1.- Calor y Energia Interna

 Calor y Energía Interna

Calor

En física, el término “calor” siempre se refiere a transferencia de energía de un cuerpo o sistema a otro, a causa de una diferencia de temperatura, nunca a la cantidad de energía contenida en un sistema dado Si metemos una cuchara fría en una taza con café caliente, la cuchara se calienta y el café se enfría para establecer el equilibrio térmico. a interacci!n que causa estos cambios de temperatura es b"sicamente una transferencia de energía de una sustancia a otra. a transferencia de energía que se da e#clusi$amente por una diferencia de temperatura se denomina %u&o de calor o transferencia de calor, en tanto que la energía así transferida se llama calor. 'urante los siglos ()*** y (*(, se fue entendiendo poco a poco la relaci!n entre el calor y las otras formas de energía. Sir +ames +oule --/-01 estudi! c!mo puede calentarse el agua por agitamiento $igoroso con una rueda de paletas, la cual agrega energía al agua realizando un traba&o sobre ella, +oule obser$! que el aumento de temperatura es directamente proporcional a la cantidad de traba&o realizado. 2uando 2uan do inte intera racc ccio iona nann dos dos cuer cuerpo poss o sist sistem emas as que que se encu encuen entr tran an a dist distin inta tass temperaturas, como en los e&emplos gr"ficos, la transferencia de energía que se produce se denomina 2alor.

En uno de los e&emplos anteriores, el agua o el refresco a mayor temperatura1 ceden energía al hielo a menor temperatura1. a consecuencia es que el agua o el refresco  ba&an su temperatura. temperatura. En el lengua&e lengua&e cotidiano decimos decimos que el agua 3se enfría3. 'e manera in$ersa, el Sol, en el otro e&emplo, a mayor temperatura1 transfiere energía al agua del mar a menor temperatura1 y el agua aumenta su temperatura o, como se suele decir, 3se calienta3.

El calor es la energía que se transfiere entre dos cuerpos cuando tienen diferente temperatura El calor es energía en tr"nsito, es decir, energía que siempre fluye de una zona de mayor  temperatura a otra de menor temperatura, con lo que ele$a la temperatura de la segunda y reduce la de la primera. El 2alor y el traba&o no son otra forma de energía, sino energía en tr"nsito, la cantidad de energía que se transfiere de un cuerpo a otro -. El calor siempre es transferencia de energía a causa de una diferencia de temperatura.  4o e#iste “la cantidad de calor de un cuerpo” Temperatura

 La temperatura depende del estado físico de un material y es una descripción cuantitativa de su calidez o frialdad 

Si en un cuerpo aumenta la agitaci!n térmica de sus moléculas, entonces aumenta la energía cinética promedio de éstas y por lo tanto aumenta la energía interna de este cuerpo. “a temperatura es una magnitud que nos da una medida de la agitaci!n o mo$imiento medio de la energía cinética media1 de las moléculas de un material”.

Si agitaci!n 5 m"s mo$imiento1

 Energía interna 5

⇒

⇒

 6emperatura5

 Escalas de temperatura

7ctualmente se utilizan habitualmente tres escalas o sistemas1 de temperatura diferentes8 a escala 2elsius, la escala 9el$in S*1 y la :ahrenheit. ;ara elaborar una escala de temperaturas se eligen dos situaciones con una temperatura característica y definida, y que adem"s sea f"cilmente reproducible. En el caso de las escalas 2elsius y 9el$in, estos puntos fueron8

1

Calor y trabajo también son mecanismos de intercambio de energía entre cuerpos. El nombre se utiliza tanto para hacer referencia a la cantidad de energía transferida como para indicar el tipo de mecanismo de intercambio de energía (Podríamos decir ue un sistema ha cedido !julios de energía en forma de calor o simplemente ue ha cedido una cantidad de calor de ! julios".  #E$%#& 'E$)#*+& +,-)& /%EE0$) 23 /ísica -ni4ersitaria3& 5ol. 6 y 66& Pearson& 1777& p8gina 9:;

< El punto de congelaci!n del agua destilada pura1 a - atm!sfera de presi!n presi!n normal1. 7 la temperatura de este punto especial se le asign! el $alor =>2 ?@>: en el caso de la escala :ahrenheit @1 < El punto de ebullici!n o $aporaci!n1 del agua pura a - atm!sfera de presi!n. 7 la temperatura de este punto se le asign! el $alor -==>2. @-@>: en el caso de la escala :arenheit1

'espués el inter$alo de temperaturas entre esos dos punto se di$idi! en -== partes -=  partes en el caso de la escala :ahrenheit1

Escala

Puntos de referencia Punto Punto congelación ebullición

Divisiones

Uso

2elsius

=>

-==>

Europa

9el$in

@A?,-B>

?A?,-B

2ientíficos S*1

?@>

@-@>

7nglosa&ones EECC, Deino Cnido, etc.1

:ahrenheit

!En el caso de la escala /ahrenheit& para definir los puntos :?Cl" en lugar del agua

;ara pasar de un sistema a otro8 'e 2elsius a 9el$in8 691  621 F @A?,-B>

'e :ahrenheit a 2elsius8

2loruro am!nico en agua1

El cero absoluto = >9  /@A?,-B >21 es la temperatura a la cual cesa toda agitaci!n térmica y es, por tanto, la mínima temperatura que puede alcanzar un cuerpo, la mínima temperatura que puede e#istir. Ejemplo:

El principio b"sico es sencillo8 si %uye calor entre dos cuerpos aislados de su entorno, el calor perdido por un cuerpo debe ser igual al ganado por el otro. El calor es transferencia de energía, así que este principio es realmente la conser$aci!n de la energía. a calorimetría, que s!lo se ocupa de una cantidad conser$ada, es en $arios sentidos Gla m"s sencilla de todas las teorías físicasH Energía Interna (-  Definición de Energía! Principio de conservación de la energía!

a energía es una magnitud de difícil definici!n, pero de gran utilidad. Cna definici!n general podría ser8 “a energía es una propiedad de cualquier cuerpo o sistema por la cual éste puede transformarse, modificando su estado o posici!n, así como actuar sobre otros originando en ellos procesos de transformaci!n.” 'e forma general podríamos decir8 < Es necesario transferir dar o quitar1 algIn tipo de energía a un sistema para que se  produzcan cambios en el mismo. < 6odo sistema que tenga capacidad para producir cambios, tiene energía de alguna clase. < a energía se puede presentar en distintas formas o tipos, dependiendo de ellos se le llama de una forma u otra. Jelmholtz en -KA enuncia lo que se considera una de las leyes fundamentales de la :ísica8 el ;rincipio de 2onser$aci!n de la Energía ;2E1 “a energía no se puede crear sacar de la nada1 ni destruir eliminar, hacerla desaparecer1. Lnicamente se puede transformar de una forma a otra”.

Jermann $on Jelmholtz. ;ostdam. 7lemania -@- M -0K1

Si queremos disponer de determinada cantidad de una forma de energía s!lo lo  podremos conseguir transformando una cantidad equi$alente de otra forma de energía. En resumen a energía presenta ? propiedades b"sicas8 < a energía total de un sistema aislado se conser$a. < ;or tanto en el Cni$erso no puede e#istir creaci!n o desaparici!n de energía. a energía total en el uni$erso es constante ;2E1. < a energía puede transmitirse transferirse1 de unos cuerpos o sistemas materiales1 a otros. < a energía puede transformarse de unas formas a otras. Energía Interna (- 

a magnitud que designa la energía almacenada por un sistema de partículas se denomina energía interna U 1. a energía interna es el resultado de la contribuci!n de la energía cinética de las moléculas o "tomos que lo constituyen, de sus energías de rotaci!n, traslaci!n y $ibraci!n, adem"s de la energía potencial intermolecular debida a las fuerzas de tipo gra$itatorio, electromagnético y nuclear. a energía interna es una funci!n de estado8 su $ariaci!n entre dos estados es independiente de la transformaci!n que los conecte, s!lo depende del estado inicial y del estado final .

2omo consecuencia de ello, la $ariaci!n de energía interna en un ciclo es siempre nula, ya que el estado inicial y el final coinciden8

as fuerzas no conser$ati$as no pueden representarse en términos de energía potencialN no obstante, podemos describir sus efectos en términos de energías distintas de a cinética y la potencial. 2uando un autom!$il con frenos bloqueados se derrapa hasta detenerse, se calientan los neum"ticos y el camino. a energía asociada a este cambio en el estado de los materiales se denomina energía interna. 2uando se ele$a la temperatura de un cuerpo, aumenta su energía internaN si se reduce su temperatura, disminuye su energía interna. ;ara captar el significado de la energía interna, consideremos un bloque que se desliza por una superficie "spera. 2uando se desliza, la fricci!n realiza traba&o negati$o Sobre el bloque, y el cambio de energía interna del bloque y la superficie es positi$a ambos se calientan1. E#perimentos cuidadosos demuestran que el aumento en la energía interna es e#actamente igual al $alor absoluto del traba&o efectuado por la fricci!n.

El cambio de energía interna de un sistema durante un proceso termodin"mico depende s!lo de los estados iniciales y finales, no de la trayectoria que lle$a de uno al otro.

E&emplo8  La energía interna de una taza de café depende únicamente de su estado termodinámico: cuánta agua y café molido contiene, y a qué temperatura está.  o depende de cómo se preparó el café !es decir, la trayectoria termodinámica que llevó a su estado actual".

E"uilibrio t#rmico:

2omo ya hemos comentado, cuando dos cuerpos a diferente temperatura se ponen en contacto de forma que puedan intercambiar calor se dice que est"n en contacto térmico1, la energía térmica empieza a fluir en forma de calor desde el cuerpo de mayor  temperatura al de menor. Esto ocurrir" hasta que se igualen sus temperaturas, a esta situaci!n se le llama equilibrio térmico. ;rincipio = de la termodin"mica8 “Si dos cuerpos 7 y O est"n en equilibrio térmico con un tercer cuerpo 2, ambos cuerpos 7 y O1 est"n en equilibrio entre sí”. 6odo esto parecería un tanto abstracto si nos contentamos con pensar que la energía interna es energía mec"nica microsc!pica. 4o hay nada incorrecto en esa perspecti$a, y la usaremos $arias $eces en nuestra e#plicaci!n m"s adelante. Sin embargo, si queremos definiciones operati$as precisas, la energía interna, como el calor, puede y debe definirse de forma independiente de la estructura microsc!pica detallada del material estudiado. 2oncluimos que el traba&o realizado por el sistema depende no s!lo de los estados inicial y final, sino también de los estados intermedios, es decir, de la trayectoria. 7dem"s, podemos lle$ar al sistema por una serie de estados que formen un ciclo $Pero entonces "u# es energía interna%

;odemos $erla de $arios modosN comencemos con uno basado en las ideas de la mec"nica. a materia consiste en "tomos y moléculas, y éstas se componen de  partículas que tienen energías cinética y potencial.  #e$nimos tentativamente  la energía interna de un sistema como la suma de las energías cinéticas de todas sus partículas constituyentes, m"s la suma de todas las energías potenciales de interacci!n entre ellas.

2C*'7'P QEs internaR Pbser$e que la energía interna no incluye la energía potencial debida a la interacci!n entre el sistema y su entorno. Si el sistema es un $aso con agua, colocarlo en una repisa alta aumenta su energía potencial gra$itacional debida a la interacci!n entre

el $aso y la 6ierraN sin embargo, esto no afecta las interacciones de las moléculas del agua entre sí, por lo que la energía interna del agua no cambia. Csamos el símbolo C para la energía interna. Csamos el mismo símbolo para energía  potencial en mec"nica. 6enga presente que C tiene un significado distinto en termodin"mica.1 'urante un cambio de estado del sistema, la energía interna podría cambiar de un $alor inicial C - a uno final C@  'enotamos el cambio en energía interna con8

Sabemos que la transferencia de calor es transferencia de energía. Si agregamos cierta cantidad de calor  a un sistema y éste no realiza traba&o en el proceso, la energía interna aumenta en una cantidad igual a N es decir,

Si el sistema efectIa un traba&o T e#pandiéndose contra su entorno y no se agrega calor  durante ese proceso, sale energía del sistema y disminuye la energía interna. Es decir, si T es positi$o, es negati$o, y $ice$ersa8 Si hay tanto transferencia de calor como traba&o, el cambio total de energía interna es8

Energía interna de un gas ideal

 %n algunos casos especiales, la energía interna de un sistema depende únicamente de  su temperatura, no de su presión ni de su volumen. %l sistema más conocido que posee esta propiedad especial es el gas ideal. %n tales sistemas, si la temperatura es constante, la energía interna tam&ién lo es.  %n casi todos los demás sistemas, la energía interna depende de la presión y de la temperatura, así que U podría variar incluso si ' es constante. para un gas ideal, la energía interna U depende sólo de la temperatura, no de la presión ni del volumen  Este hecho se conoce como la ley de @oule .

;ara el caso de un gas ideal puede demostrarse que la energía interna depende e#clusi$amente de la temperatura, ya en un gas ideal se desprecia toda interacci!n entre las moléculas o "tomos que lo constituyen, por lo que la energía interna es s!lo energía cinética, que depende s!lo de la temperatura. Este hecho se conoce como la ley de +oule. a $ariaci!n de energía interna de un gas ideal monoat!mico o diat!mico1 entre dos estados 7 y O se calcula mediante la e#presi!n8

'onde n es el nImero de moles y 2$ la capacidad calorífica molar a $olumen constante. as temperaturas deben ir e#presadas en 9el$in. ;ara demostrar esta e#presi!n imaginemos dos isotermas caracterizadas por sus temperaturas 67 y 6O como se muestra en la figura.

Cn gas ideal sufrir" la misma $ariaci!n de energía interna UC7O1 siempre que su temperatura inicial sea 67 y su temperatura final 6O, segIn la ey de +oule, sea cual sea el tipo de proceso realizado. Eli&amos una transformaci!n is!cora dibu&ada en $erde1 para lle$ar el gas de la isoterma 67 a otro estado de temperatura 6O. El traba&o realizado por el gas es nulo, ya que no hay $ariaci!n de $olumen. uego aplicando el ;rimer ;rincipio de la 6ermodin"mica8

El calor  intercambiado en un proceso $iene dado por8

Siendo 2 la capacidad calorífica. En este proceso, por realizarse a $olumen constante, se usar" el $alor 2$ capacidad calorífica a $olumen constante1. Entonces, se obtiene finalmente8

Esta e#presi!n permite calcular la $ariaci!n de energía interna sufrida por un gas ideal, conocidas las temperaturas inicial y final y es $"lida independientemente de la transformaci!n sufrida por el gas.