 961 21 88 2193 558 2300 Tungsteno 3410 44 184 5900 1150 4800 Hierro 1808 69.1 289 3023 1520 6340

28. FISICA GENERAL TERMODINAMICA

29. Para describir los procesos termodinámicos se usan las variables termodinámicas presión (P), volumen (V), temperatura (T) y la masa o número de moles (n), denominadas variables de estado. Generalmente se trabajan con gases, por lo que se usa la ecuación de estado de los gases ideales: PV = nRT R = 8,3145 J/mol·K TERMODINAMICA

30. Diagramas PV.- Son útiles para describir los procesos termodinámicos. En estos diagramas hay infinitas isotermas, las cuales son curvas de forma hiperbólica:

31. TRABAJO REALIZADO POR UN GAS.- Consideremos un gas (recibiendo calor) que se expande a presión atmosférica constante: P 0 P 0 W = P 0 Δ V El trabajo es igual al área del rectángulo : W = A P 0 Δ V Q P V P 0 V 1 V 2

32. Trabajo en un proceso a presión variable.- Se hace uso del cálculo integral: Area bajo la curva Nota: Si V 2 < V 1 , el trabajo es negativo: -W P V V 1 V 2 P V V 2 V 1

33. ENERGIA INTERNA (U).- Microscópicamente está relacionada con la energía cinética de los átomos y su energía potencial de enlace; macroscópicamente se relaciona con la temperatura y con el estado del cuerpo. Ejm. Sea un cuerpo que esta a una temperatura inicial y con cierta energía interna : T i U i T f >T i U f + Q (calor) = Se dice que el cuerpo tiene un cambio de energía interna Δ U.

34. PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA.- El calor entregado a un sistema es igual al trabajo mecánico realizado mas el cambio de energía interna del sistema: Q = Δ U + W Sistema Q W Δ U

35. Procesos termodinámicos.- Se pueden presentar cuatro tipos de procesos: - Proceso isobárico , es realizado a presión constante: - Proceso isocórico , realizado a volumen constante : Q = Δ U + W P 1 V 1 =V 2 Q = Δ U P 1 P V P 0 V 1 V 2 P V

36. - Proceso isotérmico , es realizado a temperatura constante: - Proceso adiabático , cuando no gana ni pierde calor: Q = W P 2 V 1 0 = Δ U + W Δ U = - W P 1 V 2 P 2 V 1 P 1 V 2 P V P V

37. Ejm de una expansión adiabática: El gas cuando se libera baja su temperatura porque disminuye su energía interna P 2 V 1 P 1 V 2 P V

38. MAQUINAS TERMICAS.- Son dispositivos que convierten parcialmente el calor en trabajo mecánico; estos realizan procesos cíclicos. Por ejemplo consideremos una máquina a vapor: El ciclo propuesto puede ser: Foco frío agua vapor Válvula de admisión Válvula de escape Condensador Foco caliente Q

39. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA PARA MAQUINAS TERMICAS: Es imposible que un sistema efectúe un proceso en el cual absorba calor de un foco y lo convierta totalmente en trabajo mecánico. Eficiencia: Foco caliente Foco frío

40. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA PARA MAQUINAS REFRIGERANTES: Es imposible que un proceso tenga como único resultado la transferencia de calor de un cuerpo frío a uno mas caliente.

41. Esquema de la máquina refrigerante: Ciclo de la máquina refrigerante: Refrigeradora

42. Entropía (S).- Es una magnitud que permite cuantificar el grado de desorden en un sistema. Se define el cambio de entropía como: A temperatura constante: Por ejemplo si se tiene un cubo de hielo a 0°C y se le da el calor suficiente para fundirlo: S i En J/K + Q (calor) = S f S f > S i Δ S>0

43. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA PARA LA ENTROPIA: Es imposible que la entropía total disminuya si se consideran todos los sistemas que participan en un proceso. Esto quiere decir que la entropía total siempre aumenta o a lo mas puede permanecer constante. También se puede afirmar que la entropía del universo va en aumento.

44. CICLO DE UN MOTOR GASOLINERO: (admisión) (compresión) (ignición) (potencia) (escape)

45. El ciclo de Otto es para un motor a gasolina:

47. CICLO DE CARNOT