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LA TEMPERATURA Objetivos: Conozcan los deferentes escalas de temperatura. Aprendan las leyes de la termodinámica ¿Qué es? Todos sabemos intuitivamente de qué estamos hablando. Por medio del tacto notamos la temperatura al tocar un cuerpo ya que unas terminaciones nerviosas situadas en la piel se encargan de ello. Los gatos poseen termosensores en la nariz que les permiten distinguir variaciones de 0.2ºC. Vamos estudiar el comportamiento de un gas para tratar de asociar esta sensación a una magnitud (algo que podemos medir) y para comprender qué cualidades de la materia manifiesta. Toda la materia está formada por partículas en continua agitación:. incluso los sólidos, que a simple vista parecen estar en reposo, la tienen. En los sólidos las vibraciones son pequeñas. Si la energía de agitación es muy grande, se pueden llegar a romper los enlaces entre las moléculas y entre los átomos. Las partículas se desenlazan y vibran libres, rotan, chocan entre si y contra las paredes del recipiente. Este estado de la materia se llama gaseoso. El gas trata de ocupar todo el volumen del recipiente que lo contiene: trata de expandirse. No todas las partículas se mueven en la misma dirección y con la misma velocidad. A cada estado concreto se le puede asignar una velocidad media. En esta animación puedes ver las moléculas de un gas en continua agitación. En un gas la temperatura es una magnitud (algo que podemos medir) que se relaciona con la medida de la velocidad media con que se mueven las partículas (por lo tanto con su energía cinética o nivel de agitación). La temperatura no depende del número de partículas que se mueven sino de su velocidad media: a mayor temperatura mayor velocidad media. No depende por tanto de la masa total del cuerpo: si dividimos un cuerpo con una temperatura "T" en dos partes desiguales las dos tienen la misma temperatura.

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La temperatura es una magnitud que refleja el nivel térmico de un cuerpo (su capacidad para ceder energía calorífica) y el calor es la energía que pierde o gana en ciertos procesos (es un flujo de energía entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas). Nivel térmico es el nivel de agitación. Comparando los niveles térmicos sabemos hacia donde fluye el calor. La temperatura refleja el nivel térmico de un cuerpo e indica el sentido en que fluye el calor. ¿Cómo se mide la temperatura? Nuestro tacto detecta la temperatura, pero carece de la capacidad de medirla con rigor. Realizando esta experiencia lo comprenderás: Introduce una mano en un recipiente frío y la otra en uno caliente, y luego las dos manos juntas en otro recipiente con agua templada. La primera mano la encontrará caliente y la otra fría. Del cuerpo que está a mayor temperatura decimos que "está más caliente" y a veces, erróneamente, se dice "que tiene más calor". Los cuerpos no tienen calor, tienen energía interna y tienen temperatura. Reservamos el término "calor" para la energía que se transfiere de un cuerpo a otro. Esta energía es fácil de medir, pero la energía total que tiene el cuerpo no. Si un cuerpo recibe energía calorífica aumenta la agitación de las partículas que lo forman (átomos, moléculas o iones) y se pueden producir también cambios en la materia: dilatación, cambios de color (piensa en una barra de

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metal al calentarla), variación de su resistencia a la conducción, etc. Estos cambios se pueden utilizar para hacer una escala de temperatura. Al poner en contacto dos sustancias la agitación de las partículas de una se transmite, mediante choques, a las partículas de la otra hasta que se igualan sus velocidades. Las partículas de la sustancia más caliente son más rápidas y poseen más energía. En cada impacto ceden parte de la energía a las partículas más lentas con las que entran en contacto. Las partículas de la sustancia que está a mayor T se frenan un poco, pero al mismo tiempo hacen que la más lentas aceleren. Finalmente las partículas de las dos sustancias alcanzan la misma velocidad media y por lo tanto la misma temperatura: se alcanza el "equilibrio térmico". Para diseñar un instrumento que mida la temperatura debemos escoger una cualidad de la materia que sea fácilmente observable, que varíe de manera importante con la agitación de sus partículas, que sea fácil de medir y que nos permita relacionar su variación con la agitación que tiene el cuerpo. La cualidad elegida en los termómetros de mercurio es la dilatación, pero existen otros tipos de termómetros basados en otras cualidades. Se utiliza el mercurio para construir termómetros porque es un metal que es líquido entre -20 ºC y 100ºC y porque se dilata mucho. Encerramos el metal dentro de un tubo fino (capilar) para que al dilatarse un poco avance mucho por el tubo (cuanto más fino sea el tubo más centímetros avanza). Midiendo longitudes de la columna podemos establecer una relación entre la dilatación y el nivel de agitación de la sustancia a medir.

¡Medimos la temperatura midiendo una longitud! Se pueden tomar como base para medir las temperaturas otras propiedades que cambien con ella como el color, la resistencia eléctrica, etc. Aparatos basados en las anteriores propiedades son el pirómetro óptico, el termopar.... Esto posibilita el medir en distintos rangos de temperaturas. Piensa en lo que pasaría si midieras la temperatura de un alto horno con un termómetro de mercurio. 3


Calibrado del termómetro. Escala Celsius de temperatura Celsius, eligió como cero de temperatura para su escala la temperatura del hielo en contacto con agua. Las temperaturas inferiores, por lo tanto, serán negativas. Para marcar ese punto en el termómetro, lo introducimos en una mezcla de agua y hielo y esperamos hasta que se estabilice la posición del mercurio de la columna. Marcamos ese punto en el vidrio (es el extremo de la columna de mercurio en ese momento) como punto 0.

Calentamos agua en un Erlenmeyer cerrado con un tapón bihoradado. Por un agujero del tapón sale un tubo y por él vapor, por el otro introducimos el termómetro. Se inserta hasta que el bulbo quede en un punto próximo a la superficie del agua. La columna de mercurio sube pero cuando el agua empieza a hervir se para y no sube más. Marcamos el vidrio en ese punto como punto 100. Si la presión no es 1 atm. la temperatura de ebullición no será 100 ºC.

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Dividimos la longitud del vidrio entre 0 y 100 en 100 partes iguales. A cada división le corresponde 1 grado centígrado. Con el termómetro de mercurio medimos la temperatura del aire. Este es el dato climatológico más conocido. El termómetro recibe el calor trasmitido por conducción del aire que lo rodea. ¡No debemos exponer el termómetro al Sol para medir la temperatura del aire! No debemos exponer un bulbo del termómetro a los rayos del Sol porque, en este caso, además del calor que recibe del aire recibe la radiación solar y recibe más cuanto mayor sea el bulbo del termómetro. No sería correcta la lectura puesto que dos termómetros correctamente calibrados colocados en el mismo sitio y expuestos al Sol no marcan lo mismo: el que tenga el bulbo más grande marca una temperatura mayor. Esacalas de temperatura A lo largo de los años se establecieron diferentes escalas. En 1967 se adoptó la temperatura del punto triple del agua como único punto fijo para la definición de la escala absoluta de temperaturas y la separación centígrada de la escala Celsius. El nivel cero quedaba a -273,15 K del punto triple y se definía como el cero absoluto o 0 K. Esta escala sustituyó a la escala centígrada o Celsius al definir el cero como el punto más bajo posible e inalcanzable en la práctica. A la temperatura del cero absoluto no hay movimiento y desde él no se puede sacar calor. En ese estado todo el movimiento atómico y molecular se detiene, es la temperatura más baja posible. Todos los objetos tienen una temperatura más alta que el cero absoluto y por lo tanto emiten energía térmica o calor. El espacio interestelar casi vacío tiene temperatura ligeramente superior al 0 K. En este esquema comparativo puedes ver las escalas más importantes:

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Conversión de valores de temperaturas La escala Celsius y la escala Kelvin tiene una transformación muy sencilla: grados K=273.15 + grados C En la transformación de grados centígrados a grados Fahrenheit debes tener en cuenta que cada grado centígrado vale 1,8 ºF ( 0 - 100 en la escala centígrada equivale a 32 - 210 en la escala Fahrenheit). Por lo tanto debes multiplicar los grados centígrados por 1,8 que equivale a 9/5 . Como el cero Celsisus corresponde al 32 Fahrenheit debes sumar 32: gradosF=(9/5)xC+32 Para la transformación inversa se despeja y queda: gradosC=(5/9)*( grados F-32) TERMOLOGIA Y TERMOMETRIA Los termómetros se basan en la dilatación regular de ciertos cuerpos denominados sustancias termométricas. El termómetro es el instrumento que se emplea para medir la temperatura de los cuerpos. Hay termómetros de mercurio, de alcohol, metálicos, de aire, etc. El termómetro de mercurio es él más común, su funcionamiento se basa en la dilatación o contracción que experimenta el mercurio cuando cuando el termómetro se pone en contacto con un cuerpo caliente o frió: el nivel ñeque

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se detiene el mercurio indica, en su escala graduada la medida de la temperatura. Escalas de medición de la temperatura Las dos escalas de temperatura de uso común son la Celsius (llamada anteriormente ‘’centígrada’’) y la Fahrenheit. Estas se encuentran definidas en términos de la escala Kelvin, que es las escala fundamental de temperatura en la ciencia. La escala Celsius de temperatura usa la unidad ‘’grado Celsius’’ (símbolo 0C), igual a la unidad ‘’Kelvin’’. Por esto, los intervalos de temperatura tienen el mismo valor numérico en las escalas Celsius y Kelvin. La definición original de la escala Celsius se ha sustituido por otra que es más conveniente. Sí hacemos que Tc represente la escala de temperatura, entonces: Tc = T - 273.150 Relaciona la temperatura Celsius Tc (0C) y la temperatura Kelvin T(K). Vemos que el punto triple del agua (=273.16K por definición), corresponde a 0.010C. La escala Celsius se definió dé tal manera que la temperatura a la que el hielo y el aire saturado con agua se encuentran en equilibrio a la presión atmosférica - el llamado punto de hielo - es 0.00 0C y la temperatura a la que el vapor y el agua liquida, están en equilibrio a 1 atm de presión -el llamado punto del vapor- es de 100.00 0C. La escala Fahrenheit, todavía se usa en algunos países que emplean el idioma ingles aunque usualmente no se usa en el trabajo científico. Se define que la relación entre las escalas Fahrenheit y Celsius es:. De esta relación podemos concluir que el punto del hielo (0.000C) es igual a 32.0 0F, y que el punto del vapor (100.00C) es igual a 212.0 0F, y que un grado Fahrenheit es exactamente igual del tamaño de un grado Celsius. EXISTEN CUATRO ESCALAS O SISTEMAS TERMOMETRICOS 1 CENTIGRADOS O CELSIUS : Punto de fusión: 0° C Punto de ebullición: 100° C 2 REAMUR (en desuso) °R: Punto de fusión: 0° R Punto de ebullición: 80° R 3 FAHRENHEIT °F: Punto de fisión: -32°F Punto de ebullición: 212°F 4 KELVIN (absoluta) °K: 7


Punto de fisión: 273°K Punto de ebullición: 373° K COMO PASAMOS DE UNA ESCALA A OTRA: 1-2 DE REAMUR A CENTÍGRADA: °C = 5/4 °R Y °R = 4/5 °C 1-3 DE FAHRENHEIT A CENTÍGRADA: °C = 5/9(°F-32°) Y °F = 9/5 °C + 32 1-4 DE KELVIN A CENTÍGRADA: °C = °K-273 Y °K = °C + 273 CALOR ¿Qué es el calor? Durante muchos años se creyó que el calor era un componente que impregnaba la materia y que los cuerpo absorbían o desprendían según los casos. Lo que ves a la derecha es una manifestación del calor, es una llama, pero no es el calor. El calor es un concepto y por lo tanto no se ve. Si puedes percibir los efectos del calor. Rumford, taladrando tubos de metal para construir cañones, se dio cuenta de que cuanto más roma estaba la broca más calor se desprendía. Si el calor estuviera retenido en el cuerpo impregnándolo saldría más cuanto más se desmenuzara la materia en virutas...pero no era así, era justamente al revés. (Benjamín Thomson) ¡El calor se generaba al rozar la broca con el metal! ¡La energía cinética de la broca se transformaba en calor! El calor es por lo tanto una forma de energía. Es la "energía calorífica". Un inglés llamado J.P. Joule halló su equivalencia con las unidades del trabajo. El Universo está hecho de materia y energía. La materia está compuesta de átomos y moléculas (que son grupos de átomos) y la energía hace que los átomos y las moléculas estén en constante movimiento: rotando alrededor de si mismas, vibrando o chocando unas con otras. Cuando la materia desaparece (a veces esto ocurre espontáneamente en las sustancias radiactivas) se transforma en energía (E=mc2)

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El movimiento de los átomos y moléculas está relacionado con el calor o energía térmica. Al calentar una sustancia aumenta la velocidad de las partículas que la forman. La cantidad total y absoluta de energía que tiene un cuerpo, que es la que podría teóricamente ceder, es muy difícil de precisar. Nos referimos al calor como a esa energía que intercambian los cuerpos (energía de tránsito) y que podemos medir fácilmente. El calor es una energía que fluye de los cuerpos que se encuentran a mayor temperatura a los de menor temperatura. Para que fluya se requiere una diferencia de temperatura. El cuerpo que recibe calor aumenta su temperatura, el que cede calor disminuye su temperatura. Resulta evidente que los dos conceptos, calor y temperatura, están relacionados.

Los cuerpos radian unos hacia otros pero el balance total del intercambio es favorable a uno y desfavorable al otro hasta que se alcanza el equilibrio térmico. El calor es una energía de tránsito, sólo tiene sentido hablar de variación de calor mientras la energía fluye de un cuerpo a otro. Es una energía degradada ya que es imposible recuperar toda la energía mecánica que se invirtió en producirlo. Se recupera energía mecánica haciéndolo fluir en las máquinas térmicas del foco caliente al frío y retirando parte de esa energía en forma de energía mecánica (movimiento) pero una parte importante del calor debemos arrojarla al entorno en el foco frío. Los rendimientos de la máquinas se calculan por la relación de temperaturas entre las que funcionan y es imposible un rendimiento del 100% R=(T1-T2)/ T1 ¿Cómo se genera el calor? 9


La energía puede presentarse de muy diferentes formas y puede cambiar de una forma a otra. Ya vimos la experiencia de Rumford en la que por rozamiento la broca transformaba energía cinética en energía calorífica. Pero existen otras transformaciones de energía.....

La energía electromagnética (luz del Sol) calienta la Tierra. Esta es la primera fuente de toda la energía que llega a la Tierra y que luego se transforma en otros tipos de energía. Los cuerpos emiten energía calorífica en forma de radiación en el infrarrojo. Las reacciones química de combustión desprenden calor (exotérmicas), otras lo absorben (endotérmicas). La electricidad circulando por una resistencia la calienta. Un balón al chocar contra el suelo transforma su energía mecánica en calor al deformarse. Nuestros cuerpos transforman la energía química de los alimentos en calor: para vivir necesitamos unas 2.100.000 calorías al día. Las reacciones nucleares generan calor al desaparecer la masa. Al producir un sonido hacemos vibrar las partículas de aire y esta energía se transmite en el aire: las ondas transportan energía. ¿Cómo se mide el calor? El agua es importantísima en nuestra vida. Se ha utilizado para establecer la escala de Celsisus de temperaturas y tiene una excepcional cualidad que hizo que se eligiera para definir el patrón de la energía calorífica: el agua es una de las sustancias que, aunque reciba mucha energía calorífica, incrementa muy poco su temperatura. Esta cualidad del agua es la responsable del clima benigno (poco oscilante entre el día y la noche) en las proximidades del mar para una misma latitud terrestre. 10


La capacidad del agua de "encajar" los impactos de calor "sin casi inmutarse" incrementando poco su temperatura se representa mediante una magnitud llamada "calor específico" (Ce) : calor que necesita 1 g de sustancia para aumentar 1 grado su temperatura. En consecuencia, el calor específico del agua es 1 cal /g. grado. Caloría Se llama caloría " la cantidad de calor necesaria para que 1g de agua aumente 1º su temperatura" ( más exactamente para pasar de 14,5 º a 15,5º) Una vez demostrado que el calor es una forma de energía se halló su equivalencia con otras unidades que surgieron del estudio de la energía mecánica. Hoy se utiliza siempre el S.I. y usamos como unidad de trabajo y de energía el julio(1 caloría=4,18 Julios ). En el S.I. el Ce (agua)=4180 J/kg ºK. Capacidad calorífica Pero la cantidad de calor que puede acumular o perder una masa de agua depende, además de su calor específico, de la masa de la sustancia. El producto de la masa por el calor específico se llama "capacidad calorífica". Cuanta más capacidad calorífica tenga un cuerpo menos incremente su temperatura para un mismo aporte de calor. Es como la capacidad que tiene la sustancia para "encajar" el calor. El calor necesario para un mismo incremento de temperatura de una cierta sustancia depende de su masa: cuanta más masa, más calor se requiere. Uniendo todos los factores anteriores obtenemos la fórmula que nos da el calor cedido o absorbido por un cuerpo cuando varía su temperatura: Q=m cuerpo· Ce (cuerpo).( TF- TI) Para medirlo necesitamos conocer el comportamiento de la sustancia frente al calor, es decir su Ce, su masa y el indicativo de su nivel térmico (su temperatura) antes y después de recibir o perder calor. A veces la sustancia recibe energía (calor) y no incrementa su temperatura. Es lo que ocurre en los cambios de estado. Un caso concreto lo tenemos en la fusión del hielo. Si suministramos calor a una mezcla formada por hielo

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fundido y hielo sin fundir el calor se emplea en fundir más hielo y la temperatura del agua no se incrementa. La fórmula para hallar la cantidad de hielo que se funde con una determinada cantidad de calor es: Q = m· L fusión Donde L fusión es el calor latente de fusión expresado en J/kg , una cantidad característica de cada sustancia. Indica la energía que debemos aportar para separa la moléculas al pasar de sólido a líquido. Calor El calor es la energía que se transmite entre cuerpos que estñan a distinta temperatura, sin que se aprecien movimientos. Calentar uun cuerpo es entregarle una cantidad de calor, que se puede medir, por ejemplo, en calorías. Aunque como el calor es una trasferencia de energía podemos medirlo, por ejemplo, en joules (1 joule= 0,24 cal). Si dentro de un recipiente adiabático colocamos dos cuerpos a distinta temperatura, fluirá calor del cuerpo más caliente al más frío, hasta que ambos lleguen a una misma temperatura final de equilibrio. La cantidad de calor Q que cede uno de ellos la absorbe el otro. Si adoptamos la convención de que el calor ganado es positivo y el perdido negativo, vale que Qganado+Qperdido=0, lo cual no es otra cosa que uuna manera de expresar la conservación de la energía para el intercambio calórico. La cantidad de calor que hay que dar o quitar a un cuerpo para que cambie su temperatura depende de su masa y de la magnitud de ese cambio de temperatura. Dentro de ciertos límites, se puede considerar que esa cantidad de calor Q es proporcional a la masa m de sustancia y a la variación de temperatura. La constante de proporcionalidad típica para cada sustancia, se

conoce como calor específico (c) de la sustancia: Las unidades de c son por ejemplo, cal/gºC, kcal / gºC, joule / kgºC. Cada sustancia tiene su propio calor específico, que indica la cantidad de calor que debe ganar o perder una unidad de masa de ella para que eleve o disminuya en un grado su temperatura. 12


Capacidad calorífica La capacidad calórica C de un cuerpo mide qué cantidad de calor tiene que intercambiar ese cuerpo para que su temperatura varíe en 1ºC. Sus unidades son, por ejemplo, cal/ºC, y es fácil relacionarla con el calor específico y la

masa del cuerpo: La capacidad calórica, al contrario de lo que pasa con el calor específico, depende de la masa del cuerpo. Los calores latentes de cambio de estado Para que una sustancia pase de un estado a otro debe intercambiar calor; mientras no cambie íntegramente de estado su temperatura permanece constante; todo el calor que absorbe o cede lo utiliza para cambiar el estado y no para variar su temperatura. La cantidad de calor Q que necesita una sustancia para cambiar de estado es directamente proporcional a su masa m, la constante de proporcionalidad k recibe el nombre de calor latente de cambio de estado: Q=k.m El calor latente de cambio de estado expresa qué cantidad de calor debe intercambiar una unidad de masa de sustancia que se halla a la temperatura de cambio de estado, para que tenga lugar ese cambio. Transmisión de calor El calor se puede propagar por tres maneras diferentes: -Por conducción (por ejemplo de la plancha a la ropa) -Por convección (por ejemplo el agua debido al desplazamiento del líquido) -Por radiación (el Sol hacia los cuerpos que lo rodean y el espacio) Cuando el medio en el que se propaga permanece fijo, al proceso de transmisión del calor se lo llama conducción. Cuando el medio se mueve, convección. Cuando no hay un medio, la única forma de transmisión es la radiación. Cantidad de calor de un cuerpo o sustancia La cantidad de calor que posee una sustancia o una porción determinada de sustancia (cuerpo) está relacionada con: su temperatura, la cantidad de sustancia considerada (masa), y el calor específico de la misma (es un coeficiente propio de cada sustancia que mide su capacidad para perder o 13


ganar calor). En fórmula: Q=m.Ce.T(la cantidad de calor es igual a la masa por el calor específico por la temperatura) Tiene más cantidad de calor el cuerpo o la sustancia que posee más masa. Es decir, un cuerpo puede estar a mayor temperatura pero tener menor cantidad de calor que uno que tiene más masa. Cambios en la cantidad de calor Cuando variamos la temperatura de un cuerpo o sustancia, cambia su cantidad de calor. La variación de calor es igual a la masa por el calor específico por la variación de la temperatura: Q = m.Ce.T Ejemplo numérico: Un litro de agua se encuentra a una temperatura de 20º y la misma se calienta hasta alcanzar los 80º. Calcular qué cantidad de calor se suministró a la misma (calor específico 1 caloría/grºC) T = T final-T inicial = 60ºC Q =1000gr.(1 cal/grºC).60ºC =60.000cal O sea, para llevar un litro de agua de 20ºC a 80ºC hay que agregarle 60.000cal Energía calorífica: La suma de la energía potencial y de la energía sintética de un sistema no permanece siempre constante. De una manera general, la energía mecánica total de un sistema disminuye con el frotamiento y los choques. Si por ejemplo, se frena un cuerpo durante su caída por un plano inclinado, de forma que su velocidad permanezca constante, se producirá una disminución de su energía potencial sin que aumente su energía cinética. Pero, en todos los fenómenos de esta naturaleza se produce calor. Así el fósforo de las cerillas se inflama por frotamiento, las herramientas se calientan al labrar los metales, etc. Sí una bala de plomo se dispara contra una placa de acero, se puede alcanzar, en el momento del choque, una temperatura superior a su punto de fusión. El calor debe, por consiguiente, considerarse como una forma de energía, hipótesis que se ve corroborada por la posibilidad de producir trabajo mecánico consumiendo calor, por ejemplo, en las maquinas de calor. Otras formas de energía: eléctrica. La corriente eléctrica es uno de los numerosos fenómenos que pueden producir trabajo mecánico o calor. La primera transformación se realiza en los motores y la inversa de los generadores electromagnéticos de corriente (dínamos, alternadores). En 14


todos los conductores por los que pasan una corriente hay una producción de calor, conocida con el nombre de efecto de joule; la transformación contraria directa, es decir de calor en electricidad, se observa en las pilas termoeléctricas y basta calentar una de las dos soldaduras de dos metales diferentes que forman parte de un circuito para que se engendre en el mismo una corriente. De ellos se deduce que existe energía eléctrica y que el paso de una corriente es en realidad un transporte de energía a lo largo de un circuito. Un condensador cargado de corriente también energía eléctrica, puesto a descargarse es capaz de producir una corriente, pero esta energía es potencial. Química: Las reacciones químicas tienen lugar con absorción o desprendimiento de calor, según los casos. La combustión, que es la combinación del oxígeno del cuerpo combustible o con los elementos que lo integran, revela que una muestra de carbón y oxigeno contiene energía química potencial, que puede utilizarse al iniciar la combustión o la combinación de ambos cuerpos. La energía química se emplea a sí mismo en las pilas y acumuladores eléctricos, que la transforman en energía eléctrica, y el fenómeno inverso se produce en la electrólisis, en particular al cargar los acumuladores. Las explosiones son un ejemplo de transformación de energía química en trabajo mecánico. Radiante: La luz se produce de diversas formas, pero la más corriente de éstas consiste en calentar cuerpos a una temperatura bastante elevada (lámpara de gas, Lámpara eléctrica de incandescencia). La incandescencia es precisamente la transformación de energía calorífica en energía radiante. En los fenómenos de luminiscencia, o emisión de luz en frío, interviene otra forma de energía que es mecánica en el caso de la triboluminiscencia. La ruptura de ciertos cristales que se producen por ejemplo al machacar azúcar provoca la aparición de luz. En la electroluminiscencia, la energía eléctrica se transforma directamente en luz sin que pase por la forma calorífica intermedia. Así acorde en los tubos de gas rarificado como el neón y los vapores de sodio y mercurio. En la quimil luminiscencia, algunas reacciones químicas, como la oxidación lenta del fósforo blanco en contacto del aire, 15


provocan emisión de luz, sin calentamiento apreciable. La luz emitida por las luciérnagas se debe a un fenómeno análogo, puesto que produce de las reacciones químicas que se producen durante la digestión. La energía radiante puede convertirse en cualquiera de las otras cuatro formas de energías que se han considerado. Así, cuando una sustancia absorbe radiaciones, se calienta y este efecto calorífico es particularmente intenso en el caso de las radiaciones infrarrojas. Por otra parte, los haces luminosos dirigidos hacia los cuerpos ejercen en estos una fuerza de empuje que produce efectos mecánicos y recibe el nombre de presión de radiación, fenómenos que explica la repulsión de la cola de cometas por los rayos solares. La transformación de energía luminosa en energía eléctrica tiene lugar en la fotoelectricidad al captárselos electrones que emiten algunos metales cuando recibe la luz. Este fenómeno ha dado lugar a innumerables aplicaciones practicas, entre las cuales pueden mencionarse el cine sonoro y la televisión. Las modificaciones químicas sufridas por los cuerpos bajo la influencia de la luz son numerosas y constituyen el objeto de la ciencia denominada fotoquímica, que estudia la transformación de la energía luminosa en energía química. Las plantas realizan esta transformación gracias a la clorofila, que absorbe las radiaciones solares, y la energía así almacenada se emplea para sintetizar los alimentos hidrocarbonatos. Primera ley de la termodinámica Permítase que un sistema cambie de un estado inicial de equilibrio, a un estado final de equilibrio, en un camino determinado, siendo el calor absorbido por el sistema y el trabajo hecho por el sistema. Después calculamos el valor de. A continuación cambiamos el sistema desde el mismo estado hasta el estado final, pero en esta ocasión por u n camino diferente. Lo hacemos esto una y otra vez, usando diferentes caminos en cada caso. Encontramos que en todos los intentos es la misma. Del estudio de la mecánica recordará, que cuando un objeto se mueve de un punto inicial a otro final, en un campo gravitacional en ausencia de fricción, el trabajo hecho depende solo de las posiciones de los puntos y no, en absoluto, de la trayectoria por la que el cuerpo se mueve. De esto concluimos que hay una energía potencial, función de las coordenadas 16


espaciales del cuerpo, cuyo valor final menos su valor inicial, es igual al trabajo hecho al desplazar el cuerpo. Ahora, en la termodinámica, encontramos experimentalmente, que cuando en un sistema ha cambiado su estado al, la cantidad dependen solo de las coordenadas inicial y final y no, en absoluto, del camino tomado entre estos puntos extremos. Concluimos que hay una función de las coordenadas termodinámicas, cuyo valor final, menos su valor inicial es igual al cambio en el proceso. A esta función le llamamos función de la energía interna. Representemos la función de la energía interna por la letra. Entonces la energía interna del sistema en el estado,, es solo el cambio de energía interna del sistema, y esta cantidad tiene un valor determinado independientemente de la forma en que el sistema pasa del estado al estado f: Tenemos entonces que: Como sucede para la energía potencial, también para que la energía interna, lo que importa es su cambio. Si se escoge un valor arbitrario para la energía interna en un sistema patrón de referencia, su valor en cualquier otro estado puede recibir un valor determinado. Esta ecuación se conoce como la primera ley de la termodinámica, al aplicarla debemos recordar que se considera positiva cuando el calor entra al sistema y que será positivo cuando el trabajo lo hace el sistema. A la función interna, se puede ver como muy abstracta en este momento. En realidad, la termodinámica clásica no ofrece una explicación para ella, además que es una función de estado que cambia en una forma predecible. ( Por función del estado, queremos decir, que exactamente, que su valor depende solo del estado físico del material: su constitución, presión, temperatura y volumen.) La primera ley de la termodinámica, se convierte entonces en un enunciado de la ley de la conservación de la energía para los sistemas termodinámicos. La energía total de un sistema de partículas, cambia en una cantidad exactamente igual a la cantidad que se le agrega al sistema, menos la cantidad que se le quita. Podrá parecer extraño que consideremos que sea positiva cuando el calor entra al sistema y que sea positivo cuando la energía sale del sistema como trabajo. Se llegó a esta convención, porque fue el estudio de las máquinas 17


térmicas lo que provocó inicialmente el estudio de la termodinámica. Simplemente es una buena forma económica tratar de obtener el máximo trabajo con una maquina de este tipo, y minimizar el calor que debe proporcionársele a un costo importante. Estas naturalmente se convierten en cantidad de interés. Si nuestro sistema sólo sufre un cambio infinitesimal en su estado, se absorbe nada más una cantidad infinitesimal de calor y se hace solo una cantidad infinitesimal de trabajo, de tal manera que el cambio de energía interna también es infinitesimal. Aunque y no son diferencias verdaderas, podemos escribir la primera ley diferencial en la forma: Podemos expresar la primera ley en palabras diciendo: Todo sistema termodinámico en un estado de equilibrio, tiene una variable de estado llamada energía interna cuyo cambio en un proceso diferencial está dado por la ecuación antes escrita. La primera ley de la termodinámica se aplica a todo proceso de la naturaleza que parte de un estado de equilibrio y termina en otro. Decimos que si un sistema esta en estado de equilibrio cuando podemos describirlo por medio de un grupo apropiado de parámetros constantes del sistema como presión, el volumen, temperatura, campo magnético y otros la primera ley sigue verificándose si los estados por los que pasa el sistema de un estado inicial (equilibrio), a su estado final (equilibrio), no son ellos mismos estados de equilibrio. Por ejemplo podemos aplicar la ley de la termodinámica a la explosión de un cohete en un tambor de acero cerrado. Hay algunas preguntas importantes que no puede decir la primera ley. Por ejemplo, aunque nos dice que la energía se conserva en todos los procesos, no nos dice si un proceso en particular puede ocurrir realmente. Esta información nos la da una generalización enteramente diferente, llamada segunda ley de la termodinámica, y gran parte de los temas de la termodinámica dependen de la segunda ley. Segunda ley de la termodinámica. Las primeras máquinas térmicas construidas, fueron dispositivos muy eficientes. Solo una pequeña fracción del calor absorbido de la fuente de la alta temperatura se podía convertir en trabajo útil. Aun al progresar los diseños de la ingeniería, una fracción apreciable del calor absorbido se sigue 18


descargando en el escape de una máquina a baja temperatura, sin que pueda convertirse en energía mecánica. Sigue siendo una esperanza diseñar una maquina que pueda tomar calor de un depósito abundante, como el océano y convertirlo íntegramente en un trabajo útil. Entonces no seria necesario contar con una fuente de calor una temperatura más alta que el medio ambiente quemando combustibles. De la misma manera, podría esperarse, que se diseñara un refrigerador que simplemente transporte calor, desde un cuerpo frío a un cuerpo caliente, sin que tenga que gastarse trabajo exterior. Ninguna de estas aspiraciones ambiciosas violan la primera ley de la termodinámica. La máquina térmica sólo podría convertir energía calorífica completamente en energía mecánica, conservándose la energía total del proceso. En el refrigerador simplemente se transmitiría la energía calorífica de un cuerpo frío a un cuerpo caliente, sin que se perdiera la energía en el proceso. Nunca se ha logrado ninguna de estas aspiraciones y hay razones para que se crea que nunca se alcanzarán. La segunda ley de la termodinámica, que es una generalización de la experiencia, es una exposición cuyos artificios de aplicación no existen. Se tienen muchos enunciados de la segunda ley, cada uno de los cuales hace destacar un aspecto de ella, pero se puede demostrar que son equivalentes entre sí. Clausius la enuncio como sigue: No es posible para una máquina cíclica llevar continuamente calor de un cuerpo a otro que esté a temperatura más alta, sin que al mismo tiempo se produzca otro efecto (de compensación). Este enunciado desecha la posibilidad de nuestro ambicioso refrigerador, ya que éste implica que para transmitir calor continuamente de un objeto frío a un objeto caliente, es necesario proporcionar trabajo de un agente exterior. Por nuestra experiencia sabemos que cuando dos cuerpos se encuentran en contacto fluye calor del cuerpo caliente al cuerpo frío. En este caso, la segunda ley elimina la posibilidad de que la energía fluya del cuerpo frío al cuerpo caliente y así determina la dirección de la transmisión del calor. La dirección se puede invertir solamente por medio de gasto de un trabajo. Kelvin (con Planck) enuncio la segunda ley con palabras equivalentes a las siguientes: es completamente imposible realizar una transformación cuyo único resultado final sea el de cambiar en trabajo el calor extraído de una 19


fuente que se encuentre a la misma temperatura. Este enunciado elimina nuestras ambiciones de la máquina térmica, ya que implica que no podemos producir trabajo mecánico sacando calor de un solo depósito, sin devolver ninguna cantidad de calor a un depósito que esté a una temperatura más baja. Para demostrar que los dos enunciados son equivalentes, necesitamos demostrar que si cualquiera de los enunciados es falso, el otro también debe serlo. Supóngase que es falso el enunciado de Clausius, de tal manera que se pudieran tener un refrigerador que opere sin que se consuma el trabajo. Podemos usar una máquina ordinaria para extraer calor de un cuerpo caliente, con el objeto de hacer trabajo y devolver parte del calor a un cuerpo frío. Pero conectando nuestro refrigerador "perfecto" al sistema, este calor se regresaría al cuerpo caliente, sin gasto de trabajo, quedando así utilizable de nuevo para su uso en una máquina térmica. De aquí que la combinación de una maquina ordinaria y el refrigerador "perfecto" formará una máquina térmica que infringe el enunciado de Kelvin-Planck. O podemos invertir el argumento. Si el enunciado Kelvin-Planck fuera incorrecto, podríamos tener una máquina térmica que sencillamente tome calor de una fuente y lo convierta por completo en trabajo. Conectando esta máquina térmica "perfecta" a un refrigerador ordinario, podemos extraer calor de un cuerpo ordinario, podemos extraer calor de un cuerpo caliente, convertirlo completamente en trabajo, usar este trabajo para mover un refrigerador ordinario, extraer calor de un cuerpo frío, y entregarlo con el trabajo convertido en calor por el refrigerador, al cuerpo caliente. El resultado neto es una transmisión de calor desde un cuerpo frío, a un cuerpo caliente, sin gastar trabajo, lo infringe el enunciado de Clausius. La segunda ley nos dice que muchos procesos son irreversibles. Por ejemplo, el enunciado de Clausius específicamente elimina una inversión simple del proceso de transmisión de calor de un cuerpo caliente, a un cuerpo frío. Algunos procesos, no sólo no pueden regresarse por sí mismos, sino que tampoco ninguna combinación de procesos pueden anular el efecto de un proceso irreversible, sin provocar otro cambio correspondiente en otra parte. 20


Tercera ley de la termodinámica. En el análisis de muchas reacciones químicas es necesario fijar un estado de referencia para la entropía. Este siempre puede escogerse algún nivel arbitrario de referencia cuando solo se involucra un componente; para las tablas de vapor convencionales se ha escogido 320F. Sobre la base de las observaciones hechas por Nernst y por otros, Planck estableció la tercera ley de la termodinámica en 1912, así: la entropia de todos los sólidos cristalinos perfectos es cero a la temperatura de cero absoluto. Un cristal "perfecto" es aquel que esta en equilibrio termodinámica. En consecuencia, comúnmente se establece la tercera ley en forma más general, como: La entropía de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinámico tiende a cero a medida que la temperatura tiende a cero. La importancia de la tercera ley es evidente. Suministra una base para él calculo de las entropías absolutas de las sustancias, las cuales pueden utilizarse en las ecuaciones apropiadas para determinar la dirección de las reacciones químicas. Una interpretación estadística de la tercera ley es más bien sencilla, puesto que la entropía se ha definido como: En donde k es la constante de Bolzmall es la probabilidad termodinámica. En vista de la anterior disertación, la tercera ley equivale a establecer que: cuando 0. Esto significa que sólo existe una forma de ocurrencia del estado de energía mínima para una sustancia que obedezca la tercera ley. Hay varios casos referidos en la literatura en donde los cálculos basados en la tercera ley no están desacuerdo con los experimentos. Sin embargo, en todos los casos es posible explicar el desacuerdo sobre la base de que la sustancia no es "pura", esto es, pueda haber dos o más isótopos o presentarse moléculas diferentes o, también, una distribución de no equilibrio de las moléculas. En tales casos hay más de un estado cuántico en el cero absoluto y la entropía no tiende a cero. Intercambio de Q entre cuerpos o sustancias

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Cuando colocamos dos cuerpos o sustancias a distinta temperatura en contacto se produce entre ellos un intercambio de calor del cuerpo de mayor nivel térmico al de menor nivel térmico. Este fluido de calor continúa hasta que alcanzan ambos cuerpos una misma temperatura (temperatura final) llamada temperatura del equilibrio térmico. Para que se cumpla la transmisión de calor de un cuerpo o sustancia a otro deben cumplirse las siguientes condiciones: 1) Que las temperaturas iniciales sean distintas (ojo! recordemos que la temperatura no es lo mismo que hablar de cantidad de calor) 2)Que estén en contacto o, si no lo están, que haya un tercer elemento que transmite calor (conductor de calor) 3)Ambos cuerpos o sustancias deben estar aislados. Es decir, para que sólo haya intercambio entre A y B, deben estar sólo ellos. El elemento aislante térmico permite el intercambio de calor sin influencias de factores externos. Importante: la sustancia o elemento de menor temperatura captará calor hasta producirse el equilibrio térmico, cumpliéndose que Q absorbido= -Q perdido EQUILIBRIO TÉRMICO Si en el universo se alcanzara el equilibrio y existiera en todos los lugares la misma temperatura eso supondría la muerte, la quietud, la falta de cambio.

Todos los cuerpos tienen una energía llamada energía interna. La cantidad de energía interna de un cuerpo es muy difícil de establecer ya que las partículas que forman un cuerpo tienen energías muy variadas. Tienen energías de tipo eléctrico, de rotación, de traslación y vibración debido a los movimientos que poseen, energías de enlace (que pueden dar posibles reacciones químicas) e incluso energía al desaparecer la materia y transformarse en energía E=mc2 .... Lo más fácil de medir es la variación de energía en un proceso de transformación concreto y si el proceso es sólo físico mucho mejor. (Ejemplos: calentamiento, cambios de estado...). 22


Al poner en contacto dos cuerpos a distinta temperatura, el de mayor temperatura cede parte de su energía al de menos temperatura hasta que sus temperaturas se igualan. Se alcanza así lo que llamamos "equilibrio térmico". La energía calorífica (calor) no pasa del cuerpo que tiene más energía al que tiene menos sino del que tiene mayor temperatura al que la tiene menor. Con el siguiente ejemplo aclaramos la anterior afirmación: Los mares (los océanos están intercomunicados) pueden ceder mucha más energía calorífica que mi cuerpo. El mar es capaz de fundir un iceberg y sus aguas apenas se enfrían unos grados. Yo, con el calor que puedo desprender en todos los días de mi vida (parte de las 2.100.000 calorías que consumo al día) fundiría muy pocas toneladas de iceberg. Puede ceder mucho más calor el mar que mi cuerpo. Pero si me sumerjo en el agua de mar el calor pasa de mi cuerpo al mar. El calor fluye desde los cuerpos que están a más temperatura a los que están a temperatura menor.

Vamos a comprobarlo Calentamos en un tubo de ensayo 25 ml H2O (agua) hasta una temperatura alta. Lo introducimos centrado en un vaso de precipitados mas grande que contiene 100 ml de agua. Medimos las temperaturas de los dos a intervalos de un minuto. Agitamos el tubo de ensayo para homogeneizar la temperatura dentro y fuera y mantenemos la sonda externa alejada del tubo de ensayo. Registramos los datos, los anotamos en una tabla y registramos gráficamente las temperaturas de cada uno frente al tiempo. En nuestro caso el registro lo hizo el aparato electrónico y la gráfica nos la dio el mismo aparato, pero disponiendo de dos termómetros podemos anotar los datos y luego hacer la gráfica. 23


Los recursos electrónicos nos permiten hacer más rápidas y más bonitas las gráficas, pero los conceptos que se descubren se pueden obtener igualmente aunque no dispongamos de tantos recursos. ¿Puedes saber la temperatura inicial del foco caliente viendo la gráfica? ¿Y del foco frío?. ¿Cuál fue la temperatura final? ¿Cuánto tardaron en igualarse las temperaturas? En el punto en que se igualan las T el foco frío queda momentáneamente a una temperatura inferior debido a un error de lectura experimental. Una agitación continuada de los dos líquidos en contacto las igualará. Si dejamos el sistema abandonado las temperaturas del agua del tubo y del vaso continuarán iguales y empezarán a descender al mismo tiempo, porque los alrededores están a menor temperatura. Las pendientes de las curvas obtenidas en los registros de las temperaturas hacia el equilibrio dependen de las masa y de los calores específicos de las sustancias puestas en contacto. Si la curva de enfriamiento y la de calentamiento tienen la misma pendiente (una creciente y la otra decreciente) ¿qué puedes deducir? ¿Estará relacionado con que la masa del líquido caliente es igual a la del frío y se trata de la mismas sustancia?

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Termodinamicala, temperatura y calor