P40 2 Termodinamica PDF

 

Física Termodinámica: Cantidades de calor. La ecuación calorimétrica. Unidades de calor. Calor específico y capacidad calorífica. Medida del calor. EL CALOR Cantidades de calor  Aun cuando no sea posible determinar el contenido total de energía calorífica de un cuerpo, puede medirse la cantidad que se toma o se cede al ponerlo en contacto con otro a diferente temperatura. Esta cantidad de energía en tránsito de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura es precisamente lo que se entiende en física por calor. La ecuación calorimét calorimétrica rica La experiencia pone de manifiesto que la cantidad de calor tomada (o cedida) por un cuerpo es directamente proporcional a su masa y al aumento (o disminución) de temperatura que experimenta. La expresión matemática de esta relación es la ecuación calorimétrica. Q = ce.m.(Tf   - Ti)(8.6) Donde Q representa el calor cedido o absorbido, la masa del cuerpo y T f   yy Ti las temperaturas final e inicial respectivamente. Q será positivo si la temperatura final es mayor que la inicial (Tf > Ti) y negativo en el caso contrario (T f < Ti). La letra c representa la constante de proporcionalidad correspondiente y su valor es característico del tipo de sustancia que constituye el cuerpo en cuestión. Dicha constante se denomina calor específico . Su significado puede deducirse de la ecuación (8.6). Si se despeja c,de ella resulta: ce = Q/ m.(Tf  - Ti) El calor específico de una sustancia equivale, por tanto, a una cantidad de calor por unidad de masa y de temperatura; o en otros términos, es el calor que debe suministrarse a la unidad de masa de una sustancia dada para elevar su temperatura un grado. Unidades de calor La ecuación calorimétrica (8.6) sirve para determinar cantidades de calor si se conoce la masa del cuerpo, su calor específico y la diferencia de temperatura, pero además permite definir la caloría   como unidad de calor. Si por convenio se toma el agua líquida como sustancia de referencia asignando a su calor específico un valor unidad, la caloría resulta de hacer uno el resto de las variables que intervienen en dicha ecuación.

 

Una caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado centígrado (1 °C) la temperatura de un gramo de agua. Esta definición, que tiene su origen en la época en la que la teoría del calórico estaba en plena vigencia, se puede hacer más precisa si se considera el hecho de que el calor específico del agua varía con la temperatura. En tal caso la elevación de un grado centígrado a la que hace referencia la anterior definición ha de producirse entre 14,5 y 15,5 °C a la presión atmosférica. Una vez identificado el calor como una forma de energía y no como un fluido singular, la distinción entre unidades de calor y unidades de energía perdió significado. Así, la unidad de calor en el SI coincide con la de energía y es el joule (J), habiendo quedado la caloría reducida a una unidad práctica que se ha mantenido por razones históricas,pero que va siendo progresivamente desplazada por el joule. Calor específico y capacidad c apacidad calorífica La ecuación calorimétrica puede escribirse también en la forma: Q = C.(Tf   - Ti)(8.7) Expresando así que en un cuerpo dado la cantidad de calor cedido o absorbido es directamente proporcional a la variación de temperatura. La nueva constante de proporcionalidad C recibe el nombre de capacidad calorífica   C = Q/(T Tf   - Ti) y representa la cantidad de calor que cede o toma el cuerpo al variar su temperatura en un grado. A diferencia del calor específico, la capacidad calorífica es una característica de cada cuerpo y se expresa en el SI en J/K. Su relación con el calor específico resulta de comparar las ecuaciones (8.6) y (8.7) ( 8.7) en las que ambas magnitudes están presentes: C = m.ce(8.8) De laacuerdo con de estala relación, capacidad calorífica de un cuerpo depende de su masa y de naturaleza sustancialaque lo compone. Ejemplo de la determinación del calor específico: El específico:  El calor específico de un cuerpo puede determinarse mediante el calorímetro. Dado que éste es un atributo físico característico de cada sustancia, la comparación del valor obtenido con los de una tabla estándar de calores específicos puede ayudar a la identificación de la sustancia que compone el cuerpo en cuestión. Se pretende identificar el metal del que está formada una medalla. Para ello se determina su masa mediante una balanza que arroja el valor de 25 g. A continuación se calienta al « baño María »,hasta alcanzar una temperatura de 85 °C y se introduce en el interior de un calorímetro que contiene 50 g de agua a 16,5 °C de temperatura. Al cabo de un cierto tiempo y tras utilizar varias veces el agitador, la columna del termómetro del calorímetro

 

deja de subir señalando una temperatura de equilibrio de 19,5 °C. ¿De qué metal puede tratarse? Si se aplica la ecuación de conservación de la energía expresada en la forma, calor tomado = - calor cedido , resulta: Q1 = - Q2  m1.ce1.(T - T1) = - m2.ce2.(T - T2) considerando en este caso el subíndice 1 referido al agua y el 2 referido a la moneda. Sustituyendo valores en llaa ecuación anterior, se tiene: 50 g.1 (cal/g.°C).(19,5 °C - 16,5 °C) = - 25 g. c ee2 2 .(19,5 °C - 85 °C) Operando y despejando c ee2 2  resulta: 150 (cal/g.°C) = 1 637,5. c e2  e2   c ee2   = 0,09 cal/g.°C 2  =

Si se compara el resultado con una tabla de calores específicos de metales, se concluye que puede tratarse de cobre. Otras propiedades físicas como el color, por ejemplo, confirmarán el resultado. Medida del calor De acuerdo con el principio de conservación de la energía, suponiendo que no existen pérdidas, cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto, el calor tomado por uno de ellos ha de ser igual en cantidad al calor cedido por el otro. Para todo proceso de transferencia calorífica que se realice entre dos cuerpos puede escribirse entonces la ecuación: Q1 = - Q2  en donde el signo - indica que en un cuerpo el calor se cede, mientras que en el otro se toma. Recurriendo a la ecuación calorimétrica, la igualdad anterior puede escribirse en la forma: m1.ce1.(Te - T1) = - m2.ce2.(Te- T2)(8.9) donde el subíndice 1 hace referencia al cuerpo frío y el subíndice 2 al caliente. La temperatura T e en el equilibrio será superior a T 11    e inferior a T 22  . La anterior ecuación indica que si se conocen los valores del calor específico, midiendo temperaturas y masas, es posible determinar cantidades de calor. El aparato que se utiliza para ello se denomina calorímetro . Un calorímetro ordinario consta de un recipiente de vidrio aislado térmicamente del exterior por un material apropiado. Una tapa cierra el conjunto y dos

 

pequeños orificios realizados sobre ella dan paso al termómetro y al agitador, los cuales se sumergen en un líquido llamado calorimétrico, que es generalmente agua. Cuando un cuerpo a diferente temperatura que la del agua se sumerge en ella y se cierra el calorímetro, se produce una cesión de calor entre ambos hasta que se alcanza el equilibrio térmico. El termómetro permite leer las temperaturas inicial y final del agua y con un ligero movimiento del agitador se consigue una temperatura uniforme. Conociendo el calor específico y la masa del agua utilizada, mediante la ecuación calorimétrica se puede determinar la cantidad de calor cedida o absorbida por el agua. En este tipo de medidas han de tomarse las debidas precauciones para que el intercambio de calor en el calorímetro se realice en condiciones de suficiente aislamiento térmico. Si las pérdidas son considerables no será posible aplicar la ecuación de conservación Q 11   = Q 2  2  y si ésta se utiliza los resultados estarán afectados de un importante error. La ecuación (8.9) puede aplicarse únicamente a aquellos casos en los cuales el calentamiento o el enfriamiento del cuerpo problema no lleva consigo cambios de estado físico (de sólido a líquido o viceversa, por ejemplo). A partir de ella y con la ayuda del calorímetro es posible determinar también el calor específico del cuerpo si se conocen las temperaturas T 1 1 ,  T 22   y T ee  , las masas m 11 y  m 22   y el calor específico del agua. CALOR Y TRABAJO Relación entre calor y trabajo Si calor y trabajo son ambos formas de energía en tránsito de unos cuerpos o sistemas a otros, deben estar relacionadas entre sí. La comprobación de este tipo de relación fue uno de los objetivos experimentales perseguidos con insistencia por el físico inglés James Prescott Joule (1818-1889). Aun cuando efectuó diferentes experimentos en busca de dicha relación, el más conocido consistió en determinar el calor producido dentro de un calorímetro a consecuencia del rozamiento con el agua del calorímetro de un sistema de paletas giratorias y compararlo posteriormente con el trabajo necesario para moverlas. La energía mecánica puesta en juego era controlada en el experimento de Joule haciendo caer unas pesas cuya energía potencial inicial podía calcularse fácilmente de modo que el trabajo W, como variación de la energía mecánica, vendría dado por: W = Δ Ep = m.g.h

siendo m la masa de las pesas, h la altura desde la que caen y g la aceleración de la gravedad. Por su parte, el calor liberado por la agitación del agua que producían las aspas en movimiento daba lugar a un aumento de la temperatura del calorímetro y la aplicación de la ecuación calorimétrica:

 

Q = m c (T f - Ti) permitía determinar el valor de Q y compararlo con el de W. Tras una serie de experiencias en las que mejoró progresivamente sus resultados, llegó a encontrar que el trabajo realizado sobre el sistema y el calor liberado en el calorímetro guardaban siempre una relación constante y aproximadamente igual a 4,2. Es decir, por cada 4,2 joules de trabajo realizado se le comunic comunicaba aba al calorímetro una cantidad de calor igual a una caloría. Ese valor denominado equivalente mecánico del calor  se   se conoce hoy con más precisión y es considerado como 4,184 joules/calorías. La relación numérica numérica entre calor Q y trabajo W puede, entonces, escribirse en la forma: W (joules) = 4,18.Q (calorías) La consolidación de la noción de calor como una forma más de energía, hizo del equivalente mecánico un simple factor de conversión entre unidades diferentes de una misma magnitud física, la energía; algo parecido al número que permite convertir una longitud expresada en pulgadas en la misma longitud expresada en centímetros. Máquinas térmicas Junto a la conversión de trabajo en calor puesta de manifiesto en las experiencias de Joule, la transformación efectuada en sentido inverso es físicamente realizable. Los motores de explosión que mueven, en general, los vehículos automóviles y la máquina de vapor de las antiguas locomotoras de carbón, son dispositivos capaces de llevar a cabo la transformación del calor en trabajo mecánico. Este tipo de dispositivos reciben el nombre genérico de máquinas térmicas . En todas las máquinas térmicas el sistema absorbe calor de un foco caliente; parte de él lo transforma en trabajo y el resto lo cede al medio exterior que se encuentra a menor temperatura. Este hecho constituye una regla general de toda máquina térmica y da lugar a la definición de un parámetro característico de cada máquina que se rendimiento  denomina para  y   y se Expresado define como cociente entre el trabajo efectuado y el calor empleado conseguirlo. eneltantos por ciento toma la forma: fo rma:

η (%) = W.100/Q 

Ninguna máquina térmica alcanza un rendimiento del cien por cien. Esta limitación no es de tipo técnico, de modo que no podrá ser eliminada cuando el desarrollo tecnológico alcance un nivel superior al actual; se trata, sin embargo, de una ley general de la naturaleza que imposibilita la transformación íntegra de calor en trabajo. Por P or tal motivo las transformaciones energéticas que terminan en calor suponen una degradación de la energía , toda vez que la total reconversión del calor en trabajo útil no está permitida por las leyes naturales.

 

Ejemplo de la relación calor-trabajo: En una experiencia como la de Joule se ha utilizado un peso de 10 kg que se ha elevado a una altura de 2 m. Si el calorímetro completo incluyendo incluyen do las aspas equivale a una masa de agua de 1,5 kg y la temperatura inicial es de 15 °C, determínese la temperatura final que alcanzará el agua, admitiendo que todo el trabajo mecánico se convierte en calor dentro del calorímetro. (Considérese el calor específico del agua c = 4,18.10³ J/kg.K). De acuerdo con el principio de conservación de la energía, el trabajo mecánico se convierte íntegramente en calor: W=Q Siendo en este caso W = m g h y Q = m´ ce.(Tf   - Ti). Igualando ambas expresiones y despejando Tf  se  se tiene: m g h = m´ c e.(Tf   - Ti) Tf  =  = (m.g.h + m´.ce.Ti)/m´.c  y sustituyendo resulta finalmente: f  (K) = [10 g.9,8 m/s².2 m + 1,5 g.4,18.10³ (cal/g.°C).(15 K + 273 K)]/1,5 g.4,18.10³ T(cal/g.°C)

Tf  (K)  (K) = Es decir: tf  (°C)  (°C) = 288 - 273 = 15 °C

EL CALOR El calor es una manifestación de la energía provocada por el movimiento molecular. Al calentarse un cuerpo, aumenta la energía cinética de las moléculas, produciéndose choques más o menos violentos, según la cantidad de calor entregada. El calor es susceptible de medir; lo que se efectúa teniendo en cuenta dos magnitudes fundamentales: intensidad de calor y cantidad de calor calor.. 11-   la intensidad de calor está relacionada con la velocidad del movimiento molecular estableciéndosee para medirla una práctica que da una idea del grado o nivel  del estableciéndos  del calor que tiene un cuerpo determinado. Arbitrariamente se fijan parámetros comparativos que permiten determinar dicho nivel de calor, al que se denomina temperatura . Se dice que un cuerpo con gran velocidad molecular tiene más temperatura o más nivel de calor que otro.

 

22- la  la cantidad de calor de un cuerpo representa la suma de las energías térmicas de todas las moléculas que lo componen. Es decir que mientras la intensidad de calor o temperatura indica el grado de movimiento molecular o el nivel de calor de un cuerpo, esta magnitud señala su contenido total de calor. calor. Se demuestra que la cantidad de calor de un cuerpo es función de la masa del cuerpo y de su temperatura, temperatura, o lo que es lo mismo, del número de moléculas que lo componen y de su nivel de intensidad térmica o velocidad molecular. Para determinar la cantidad de calor se ha establecido un valor característico, que depende de las particularidades de cada cuerpo, que se denomina calor específico . Se define como calor específico a la cantidad de calor necesario para elevar en 1 °C la temperatura de la unidad de masa de una sustancia sustancia.. El calor específico,si bien depende de la temperatura en forma muy leve, puede suponerse constante para cada sustancia en particular , a los fines de su aplicación práctica. Como unidad se usa el agua a presión atmosférica normal, considerándose una temperatura normal de 15 °C que está dentro del entorno de las aplicaciones prácticas. De esalamanera, el calor 1, (14,5 sería ala15,5) cantidad de calor necesaria para elevar temperatura de 1específico kg de aguaigual en 1a°C a presión atmosférica normal.  A esta cantidad de calor se la denomina (kcal) kilocaloría , y sería entonces la unidad de cantidad de calor. Para ello, la unidad de calor específico valdrá: Ce = kcal/Kg.°C El SIMELA o Sistema Métrico Legal Argentino, ha establecido como unidad de calor el Joule . La equivalencia es la siguiente: 1 Kcal = 4185,5 joule Calor sensible y calor latente Cuando definimos la unidad de calor, mencionamos que el agregado de dicha energía provocaba un aumento de la temperatura, a ese estado calórico cuya variación de nivel puede determinarse mediante un termómetro, que es sensible a ella, se denomina calor sensible . Se representa por la fórmula: Q = m.ce.(t°f   - t°i) Q es la cantidad de calor entregada o recibida por un cuerpo (Kcal) m es la masa del cuerpo (Kg)

 

Ce es el calor específico de la sustancia (Kcal/Kg.°C) T ° i es la temperatura t emperatura inicial del cuerpo (°C) T ° f  es  es la temperatura final del cuerpo (°C) Ejemplo 1: 1: Calentar 1 kg de agua de 10 a 100 °C. ¿Qué cantidad de calor sensible se le ha agregado? Si Q = m.ce.(t°f   - t°i) ⇒ Q = 1 kg.(1 kcal/kg.°C).(100 °C - 10 °C) ⇒ Q = 90 kcal Sin embargo, sucede que cuando se está materializando un cambio de estado físico, se verifica que el agregado o sustracción de calor no origina variación de temperatura. temperatura. En efecto, por ejemplo, si se tiene agua en ebullición, durante todo el proceso que esta dura, la temperatura se mantiene constante en los 100 °C, aunque se le agregue calor continuamente.  A ese calor que agregado a una sustancia no origina cambio de nivel térmico o temperatura, se lo denomina calorenlatente  , odesea, como su nombre se encuentra latente, y se consume la acción transformación física.lo indica, ese calor Q = m.c vl  Donde: C vl es el calor latente de vaporización (kcal/kg) El calor latente de vaporización del agua (100 °C) es 539 kcal/kg El calor latente de fusión del agua (0 °C) es 80 kcal/kg

 

  Propagación del calor Todo cuerpo con una determinada cantidad de calor, tiene la propiedad de cederlo a otro cuerpo, siempre que éste se encuentre a menor temperatura. Es decir, existe un flujo térmico que consiste en la cesión del calor de los puntos de mayor temperatura. De esa manera, entonces, la energía térmica se transfiere del nivel térmico o temperatura más alto al más bajo, hasta alcanzar un estado de equilibrio  o igual temperatura. Los fenómenos que intervienen en la transmisión del calor son tres: 1. Convección 2. Radiación 3. Conducción 1) Conducción La transmisión del calor por conducción es típica de los sólidos. Se origina por la agitación molecular provocada por el calor que se transmite progresivamente, sin modificar la distancia relativa de las moléculas.

 

La velocidad con que el material deja pasar el calor por conducción, depende de su conductividad que es una propiedad que tiene cada material. Hay materiales que conducen más que otros. otr os. Los metales son mucho más conductores del calor que, por ejemplo, los materiales de cerramiento de una construcción. La conducción del calor se establece por un coeficiente λ de la conductividad térmica, que es un valor determinado para cada elemento en particular. Ejemplo 2: 2: Hallar la cantidad de canto rodado necesario para un acumulador solar que recibe 10000 Kcal/día si se quiere alcanzar una T °  f  =  = 75 °C y partiendo de una T °  i = 20 °C (Ce = 0.29 Cal/g.°C).

Q = 10000 Kcal = 10000000 Cal T ° f  =  = 75 °C T ° i = 20 °C Ce = 0.29 Cal/g.°C m= ? Si: Q = m.ce.(tf   - ti) m = Q/[ce.(tf   - ti)] m = 10000000 cal/[(0,29 cal/g.°C).(75 °C - 20 °C)] m = 10000000 cal/[(0,29 cal/g.°C).55 °C]

 

m = 626959,24 g m = 626,96 kg Ejemplo 3: a - Qué cantidad de calor será necesaria para calentar el agua de una pileta que contiene 25000 litros de agua, si se desea aumentar su temperatura de 20 °C a 30 °C? m = 25000 l = 25000 Kg T ° i = 20 °C T ° f  =  = 35 °C Ce = 1 Kcal/kg.°C Q = m.Ce  Δ .Δ T ° ⇒ Q = 25000 Kg.(1 Kcal/Kg.°C). (30 °C - 20 °C) Q = 25000 Kg.1 (Kcal/Kg.°C). 10 °C ⇒ Q = 250000 Kcal  Kcal  bnatural? - Qué Poder tiempo se necesitará para calorífico del gas g as = 8000entregar Kcal/h. estas calorias al agua si se emplea gas 8000 Kcal ⇒ 1 h 250000 Kcal ⇒ t = 250000 Kcal.1 h/8000 Kcal ⇒ t = 31.25 h  h  Ejemplo 4: 4: Si mezclamos 1 l de agua a 92 °C con 0.5 l de agua 20 °C, qué temperatura alcanzará la mezcla? m1.ce.(-tf  +  + ti1) = m2.ce.(tf   - ti2) -m1.ce.tf  +  + m1.ce.ti1 = m2.ce.tf   - m2.ce.ti2  m2.ce.ti2 + m1.ce.ti1 = m2.ce.tf  +  + m1.ce.tf   ce.(m2.ti2 + m1.ti1) = (m2 + m1).ce.tf   (m2.ti2 + m1.ti1)/(m2 + m1) = tf   (1 l.92 °C + 0,5 l.20 °C)/(1 l + 0,5 l) = t f   tf  =  = 102 l.°C/1,5 l tf  =  = 68 °C Unidades de Energía

Unidades de Potencia

 

1 kgm = 9,8 J

1 C.V. = 735 W

1 cal = 4,18 J

1kgm/s = 9,8 W

1 Kcal = 427 kgm

-

Convección La forma de transmisión de calor por convección es propia de los fluidos, por ejemplo, en nuestro caso el aire o el agua. Por efecto de la variación de su peso debido a un aumento o disminución de temperatura, se establece en ellos una circulación permanente y continua. Ese movimiento del fluido produce, entonces, la transferencia del calor por convección,, que se oorienta convección rienta desde los puntos calientes a los fríos.

Se utiliza para su determinación un coeficiente Hc Hc   que tiene en cuenta la convección y cierta radiación, y se denomina coeficiente de transmitancia . Q = Hc.A.Δ T ° 

Radiación La forma de transmisión del calor por radiación se produce en el vacío igual que la radiación de la luz en forma de ondas electromagnéticas. De esa manera el proceso de transferencia de calor por radiación no esta vinculado a soporte o vehículo material alguno, no pudiendo ser explicado como en los casos anteriores en términos de moléculas que chocan o se desplazan. Se define entonces la radiación térmica como la transmisión de calor de un cuerpo a otro sin contacto directo, en forma de energía radiante . Entonces un cuerpo caliente transforma una parte de su contenido de calor en energía radiante sobre su superficie, la cual se emite en forma de ondas, que al ser absorbidas por otro cuerpo, se manifiesta en forma de calor. Se desprende de ello que para que la energía radiante pueda ser convertida en calor es necesario que sea absorbida  por  por una sustancia. Todos los cuerpos absorben y además emiten energía radiante, dependiendo de la temperatura a que se encuentren y de sus características físicas.

 

El cuerpo negro es un cuerpo ideal que emite y absorbe el máximo el calor por radiación. Por ello cuando un cuerpo esta constituido por superficies oscuras, emite y absorbe el calor por radiación en gran proporción, ocurriendo todo lo contrario cuando se trata de cuerpos de superficies blancas o brillantes. Los cuerpos calientes emiten mayor cantidad de calor que los fríos, habiendo un continuo intercambio de energía radiante entre las sustancias que se encuentran a distintas temperaturas. La fórmula para su cálculo es: R = r.A.(T °/100)4.T ° r : constante : constante de radiación T ° : temperatura : temperatura en grados kelvin

T °1 > T °2  En el siguiente ejemplo se indican las tres formas de trasmisión de calor. Supóngase que en un local se ubica un recipiente que contiene agua caliente. Se origina una trasferencia de calor del agua caliente al aire del local, debido a la diferencia de temperatura. Si se analiza el proceso de trasferencia a través de la pared del recipiente se observa que en una primera etapa el calor fluye del agua caliente a la cara interior de la pared por convección , originándose el movimiento de la misma debido que al enfriarse aumenta su densidad y desciende. desciende. Luego el calor se trasmite t rasmite por conducción  a  a través de la pared, y por último se entrega al local por convección   al aire produciendose la circulación del mismo debido a que al calentarse disminuye su densidad y asciende, y por radiación  a   a los distintos elementos del entorno que rodean al recipiente. El aire es prácticamente diatérmico , o sea no absorbe en forma directa el calor por radiación.

 

  Coeficiente de transmitancia total K

Para los cálculos de la transferencia de calor de una pared o elemento de la construcción se utiliza un coeficiente de transferencia de calor total, que tiene en cuenta los fenómenos indicados precedentemente y permite simplificar dichos cálculos. Se define al coeficiente de transmitancia total K  como  como la cantidad de calor en kcal, que se transmite totalmente en una hora a través de un m² de superficie, existiendo una diferencia de temperatura de 1° C entre el ambiente interno y externo. Q = K.A.(T °1 - T °2) Siendo: Q : Cantidad de calor que se transmite (kcal/h) K : Coeficiente de transmitanci transmitanciaa térmica (kcal/h.m².°C). Según tablas.  A  A:: Area (m²). T °1: Temperatura del aire en la cara más caliente (°C). T °2: Temperatura del aire en la cara más fria (°C).

 

Los coeficientes K para las construcciones normales están tabulados por la Norma IRAM 11.601,, pero para muros especiales o de características especiales deben calcularse. 11.601 Determinación Determinaci ón del coeficiente de transmitancia total K Para el cálculo de transmitancia total K, se emplea la siguiente fórmula:

Se denomina resistencia total R t a la inversa de K, es decir: R t = 1/K

 A su vez, las inversas de α, se denominan resistencias superficiales. superficiales. 

R   sisi = 1/ α i y R  se  se = 1/ α e  λ: coeficiente de conductibilidad térmica(kcal/m.h.°C). α i: coeficiente superficial interior (kcal/h.m².° (kcal/h.m².°C). C). α e: coeficiente superficial exterior (kcal/h.m². (kcal/h.m².°C). °C).

K: K: coeficiente  coeficiente de transmitancia térmica total(kcal/h.m².° total(kcal/h.m².°C). C). R t: resistencia a la transmitanc transmitancia ia térmica total (m³.h.°C/kc (m³.h.°C/kcal). al). R   sisi: resistencia superficial interior (m³.h.°C/kcal). (m³.h.°C/kcal). R se: resistencia superficial exterior (m³.h.°C/kcal). (m³.h.°C/kcal). e: espesor e: espesor de los materiales (m). De esa manera, la ecuación será: R t = 1/λ = R ssii + e1/λ1 + e2/λ2 + ... + R c + R se se 

 

Donde R c es la resistencia que opone al pasaje de calor en caso de cámaras de aire. Ejemplo 5: 5: Calcular la resistencia térmica total de un muro, formado por mampostería de 12 cm de espesor, una cámara de aire de 2 cm y un panderete de mampostería de 5 cm interior.

/λ1 + e2  /λ /λ2 + R c + R ssee  R t = 1/λ = R ssii + e1  /λ

R t = 0,61 m².h.°C/kcal O sea: k = 1/R t  k = 1/(0,61 m².h.°C/kcal) k = 1,64 kcal/m².h.°C En este mismo ejemplo ¿qué pasaría si en lugar de la cámara de aire se utilizara lana de vidrio de 2 cm de d e espesor? R t = 1/λ = R ssii + e1  /λ /λ1 + e2  /λ /λ2 + e3  /λ /λ3 + R ssee 

 

  Se aprecia, entonces, que mejora notablemente la resistencia térmica del muro aplicándole aislante térmico. Ejemplo 6: 6: Calcular la cantidad de calor que fluye a través de una lámina de aluminio de 2 mm de espesor, si la diferencia de temperatura es de 20 °C. H = (K/e).A.  Δ Δ T ° ⇒H = ((0,49 cal/s.cm.°C)/0,2 cm).20 °C ⇒H = 49 cal/s  cal/s  Ejemplo 7: 7: Se tiene un recipiente cúbico de vidrio de 1 m² de superficie en sus 6 caras, calcular la temperatura final si entrega 80 Kcal/h y su temperatura inicial es de 20 °C. Q = m.ce.(tf   - ti) tf  =  = Q/m.ce + ti  Lado = √A/6 

 Volumen = Lado³ = 0,06 0,0688 m³ tf  =  = (80 kcal/h)/[(68 kg).(1 kcal/kg.°C.h)] + 20 °C tf  =  = 21,18 °C Ejemplo 8: 8: Según Normas IRAM el K de un ladrillo en una pared de 30 cm de espesor es de 1,62 kcal/m². h.°C, entonses hallar λ para una mampostería de 1 m² y luego el flujo de

calor para una variación térmica de 1 °C. k = λ /e λ = e.k

k = (1,64 kcal/m².h.°C).(1000 cal/1 kcal).(1 m²/10000 cm²).(1 h/3600 s) k = 0,000045 cal/cm².s.°C λ = 30 cm.0,000045 cal/cm².s.°C

 

λ = 0,00135 cal/cm.s.°C 

 A = 1 m² = 10000 ccm² m² H = A.λ.Δt/e 

H = 10000 cm².(0,00135 cal/cm.s.°C).(1 °C/30 cm H = 0,45 cal/s Ejemplo 9: 9: Se tiene un termotanque de 0,5 m de diámetro, 1,2 m de altura y una aislación térmica de espuma de poliestireno de 2 cm de espesor; calcular: a) la cantidad de calor necesaria para elevar su temperatura en 20 °C. b) Si se desea mantener una temperatura interior de 60 °C y la temperatura media exterior es de 20 °C, calcular las pérdidas de calor hacia el exterior. c) Calcular el rendimiento del equipo. d) Calcular el gas consumido anualmente para cubrir las pérdidas. S = π.d.h + π.d²/4 S = 3,14.50 cm.120 cm + 3,14.(50 cm)²/4 S = 20802,5 cm²  V = π.h.d²/4  V = 3,14.120 3,14.120 cm.(50 cm)²/4  V = 235500 cm³ m = 235,5 kg a) Q = m.ce.(tf   - ti) Q = 235,5 kg.(1 kcal/kg.°C).20 °C Q = 4710 kcal b) H = A.λ.Δt/e 

H = (20802,5 cm²/2 cm).(0,00002 cal/cm².s.°C).40 °C

 

H = 8,321 cal/s H = 29,96 kcal/h c) Rendimiento R = Q agua /Q  /Q gas  R = 4710 kcal.100%/9300 kcal R = 50,65 % d) H año = (29,96 kcal/h).(8760 h/año) H año = 262449,6 kcal/año Calorías perdidas = H año /R  /R H año /R  /R = (262449,6 (262449,6 kcal/añ kcal/año)/50,65 o)/50,65 % H año/R = 129518,9 kcal/año Gas perdido = Calorías perdidas/calorias del gas/m³ Gp = (129518,9 kcal/año)/(9 kcal/año)/(9300 300 kcal/m³) Gp = 13,93 m³/año Ejemplo 10: 10: ¿Qué cantidad de calor se perderá de un recipiente que contiene 500 cm³ de agua a 70 °C durante 45´?. Si la temperatura ambiente es de 18 °C y el recipiente esta recubierto de poliestireno expandido de 9,52 mm de espesor. λ = 0,03 kcal/h.m.°C   A = π.d.h + π.d²/4  A = 3,14.7,6 3,14.7,6 cm.19,5 cm + 3,1 3,14.(7,6 4.(7,6 cm cm)²/4 )²/4  A = 556,03 556,03 cm²  A = 0,055603 0,055603 m²  Δt = tf   - ti   Δt = 70 °C - 18 °C  Δt = 52 °C 

 

H = A.λ.Δt/e 

H = (0,055603 m²/0,00952 m).(0,03 cal/m².h.°C).52 °C H = 9,11 kcal/h H* = (9,11 kcal/h).0,75 h H* = 6,83 kcal Hallar la temperatura final a los 45 minutos.  Δ T ° = -Q/m.Ce (es negativa debido a que pierde T °)  Δt = ti - te = -Q/m.ce 

ti = te - Q/m.ce  ti = 70 °C - 6,83 kcal/[(0,5 kg).(1 kcal/kg.°C)] ti = 56,33 °C Ejemplo 11: 11: Se tiene una resistencia eléctrica a la cual se le han medido las siguientes características: U = 220 v I = 1,75 A cos φ = 0,95 

Se sabe que P = U.I. cos φ, que Δ T ° producira esta resistencia eléctrica cuando calienta 500 cm³ de agua durante 120 segundos. P = 220 v . 1,75 A.. 0,95 ⇒ P = 365,75 w  w  E = P/t E = 365,75 W.120 s.1 h/3600 s E = 12,192 W.h Sabiendo que 860 kcal = 1 kw E = 12,192 W.h.(860 kcal/1 kW).(1 kW/1000 W) E = 10,485 kcal  Δt = Q/m.ce   Δt = 10,485 kcal/[(0,5 kg).(1 kcal/kg.°C)]   Δt = 20,97 °C 

 

Hallar el costo: Costo = Valor (kW.h).E Costo = (0,15 $/kW.h)/0,012192 kW.h Costo = $ 0,0018 Hallar la temperatura final para a) 45 min y b) 20 min. Δt/e H = A.λ.  Δ

H = (0,055603 m²/0,00952 m).(0,03 cal/m².h.°C).52 °C H = 7,97 kcal/h a) H1 = (7,97 kcal/h).0,75 h H1 = 5,98 kcal  Δt1 = H1 /m.c  /m.ce   Δt1 = (5,98 kcal)/[(0,5 kg).(1 kcal/kg.°C)]  Δt1 = 11,96 °C

t1 = 60,04 °C b) H2 = (7,97 kcal/h).0,33 h H2 = 2,63 kcal  Δt2 = H2 /m.c  /m.ce   Δt2 = (2,63 kcal)/[(0,5 kg).(1 kcal/kg.°C)]  Δt2 = 5,26 °C

t2 = 66,74 °C Hallar la temperatura final para: c) 10 min; d) 30 min; e) 40 min; f) 50 min y g) 60min, y luego graficar la temperatura en función del tiempo. c) H3 = (7,97 kcal/h).0,17 h

 

H3 = 1,35 kcal  Δt3 = H3 /m.c  /m.ce   Δt3 = (1,35 kcal)/[(0,5 kg).(1 kcal/kg.°C)]  Δt3 = 2,71 °C

t3 = 67,29 °C d) H4 = (7,97 kcal/h).0,50 h H4 = 3,99 kcal  Δt4 = H4 /m.c  /m.ce   Δt4 = (3,99 kcal)/[(0,5 kg).(1 kcal/kg.°C)]  Δt4 = 7,98 °C

t4 = 62,02 °C e) H5 = (7,97 kcal/h).0,66 h H5 = 5,31 kcal  Δt5 = H5 /m.c  /m.ce   Δt5 = (5,31 kcal)/[(0,5 kg).(1 kcal/kg.°C)]  Δt5 = 10,62 °C

t5 = 59,38 °C f) H6 = (7,97 kcal/h).0,83 h H6 = 6,64 kcal  Δt6 = H6 /m.c  /m.ce   Δt6 = (6,64 kcal)/[(0,5 kg).(1 kcal/kg.°C)]  Δt6 = 13,28 °C

t6 = 56,72 °C

 

g) H7 = (7,97 kcal/h).1 h H7 = 7,97 kcal  Δt7 = H7 /m.c  /m.ce   Δt7 = (7,97 kcal)/[(0,5 kg).(1 kcal/kg.°C)]  Δt7 = 15,94 °C

t7 = 54,06 °C

Ejemplo 12: 12: Hallar la pérdida por convección en el siguiente caso: T ° i = 70 °C T °e = 10 °C T °s = 25 °C S = 1 m² t=1h

 

  Q = 45,05 kcal

 

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA El primer principio es una ley de conservación de la energía y, a su vez, una definición precisa del calor. Afirma que, como la energía no puede crearse ni destruirse (dejando a un lado las posteriores ramificaci ramificaciones ones de la equivalencia entre masa y energía) la cantidad de energía transferida a un sistema en forma de calor más la cantidad de energía transferida en forma de trabajo sobre el sistema debe ser igual al aumento de la energía interna (U (U) del sistema. El calor y el trabajo son mecanismos por los que los sistemas intercambian energía entre sí. Q + L = U (1) U (1) ó más precisamente:  ΔQ + ΔL = ΔU (2)

Cuando un sistema se pone en contacto con otro de menor nivel energético que él, tiene lugar un proceso de igualación de los niveles energéticos de ambos. El primer principio de la termodinámica identifica el calor, como una forma de energía. Puede convertirse en trabajo mecánico trabajo  mecánico almacenarse. Experimentalmente demostró que elmedidos calor, que calorías , y el se originalmente se medíay en unidades llamadas trabajo o energía, en  joules, eran completamente equivalentes. En cualquier máquina, hace falta cierta cantidad de energía para producir trabajo; es imposible que una máquina realice trabajo sin necesidad de energía. Una máquina hipotética de estas características se denomina móvil perpetuo de primera especie. La ley de conservación de la energía descarta que se pueda inventar una máquina así. A veces, el primer principio se enuncia como la imposibilidad de la existencia de un móvil perpetuo de primera especie. El calor, igual que el trabajo, corresponde a energía en tránsito  (proceso   (proceso de intercambio de energía), el calor es una transferencia de energía y puede causar los mismos cambios en un cuerpo que el trabajo. La energía mecánica puede convertirse en calor a través del rozamiento rozamiento,, y el trabajo mecánico necesario para producir 1 caloría se conoce como equivalente mecánico mecánico del calor. Según la ley de conservación de la energía, todo el trabajo mecánico realizado para producir calor por rozamiento aparece en forma de energía en los objetos sobre los que se realiza el trabajo. James Prescott Joule fue el primero en demostrarlo de forma fehaciente fehaciente en un experimento clásico: calentó agua en un recipiente cerrado haciendo girar unas ruedas de paletas y halló que el aumento de nivel energético del agua era proporcional al trabajo realizado para mover las ruedas. Cuando el calor se convierte en energía mecánica, como en un motor de combustión interna, la ley de conservación de la energía también es válida. Sin embargo, siempre se pierde o disipa energía en forma de calor porque ningún motor tiene una eficiencia perfecta.

 

Q = m.ce.Δ T ° (3) Reemplazando (3) en (1): m.ce.Δ T ° + L = U (4) El primer principio de la termodinámica se expresa en forma rigurosa con la siguiente ecuación: dQ = dW + dU (5) dU (5)

la representación general de la ecuación y los signos pueden tomar t omar la figuras (1) o la (2) o alguna combinación. La ecuación (5) y las figuras (1) y (2) son válidas en cualquier sistema, conceptualmente es la síntesis del principio de conservación de la energía en un sistema cerrado. Recordemos que el sistema termodinámico (S T D) es un conjunto de elementos de características conocidas y con relaciones entre sí también conocidas que tienen un continente de geometría y propiedades conocidas a través del cual se producen o no intercambios de distinto tipo con el medio. Nuestro tema es en todos los casos la determinación de cuál es el S T D, para lo cual debemos tener perfectamente definido continente y contenidos. Seguidamente analizaremos los siguientes casos:

 

  1. Caso 1: 1: Una pelotita idealmente elástica que es el S T D y que se halla a una distancia h de un plano de comparación, para aplicar la ecuación (2) a este caso tenemos en cuenta las siguientes consideraci consideraciones: ones: i. Despreciamos i. Despreciamos el rozamiento con el aire y por lo tanto:  ΔQ = 0 

 Y tenemos: 0 = ΔW + ΔU (6) 

ii. Como ii. Como no hay fuerzas aplicadas, no hay trabajo ni del medio sobre el sistema ni del sistema sobre el medio, por lo tanto ΔW = 0 y la expresión del primer principio queda:   ΔU = 0 

iii. dU es la expresión matemática de la variación de la energía entre dos puntos iii.  distanciados infinitesimalmente, su integración entre el punto 1 y 2 nos da la siguiente expresión: ∫ dU = U2 - U1 (7)

iv. De iv. De (7) surge que: U2 = U1  v. El v. El S T D analizado puede poseer en los términos planteados E MT . Este tipo de energía en la posición (1) es solo potencial a partir del reposo, y en (2) es solo cinética por ser la distancia al eje de referencia igual a cero, por lo tanto recordando las expresiones de la Ep y de la Ec, podemos po demos escribir: ½.m.v² = m.g.h (8) m.g.h (8) vi.  vi.  Si quisiéramos analizar conceptualmente que sucede si hay intercambio de energía térmica entre el S T D y el medio, debemos hacer otro análisis, antes de ello observemos

 

que el sistema descripto es absolutamente reversible y la pelotita baja-rebota-sube, bajarebota-sube...  Analicemos a continuación una secuenci secuenciaa del mismo caso considerando el rozamiento, destacamos que el mismo se verifica de dos maneras: a) externo: hay rozamiento del S T D en la trayectoria (1)-(2) que origina un aporte térmico al mismo. b) interno: se produce en el instante de choque en el cual se registra un almacenamiento de la energía cinética en elástica potencial del S T D, que es utilizada casi instantáneamente instantánea mente para cambiar la dirección del movimiento, en el lapso en que empieza la acumulación y devolución de energía en la pelotita se producen rozamientos intramoleculares que generan energía térmica que se aporta al medio. Con todas estas consideraciones consideracion es la secuencia sería: i.  i. En el descenso el S T D recibe cierto ΔQ (considerar que, si recibe también emite). ii.  ii. En el Δt de choque-acumulación de energía-inversión del recorrido, se produce un ΔQ transformado o totalmente. Aclaramos las transformaciones recorrido y en elparcialmente choque son funciones muy vinculadas vincu ladas a que la velocidad del proceso. en el iii. la iii.  la expresión (2) queda en este caso:  ΔQ = ΔU 

iv. Haciendo iv. Haciendo las mismas consideraciones que en el ejemplo precedente podemos escribir: U1- U2 = ΔQ  Sin entrar en el análisis detallado del valor de donde se produjo el ΔQ, podemos deducir la

expresión: U1 = ΔQ + U2  que nos está indicando que la E  MT1 se convierte en E MT2más la energía térmica, en este caso observamos que dispondremos al invertir el recorrido de una energía, en este caso cinética, menor que la que disponía el S T D al comienzo, por lo tanto, resulta claro que no podrá alcanzar la altura original, aún en el caso que no tenga nuevo rozamiento en la trayectoria (2) - (1), por lo tanto podríamos representar lo que sucede en la siguiente forma aproximada:

 

  En el gráfico representamos de manera esquemática la altura de rebote que va tendiendo 0 al cabo de n ciclos, en el gráfico también se indica que la energía total se mantiene constante, habiéndose transformado en el caso del proceso irreversible en energía térmica. 2. Caso 2: 2: Lo hacen los alumnos. 3. Caso 3: 3: En este caso el sistema es una barra que suponemos no tiene ningún tipo de restricción, al no tener restricción no puede tener valor ΔW al no ser posible la realización

o recepción de trabajo alguno, por lo tanto la aplicación del primer principio nos lleva a la expresión:  ΔQ = ΔU 

Cuando hablamos de U como energía interna en realidad nos referimos a las variaciones con respecto a un nivel energético básico que contiene otro tipo de energía (molecular y nuclear) por lo tanto el ΔU se refiere únicamente a la variación de energía térmica y esta expresión simbólica es abarcativa de la expresión ya conocida: Q = m.ce.Δ T °  En el caso de los motores a explosión el S T D se halla constituido por un gas contenido en volúmenes conocidos y variables, que recibe y entrega energía térmica del medio y sobre el cual realiza un trabajo positivo, parte de este almacenado mecánicamente constituye el recurso energético para completar el ciclo.

 

SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA La segunda ley de la termodinámica da una definición precisa de una propiedad llamada entropía. La entropía puede considerarse como una medida de lo próximo o no que se halla un sistema al equilibrio; también puede considerarse como una medida del desorden (espacial y térmico) del sistema. La segunda ley afirma que la entropía, o sea, el desorden, de un una sistema aislado nunca puede decrecer. cuandoexperimentar un sistema aislado alcanza configuración de máxima entropía,Poryatanto, no puede cambios: ha alcanzado el equilibrio. La naturaleza parece pues "preferir" el desorden y el caos. Puede demostrarse que el segundo principio implica que, si no se realiza trabajo, es imposible transferir calor desde una región de temperatura más baja a una región de temperatura más alta. Entropía: ES una función del estado del sistema, ya que tiene un valor único para cada estado, independiente de cómo el sistema llego a dicho estado.  ΔS = ΔQ/T  La entropía es una propiedad intrínseca del S T D relacionada fundamentalmente con parámetros mensurables que la caracterizan.

dS = dQ/T dS: entropía del S T D. dQ: intercambio de energía térmica entre el medio y el S T D. T: temperatura a la que se registra el intercambio de energía térmica entre el medio y el S T D. La expresión permite el cálculo de variaciones pero no el conocimiento de valores absolutos . La variación entrópica en cualquier S T D y su ambiente considerado conjuntamente es positiva, tendiendo a cero en los procesos reversibles.  ΔS Total ≥0 (proceso irreversible)   ΔS = 0 (proceso reversible) 

Entropía como probabilidad: Es menos probable que las 5 moléculas se encuentren en el lugar de origen a que se encuentren desparramadas desparramadas luego de quitar el separador. La mayor cantidad del tiempo se hallarán desparramadas, desparramadas, por lo cual el estado 2 será de mayor entropía que el 1.

 

  El estado de equilibrio de un sistema aislado, es el de mayor desorden ya que es el más probable. El aumento de entropía corresponde a un incremento del desorden molecular. El segundo principio impone una condición adicional a los procesos termodinámicos. No basta con que se conserve la energía y cumplan así el primer principio. Una máquina que realizara trabajo violando el segundo principio se denomina "móvil perpetuo de segunda especie", ya que podría obtener energía continuamente de un entorno frío para realizar trabajo en un entorno caliente sin coste alguno. 1° ley: S T D y entorno ΔE S T D + ΔE Ambiente = 0

1° ley: S T D ΔE S T D = 0 2° ley: S T D y entorno ΔS S T D + ΔS Ambiente ≥0 

2° ley: S T D ΔS S T D = 0 Cuando ΔS   SS T D  =  , el sistema está en equilibrio  y   y no hay transformaciones entre los  = 0  distintos tipos de energía. Cuando ΔS   SS siempre  ΔE   S T D  = 0.

T D >

 , 0  , es un proceso desequilibrado y tendiendo hacia el equilibrio  con

 

TERCER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA El segundo principio sugiere la existencia de una escala de temperatura absoluta con un cero absoluto de temperatura . El tercer principio de la termodinámica afirma que el cero absoluto no puede alcanzarse por ningún procedimiento que conste de un número finito de pasos . Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede

llegar a él. En el cero absoluto el sistema tiene la mínima energía posible  (cinética   (cinética más potencial). Cero absoluto Es la menor temperatura teóricamente teór icamente posible. El cero absoluto corresponde a -273,15 °C, o cero en la escala termodinámi termodinámica ca o Kelvin (0 K). El concepto de un cero absoluto de temperatura surgió por vez primera en relación con experimentos con gases; cuando se enfría un gas sin variar su volumen, su presión decrece con la temperatura. Aunque este experimento no puede realizarse más allá del punto de condensación del gas, la gráfica de los valores experimentales de presión frente a temperatura se puede extrapolar hasta presión nula. La temperatura a la cual la presión sería cero es el cero absoluto de temperatura. Posteriormente se demostró que este concepto deducido experimentalmente era consistente con las definiciones teóricas del cero absoluto. Los átomos y moléculas de un objeto en el cero absoluto tendrían el menor movimiento posible. No estarían completamente en reposo, pero no podrían perder más energía de movimiento, con lo que no podrían transferir calor a otro objeto. Según la tercera ley de la termodinámica, la entropía (o desorden) de un cristal puro sería nula en el cero absoluto; esto tiene una importancia considerable en el análisis de reacciones químicas y en la física cuántica. Los materiales presentan propiedades extrañas cuando se enfrían a temperaturas muy bajas. Algunos pierden por completo su resistencia eléctrica. No se puede llegar físicamente al cero absoluto,pero es posible acercarse todo lo que se quiera. Para alcanzar temperaturas muy frías, o criogénicas, se necesitan procedimientos especiales. El helio líquido, que tiene un punto de ebullición normal de 4,2 K (-268,9 °C), puede obtenerse mediante criostatos, unos recipientes extremadamente bien aislados. Si este helio se evapora a presión reducida, se pueden alcanzar temperaturas de hasta 0,7 K. Para temperaturas más bajas es necesario recurrir a la magnetización y desmagnetización sucesiva de sustancias paramagnéticas (poco magnetizables), como el alumbre de cromo. Este método, emplea un campo magnético que alinea los espines electrónicos del material, que se enfría en un baño de helio líquido. Cuando se elimina el campo magnético, los espines vuelven a adoptar una orientación aleatoria, lo que reduce la energía térmica del material y por tanto su temperatura. Con la desmagnetización de sales

 

paramagnéticas se han alcanzado temperaturas de sólo 0,002 K, y la desmagnetización de núcleos atómicos ha permitido obtener temperaturas t emperaturas de sólo 0,00001 K. La medida de las temperaturas en valores cercanos al cero absoluto presenta problemas especiales. Los termómetros de gas sólo pueden usarse por encima del punto de condensación del helio. A temperaturas más bajas hay que usar medidas eléctricas y magnéticas para determinar la temperatura real. El concepto de cero absoluto también es importante desde el punto de vista teórico. Según la tercera ley de la termodinámica, la entropía - o desorden - de un cristal puro sería nula en el cero absoluto; esto tiene una importancia considerable en el análisis de reacciones químicas y en la física cuántica. Los materiales presentan propiedades extrañas cuando se enfrían a temperaturas muy bajas. Algunos pierden por completo su resistencia eléctrica. Este efecto se observó por primera vez en el mercurio a unos pocos grados por encima del cero absoluto, pero se están obteniendo a temperaturas cada vez más altas con nuevos materiales. Criogenia Estudio y utilización de materiales a temperaturas muy bajas. No se ha acordado un límite superior para las temperaturas criogénicas, pero ha sugerido que se aplique el término de criogenia para todas las temperaturas inferiores a -150 °C (123 K). Algunos científicos consideran el punto de ebullición normal del oxígeno (-183 °C) como límite superior. Las temperaturas criogénicas se obtienen por la evaporación rápida de líquidos volátiles o por la expansión de gases confinados a presiones de entre 150 a 200 atmósferas. La expansión puede ser simple, es decir, a través de una válvula que comunica con una región de menor presión, o tener lugar en el cilindro de un motor alternativo, donde el gas impulsa el pistón del motor. El segundo método es más eficiente, pero también es más difícil de aplicar. Humphry Davy y Faraday generaron gases calentado una mezcla adecuada en un extremo de un tubo estanco con forma de V invertida. El otro extremo se mantenía en una mezcla de hielo y sal para enfriarlo. La combinación de temperaturas reducidas y altas presiones hacía que el gas generado se licuara. Al abrir el tubo, el líquido se evaporaba rápidamente y se enfriaba hasta su punto de ebullición normal. Evaporando a bajas presiones dióxido de carbono sólido mezclado con éter, Faraday llegó a lograr una temperatura de aproximadamente 163 K (-110 °C). Si un gas a temperatura moderada se expande a través de una válvula, su temperatura aumenta. Pero si su temperatura inicial está por debajo de la llamada temperatura de inversión, la expansión provoca una reducción de temperatura: es lo que se llama efecto Joule-Thomson. Las temperaturas de inversión del hidrógeno y el helio, dos gases criogénicos fundamentales, son extremadamente bajas, y para lograr una reducción de temperatura por expansión,deben enfriarse primero por debajo de sus temperaturas de

 

inversión: el hidrógeno mediante aire líquido y el helio mediante hidrógeno líquido. Generalmente, este método no logra la licuefacción de gases en un solo paso, pero encadenando los efectos en cascada Cailletet y Pictet, de forma independiente, lograron producir algunas gotas de oxígeno líquido. El éxito de estos investigadores marcó el final del concepto de gases permanentes, y estableció la posibilidad de licuar cualquier gas mediante una compresión moderada a temperaturas inferiores a la temperatura de inversión. El físico Onnes montó la primera planta de producción de aire líquido, utilizando el principio de cascada. Con el paso de los años, distintos investigadores desarrollaron diversas mejoras del proceso. El químico Dewar fue el primero en licuar el hidrógeno, y Onnes hizo lo propio con el helio, el gas más difícil de licuar. Uno de los retos ha seguido siendo mejorar la eficiencia haciendo que el gas refrigerante opere en un motor alternativo o una turbina. Fueron notables los trabajos del Kapitsa y Collins. Un licuador de helio basado en el diseño de Collins ha hecho posible que muchos laboratorios no especializados puedan realizar experimentos experimentos en el punto de ebullición normal del helio, 4,2 K (-268,9 °C). Desmagnetización adiabática Desmagnetización La evaporación de helio líquido a presión reducida produce temperaturas de hasta 0,7 K ((272,45 °C). Es posible alcanzar temperaturas aún menores mediante la desmagnetización adiabática. En este proceso se establece un campo magnético en torno a una sustancia paramagnética mantenida en helio líquido para enfriarla. El campo alinea los espines electrónicos; al desconectarlo, los espines recuperan su orientación aleatoria, con lo que reducen la energía térmica de toda la muestra. Con ello se logra que la temperatura baje hasta niveles de sólo 0,002 K. Del mismo modo, el alineamiento de los espines nucleares seguido de la desconexión del campo magnético ha producido temperaturas cercanas a 0,00001 K. Los frascos Dewar o termos demostrado su utilidadporpara almacenar a temperaturas criogénicas criogénicas. . Estos han recipientes están formados dos frascos, unolíquidos dentro de otro, separados por un espacio en que se ha hecho el vacío. El exterior del frasco interno y el interior del frasco externo están recubiertos de una capa reflectante para evitar que el calor atraviese el vacío por radiación. Las sustancias más frías que el aire líquido no pueden manejarse en frascos Dewar abiertos, porque el aire se condensaría sobre la muestra o formaría un tapón sólido que impediría la salida de los vapores liberados; éstos se acumularían y terminarían por romper ro mper el recipiente. La medida de temperaturas en la zona criogénica presenta dificultades. Un procedimiento consiste en medir la presión de una cantidad conocida de hidrógeno o helio, pero este método falla en las temperaturas más bajas. El empleo de la presión de vapor del helio 4, es decir, helioanterior. de masa 4, o de del lahelio 3 (masa atómica 3), propiedades mejora el procedimiento La atómica determinación resistencia eléctrica o las

 

magnéticas de metales o semiconductores amplía aún más la escala de temperaturas medibles. Cambio de propiedades  A temperaturas criogénicas, muchos materiales se comportan de forma desconocida en condiciones normales. El mercurio se solidifica y la goma se hace tan quebradiza como el vidrio. El calor específico de los gases y los sólidos disminuye en una forma que confirma las predicciones de la teoría cuántica. La resistencia eléctrica de muchos metales y metaloides (aunque no de todos) cae bruscamente hasta cero a temperaturas de unos pocos kelvins. Si se introduce una corriente eléctrica en un anillo metálico enfriado hasta hacerlo semiconductor, la corriente sigue circulando por el anillo y puede ser detectada horas después. La capacidad de un material semiconductor para mantener una corriente ha permitido diseñar módulos experimentales de memoria de ordenador que funcionan a estas temperaturas bajas. No obstante, las computadoras superrefrigeradas aún no resultan prácticas, incluso con el descubrimiento de materiales que presentan superconductividad superconducti vidad a ttemperaturas emperaturas algo mayores que las del helio líquido. El comportamiento del helio 4 a bajas temperaturas es sorprendente en dos aspectos. En primer lugar, permanece líquido incluso después de un enfriamiento extremo. Para solidificar el helio 4 es necesario someter el líquido a una presión superior a 25 atmósferas. Además, el helio 4 líquido alcanza un estado de superfluidez a temperaturas por debajo de 2,17 K (-270,98 °C). En este estado, su viscosidad parece ser casi nula. Forma una película en la superficie del recipiente, por donde fluye sin resistencia. El helio 3 también presenta superfluidez, pero sólo a temperaturas inferiores a 0,00093 K.  Aplicaciones Entre las muchas aplicaciones industriales importantes de la criogenia está la producción a gran escala de oxígeno y nitrógeno a partir del aire. El oxígeno tiene muchos usos: por ejemplo, en motores de cohetes, en los altos hornos, en sopletes de corte y soldadura o para hacer posible la respiración en naves espaciales y submarinos. El nitrógeno se emplea en la producción de amoníaco para fertilizantes o en la preparación de alimentos congelados que se enfrían con suficiente rapidez para impedir que se destruyan los tejidos celulares. Se usa también como refrigerante y para el transporte de alimentos congelados congelados.. La criogenia ha hecho posible el transporte comercial de gas natural licuado. Sin la criogenia, la investigación nuclear carecería de hidrógeno y helio líquidos para los detectores de partículas y para los potentes electroimanes necesarios en los grandes aceleradores de partículas. Estos imanes también se emplean en la investigación de fusión nuclear. Algunos dispositivos infrarrojos, máseres y láseres también requieren temperaturas criogénicas. La cirugía criogénica o criocirugía se emplea en el tratamiento de la enfermedad de Parkinson: se destruye tejido selectivamente congelándolo con una pequeña sonda

 

criogénica. Una técnica similar también se ha empleado para destruir tumores cerebrales y detener el avance del cáncer de cuello de útero. Fundamentos microscópicos de la termodinámica El descubrimiento de que toda la materia está formada por moléculas proporcionó una base microscópica para la termodinámica. Un sistema termodinámico formado por una sustancia pura puede describirse como un conjunto de moléculas iguales, cada una de las cuales tiene un movimiento individual que puede describirse con variables mecánicas como la velocidad o el momento lineal. En ese caso, debería ser posible, al menos en principio, calcular las propiedades colectivas del sistema resolviendo las ecuaciones del movimiento de las moléculas. En ese sentido, la termodinámica podría considerarse como una simple aplicación de las leyes de la mecánica al sistema microscópico. Los objetos de dimensiones normales, a escala humana, contienen cantidades inmensas de moléculas (según el Avogadro del orden de 1024). Suponiendo que las moléculas fueran esféricas, harían falta tres variables para describir la posición de cada una y otras tres para describir su velocidad. Describir así un sistema macroscópico sería una tarea que no podría realizar ni siquiera la mayor computadora moderna. Además, una solución completa de esas ecuaciones nos diría dónde está cada molécula y qué está haciendo en cada momento. Una cantidad tan enorme de información resultaría demasiado detallada para ser útil y demasiado fugaz para ser importante. Por ello se diseñaron métodos estadísticos para obtener los valores medios de las variables mecánicas de las moléculas de un sistema y deducir de ellos las características generales del sistema. Estas características generales resultan ser precisamente las variables termodinámicas macroscópicas. El tratamiento estadístico de la mecánica molecular se denomina mecánica estadística, y proporciona a la termodinámica una base mecánica. Desde la perspectiva estadística, la temperatura representa una medida de la energía cinética media de las moléculas de un sistema. El incremento de la temperatura refleja un aumento en la intensidad del movimiento molecular. Cuando dos sistemas están en contacto, se transfiere energía entre sus moléculas como resultado de las colisiones. Esta transferencia continúa hasta que se alcance la uniformidad en sentido estadístico, que corresponde al equilibrio térmico. La energía cinética de las moléculas también corresponde al calor, y, junto con la energía potencial relacionada con las interacciones entre las moléculas, constituye la energía interna de un sistema. La ley de la conservación de la energía se transforma en el primer principio de la termodinámica, y el concepto de entropía corresponde a la magnitud del desorden a escala molecular. Suponiendo que todas las combinaciones de movimientos moleculares son igual de probables, la termodinámica demuestra que cuanto más desordenado sea el estado de un sistema aislado, existen más combinaciones que pueden dar lugar a ese

 

estado, por lo que ocurrirá con una frecuencia mayor. La probabilidad de que se produzca el estado más desordenado es abrumadoramente mayor que la de cualquier otro estado. Esta probabilidad proporciona una base estadística para definir el estado de equilibrio y la entropía. Por último, la temperatura puede disminuirse retirando energía de un sistema, es decir, reduciendo la intensidad movimiento molecular. Elestán cero en absoluto corresponde al estado de un sistema en el quedeltodos sus componentes reposo. Sin embargo, este concepto pertenece a la física clásica. Según la mecánica cuántica, incluso en el cero absoluto existe un movimiento molecular residual. Un análisis de la base estadística del tercer principio se saldría de los límites de esta discusión.

 

CICLOS TERMODINAMICOS Resulta útil tratar los procesos termodinámicos basándose en ciclos: procesos que devuelven un sistema a su estado original después de una serie de fases, de manera que todas las variables termodinámicas relevantes vuelven a tomar sus valores originales. En un ciclo completo, la energía interna de un sistema no puede cambiar, puesto que sólo depende de dichas Por tanto, calor total neto transferido al sistema debe ser igual al trabajo totalvariables. neto realizado por elelsistema. Un motor térmico de eficiencia perfecta realizaría un ciclo ideal en el que todo el calor se convertiría en trabajo mecánico. El ciclo de Carnot, es un ciclo termodinámico que constituye el ciclo básico de todos los motores térmicos,y demuestra que no puede existir ese motor perfecto. Cualquier motor térmico pierde parte del calor suministrado. El segundo principio de la termodinámica impone un límite superior a la eficiencia de un motor, límite que siempre es menor del 100%. La eficiencia límite se alcanza en lo que se conoce como ciclo de Carnot. Ciclo Otto

En el punto a la mezcla de nafta y aire ya aire ya está en el cilindro. ab: contracción adiabática. cd: expansión adiabática. bc: calentamiento isocórico. ad: enfriamiento isocórico. R: relación de compresión. Cp: calor específico a presión constante Cv: calor específico a volumen constante

 

γ = Cp /C  /Cv (Sears 419 - Tabla 18.1) η = 1 - 1/R (γ - 1)  Para un R = 8, y un γ = 1,4 (aire), η = 0,56 

Ciclo Diesel

El gasoil gasoil se  se inyecta durante la carrera ab ab.. ab: contracción adiabática. cd: expansión adiabáticas. ad: enfriamiento isocórico. bc: expansión y calentamie calentamiento nto isobárica. R: relación de compresión. Cp: calor específico a presión constante Cv: calor específico a volumen constante γ = Cp /C  /Cv (Sears 419 - Tabla 18.1) η = 1 - 1/R ( γ - 1) 

Para un R = 15-20, y un γ = 1,4 (aire), η = 0,65-0,70 -0,70   Ciclo de Carnot

 

  Una máquina de Carnot es perfecta, es decir, convierte la máxima energía térmica posible en trabajo mecánico. Carnot demostró que la eficiencia máxima de cualquier máquina depende de la diferencia entre las temperaturas máxima y mínima alcanzadas durante un ciclo. Cuanto mayor es esa diferencia, más eficiente es la máquina. Por ejemplo, un motor de automóvil sería más eficiente si el combustible se quemara a mayor temperatura o los gases de escape salieran a menor temperatura. ab y cd: contracciones y expansiones isotérmicas. bc y ad: contracciones y expansiones adiabáticas. η = W/QH ⇒ η= (QH - QC)/QH ⇒ η = 1 - QC/ QH 

QH = W ab = n.R.TH.ln Vb /V  /Va  QC = W cd = n.R.TC.ln V /V  c/Vd  QC /Q  /QH = TC /T  /TH  η = 1 - TC/TH 

Ciclo de refrigeración

 

  Los sistemas de compresión emplean cuatro elementos en el ciclo de refrigeración: compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador. En el evaporador, el refrigerante se evapora y absorbe calor del espacio que está enfriando y de su contenido.  A continuación, el vapor pasa a un compresor movido por un motor que incrementa su presión, lo que aumenta su temperatura (entrega trabajo al sistema). El gas sobrecalentado a alta presión se transforma posteriormente en líquido en un condensador refrigerado por aire o agua. Después del condensador, el líquido pasa por una válvula de expansión, donde su presión y temperatura se reducen hasta alcanzar las condiciones que existen en el evaporador. QH = QC - L ⇒L = QC-QH  η = - QC /L ⇒ - QC /(Q  /(QC-QH)

Sistemas de absorción  Algunos refrigeradores domésticos funcionan mediante el principio de absorción. En ellos, una llama de gas calienta una disolución concentrada de amoníaco en agua en un recipiente llamado generador, y el amoníaco se desprende en forma de vapor y pasa a un condensador. Allí se licúa y fluye hacia el evaporador, igual que en el sistema de compresión. Sin embargo, en lugar de pasar a un compresor al salir del evaporador, el amoníaco gaseoso se reabsorbe en la solución diluida y parcialmente enfriada procedente del generador, para formar de nuevo una disolución concentrada de amoníaco. Este proceso de reabsorción se produce en un recipiente llamado absorbedor, desde donde el líquido concentrado fluye de vuelta al generador para completar el ciclo.

 

TRANSFERENCIA TRANSFERENCI A DE CALOR En física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están en distinto nivel energético. El calor se transfiere mediante convección,radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. mecanismos La conducción requiere contacto físico entre los cuerpos que intercambian calor, pero en la radiación no hace falta que los cuerpos estén en contacto ni que haya materia entre ellos. La convección se produce a través del movimiento de un líquido o un gas en contacto con un cuerpo de temperatura diferente. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación. 1) Conducción En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. Fórmulas y leyes El flujo de calor conducido a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado). Campo de temperatura : T = T(x;y;z;t) t: tiempo Campo estacionario : T = T(x;y;z) Gradiente térmico : ∇T = ∂T. /∂y + ∂T.k   /∂z /∂z = ∂T/∂A | n /m.a T.ii /∂x  /∂x + ∂T. j   j  /∂y

i,j, k, n: versores La variación de temperatura por unidad de longitud se denomina gradiente de temperatura : ΔT/L.  =[watt /m²] [cal/cm².h]  Intensidad de flujo de calor : Φ = ΔQ/ΔA.Δt [J/m².s] =[watt/m²]

 

Flujo : H = ΔQ/  Δ Δt [J/s] =[watt] [cal/h]

ΔT/L [J/s] =[watt] [cal/h] Flujo lineal : H = k.A.  Δ Flujo radial : H = 2.π.k.L.  Δ ΔT/ln (r2  /r /r1) [J/s] =[watt] [cal/h] Flujo esférico : H = 4.π.k.r1.r2.  Δ ΔT/(r2- r1) [J/s] =[watt] [cal/h]

H: flujo de calor [J/s]. k: conductividad térmica del material [J/s.m.°C].  A: sección de conducción conducción.. L: longitud desde el punto de más calor al de menos calor. a) Régimen estacionario: Φ = - λ .∇T b) Régimen estacionario y flujo en una sola dirección: ΔQ = - λ .ΔA.ΔT.Δt.Δl   /∂z2 = ∂T/ α .∂t  c) Régimen no estacionario: ∇²T = ∂T²/∂x² + ∂T²/∂y2 + ∂T2 /∂z α = λ /ce.Δ 

Procedimiento general: i - se resuelve (c), obteniendo T. ii - con (a) se calcula Φ.  iii - con Φ se calcula H.  El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario conocer la velocidad de conducción del calor a través de un sólido en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Convección Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convecc convección. ión. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a

 

la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la hidrodinámica. ΔT [J/s] =[watt] [cal/h] H = h.A.  Δ

H: flujo de calor [J/s]. h: coeficiente de convección [cal/s.cm².° [cal/s.cm².°C]. C].  A: superficie de contacto. Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima. De forma similar, en una cámara vertical llena de gas, como la cámara situada entre(que los dos de desciende, una ventanamientras con doble el aire situado juntodealaire panel exterior estápaneles más frío) quevidrio, al aire cercano al panel interior (más caliente) asciende, lo que produce un movimiento de circulación. El calentamiento de una habitación mediante un radiador no depende tanto de d e la radiación como de las corrientes naturales de convección. Debido a la convección, los radiadores deben colocarse cerca del suelo (y los aparatos de aire acondicionado cerca del techo) para que la eficiencia sea máxima. De la misma forma, la convección natural es responsable del tiraje de las chimeneas. La convección también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde el interior del Sol hasta su superficie. Radiación La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío, o bien que no exista materia entre ellas. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría t eoría cuántica. H = A.e. σ .T4 [J/s] =[watt] [cal/h] H: flujo de calor [J/s].

 

 A: superficie que emite o rec recibe. ibe. e: poder emisor, número no dimensional, que esta entre 0 y 1. σ : constante de radiación (σ = 5,6699.10-8.W/m².K 4).

 Albert Einstein sugirió que la radiación presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto fotoeléctrico,la radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. o ndas. La naturaleza cuántica de la energía radiante la había postulado anteriormente Max Planck. La expresión matemática de esta ley, llamada ley de Planck, relaciona la intensidad de la energía radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda determinada con la temperatura del cuerpo. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe un máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo ideal (cuerpo negro) emite radiación ajustándose exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten con una intensidad algo menor. La contribución de todas las longitudes de onda a la energía radiante emitida se denomina poder emisor del cuerpo, y corresponde a la cantidad de energía emitida por unidad de superficie del cuerpo y por unidad de tiempo. Como puede demostrarse a partir de la ley de Planck, el poder emisor de una superficie es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. H = A.e. σ .T4 

El factor de proporcionalidad (σ ) se denomina constante (de radiación) de StefanBoltzmann. Según la ley de Planck, todas las sustancias emiten energía radiante sólo por tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida. Además de emitir radiación, todas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un cubito de hielo emite energía radiante de forma continua, se funde si se ilumina con una lámpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor mayor de la que emite. Las superficies opacas pueden absorber o reflejar la radiación incidente. Generalmente, las superficies mates y rugosas absorben más calor que las superficies brillantes y pulidas, y las superficies brillantes reflejan más energía radiante que las superficies mates. Además, las sustancias que absorben mucha radiación también son buenos emisores (superficie negra ideal o cuerpo negro ⇒e = 1); las que reflejan mucha radiación y absorben poco son malos emisores (e = 0). Por eso,los utensilios de cocina suelen tener fondos mates para una buena absorción y paredes pulidas para una emisión mínima, con lo que maximizan la transferencia transferencia total de calor al contenido de la cazuela.  Algunas sustancias sustancias,, entre ellas muchos gases y el vidrio, son capaces de transmitir grandes cantidades de radiación. Se observa experimentalmente que las propiedades de absorción,incidente. reflexión yEltransmisión una sustancia dependen de la longitud de de la radiación vidrio, pordeejemplo, transmite grandes cantidades deonda radiación

 

ultravioleta, de baja longitud de onda, pero es un mal transmisor de los rayos infrarrojos, de alta longitud de onda. Una consecuencia consecuencia de la lley ey de Planck es que la longitud de oonda nda a la que un cuerpo emite la cantidad máxima de energía radiante disminuye con la temperatura. La ley de desplazamiento de Wien, que afirma que la longitud de onda que corresponde a la máxima energía, por la temperatura absoluta es igual a una constante, 2.878 multiplicada micrómetros-Kelvin. Este hecho, junto delconcuerpo, las propiedades de transmisión del vidrio antes mencionadas, explica el calentamiento de los invernaderos. La energía radiante del Sol, máxima en las longitudes de onda visibles, se transmite a través del vidrio y entra en el invernadero. En cambio, la energía emitida por los cuerpos del interior del invernadero, predominantemente de longitudes de onda mayores, correspondientes al infrarrojo, no se transmiten al exterior a través del vidrio. Así, aunque la temperatura del aire en el exterior del invernadero sea baja, la temperatura que hay dentro es mucho más alta porque se produce una considerable transferencia de calor neta hacia su interior.  Además de los procesos de transmisión de calor que aumentan o disminuyen las temperaturas de los cuerpos afectados, la transmisión de calor también puede producir cambios de fase, como la fusión del hielo o la ebullición del agua. En ingeniería, los procesos de transferencia de calor suelen diseñarse de forma que aprovechen estos fenómenos. Por ejemplo, las cápsulas espaciales que regresan a la atmósfera de la Tierra a velocidades muy altas están dotadas de un escudo térmico que se funde de forma controlada en un proceso llamado ablación para impedir un sobrecalentamiento del interior de la cápsula. La mayoría del calor producido por el rozamiento con la atmósfera se emplea en fundir el escudo térmico y no en aumentar la temperatura de la cápsula. Efecto invernadero Término que se aplica al papel que desempeña la atmósfera en el calentamiento de la superficie terrestre. La atmósfera es prácticamente transparente a la radiación solar de onda corta, absorbida por la superficie de la Tierra. Gran parte de esta radiación se vuelve a emitir hacia el espacio exterior con una longitud de onda correspondiente a los rayos infrarrojos, pero es reflejada de vuelta por gases como el dióxido de carbono, el metano, el óxido nitroso,los halocarbonos y el ozono, presentes en la atmósfera. Este efecto de calentamiento calentamie nto es la base de las teorías relacionadas con el calentamien calentamiento to global. El contenido en dióxido de carbono de la atmósfera ha venido aumentando un 0,4% cada año como consecuencia del uso de combustibles fósiles como el petróleo, el gas y el carbón; la destrucción de bosques tropicales por el método de cortar y quemar también ha sido un factor relevante que ha influido en el ciclo del carbono. La concentración de otros gases que contribuyen al efecto invernadero, como el metano y los clorofluorocarbonos, está aumentando todavía más rápido. El efecto neto de estos incrementos podría ser un

 

aumento global de la temperatura, estimado en 2 a 6 °C en los próximos 100 años. Un calentamiento de esta magnitud alteraría el clima en todo el mundo, afectaría a las cosechas y haría que el nivel del mar subiera significativamente. De ocurrir esto, millones de personas se verían afectadas por las inundaciones.

 

CALOR El calor es la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de nivel energético. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor nivel energético a una zona de menor nivel energético, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre volumen de los bajo cuerpos se objeto mantenga constante. La energía desde un objetoque deelnivel energético a un de nivel energético alto sinonofluye se realiza trabajo. Q = m.ce.Δ T °  

El calor, igual que el trabajo, corresponde a energía en tránsito (proceso de intercambio de energía), el calor es una transferencia de energía y puede causar los mismos cambios en un cuerpo que el trabajo. La energía mecánica puede convertirse en calor a través del rozamiento, y el trabajo mecánico necesario para producir 1 caloría se conoce como equivalente mecánico mecánico del calor. Según la ley de conservación de la energía, todo el trabajo mecánico realizado para producir calor por rozamiento aparece en forma de energía en los objetos sobre los que se realiza el trabajo. James Prescott Joule fue el primero en demostrarlo de forma fehaciente fehaciente en un experimento clásico: calentó agua en un recipiente cerrado haciendo girar unas ruedas de paletas y halló que el aumento de nivel energético del agua era proporcional al trabajo realizado para mover las ruedas. Cuando el calor se convierte en energía mecánica, como en un motor de combustión interna, la ley de conservación de la energía también es válida. Sin embargo, siempre se pierde o disipa energía en forma de calor porque ningún motor tiene una eficiencia perfecta. Calorímetro Ciencia que mide la cantidad de energía generada en procesos de intercambio de calor. El calorímetro es el instrumento que mide dicha energía. El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de nivel energético se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro (que también puede medirse utilizando una fuente corriente de calor),la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de nivel energético conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir midiéndose según se va enfriando el objeto. El calor latente, que no está relacionado con un cambio de nivel energético, es la energía térmica desprendida o absorbida por una sustancia al cambiar de un estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa. Cuando la fuente de calor es una reacción química, como sucede al quemar un combustible, las sustancias reactivas se

 

colocan en un envase de acero pesado llamado bomba. Esta bomba se introduce en el calorímetro y la reacción se provoca por ignición, con ayuda de una chispa eléctrica. Ley fundamental de la calorimetría Un sistema aislado compuesto por n cuerpos, a diferentes temperaturas, evoluciona espontáneamente hacia un estado de equilibrio en el que todos los cuerpos tienen la misma temperatura. Los calores intercambiados sumados con sus signos dan cero: Σ Qi = 0 

Unidades de calor En físicas, la cantidad de calor se expresa en las mismas unidades que la energía y el trabajo, es decir, en joules (J). La caloría es otra unidad que sirve para medir las cantidades de calor. La caloría pequeña, o caloría-gramo (cal), suele definirse en ciencia e ingeniería como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua de 14,5 a 15,5 °C. A veces se especifica otro intervalo de temperaturas. 1 cal = 4,1840 J En ingeniería se emplea una caloría algo diferente, la caloría internacional, que equivale a 1/860 watt .hora: 1 kcal = 4,1868 J Una caloría grande o kilocaloría (Cal), muchas veces denominada también caloría, es igual a 1.000 calorías-gramo, y se emplea en dietética para indicar el valor energético de los alimentos. Calor latente El cambio de nivel energético de una sustancia conlleva una serie de cambios físicos. Casi todas las sustancias aumentan de volumen al ganar calorías y se contraen al ceder calor. El comportamiento del agua entre 0 y 4 °C constituye una importante excepción a esta regla. Se denomina fase de una sustancia a su estado, que puede ser sólido, líquido o gaseoso. Los cambios de fase en sustancias puras tienen lugar a nivel energético y presiones definidas. El paso de sólido a gas se denomina sublimación, de sólido a líquido fusión, y de líquido a vapor vaporización. Calor latente

 

Si la presión es constante (isobárico), estos procesos tienen lugar a una nivel energético constante. La cantidad de calor necesaria para producir un cambio de fase se llama calor latente; existen calores latentes de sublimación, fusión y vaporización. Si se hierve agua en un recipiente abierto a la presión de 1 atmósfera, la temperatura no aumenta por encima de los 100 °C por mucho calor que se suministre. El calor que se absorbe sintransformar cambiar la temperatura del agua el calorcomo latente; no seen pierde, sinoCuando que se emplea en el agua en vapor y se es almacena energía el vapor. el vapor se condensa para formar agua, esta energía vuelve a liberarse. Del mismo modo, si se calienta una mezcla de hielo y agua, su nivel energético no cambia hasta que se funde todo el hielo. El calor latente absorbido se emplea para vencer las fuerzas que mantienen unidas las partículas de hielo, y se almacena como energía en el agua. Para fundir de hielo se necesitan: C lf = 19.000 J/kg y para vaporizar agua: C lv =129.000 J/kg c La cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia se conoce como calor específico. En el Sistema Internacional de unidades, el calor específico se expresa en joules por kilogramo y kelvin; [Ce] = J/kg.°K En ocasiones también se expresa en calorías por gramo y grado centígrado. [Ce] = cal/g.°C El calor específico del agua es una caloría por gramo y grado centígrado, es decir, hay que suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su nivel energético en un grado centígrado. El calor específico del agua a 15 °C es: ce agua = 4.185,5 J/kg.°C Si el calentamiento se produce manteniendo constante el volumen de la sustancia o su presión, se habla de calor específico a volumen constante (cv) o a presión constante (cp). En todas las sustancias, el primero siempre es menor o igual que el segundo. En el caso del agua y de otras sustancias prácticamente incompresibles, no es necesario distinguir entre los calores iguales. específicos a volumen constante y presión constante ya que son aproximadamente

 

cv = cp De acuerdo con la ley de Dulong y Petit, para la mayoría de los elementos sólidos, el producto de su calor específico por su masa atómica es una cantidad aproximadamente constante. Si se expande un gas mientras se le suministra calor, hacen falta más calorías para aumentar su nivel energético en un grado, porque parte de la energía suministrada se consume el trabajo de expansión. Por eso, el calor específico a presión constante es mayor que elencalor específico a volumen constante. Generalmente, Generalme nte, los dos calores específicos de una sustancia dependen del nivel energético.

 

TERMODINÁMICA Energía calorífica:  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 consumie consumiendo ndo calor, por ejemplo, en las maquinas de calor. Otras formas de energía: eléctrica. La eléctrica.  La corriente eléctrica es uno de los numerosos fenómenos quemotores pueden yproducir trabajo mecánico o calor.electromagnéticos La primera transformación se realiza en los la inversa de los generadores de corriente (dínamos, alternadores). En 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 desprendimien Química: Las desprendimiento to de calor, según los casos. La combustión, que es la combinación del oxígeno del cuerpo combustible o con los elementos que lo integran, revelan que una muestra de carbón y oxigeno contiene energía química  potencial,  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 acumula acumuladores. dores. 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 Radiante: la 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 es mecánica en el caso de la triboluminiscencia. triboluminisc encia. Lalaruptura de ciertos que se que producen por ejemplo al machacar azúcar provoca aparición de luz.cristales En la electroluminiscencia, la energía eléctrica se transforma directamente en luz sin que pase por la forma calorífica intermedi intermedia. a. Así acorde en los tubos de gas rarificado como el neón y los vapores de sodio y mercurio. En la quimiluminiscencia, algunas reacciones químicas, como la oxidación lenta del fósforo blanco en contacto del aire, 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  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 prácticas, 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 almacena da se emplea para sintetizar los alimentos hidrocarbonados. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Permítase que un sistema cambie de un estado inicial de equilibrio i, a un estado final de equilibrio f , en un camino determinado, siendo Q el calor absorbido por el sistema y W el trabajo hecho por el sistema. Después calculamos el valor de Q - W. A continuación cambiamos el sistema desde el mismo estado i  hasta el estado final f , pero en esta ocasión por un camino diferente. Lo hacemos esto una y otra vez, usando diferentes caminos en cada caso. Encontramos que en todos los intentos Q - W es la misma. Esto es, aunque Q y W separadamente dependen del camino tomado, Q - W no depende, en lo absoluto, de cómo pasamos el sistema del estado i al estado f , sino solo de los estados inicial y final (de equilibrio).

 

Del estudio de la mecánica recordará, que cuando un objeto se mueve de un punto inicial i a otro final, f  en  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 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, experimentalm ente, que cuando en un sistema ha cambiado su estado i al f , la cantidad Q - W dependen W 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 Q - W en el proceso. A esta función le llamamos función de la energía interna . Representemos la función de la energía interna por la letra U. Entonces la energía interna del sistema en el estado f, U ff ,  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 i al estado f: Tenemos entonces que: U ff -  U ii   = ΔU = Q - W   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, termodinámica , al aplicarla debemos recordar que Q se considera positiva cuando el calor entra al sistema y que W será positivo cuando el trabajo lo hace el sistema.  A la función interna U, 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 material: su se constitución, presión, temperatura La primera ley dedella termodinámica, convierte entonces en un enunciado dey lavolumen. ley de la conservación de la energía para los sistemas termodinámicos. La energía total de un sistema de partículas (U ( U), 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 Q sea positiva cuando el calor entra al sistema y que W sea positivo cuando la energía sale  del  del sistema como trabajo. Se llegó a esta convención, porque fue el estudio de las máquinas 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 cantidades de interés.

 

Si nuestro sistema sólo sufre un cambio infinitesimal en su estado, se absorbe nada más una cantidad infinitesimal de calor dQ  y se hace solo una cantidad infinitesi infinitesimal mal de trabajo dW , de tal manera que el cambio de energía interna dU  también   también es infinitesimal.  Aunque dW   yy dQ  no son diferencias verdaderas, podemos escribir la primera ley diferencial en la forma: dU = dQ - dW . Podemos expresar

la

primera

ley

en

palabras

diciendo:

Todo sistema termodinámico en un estado de equilibrio, tiene una variable de estado llamada energía interna U  cuyo   cuyo cambio dU   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 está 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 suaplicar estadolafinal (equilibrio), no son ellos de equilibrio. Por ejemplo podemos ley de la termodinámica a la mismos explosiónestados 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 ineficientes. 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 descargando en el escape de una máquina a baja temperatura, sin que pueda convertirse en energía mecánica mecánica.abundante, . Sigue siendo unaelesperanza diseñar una máquina que pueda tomar calor de un depósito como océano y convertirlo íntegramente en un trabajo útil. Entonces no sería 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 termodinámica en energía mecánica, conservándose la energía total del proceso. En el refrigerador simplemente simplemen te se transmitiría la eenergía nergía 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 hacen destacar un aspecto de ella, pero se puede demostrar que son equivalentes entre sí. Rudolf 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 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" formaráel una máquinaSi térmica que infringe el enunciado de Kelvin-Planck. O podemos invertir argumento. 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 puede anular el efecto de un proceso irreversible, sin provocar otro cambio correspondiente en otra parte. TERCERA LEY DE LA TERMODINAMICA 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 32°F. Sobre la base de las observaciones hechas por Walther Nernst y por otros, Planck estableció la tercera ley de la termodinámica en 1912, 1912, así: La entropía de todos los sólidos cristalinos perfectos es cero a la temperatura de cero absoluto.

Un cristal "perfecto" es aquel que está en equilibrio termodinámica. En consecuencia, comúnmente comúnmen te 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 el calculo de las entropías absolutas de las sustancias, las cuales pueden utilizarse en las ecuaciones apropiadas para determinar la dirección d irección de las reacciones químicas.

 

Una interpretación estadística de la tercera ley es más bien sencilla, puesto que la entropía se ha definido como: S = k.ln Ω  

En donde k es la constante de Boltzmann Ω  es  es la probabilidad termodinámica. En vista de la anterior disertación, la tercera ley equivale a establecer que: Ω

1  cuando  cuando T

→

 0 .

→

Esto significa que sólo existe una forma de ocurrencia del estado de energía mínima para una sustancia que obedezca la tercera t ercera 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. Entropía La entropía, como todas las variables de estado, depende sólo de los estados del sistema, y debemos estar preparados para calcular el cambio en la entropía de procesos irreversibles, conociendo sólo los estados de principio y al fin. Consideraremos dos ejemplos: 1- Dilatación libre:  libre:  Dupliquemos el volumen de un gas, haciendo que se dilate en un recipiente vacío, puesto que no se efectúa reacción alguna contra el vacío, W = 0 y, 0 y, como el gas se encuentra encerrado entre paredes no conductoras, Q = 0. 0. Por la primera ley se entiende que ΔU = 0 o: Ui = Uf   donde i y f  se refieren a los estados inicial y final (de equilibrio). Si el gas es ideal, U  depende únicamente de la temperatura y no de la presión o el volumen, y la ecuación Ui = Uf  implica  implica que T ii   =  = T ff .  En realidad, la dilatación libre es irreversible, perdemos el control del medio ambiente una vez que abrimos la llave. Hay sin embargo, una diferencia de entropía S f f   -- S ii  , entre los estados de equilibrio inicial y final, pero no podemos calcularla con la ecuación , porque esta relación se aplica únicamente a trayectorias reversibles; si tratamos de usar la ecuación, tendremos inmediatam inmediatamente ente la facultad de que Q para la dilatación libre - no sabremos cómo dar valores significativos de T en=los0 estados intermedios que- además no son de equilibrio.

 

Entonces, ¿Cómo calcularemos S ff -  S ii  para estos estados?, lo haremos determinando una   trayectoria reversible (cualquier trayectoria reversible) que conecte los estados i y f, para así calcular el cambio de entropía de la trayectoria. En la dilatación libre, un trayecto reversible conveniente (suponiendo que se trate de un gas ideal) es una dilatación 2 V ii ). isotérmica de V I I  a V ff  (=   Esto corresponde a la dilatación isotérmica que se lleva a   cabo entre los puntos a y b  del  del ciclo del Carnot. Esto representa un grupo de operaciones muy diferentes de la dilatación libre y tienen en común la única condición de que conectan el mismo grupo de estados de equilibrio, i y f. De la ecuación

y el ejemplo 1 tenemos.

Esto es positivo, de tal manera que la entropía del sistema aumenta en este proceso adiabático irreversible. Nótese que la dilatación libre es un proceso que, en la naturaleza se desarrolla por sí mismo una vez iniciado. Realmente no podemos concebir lo opuesto, una compresión libremanera en la que gas que en la unmitad recipiente aislado seque comprima en forma espontánea de tal queelocupe solo del volumen tiene disponible libremente. Toda nuestra experiencia nos dice que el primer proceso es inevitable y virtualmente, no se puede concebir el segundo. 2.- Transmisión irreversible de calor . Como otro ejemplo, considérense dos cuerpos que son semejantes en todo, excepto que uno se encuentra a una temperatura T H  H  y el otro a la temperatura T CC ,  donde T HH >   T  C C .  Si ponemos ambos objetos en contacto dentro de una caja con paredes no conductoras, eventualmente llegan a la temperatura común T mm ,  con un valor entre T HH  y   T  C C ;   como la dilatación libre, el proceso es irreversible, por que perdemos el control del medio ambiente, una vez que colocamos los dos cuerpos en la caja. Como la dilatación libre, este proceso también es adiabático (irreversible), porque no entra o sale calor en el sistema durante el proceso. Para calcular el cambio de entropía para el sistema durante este proceso, de nuevo debemos encontrar un proceso reversible que conecte los mismos estados inicial y final y calcular el cambio de entropía, aplicando la ecuación al proceso. Podemos hacerlo, si imaginamos que tenemos a nuestra disposición un depósito de calor de gran capacidad calorífica, cuya temperatura T este bajo nuestro control, digamos, haciendo girar una perilla. Primero ajustamos, la temperatura del depósito a T H a T mm ,  quitando calor al cuerpo caliente al mismo tiempo. En este proceso el cuerpo caliente pierde entropía, siendo el cambio de esta magnitud Δ S H   = -Q/T 1 1 . H  =  Aquí T 1 1  es una temperatura adecuada escogida entre T H  H  y T m m  y   Q es el calor extraído.

 

En seguida ajustamos la temperatura de nuestro depósito a T cc  y   lo colocamos en contacto con el segundo cuerpo (el más frío). A continuación elevamos lentamente (reversiblemente) la temperatura del depósito de T cc a  T mm ,  cediendo calor al cuerpo frío mientras lo hacemos. El cuerpo frío gana entropía en este proceso, siendo su cambio  Δ S CC   =  = Q/T 22 .  T 2  es una temperatura adecuada, escogida para que quede entre T c y T m  y Q es el  Aquí calor agregado. El calor Q agregado al cuerpo frío es igual al Q extraído del cuerpo caliente.

Los dos cuerpos se encuentran ahora en la misma temperatura T mm    y el sistema se encuentra en el estado de equilibrio final. El cambio de entropía para el sistema completo es: Sf - Si =Δ SH + Δ SC = -Q/T1 + Q/T2  Como T 1 1 >T 2 2,  tenemos S ff  >S    ii .  De nuevo, como para la dilatación libre, la entropía del sistema aumenta en este proceso reversible y adiabático. Nótese que, como la dilatación libre, nuestro ejemplo de la conducción del calor es un proceso que en la naturaleza se desarrolla por sí mismo una vez que se ha iniciado. En realidad no podemos concebir el proceso opuesto, en el cual, por ejemplo, una varilla de metal en equilibrio térmico a la temperatura del cuarto espontáneamente se ajuste de tal manera, que un extremo quede más caliente y en el otro más frío. De nuevo, la naturaleza tiene la preferencia irresistible para que el proceso se efectúe en una dirección determinada y no en la opuesta. En cada uno de estos ejemplos, debemos distinguir cuidadosamente el proceso real (irreversible) (dilatación libre o transmisión del calor) y el proceso reversible que se introdujo, para que se pudiera calcular el cambio de entropía en el proceso real. Podemos cualquier reversible, mientras conecte los mismos estados inicial y final queescoger el proceso real; proceso todos estos procesos reversibles llevarán al mismo cambio de entropía porque ella depende sólo los estados inicial y final y no de los procesos que los conectan, tanto si son reversibles como si son irr irreversibles eversibles.. Calor y Temperatura Mediante el contacto de la epidermis con un objeto se perciben sensaciones de frío o de calor, siendo está muy caliente. Los conceptos de calor y frío son totalmente relativos y sólo se pueden establecer con la relación a un cuerpo de referencia como, por ejemplo, la mano del hombre. Lo que se percibe con más precisión es la temperatura del objeto o, más exactamente todavía, la diferencia entre la temperatura del mismo y la de la mano que la toca. Ahora bien, aunque la sensación experimentada sea tanto más intensa cuanto más elevada sea

 

la temperatura, se trata sólo una apreciación muy poco exacta que no puede considerarse como medida de temperatura. Para efectuar esta última se utilizan otras propiedades del calor, como la dilatación, cuyos efectos son susceptibles. Con muy pocas excepciones todos los cuerpos aumentan de volumen al calentarse y disminuyen cuando se enfrían. En caso de los sólidos, el volumen suele incrementarse en todas las direcciones se puede observar este fenómeno en una de ellas con experiencia del pirómetro del cuadrante . El, pirómetro del cuadrante consta de una barra metálica apoyada en dos soportes, uno de los cuales se fija con un tornillo, mientras que el otro puede deslizarse y empujar una palanca acodada terminada por una aguja que recorre un cuadrante o escala cuadrada. Cuando, mediante un mechero, se calienta fuertemente la barra, está se dilata y el valor del alargamiento, ampliado por la palanca, aparece en el cuadrante. Otro experimento igualmente característico es el llamado del anillo de Gravesande . Este aparato se compone de un soporte del que cuelga una esfera metálica cuyo diámetro es ligeramente inferior al de un anillo el mismo metal por el cual puede pasar cuando las dos piezas están ordinaria, a l a misma temperatura. Si se calienta la esfera dejandopuede el anillo a laa temperatura aquella se dilata y no pasa por el anillo; en cambio volver hacerlo una vez enfriada o en el caso en que se hayan calentando simultáneamente simultáneamente y a la misma temperatura la esfera y el anillo. La dilatación es, por consiguiente, una primera propiedad térmica de los cuerpos, que permite llegar a la noción de la temperatura. La segunda magnitud fundamental es la cantidad de calor  que  que se supone reciben o ceden los cuerpos al calentarse o al enfriarse, respectivamente. La cantidad de calor que hay que proporcionar a un cuerpo para que su temperatura aumente en un número de unidades determinado es tanto mayor cuanto más elevada es la masa de dicho cuerpo y es proporcional a lo que se denomina calor especifico  de   de la sustancia de que está constituido. Cuando se calienta un cuerpo en uno de sus puntos, el calor se propaga a los que son próximos y la diferencia de temperatura entre el punto calentado directamente y otro situado a cierta distancia es tanto menor cuando mejor conducto del calor es dicho cuerpo. Si la conductibilidadntérmica  de un cuerpo es pequeña, la transmisión del calor se manifiesta por un descenso rápido de la temperatura entre el punto calentado y otro próximo. Así sucede con el vidrio, la porcelana, el caucho, etc. En el caso contrario, por ejemplo con metales como el cobre y la plata, la conductibilidad térmica es muy grande y la disminución de temperatura entre un punto calentado y el otro próximo es muy reducida.

 

Se desprende de lo anterior que el estudio del calor sólo puede hacerse después de haber definido de una manera exacta los dos términos relativos al propio calor, es decir, la temperatura, que se expresa en grados , y la cantidad de calor, que se expresa en calorías . Habrá que definir después algunas propiedades específicas de los cuerpos en su manera de comportarse con respecto al calor y la conductibilidad térmica. 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 °C), 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 T crepresente la escala de temperatura, entonces: T c  = T - 273.15°

Relaciona la temperatura Celsius T cc  (°C) y la temperatura Kelvin T(K). Vemos que el punto triple del agua (= 273.16 K por definición), corresponde a 0.01°C. La escala Celsius se definió de 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 °C y la temperatura a la que el vapor y el agua líquida, están en equilibrio a 1 atm de presión el llamado punto del vapor- es de 100.00 °C. 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: TF = 32 + 9.TC/5 De esta relación podemos concluir que el punto del hielo (0.00°C) es igual a 32.0 °F, y que el punto del vapor (100.0°C) es igual a 212.0 °F, y que un grado Fahrenheit es exactamente igual 5/9 del tamaño de un grado Celsius. TEORIA CINETICA DE LOS GASES La termodinámica se ocupa solo de variables microscópicas, como la presión, la temperatura y el volumen. Sus leyes básicas, expresadas en términos de dichas cantidades, no se ocupan para nada de que la materia está formada por átomos. Sin embargo, la mecánica estadística , que estudia las mismas áreas de la ciencia que la termodinámica, presupone la existencia de los átomos. Sus leyes básicas son las leyes de la mecánica, las que se aplican en los átomos que forman el sistema.

 

No existe una computadora electrónica que pueda resolver el problema de aplicar las leyes de la mecánica individualmente a todos los átomos que se encuentran en una botella de oxígeno, por ejemplo. Aun si el problema pudiera resolverse, los resultados de estos cálculos serian demasiados voluminosos para ser útiles.  Afortunadamente, no son importantes las historias individuales detalladas de los átomos que aplicamos hay en un las gas,leyes si sólo de determinar d eterminar el comportamiento microscópico microsc ópico del gas.  Así, dese la trata mecánica estadísticamente con lo que nos damos cuenta de que podemos expresar todas las variables termodinámicas como promedios adecuados de las propiedades atómicas. Por ejemplo, la presión ejercida por un gas sobre las paredes de un recipiente es la rapidez media, por unidad de área, a la que los átomos de gas transmiten ímpetu a la pared, mientras chocan con ella. En realidad el número de átomos en un sistema microscópico, casi siempre es tan grande, que estos promedios definen perfectamente las cantidades. Podemos aplicar las leyes de la mecánica estadísticamente a grupos de átomos en dos niveles diferentes. Al nivel llamado teoría cinética , en el que procederemos en una forma más física, usando para promediar técnicas matemáticas bastantes simples. En otro nivel, podemos aplicar las leyes de la mecánica usando técnicas que son más formales y abstractas que las de la teoría cinética. Este enfoque desarrollado por Josiah Willard Gibbs (1839-1903) y por Ludwig Boltzmann (1844-1906)entre otros, se llama mecánica estadística, un termino que incluye a la teoría cinética como una de sus ramas. Usando estos métodos podemos derivar las leyes de la termodinámica, estableciendo a esta ciencia como una rama de la mecánica. El florecimiento pleno de la mecánica estadística (estadística cuántica), que comprende la aplicación estadística de las leyes de la mecánica cuántica, más que las de la mecánica clásica para sistemas de muchos átomos. Gas ideal: Una descripción macroscópica Hagamos que cierta cantidad de gas esté confinada en un recipiente del volumen V. Es claro que podemos reducir su densidad, retirando algo de gas en el recipiente, o colocando el gas en un recipiente más grande. Encontramos experimentalmente que a densidades lo bastante pequeñas, todos los gases tienden a mostrar ciertas relaciones simples entre las variables termodinámicas p, V y T. Esto sugiere el concepto de un gas ideal , uno que tendrá el mismo comportamiento simple, bajo todas las condiciones de temperatura y presión. Dado cualquier gas en un estado de equilibrio térmico, podemos medir su presión p, su temperatura T y su volumen V. Para valores suficientes pequeños la densidad, los experimentos demuestran que (1) para una masa dada de gas que se mantiene a temperatura constante, la presión inversamente proporcional volumen el (leyvolumen de Boyle), y (2) para una masa dada de gasesque se mantiene a presión al constante, es

 

directamente proporcional a la temperatura (ley de Charles y Gay Lussac). Podemos resumir estos resultados experimentales por medio de la relación: p.V/T  =  = una constante (para una masa fija de d e gas).

El volumen ocupado por un gas a una presión y temperaturas dadas, es proporcional a la masa del gas. Así, la constante de la ecuación p.V/T  =   = una constante, también debe ser proporcional a la masa del gas, por ello escribimos la constante de la ecuación p.V/T  =una  =una constante; como nR , donde n es el número de moles de gas en la muestra y R es una constante que debe determinarse en forma experimental para cada gas. Los experimentos demuestran que, a densidades suficientes pequeñas, pequeñas, R tiene t iene el mismo valor para todos los gases, a saber, R = 8.314 J/mol K = 1.986 cal/mol K

R se llama la constante universal de los gases . Con esto escribimos la ecuación p.V/T   = = una constante, en la forma: p.V = n.R.T,

y definimos a un gas ideal, como aquel que obedece esta relación bajo todas las condiciones. No existe algo que sea en verdad un gas ideal, pero sigue siendo concepto muy útil y sencillo, relacionado realmente, con el hecho que todos los gases reales se aproximan a la abstracción de los gases ideales en su comportamiento, siempre que la densidad sea suficientemente pequeña. p.V = n.R.T  se   se llama ecuación de estado  de   de un gas ideal. Si pudiéramos llenar al bulbo de un termómetro de gas (ideal) a volumen constante, un gas ideal, de veríamos, de acuerdo con la ecuación p.V = n.R.T , que podemos definir la temperatura en términos de sus lecturas de presión; esto es: T = (P/P   tr   ).273, 16 k  (gas  (gas tr  ideal).  Aquí P   tr   es la presión del gas en el punto triple del agua, en el que la temperatura P   tr   es tr  es tr  es por definición 273.16 K. En la práctica, debemos llenar nuestro termómetro con un gas real y medir la temperatura extrapolando a la densidad cero, usando la ecuación: T = [lim(P/P   tr   )].273, 16 k  (gas  (gas real). tr  Gas ideal: una descripció descripción n microscópica Desde el punto de vista microscópico, definimos a un gas ideal haciendo las siguientes suposiciones, con lo que nuestra tarea será la de aplicar las leyes de la mecánica clásica, estadísticamente, estadísticame nte, a los átomos del gas y demostrar que nuestra definición microscópica es consecuente consecuen te con la definición macroscópica de la sección procedente:

 

1- Un gas está formado por partículas llamadas moléculas. moléculas . Dependiendo del gas, cada molécula está formada por un átomo o un grupo de átomos. Si el gas es un elemento o un compuesto en su estado estable, consideramos que todas sus moléculas son idénticas. 2- Las moléculas se encuentran animadas de movimiento aleatorio y obedecen las leyes de Newton del movimiento. movimiento. Las moléculas se mueven en todas direcciones y a velocidades diferentes. Al calcular las propiedades del movimiento suponemos que la mecánica newtoniana newtoniana se puede aplicar en el nivel microscópico. Como para todas nuestras suposiciones, esta mantendrá o desechara, dependiendo de si los hechos experimentales indican o no que nuestras predicciones son correctas. 3- El número total de moléculas es grande. grande . La dirección y la rapidez del movimiento de cualquiera de las moléculas pueden cambiar bruscamente en los choques con las paredes o con otras moléculas. Cualquiera de las moléculas en particular, seguirá una trayectoria de zigzag, debido a dichos choques. Sin embargo, como hay muchas moléculas, suponemos que el gran número de choques resultante mantiene una distribución total de las velocidades molecula moleculares res con un movimiento promedio aleatorio, 4- El volumen de las moléculas es una fracción despreciablemente pequeña del volumen ocupado por el gas. gas. Aunque hay muchas moléculas, son extremadamente pequeñas. Sabemos que el volumen ocupado por una gas se puede cambiar en un margen muy amplio, con poca dificultad y que, cuando un gas se condensa, el volumen ocupado por el líquido puede ser miles de veces menor que la del gas se condensa, el volumen ocupado por el líquido puede ser miles de veces menor que el del gas. De aquí que nuestra suposición es posible. 5- No actúan fuerzas apreciables sobre las moléculas, excepto durante los choques.. En el grado de que esto sea cierto, una molécula se moverá con velocidad choques uniforme entre los choques. Como hemos supuesto que las moléculas son tan pequeñas, la distancia media entre ellas es grande en comparación con el tamaño de una de las moléculas. De aquí que suponemos que el alcance de las fuerzas moleculares es comparable al tamaño molecular. 6- Los choques son elásticos y de duración despreciable. despreciable. En las choques entre las moléculas con las paredes del recipiente se conserva el ímpetu y (suponemos)la energía cinética. Debido a que el tiempo de choque es despreciable comparado con el tiempo que transcurre entre los choque de moléculas, la energía cinética que se convierte en energía potencial durante el choque, queda disponible de nuevo como energía cinética, después de un tiempo tan corto, que podemos ignorar este cambio por completo. Leyes de los gases: Todas las masas gaseosas experimentan variaciones de presión, volumen y temperatura que se rigen por las siguientes leyes:

 

Primera ley (Boyle-Mariotte) (Boyle-Mariotte)

Los volúmenes ocupados por una misma masa gaseosa conservándose su temperatura constante, son inversamente proporcionales a la presión que soporta. Formula

interpretación

 V = volumen inicial  V´ = volumen final  V.P = V´. V´.P´ P´ P = presión inicial P´ = Presión final Segunda ley (Gay Lussac) Cuando se calienta un gas, el volumen aumenta 1/273 parte de su valor primitivo, siempre que la presión no varíe. Temperatura y volumen son directamente proporcionales. Formula

interpretación

 V.T´ = V´.T V´.T

 V == volumen  V´ volumen inicial final T = temperatura inicial T´ = temperatura final

Tercera ley (Charles) La presión ejercida por una masa gaseosa es directamente proporcional a su temperatura absoluta, siempre que el volumen sea constante. Formula

interpretación P

=

presión

inicial

P.T´ = P´.T P´ presión inicial final T = = temperatura T´ = temperatura final Ecuación general del estado gaseoso En una masa gaseosa los volúmenes y las presiones son directamente proporcionales a sus temperaturas absolutas e inversamente proporcionales entre sí. Formula

Interpretación

P = P´ = Despejando presión P.V/T = P´.V´/T´ P = P´.V´.T / V.T´ (b) (c) V =  V´ = P.V.T´ = P´.V´.T (a)

presión inicial presión final volumen final volumen final

 

P´ = P.V.T´/ V´.T (d) T´ = temperatura final T = temperatura final "EL MISTERIO DE El NIÑO  CAMBIA  CAMBIA AL MUNDO " SUS EFECTOS, PREVISIBLES HASTA 1988.

Pescadores peruanos y ecuatorianos fueron los primeros en percatarse de un fenómeno climático que ocurría con alguna regularidad, lo llamaron El niño  pues   pues se presentaba en vísperas de Navidad y lo asociaban con la llegada del niño Jesús. Posteriormente llamó la atención de los científicos científicos,, quienes comenzaron a estudiarlo. Durante 1997 el fenómeno ha causado severos cambios en el clima de todo el mundo. Según la Administración Nacional Oceanográfica y Atmosférica (NOAA, por sus siglas en ingles) en el continente americano provocara "inusuales alteraciones del clima", que se presentaran de noviembre de 1997 a marzo de 1998; las observaciones satelitales el aumento de la temperatura del Pacifico ecuatorial.  Ants Leetmaa, director del Centro de Predicciones Climáticas de la NOAA, menciono algunas de estas inusuales modificaciones: monzones en el sudeste de Asia e India; sequías en Estados Unidos, sudeste de África, Australia y el noreste de Brasil; fuertes tormentas en el Océano Pacifico e inundaciones en Perú, Ecuador, Centroamericana y el sur de Estados Unidos. Por su parte, investigadores del Centro de Predicción Ambiental Marítima de China informaron que el fenómeno meteorológico será el más fuerte de este siglo y sus efectos se agudizaran a finales del año. Son Xuejia, director del centro, advirtió: "En estos momentos la fuerza de esta alteración natural es igual a la de 1982, pero se espera que se fortalezca aún más a finales de 1997". Dice que el mar ha registrado movimientos violentos y la alteración de las temperaturas atmosféricas indica que durante este año El niño  se presentara con tal fuera que probablemente será catalogado como el peor del siglo. EL NIÑO DEL SIGLO Desde que se estudia, uno de los peores fenómenos que se ha presentado es el de 19821983, cuando provoco inundaciones en Perú, lluvias torrenciales en el sur de California y benefició con un invierno anormal a una parte de Estados Unidos. En lo que fue su último gran golpe, el meteoro causo graves sequías en Indonesia, África y Australia; persistentes lluvias en América, además de severas inundaciones y deslizamientos. En este periodo, ocasiono más de 2 mil muertes en el mundo y de los materiales por 13 mil millones de dólares. Por ahora, los pronósticos señalan que el fenómeno seguirá fortaleciéndose, pasara por su máxima intensidad hacia finales de este año y se prolongara en su fase de debilitamiento en los primeros meses del año. ¿QUÉ ES EL NIÑO?

 

Es una masa de agua con una temperatura por arriba de lo normal y se asocia con los tifones, inundaciones, sequías terrestres y toda clase de cambios climáticos. Se desplaza desde las costas de Indonesia por la línea ecuatorial, hasta las costas del pacifico sudamericano en el verano del Hemisferio Sur; al suceder esto, las aguas costeras de Perú, Ecuador y del norte de Chile se elevan algunos grados por encima del promedio. Este fenómeno que se genera con intervalos de dos a siete años se caracteriza porque la superficie del mar y la atmósfera sobre él presentan una condición anormal durante un periodo de 12 a 18 meses, que decae cuando no hay suficiente agua cálida para sostener el ciclo. El Ingeniero Carlos Espinosa González, gerente del Sistema Meteorológico Nacional (SMN), explico que el meteoro se inicia durante el verano, se propaga hacia el este y alcanza su etapa de madurez en el invierno del Hemisferio Norte. El niño   se origina en el Océano Pacifico tropical, cerca de Australia e Indonesia, donde aumenta la temperatura de las aguas superficiales. superficiales. Este máximo de temperatura se desplaza gradualmen gradualmente te hacia el este y alrededor de seis meses después, alcanza la costa de América del Sur, en el extremo este del Pacifico. El desplazamiento del máximo de temperatura va acompañado de un enfriamiento relativo en el Océano Pacifico Occidental, cerca de Asia. Mientras esto sucede en el océano, en la atmósfera, se altera el patrón de la presión atmosférica, la cual baja en el este del Pacifico y sube en el oeste. A la aparición y desplazamiento del máximo de temperatura se le ha nombrado "episodio cálido" y al sube y baja de la presión, oscilación del sur. En tanto, los científicos lo llamaron ENOS (El niño, Oscilación del Sur)  y   y lo definen como alteraciones de los patrones de circulación del océano y la atmósfera. Durante ENOS  se  se altera la presión atmosférica en zonas distintas entre sí, cambia la dirección y velocidad del viento y se desplazan las zonas de lluvia de la región tropical. En el océano, la contracorriente ecuatorial, que dirige las aguas frías de la corriente del Perú hacia el oeste, se debilita, favoreciendo el transporte de aguas cálidas hacia la costa de América del Sur. Los cambios climáticos que acompañan a El niño  son:  son: - Sube la presión atmosférica en el Pacifico, a la altura del Ecuador sobre el oeste. - Los vientos predominan p redominantes tes se debilitan y revierten su dirección normal. - El agua oceánica fluye a mayor temperatura hacia el Ecuador. Se producen fuertes lluvias en el Pacifico Central y este, a la altura del Ecuador. Lo contrario a este fenómeno es La niña  o  o fase fría de ENOS . En este caso las aguas son más frías de lo normal en el Pacifico tropical del este, a la altura de las costas de Sudamérica.

 

Cuando se presenta en territorio nacional, los veranos son lluviosos, el invierno es tibio y la actividad de huracanes aumenta principalmente en el Golfo de México y en el Océano  Atlántico. No se sabe cuándo será el año de La niña ; por lo pronto, hasta los primeros meses de 1998, El niño  seguirá  seguirá modificando los patrones del clima del mundo. Estos fenómenos no se pueden presentar al mismo tiempo y tampoco es factible predecir cuándo volverá a darse cualquiera de los dos. LA LLEGADA DE EL NIÑO Se ha presentado 17 veces desde 1925. Entre lo mas recordados esta el de 1953, pero al de este año es al que se ha considera como el más intenso. Los científicos atribuyen a varias causas naturales su aparición. Daniel Walter, investigador de la Universidad de Hawai, asocia el fenómeno con la actividad que ocurre con el lecho del océano, dice que hay una conexión entre los terremotos bajo el mar y la incidencia de El niño . En su opinión, la aparición del fenómeno coincidió con sismos en el East Pacific Rise, una cadena montañosa ubicada en el océano. La temperatura volcánica llegaba a la superficie del este y calentaba el agua y el aire de la zona, desencadenando las anormalidades que lo caracterizan. Por su parte, John Toole, oceanógrafo de Massachusetts, explica que el problema lo provocan el océano y la atmósfera. "La principal causa esta en el primero, que es muy ancho para dar una respuesta uniforme a la acción de la radiación solar". En la actualidad los investigadores vinculan más estrechamente la ocurrencia de El niño  con   con cambios en la presión atmosférica y en la dirección de los vientos en la zona ecuatorial. Carlos Espinosa lo define como una combinación de interacciones entre el océano y la atmósfera, pero advierte que "no se conocen las causas que originan el desarrollo del fenómeno y no se puede pronosticar. Se sabe que apareció cuando el agua del océano se calentó más de lo normal y predominaron los vientos de oeste a este. ¿Qué es un coloide? Es un sistema en el cual las partículas de una sustancia pueden hallarse en suspensión en un líquido -sin tender a acumularse en la superficie ni en el fondo - merced a un equilibrio llamado estado coloidal (sustancia cuyas partículas tienen propiedades coloidales). Las partículas de todas las substancias coloidales se hayan cargadas eléctricamente y no pueden atravesar dichas membranas. Las partículas coloidales (micelas) se emulsionan en el seno del líquido y dan una seudo solución (sol) cuya estabilidad depende de la viscosidad y tensión superficial del solvente y de la carga eléctrica de las micelas. Esta carga puede ser negativa o positiva - según la

 

sustancia de que se trate - paro siempre del mismo signo para todas las micelas. Por consiguiente, consiguien te, estas se repelen y no pueden aglomerarse. Una parte de los tejidos vegetales y animales son de naturaleza coloidal. Además, los coloides constituyen el punto de partida de importantes procesos industriales, cuales son la fabricación del caucho, de la seda artificial, del celuloide y otras materias. La suspensión de partículas liquidas en un medio gaseoso es aerosol. ¿Qué es el ozono? El ozono está formado por los efluvios eléctricos, se encuentra en pequeñas cantidades en la baja atmósfera, pero existe también en las capas más elevadas donde es engendrado por las radiaciones solares ultravioleta. Gas de la formula O3 que no es sino una variedad de oxigeno cuyas moléculas constan de tres átomos en vez de los que tiene la molécula de oxigeno ordinario. Si el ozono contenido en la atmósfera se hallara en el suelo, a la temperatura y presión normales, una capa orden de 2, parte 5 mm  de  de de espesor. En realidad, r ealidad, casientre todo15 estey ozono estáformaría concentrado en del la ozonósfera, la estratosfera situada 40 km . Allí se produce, al ser disociadas las moléculas de oxigeno del aire por los rayos ultravioletas de origen solar y también por los electrones libres y las radiaciones libres y las radiaciones cósmicas. El ozono detiene así a todos los rayos ultravioletas solares de la longitud de onda inferior a 2900 angstrom, cuya circunstancia se debe - dado las referidas radiaciones son mortales, tanto para los animales como para las plantas - la existencia de vida en nuestro planeta. Presión atmosférica en relación al medio ambiente El aire atmosférico ejerce sobre toda pared sólida en la que se encuentra sumergido una presión perpendicular, que se denomina presión atmosférica , cuyo valor es aproximadamente de un kilogramo por centímetro cuadrado. La presión atmosférica es la que ejerce la atmósfera sobre todos los objetos que se hallan en contacto con ella y que no es sino la manifestación del peso del aire. Una columna de aire cuya base mida 1 cm² y cuya altura sea la de la atmósfera, pesa 1003 g y equilibra el peso de la columna de mercurio de igual diámetro y de 76 cm  de  de altura o una de agua de 10, 33 m, equivalentes a 1013 milibares. Dichos valores se refieren a la presión a nivel del mar, ya que, como la densidad del aire disminuye rápidamente con la altura, también experimenta un rápido descenso la presión, pues más de la mitad de todo el aire atmosférico se halla concentrado en los 5, 000 primeros metros y 96% del mismo en los primeros 20, 000 m. De ahí la necesidad de comprimir el aire en las cabinas de los aviones y la imposibilidad para los mismos de sustentarse y de hallar en la alta atmósfera el oxígeno necesario para el funcionamiento de los motores de combustión aerobia. Pero

 

los cohetes, que no se apoyan con los planos sustentadores y que llevan su propia reserva de comburente, se mueven y funcionan en las atmósferas más enrarecidas e incluso en el vacío. La presión atmosférica al nivel del mar se halla sujeta a variaciones provocadas por os movimientos de las masas de aire, dado que un aire frío es más denso que un aire caliente. Estos cambios provocan perturbaciones del tiempo. Se dice que la atmósfera material rodea a las personas y a las cosas. Y por extensión .,., la atmósfera moral y el conjunto de factores que contribuyen a crear una situación o estado particular alrededor de una persona. ¿PORQUE EL CIELO ES AZUL? El azul del cielo y el rojo de la puesta del sol, se deben a un fenómeno llamado . Cuando la luz del sol pasa por la atmósfera de la Tierra, mucha de la luz es recogida por las moléculas del aire y cedida otra vez en alguna otra dirección. El fenómeno es muy similar a la acción de las ondas del agua sobre los objetos flotantes. Si, por ejemplo, las ondulaciones procedentes de una piedra arrojada a un estanque de agua inmóvil encuentran algún corcho pequeño flotando en su superficie, el corcho cabecea subiendo y bajando con la frecuencia de las ondas que pasan. La luz se describe como actuando del mismo modo sobre moléculas del aire y finas partículas de polvo. Una vez puestas en vibración por una onda luminosa, una molécula o una partícula pueden emitir de nuevo luz absorbida, algunas veces en la misma dirección, pero generalmente en cualquier otra. Los experimentos demuestran, de acuerdo con la teoría de la difusión, que las ondas más cortas se difunden más fácilmente que las más largas. Para ser más específicos, la difusión es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda. 4 ∝

Difusión 1/ λ    De acuerdo con esta ley las ondas cortas de la luz violeta se difunden diez veces más fácilmente que las ondas largas de la luz roja. Los otros colores se difunden en proporciones intermedias. Así cuando la luz solar entra en la atmósfera de la Tierra, la luz violeta y la azul, se difunden más, seguidas del verde, amarilla, anaranjada y roja, en el orden indicado. Para cada diez ondas violetas (λ = 0, 00004 cm) difundidas en un haz, hay sólo una onda roja (λ = 0, 00007 cm). 

 Violeta

azul

verde

amarilla

anaranjada

roja

10

7

5

3

2

1

 

 A mediodía, en un día claro cuando el Sol está directamente en el cenit, el cielo entero aparece como azul claro. Este es el color compuesto de la mezcla de colores difundidos más efectivamente por las moléculas del aire. Puesto que el azul claro del triángulo de los colores se obtiene de la mezcla aditiva de violeta, azul, verde y amarillo. Las puestas de sol son rojas, la luz del cielo esta polarizada linealmente en bastante grado, como puede comprobarse sin dificultad mirando al cielo directamente hacia arriba, a través de una lamina polarizante, puesto que la luz difusa es sustraída del haz original, que resulta debilitado durante este proceso.

 

LA TERMODINÁMICA Y EL CONCEPTO DE ENTROPIA Definición de algunos conceptos. La termodinámica, por definirla de una manera muy simple, fija su atención en el interior de los sistemas físicos , en los intercambios de energía en forma de calor que se llevan a macroscópicas  cabo un sistema y otro.seA les las llama magnitudes   que se ;relacionan  que coordenadas termodinámicas  estadoentre interno de un sistema éstas nos con van ela ayudar a determinar la energía interna del sistema. En resumen, el fin último de la termodinámica es encontrar entre las coordenadas termodinámicas relaciones generales coherentes con los principios básicos de la física (recuérdese el principio de la conservación de la energía que tratamos en el número 3 de "Horizonte Social).

La termodinámica basa sus análisis en algunas leyes: La Ley "cero", referente al concepto de temperatura, La Primera Ley de la termodinámica, que nos habla del principio de conservación de la energía, la Segunda Ley de la termodinámica, que nos define a la entropía. A continuación vamos a hablar de cada una de estas leyes, haciendo hincapié en la segunda ley y el concepto de entropía. La Ley cero de la termodinámi termodinámica ca La Ley cero de la termodinámica nos dice que si tenemos dos cuerpos llamados A y B, con diferente temperatura uno de otro, y los ponemos en contacto, en un tiempo determinado t, estos alcanzarán la misma temperatura, es decir, tendrán ambos la misma temperatura. Si luego un tercer cuerpo, que llamaremos C se pone en contacto con A y B, también alcanzará la misma temperatura y, por lo tanto, A, B y C tendrán la misma temperatura mientras estén en contacto. De este principio podemos inducir el de temperatura , la cual es una condición que cada cuerpo tiene y que el hombre ha aprendido a medir mediante sistemas arbitrarios y escalas de referencia (escalas termométricas). t ermométricas). La Primera Ley de la termodinámica La Primera ley de la termodinámica se refiere al concepto de energía interna, trabajo   yy calor . Nos dice que si sobre un sistema con una determinada energía interna, se realiza un trabajo mediante un proceso, la energía interna del sistema variará. A la diferencia de la energía interna del sistema y a la cantidad de trabajo le denominamos calor. El calor es la energía transferida al sistema por medios no mecánicos. Pensemos que nuestro sistema es un recipiente metálico con agua; podemos elevar la temperatura del agua por fricción con una cuchara o por calentamiento directo en un mechero; en el primer caso, estamos haciendo un trabajo sobre el sistema y en el segundo le transmitimos calor.

 

Cabe aclarar que la energía interna de un sistema, el trabajo y el calor no son más que diferentes manifestaciones de energía. Es por eso que la energía no se crea ni se destruye, sino que, durante un proceso solamente se transforma en sus diversas manifestaciones. La Segunda Ley de la termodinámica Por último, vamos a ver el contenido de la segunda ley de la termodinámica. En términos más o menos sencillos diría lo siguiente: "No "No existe un proceso  un proceso  cuyo   cuyo único resultado sea la absorción de calor de una fuente y la conversión íntegra de este calor en trabajo".. Este principio (Principio de Kelvin-Planck) nació del estudio del rendimiento de trabajo" máquinas y mejoramiento tecnológico de las mismas. Si este principio no fuera cierto, se podría hacer funcionar una central térmica tomando el calor del medio ambiente; aparentemente no habría ninguna contradicción, pues el medio ambiente contiene una cierta cantidad de energía interna, pero debemos señalar dos cosas: primero, la segunda ley de la termodinámica no es una consecuencia de la primera, sino una ley independiente; segundo, la segunda ley nos habla de las restricciones restricciones que  que existen al utilizar la energía en diferentes procesos, en nuestro caso, en una central térmica. No existe una máquina que utilice energía interna de una sola fuente de calor. El concepto de entropía fue introducido por primera vez por Rudolf Clausius a mediados del siglo XIX. Clausius, ingeniero francés, también formuló un principio para la Segunda ley: "No es posible proceso alguno cuyo único resultado sea la transferencia de calor desde un cuerpo frío a otro más caliente". En caliente". En base a este principio, Clausius introdujo el concepto de entropía, la cual es una medición de la cantidad de restricciones que existen para que un proceso se lleve a cabo y nos determina también la dirección de dicho proceso. Vamos ahora a hablar de las tres acepciones más importantes de la palabra entropía. La entropía, el desorden y el grado de organización  Vamos a imaginar que tenemos una caja con tres divisiones; dentro de la caja y en cada división se encuentran tres tipos diferentes de canicas: azules, amarillas y rojas, respectivamente. Las divisiones son movibles así que me decido a quitar la primera de ellas, la que separa a las canicas azules de las amarillas. Lo que estoy haciendo dentro del punto de vista de la entropía es quitar un grado o índice de restricción a mi sistema; antes de que yo quitara la primera división, las canicas se encontraban separadas y ordenadas en colores: en la primera división las azules, en la segunda las amarillas y en la tercera las rojas, estaban restringidas a un cierto orden.  Al quitar la segunda segunda divis división, ión, estoy quitan quitando do también otro grado de restricción. LLas as canicas se han mezclados unas con otras de tal manera que ahora no las puedo tener ordenas pues las barreras que les restringían han sido quitadas.

 

La entropía de este sistema ha aumentado al ir quitando las restricciones pues inicialmente había un orden establecido y al final del proceso (el proceso es en este caso el quitar las divisiones de la caja) no existe orden alguno dentro de la caja. La entropía es en este caso una medida del orden (o desorden) de un sistema o de la falta de grados de restricción; la manera de utilizarla es medirla en nuestro sistema inicial, es decir, antes de remover alguna restricción, y volverla a medir al final del proceso que sufrió el sistema. Es importante señalar que la entropía no está definida como una cantidad absoluta S (símbolo de la entropía), sino lo que se puede medir es la diferencia entre la entropía inicial de un sistema Si y la entropía final del mismo Sf. No tiene sentido hablar de entropía sino en términos de un cambio en las condiciones de un sistema. Entropia, procesos reversibles y procesos irreversibles  Volviendo al ejemplo anterior de la caja con separaciones y canicas, vamos a explicar qué es un proceso reversible y qué un proceso no reversible. Llamamos proceso reversible al que se puede invertir y dejar a nuestro sistema en las mismas condiciones iniciales. Teniendo en cuenta nuestra caja ya sin las separaciones, tenemos a las canicas revueltas unas con otras, es decir, sin un orden. Si el proceso que efectuamos de quitar las divisiones fuera reversible, las canicas tendrían que ordenarse espontáneamente en azules, amarillas y rojas, según el orden de las divisiones. Esto no ocurrirá. El proceso que efectuamos con nuestra caja de canicas fue un proceso no reversible, en donde una vez terminado, el orden que había en las condiciones iniciales del sistema ya nunca volverá a establecerse. El estudio de este tipo de procesos es importante porque en la naturaleza todos los procesos son irreversibles. La entropía y la energía "gastada" En el principio enunciado por Clausius que anteriormente citamos, podemos encontrar la relación con la entropía y la energía liberada en un proceso. Pensemos en un motor. El motor necesita de una fuente de energía para poder convertirla en trabajo. Si pensamos en un coche, la gasolina, junto con el sistema de chispa del motor, proporciona la energía (química) de combustión, capaz de hacer que el auto se mueva. ¿qué tiene que ver la entropía aquí? La energía que el coche "utilizó" para realizar trabajo y moverse, se "gastó", es decir, es energía liberada mediante un proceso químico que ya no es utilizable para que un motor produzca trabajo.

 

Este es uno de los conceptos más difíciles de entender de la entropía, pues requiere un conocimiento un poco menos trivial del funcionamiento de motores, frigoríficos y el ciclo de Carnot . Pero para nuestros fines con esta explicación es suficiente. ¿Para qué sirve la entropía? La entropía, como del como grado concepto de restricción o como del desorden de un sistema, o bien en medida ingeniería, auxiliar en losmedida problemas del rendimiento energético de las máquinas, es una de las variables termodinámicas más importantes. Su relación con la teoría del caos le abre un nuevo campo de estudio e investigación a este tan "manoseado" concepto.

 

Energía Experimento Dewar En 1892 el escocés James Dewar desarrolló un recipiente especial para el trabajo en bajas temperaturas. Necesitaba mantener la temperatura de los líquidos que utilizaba en sus experimentos. Entonces observó de qué manera eran calentados esos de líquidos e intentó hacer un vaso que no sólo los contuviera, sino que además los aislara la temperatura externa. Tomó en cuenta las tres formas en que un cuerpo puede ceder el calor a otro, y con ingenio creó el que luego pasaría a llamarse vaso Dewar. Para evitar el cambio de temperatura por convección, bastaba con tener un frasco cerrado. Eso ya se sabía. El siguiente problema era limitar el intercambio de calor por transmisión del material del recipiente. Cualquier material con que se fabricara traería ese problema, porque toda materia transmite la energía térmica aunque sea un poco. ¿Y si hiciera un vaso de NADA? Era una buena idea, la "nada" no transmite el calor. Dewar pensó cómo lograrlo. Imaginó dos vasos, uno dentro de otro y sellado en los bordes. En el espacio entre los vasos se aplicaría el vacío. Esto es lo más parecido a tener un vaso de NADA. Y así lo hizo. Pero quedaba un último problema: las radiaciones atraviesan el vacío, y alguna radiación externa podía calentar la muestra contenida en el vaso. ¿Cómo solucionarlo? Esta vez a James Dewar se le ocurrió espejar las dos paredes de manera que las radiaciones entrantes como salientes, sean reflejadas en vez de absorbidas por el recipiente.  Así creado, el vaso Dewa Dewarr le sirvió para rea realizar lizar experimentos experimentos con bajas temperaturas.  Actualmente estos excelentes aislantes térmicos se venden popularmente. Hablamos del termo con que tomamos mate, en el que guardamos café e incluso bebidas frías, no gaseosas por supuesto, dado que la presión los haría estallar. Es notable ver que una invención aparentemente ingenua como el termo necesitó de mucho ingenio y conocimiento de la termodinámic termodinámicaa y las radiaciones. Convección Cuando un gas (por ejemplo el aire) se calienta, se vuelve más ligero, menos denso y esto hace que se eleve respecto de los mismos gases a menor temperatura. Se produce entonces un movimiento que transporta energía térmica. Es lo que llamamos convección. La convección es la responsable de los vientos, las corrientes de aires hogareños e incluso

 

de las corrientes oceánicas, ya que también se verifica un cambio en la densidad del agua debido a la temperatura.

Transmisión

Cuando hablamos de temperatura, conviene hacernos la idea de que hablamos de un promedio de la agitación de las moléculas. Más agitación cuanto mayor es la temperatura. Esta vibración es transmitida a las moléculas contiguas en un gas, o a los átomos vecinos en un sólido. Entonces la energía que recibe una parte del cuerpo o del gas, se va transmitiendo y disipando. d isipando.  Visto desde la óptica cotidiana es lo que sucede al ir calentándose una cuchara sumergida sumergida en el café. Lentamente, el mango que no está tocando el líquido, se calienta también por transmisión. Cada átomo de la cuchara en la parte sumergida comienza a vibrar más violentamente, transmitiendo esta vibración a los átomos más alejados, los de la otra punta de la cuchara. ¿Pero por qué no sucede lo mismo con una cuchara de madera? Bueno, es que cada sustancia transporta energía térmica a su propia velocidad. El índice que mide esto se llama coeficiente de conductibilidad. conductibilidad. Cuanto más alto el valor del coeficiente, más rápido transporta la energía. Se dice que estamos ante un buen conductor del calor. Es el caso de los metales y de nuestra primera cucharita. Si el coeficiente es cercano a cero, se trata de un aislante térmico, por ejemplo el telgopor, el agua, el vidrio, la madera, y especialmente el aire, el mejor aislante térmico que tenemos a mano.

 

  El aire como aislante térmico se usa en muchas formas. El doble vidrio con aire en medio es una buena solución aislante del frío. Las plumas de las aves guardan mucho aire intermedio, ofreciendo un buen reparo ante las inclemencias del tiempo. También nuestro cuerpo conoce este secreto; cuando tenemos frío y se nos eriza la piel, los vellos retienen una fina capa de aire caliente cerca de la piel, evitando que el viento la arrastre, logrando mantener así un poco del calor generado. Coeficiente de conductibi conductibilidad lidad

Cal/cm.s.° Cal/cm.s.°C C

Sustancia

0,000044

 Acetileno

0,0000304

 Acido Sulfúrico Sulfúrico

0,001

 Agua

0,000055

 Aire

0,48

 Aluminio

0,000049

 Amoníaco

0,0000331

 Anhídrido carbónico carbónico

0,0000195

 Anhídrido sulfuroso sulfuroso

0,0000183

Cloro

0,92

Cobre

0,000045

Etano

0,000376

Hidrógeno

0,16

Hierro

0,000074

Metano

0,14

 

Mercurio

0,0000567

Nitrógeno

0.70

Oro

0,000052

Oxido de carbono

0,0000572

Oxígeno

1,01

Plata

0,08

Plomo

0,002

 Vidrio

0,000074

Radiación

La radiación electromagnética (luz visible, infrarrojos, ultravioletas, etc.) puede desplazarse por el vacío y a la vez transporta energía. Es por eso que se puede perder temperatura por radiación. ¿Sabés por qué las noches despejadas de invierno llegan a ser más frías que las nubladas? Porque el calor acumulado por la tierra se pierde en el espacio por las radiaciones. De otra forma quedarían retenidas por las nubes por la misma razón que el efecto invernadero retiene el calor de la Tierra. La radiación emitida por un cuerpo depende de la temperatura del mismo y de la superficie que expone. Cuanto más caliente un cuerpo, más irradia, y las rradiaciones adiaciones son más energéticas.

 

Un cuerpo caliente comienza a irradiar en infrarrojo (radiación de energía muy baja); si aumenta su temperatura agregará a su emisión las ondas de color rojo, un poco más energéticas. Eso es lo que conocemos como « ponerse al rojo vivo ». ». Si la temperatura continúa incrementándose, se seguirán añadiendo más colores hasta conformar la emisión de luz blanca. Es el caso del color blanco del hierro fundido, y por supuesto de la luz del Sol.

 

BOMBA DE CALOR Madrid, mayo de 1998 1.1 Determinación de la potencia de entrada, calor producido y eficiencia de la bomba de calor para: - Evaporador de agua - Evaporador de aire Calcularemos previamente la constante C que dará los Julios consumidos para que se realice una revolución: C = 3,6.106 J/166,66 rev = 21.600 J/rev Se selecciona un caudal del 50% en el condensador, y se toman las siguientes medidas:  AGUA

AIRE

 (s/rev) T  (s/rev) t 99   (°C)  (°C)

29,9 50,05

30,6 50,05

t 77   (°C)  (°C)

16,6

16

m cc  (   (g/s )

10

10

Sabemos, además, que: Cp = 4,180 (J/g.°C). Con estos datos determinaremos los valores característicos de los dos tipos de evaporadores. Evaporador de agua - Potencia de entrada: W = C(J / rev)/(s / rev) = 21600/29,9 = 722,4 w - Calor producido Q = m c c (g/s).C p p (J/g.°C).(t 99   - t 11  )(°C)   = 10.4,180.(50,05 - 16,6) = 1398,6 w  =   - Eficiencia

ε = Q /W = 1398,6/722,4 = 1.936

 

Evaporador de aire - Potencia de entrada: W = C(J / rev)/(s / rev) = 21600/30,6 = 705,88 w - Calor producido Q = m c c (g/s).C p p (J/g.°C).(t 99   - t 11  )(°C)   = 10.4,180.(50,05 - 16,6) = 1423,29 w  =   - Eficiencia ε = Q /W = 1423,29/705,88 = 2,016

1.2 Representación de las curvas de eficiencia y calor producido para diferentes temperaturas de salida del agua del condensador (t 9): Para realizar los cálculos utilizaremos el evaporador de aire (t a ≈ constante), e iremos reduciendo el caudal en el condensador sucesivam sucesivamente. ente. Obtenemos las siguientes medidas: 100%

75%

50%

25%

T  (s/rev)  (s/rev)

36,9

34,2

30,4

28,8

t 99   (°C)  (°C)

35

40

50

57

t 77   (°C)  (°C)

16

16,4

16,8

17,8

m cc  (   (g/s )

20

15

10

5

100% W = C(J / rev)/(s / rev) = 21600/36,9 = 585,36 w Q = m c c .C p p.(t    9  9  - t  1 1  ) = 20.4,180.(35 - 16) = 1588,4 w ε = Q /W = 1588,4/585,36 = 2,714

75% W = C(J / rev)/(s / rev) = 21600/34,2 = 631,58 w Q = m c c .C p p.(t    9  9  - t  1 1  ) = 15.4,180.(40 - 16,4) = 1479,72 w ε = Q /W = 1479,72/631,58 = 2,343

 

50% W = C(J / rev)/(s / rev) = 21600/30,4 = 710,53 w Q = m c c .C p p.(t    9  9  - t  1 1  ) = 10.4,180,(50 - 16,8) = 1387,76 w ε = Q /W = 1387,76/710,53 = 1,653

25% W = C(J / rev)/(s / rev) = 21600/28,8 = 750 w Q = m c c .C p p.(t    9  9  - t  1 1  ) = 5.4,180.(57 - 17,8) = 819,28 w ε = Q /W = 819,28/750 = 1,092

 A continuación continuación representamos la gráfica Q - t9: Q

t9 

1588,40 1479,72

35 40

1387,76

50

819,28

57

 Y la gráfica ε - t9: ε  

t 9 9  

2,714

35

2,343 1,953

40 50

1,092

57

 

  1.3 Representación Representaci ón de un cciclo iclo real en los diagramas p h y t-s:  Ajustamos el caudal del condensador al 50%, y seleccionamos el evaporador de aire (t a ≈ constante). Tomamos los siguientes datos: P atmosférica = 694 mm Hg P1 = 280 kN/m² P2 = P3 = 1.100 kN/m² t1 = 12°C t2 = 66°C t3 = 43,5°C t4 = 8,5°C  Y las presiones presiones absolutas que se represen representan tan en los diagramas: P absoluta = P manométrica + P atmosférica 

 

P absoluta1 = P1 + P atmosférica = 280 kN/m² + 694 mm Hg = 0,372526 MN/m² P absoluta2 = P2 + P atmosférica = 1.100 kN/m² + 694 mm Hg = 1,192526 MN/m²

 

TURBINAS DE GAS HISTORIA DE LA TURBINA DE GAS El ejemplo más antiguo de la propulsión por gas puede ser encontrado en un egipcio llamado Hero en 150 A.C.

Hero inventó un juguete que rotaba en la parte superior de una olla hirviendo debido al efecto del aire o vapor caliente saliendo de un recipiente con salidas organizadas de manera radial en un sólo sentido. En 1232, los chinos utilizaron cohetes para asustar a los soldados enemigos.  Alrededor de 1500 D.C., Leonardo Da Vinci dibujó un esquema de un dispositivo que rotaba debido al efecto de los gases calientes que subían por una chimenea. El dispositivo debería rotar la carne que estaba asando. En 1629 otro italiano desarrolló un dispositivo quepráctica uso el vapor para rotar una turbina que movía maquinaria. Esta fue la primera aplicación de la turbina de vapor. En 1678 un jesuita llamado Ferdinand Verbiest construyó un modelo de un vehículo automotor que usaba vapor de agua para movilizarse. La primera patente para una turbina fue otorgada en 1791 a un inglés llamado John Barber. Incorporaba mucho de los elementos de una turbina de gas moderna, pero usaban un compresor alternativo. Hay muchos otros ejemplos de turbina por varios inventores, pero no son consideradas verdaderas turbinas de gas porque utilizaban vapor en cierto punto del proceso. En 1872, un hombre llamado Stolze diseñó la primera turbina de gas. Incorporaba una turbina de varias etapas y compresión en varias etapas con flujo axial probó sus modelos funcionales en los años 1900.

 

En 1914 Charles Curtis aplicó para la primera patente en los Estados Unidos para una turbina de gas. Esta fue otorgada pero generó mucha controversia. La Compañía General Electric comenzó su división de turbinas de gas en 1903. Un Ingeniero llamado Stanford Moss dirigió la mayoría de los proyectos. Su desarrollo más notable fue el turbo supercargador. Este utilizaba los gases de escape de un motor alternativo para mover una rueda de turbina que, a su vez, movía un compresor centrífugo utilizado para supercargar. Este elemento hizo posible construir las primeras turbinas de gas confiables. En los años 30, tantos británicos como alemanes diseñaron turbinas de gas para la propulsión de aviones. Los alemanes alcanzaron a diseñar aviones de propulsión a chorro y lograron utilizarlos en la 2° guerra mundial. CONCEPTOS BÁSICOS Una turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales: un compresor, un quemador y una turbina de potencia. Las turbinas de gas operan en base en el principio del ciclo Brayton, en donde aire comprimido mezclado con combustible y quemadosebajo condiciones de presión constante. El gas es caliente producido por la combustión le permite expandirse a través de la turbina y hacerla girar para llevar a cabo trabajo. En una turbina de gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido se usa comprimiendo el aire. El otro 1/3 está disponible para generar electricidad, impulsar un dispositivo mecánico, etc. Una variación del sistema de turbina simple (Brayton) es el de añadir un regenerador. El regenerador es un intercambiador de calor que aprovecha la energía de los gases calientes de escape al precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. Este ciclo normalmente es utilizado en turbinas que trabajan con bajas presiones. Ejemplos de turbinas que usan este ciclo son: La Solar Centaur de 3500 hp hasta la General Electric Frame 5 de 35000 hp. Las turbinas de gas con altas presiones de trabajo pueden utilizar un interenfriador para enfriar el aire ente las etapas de compresión, permitiendo quemar más combustible y generar más potencia. El factor limitante para la cantidad de combustible utilizado es la temperatura de los gases calientes creados por la combustión, debido a que existen restricciones a las temperaturas que pueden soportar los alabes de la turbina y otras partes de la misma. Con los avances en la Ingeniería de los materiales, estos límites siempre van aumentando. Una turbina de este tipo es la General Electric LM1600 versión marina. Existen también turbinas de gas con varias etapas de combustión y expansión y otras con interenfriador y regenerador en el mismo ciclo. Estos ciclos los podemos ver a continuación:

 

  CICLO DE BRAYTON El ciclo de Brayton de aire normal, es el ciclo ideal de una turbina de gas simple. El ciclo abierto de una turbina de gas simple, que utiliza un proceso de combustión interna se puede observar en la gráfica siguiente. Cabe anotar que también existe un ciclo cerrado teórico de una turbina de gas simple.

En esta gráfica podemos observar el compresor, la cámara de combustión, la turbina, el aire y combustible en el ciclo abierto Brayton. El rendimiento del ciclo de Brayton de aire normal se encuentra como sigue.

sin embargo notamos que,

 

  El rendimiento del ciclo de Brayton de aire normal es, por lo tanto, una función de la relación isentrópica de presión. El rendimiento aumenta con la relación de presión, y esto es evidente en el diagrama T-s ya que al ir aumentando la relación de presión, se cambiará el ciclo de 1-2-3-4-1 a 1-2´-3´-4-1. El último ciclo tiene mayor suministro de calor y la misma cantidad de calor cedido, que el ciclo original, y por tanto, tiene mayor rendimiento; advierta, sin embargo, que el último ciclo tiene una temperatura máxima (T3´) más alta que la del ciclo (T 3). En la turbina de gas real, la temperatura máxima del gas que entra a la turbina es determinada por consideraciones metalúrgicas. Por lo tanto si fijamos la temperatura T3 y aumentamos la relación de presión, el ciclo resultante es 12´-3"-4"-1. Este ciclo tendrá un rendimiento más alto que el del ciclo original, pero, de esta manera, cambia el trabajo por kilogramo de substancia de trabajo. Con el advenimiento de los reactores nucleares, el ciclo cerrado de la turbina de gas ha cobrado gran importancia. El calor se transmite ya sea directamente o a través de un segundo fluido, del combustible en el reactor nuclear a la substancia de trabajo en la turbina de gas; el calor es cedido de la substancia de trabajo al medio exterior. La turbina de gas real, difiere principalmente del ciclo ideal a causa de las irreversibilidades en el compresor y en la turbina y debido al descenso de presión en los pasos de flujo y en la cámara de combustión (o en el cambiador de calor en una turbina de ciclo cerrado). Los rendimientos de l compresor y de la turbina están definidos en relación a los procesos isentrópicos. Los rendimientos son los siguientes: η comp = (h28 - h1)/(h2 - h1) η tur = (h3 - h4)/(h3 - h48)

CICLO DE UNA TURBINA DE GAS SIMPLEMENTE CON REGENERADOR El rendimiento del ciclo de una turbina de gas, puede mejorarse con la adición de un regenerador. Se puede observar el ciclo en la gráfica siguiente:

 

  Gas-turbine with regeneration Observe como el intercambiador de calor utiliza la energía en forma de calor de los gases de escape para calentar el aire de entrada a la cámara de combustión. Note que el ciclo 1-2x3-4-y -1, la temperatura de los gases que salen de la turbina en el estado 4, es más alta que la temperatura de los gases que salen del compresor: por lo tanto puede transmitirse calor de los gases de salida a los gases de alta presión que salen del compresor; si esto se realiza en un intercambiador de calor de contracorriente, conocido como regenerador, la temperatura de los gases que salen del regenerador T  x´ pueden tener en el caso ideal, una temperatura igual a T 4, es decir, la temperatura de los gases de salida de la turbina. En este caso la transmisión de calor de la fuente externa sólo es necesaria para elevar la temperatura desde T x hasta T3 y esta transmisión de calor está representada por el área x-3-d-b-x; el área y-1-a-c-y y representa el calor cedido. La influencia de la relación de presión en el ciclo simple de una turbina de gas con regenerador, se ve al considerar el ciclo 1-2´-3´-4-1; en este ciclo, la temperatura de los gases de salida de la turbina es exactamente igual a la temperatura de los gases que salen del compresor; por lo tanto, aquí no hay posibilidad de utilizar un regenerador. Esto puede verse mejor al determinar el rendimiento del ciclo de gas ideal de la turbina con regenerador. El rendimiento de este ciclo con regeneración se encuentra como sigue, donde los estados son: η térmico = W neto /q  /qH = (Wt - Wc)/qH 

qH = Cp.(T3 - Tx) Wt = Cp.(T3 - T4) Pero para el regenerador ideal, T4 = Tx y por lo tanto qH = wt; de donde,

 

   Vemos, así, que para el ciclo ideal con regeneración el rendimiento térmico depende no sólo de la relación de presión, sino también de la relación de la mínima a la máxima temperaturas. También notamos que, en contraste con el ciclo de Brayton, el rendimiento disminuye al aumentar la relación de presión. El rendimiento térmico contra la relación de presión, para este ciclo. T1 /T  /T3 = 0,25 La efectividad o rendimiento de un regenerador está dada por el término rendimiento del regenerador; El estado x representa a los gases de alta presión que q ue salen del regenerador. En el regenerador ideal habría una diferencia infinitesimal de temperaturas entre los dos flujos y los de alta presión saldrían del regenerador a la temperatura T x´ pero T3´ = T4. En el regenerador real que debe operar a una diferencia de temperaturas finita Tx y, por lo tanto, la temperatura real que sale del regenerador, es menor que T x´. El rendimiento del regenerador se define como, η reg = (hx - h2)/(hz´ - h2)

Si suponemos el calor que el calor específico es constante, el rendimiento del regenerador también está dado por la relación η reg = (Tx - T2)/(TX´ - T2)

Es bueno señalar que se puede alcanzar un rendimiento alto usando un regenerador con una gran área de transmisión de calor; sin embargo, esto también incrementa el descenso de presión, que representa una pérdida, y tanto el descenso de presión como el rendimiento del regenerador, deben considerarse para determinar que regenerador dará el máximo rendimiento térmico del ciclo. Desde el punto de vista económico, el costo del regenerador debe tomarse en cuenta para saber si justifica el ahorro que se obtendrá con su instalación y uso. INTRODUCCION Es importante para el ingeniero mecánico el conocer profundamente el funcionamiento y los conceptos que rigen los principios de las turbinas de gas. Esto es debido a que el ingeniero probablemente se encontrara en su trabajo con el uso o mantenimiento de este tipo de equipos. Por esto, es de vital importancia conocer los conceptos básicos de estas

 

máquinas de combustión. Se hará un breve recuento de la historia, los conceptos básicos y los ciclos de funcionamie funcionamiento nto más importantes. CONCLUSIONES Se logró exponer la historia y conceptos básicos de la operación de las turbinas de gas, así como unaypresentación máspero profunda de los de las turbinas gas (Brayton Regenerativo), teniendo en ciclos cuentamás queimportantes existen otros como el de de varias etapas, interenfriamiento y mezclas de estos. Se determinó las variables que afectan la eficiencia de estos equipos y como se puede mejorar la operación para hacerlos más eficientes. Para esto se presentaron las ecuaciones que rigen los ciclos de las turbinas de gas.

 

Tabla de Calor Material

Específico (Ce)

Fusión (lf )

 Vaporización (lv)

Kcal/kg.°C kJ/kg.K

kJ/kg

kJ/kg

 Aceite de Oliva Oliva

0,400

1,675

-

-

 Acero

0,110

0,460

205

-

 Agua

1,000

4,183

335

2250

 Alcohol

0,600

2,513

-

880

 Alpaca

0,095

0,398

-

-

 Aluminio

0,217

0,909

377

-

 Antimonio

0,050

0,210

164

-

 Azufre

0,179

0,750

38

-

Bronce

0,086

0,360

-

-

Cadmio

0,056

0,234

46

-

Carbón Mineral

0,310

1,300

-

-

Carbón Vegetal

0,201

0,840

-

-

Cinc

0,093

0,389

117

-

Cobalto

0,104

0,435

243

-

Cobre

0,093

0,389

172

-

Cromo

0,108

0,452

59

-

Estaño

0,060

0,250

113

-

Eter etílico

0,540

2,261

113

-

Fenol

-

-

109

-

Glicerina

0,580

2,430

176

-

Hierro

0,113

0,473

-

-

 

Ladrillo Refractario

0,210

0,880

-

-

Latón

0,094

0,394

168

-

Manganeso

0,110

0,460

155

-

Mercurio

0,033

0,138

11,7

281

Mica

0,210

0,880

-

-

Naftalina

-

-

151

-

Níquel

0,110

0,461

234

-

Oro

0,031

0,130

67

-

Parafina

0,778

3,260

147

-

Plata

0,056

0,235

109

-

Platino Plomo

0,031 0,031

0,130 0,130

113 23

-

Potasio

0,019

0,080

59

-

Tolueno

0,380

1,590

-

365

 Vidrio

0,200

0,838

-

-

Equivalencias: 1 kJ/kg.K = 0,2388 kcal/kg.°C

 

EJERCICIOS Termodinámica Resolver los siguientes problemas: 1) Determinar 1) Determinar la cantidad de calor que absorbe una masa de hielo de 250 g que está a 15 °C para pasar a 30 °C. Respuesta: 28500 cal 2) Determinar 2) Determinar la temperatura final que alcanza la mezcla de 30 g de agua a 35 °C con 25 g de alcohol a 18 °C. Respuesta: 29,33 °C 3) Determinar 3) Determinar la cantidad de calor absorbida por una masa de 14 g de aire al pasar de 30 °C a 150 °C. Respuesta: 156,24 cal 4) Calcular 4) Calcular la variación de temperatura sufrido por una masa de plomo de 920 g, si ha absorbido 2450 cal. Respuesta: 76,56 °C 5)  5) Un automóvil de 1500 kg de masa se desplaza despl aza a 5 m/s. ¿Cuántas calo calorías rías se transfieren a los frenos al detenerlo? Respuesta: 4478 cal 6) Un 6) Un recipiente de aluminio de 500 g de masa contiene 117,5 g de agua a 20 °C. Se deja caer dentro del recipiente un bloque de hierro de 200 g de masa a 75 °C. Calcular la temperatura final del conjunto, suponiendo que no hay intercambio de calor con el entorno. Respuesta: 24,97 °C 7)  7) Una bala de plomo que se desplaz desplazaa a 350 m/ m/ss alcanza el blanco y queda en reposo,determinar: a) ¿Cuál sería la elevación de la temperatura de la bala si no hubiera pérdida de calor al medio? b) ¿Se funde la bala? Respuesta: a) 471 °C b) Si

 

8) Un 8) Un trozo de hielo a 0 °C cae, partiendo del reposo, en un lago a 0 °C, y se funde un 0,5 % del hielo. Calcular la altura mínima desde la que cae el hielo. Respuesta: 170,92 m 9) ¿Cuál 9) ¿Cuál será la velocidad inicial de una bala de plomo a 25 °C, para que el calor disipado cuando alcance el reposo sea exactamente el necesario para fundirla? Respuesta: 357,28 m/s 10) Se sumerge una resistencia eléctrica en un líquido y se disipa energía eléctrica 10)  durante 100 s a un ritmo constante de 50 W. La masa del líquido es de 530 g y su temperatura aumenta desde 17,64 °C hasta 20,77 °C. Hallar el calor específico medio del líquido en éste intervalo de temperaturas. Respuesta: 3014J/kg.°C

 

Calorimetría Resolver los siguientes problemas: 1) ¿Qué 1) ¿Qué cantidad de calor absorbe una masa de 50 g de acero que pasa de 50 °C hasta 140 °C? Respuesta: 540 cal 2) ¿Cuál 2) ¿Cuál es la variación de temperatura que sufre una masa de 200 g de aluminio que absorbe 1000 cal? Respuesta: 22,7 °C 3) Calcular 3) Calcular la masa de mercurio que pasó de 20 °C hasta 100 °C y absorbió 5400 cal. Respuesta: 2,045 kg 4) Una 4) Una masa de 30 g de cinc está a 120 °C y absorbió 1,4 kcal. ¿Cuál será la temperatura final? Respuesta: 381,7 °C 5) Calcular 5) Calcular el calor específico del mercurio si se introducen 0,2 kg del mismo a 59 °C en un calorímetro con 0,37 kg de agua a 24 °C y la temperatura de equilibrio térmico es de 24,7 °C. Respuesta: 0,037 cal/g.°C 6)  6)  ¿Qué cantidad de calor absorbió una masa de 4 g de cinc (Ce = 0,093 cal/g.°C) al pasar de 20 °C a 180 °C? Respuesta: 59,52 cal 7)  7)  Una masa de plomo (Ce  = 0,03 cal/g.°C) de 350 g absorbió 1750 cal. Calcular la variación de temperatura que sufrió. Respuesta: 166,6 °C 8) Se 8) Se mezclan 20 g de agua a 40 °C con 15 g de alcohol (C e = 0,6 cal/g.°C) a 30 °C. ¿Cuál ha sido la temperatura de equilibrio térmico? Respuesta: 36,89 °C 9) ¿Cuál 9) ¿Cuál es la capacidad calórica de un cubo de aluminio cuya masa es de 250 g? Respuesta: 55 cal/°C

 

10) Calcular la cantidad de calor absorbida por 200 g de plomo al ser calentado desde 30 10) Calcular °C hasta 420 °C. Respuesta: 2430 cal Responder el siguiente cuestionario: 1) ¿Qué 1) ¿Qué es calorimetría? 2) ¿Cómo 2) ¿Cómo puede variar el estado térmico de un cuerpo? 3) ¿Cuál 3) ¿Cuál es la unidad de cantidad de calor? 4) ¿A 4) ¿A qué es igual la cantidad de calor que gana o cede un cuerpo? 5) ¿Qué 5) ¿Qué entiende por calor específico?

 

Calorimetría Resolver los siguientes problemas: 1) ¿Cuál 1) ¿Cuál es la temperatura a que llega una masa de hierro de 0,15 kg que está a 25 °C y absorbe 1,8 kcal? Respuesta: 84 °C 2)  2)  ¿Cuál es la variación de temperatura que sufre una masa de 3200 g de cobre que absorbe 24 kcal? Respuesta: 860,2 °C 3)  3)  Un alambre de cobre de 200 m absorbe 150 cal. Si su masa es de 40 g ¿cuál es la variación de longitud que ha sufrido? Respuesta: 0,137 m 4)  4) Se mezclan 200 g de alcohol a 70 °F con 40 g de agua a 10 °C. ¿Cuál es la temperatura de equilibrio térmico? Respuesta: 18,32 °C 5) En 5) En un calorímetro con 500 g de agua a 18 °C se introducen 150 g de cobre a 100 °C. Si la temperatura final es de 20,2 °C, ¿cuál ¿ cuál es el calor específico del cobre? Respuesta: 0,09 cal/g.°C 6) ¿Calcular 6) ¿Calcular la cantidad de calor absorbida por 500 g de plomo que está a 20 °C para fundirse totalmente? Respuesta: 7,355 kcal 7) Se 7) Se colocan 200 g de agua a 20 °C en un congelador y se obtienen cubitos de hielo a -8 °C. ¿Qué cantidad de calor cedió el agua? Respuesta: 20,8 kcal Responder el siguiente cuestionario: 1) ¿A 1) ¿A qué se llama capacidad calórica calórica?? 2) ¿Qué 2) ¿Qué es y para qué sirve el calorímetro? 3) ¿Cuál 3) ¿Cuál es el equivalente mecánico del calor y cuál es su valor? 4) ¿Cuál 4) ¿Cuál es el equivalente calórico de un Joul?

 

5) ¿A 5) ¿A qué se llama fusión y que leyes la rigen? 6) ¿Qué 6) ¿Qué factores influyen en la variación del punto de fusión?

 

Cambio de estado Resolver los siguientes problemas: 1)  ¿Qué cantidad de calor cederá 1 kg de mercurio que está a 25 °C para pasar a sólido? Respuesta: 4,087 kcal 2) ¿Qué 2) ¿Qué cantidad de calor absorberá un litro de agua que está a 18 °C y a presión normal norm al para vaporizarse totalmente? tot almente? Respuesta: 622 kcal 3) Calcular 3) Calcular la cantidad de cinc que se podrá fundir con 18 kcal. Respuesta: 782,2 g 4)  4)  Se desea fundir 200 g de cinc que está a 22 °C y se entregan 25 kcal. ¿Se fundirá totalmente?, ¿qué masa de cinc faltará fundir? Respuesta: 83,1 g 5) ¿Qué 5) ¿Qué cantidad de calor absorbe una masa de hielo de 200 kg que está a 0 °C para fundirse totalmente? Respuesta: 1600 kcal 6) Calcular 6) Calcular la cantidad de calor que absorberá 200 g de hielo que está a -8 °C para pasar a agua a 20 °C. Respuesta: 20,8 kcal 7) Si 7) Si será 300 necesaria g de aguapara (cv = 540 cal/g) están a 100 °C y presión normal, ¿qué cantidad de calor vaporizarlos? Respuesta: 162 kcal 8) ¿Qué 8) ¿Qué cantidad de aluminio se podrá fundir con 20 kcal si aquel está a temperatura de fusión? Respuesta: 212,7 g 9) Se 9) Se tiene una barra de cobre de 800 g que está a 18 °C, ¿se fundirá totalmente si se le entregan 80 kcal? Respuesta: no 10) ¿Qué 10)  ¿Qué masa de cobre se habrá fundido en el caso del problema anterior?

 

Respuesta: 572 g Responder el siguiente cuestionario: 1) ¿Qué 1) ¿Qué es punto de fusión? 2) ¿Qué 2) ¿Qué entiende por fusión pastosa? 3) ¿Qué 3) ¿Qué es fusión franca 4) ¿En 4) ¿En qué se basa el uso de anticongelantes? 5) Enuncie 5) Enuncie las leyes de ebullición. 6) Explique 6) Explique el significado de la teoría cinética en los cambios de estado.

 

Conductividad Conductivid ad calórica Resolver los siguientes problemas: 0,000 1 1) El 1) El ambiente de una caldera está separado de otro por una pared de corcho (λ = 0,0001 cal/cm.°C.s) cal/cm.°C. s) de 6 cm de espesor y 2,5 m² de superficie. ¿Qué cantidad de calor ha pasado

en 2,5 horas de uno a otro medio? Respuesta: 2312,5 cal 2) Si 2) Si una estufa colocada en el interior de un ambiente produce 800 kcal/min, calcular el espesor que debe darse a una pared de 250 m², cuyo coeficiente de conductividad es 0,02 cal/cm.°C.s, cal/cm.°C. s, para que se mantenga una diferencia de temperatura de 15 °C con el exterior Respuesta: 56,25 cm 3) ¿Qué 3) ¿Qué tiempo tardarán en pasar 25 kcal por un disco de acero de 10 cm de radio y 1 cm de espesor, si de un lado la temperatura es de 80 °C y del otro de 30 °C? Respuesta: 13 s 4) ¿Qué 4) ¿Qué cantidad de calor pasará en 15 minutos a través de una lámina de cobre de 30 cm² de superficie y 5 cm de espesor, si la diferencia de temperatura entre ambas caras es de 50 °C? Respuesta: 248 kcal 5) Un 5) Un ambiente está separado de otro por una pared de corcho de 12 cm de espesor y 3,5 m² de superficie. ¿Qué cantidad de calor ha pasado de uno a otro ambiente en 3 horas y 20 minutos si en uno de ellos la temperatura es de 65 °C y en el otro es de 17 °C? (λ = 0,0001 cal/cm.°C.s).  Respuesta: 1680 kcal 6)  6)  Una placa de un aislador térmico tiene 100 cm² de sección transversal y 2 cm de espesor, siendo λ = 0,1 J/s.m.°C. Si la diferencia de temperatura entre las caras opuestas es de 100 °C, ¿cuánto calor pasará a través de la lámina en un día? Respuesta: 432000 J 7) En 7) En la superficie de un lago en la que la temperatura es de -10 °C, se ha formado una capa de hielo de 0,1 m de espesor, el agua por debajo está a 0 °C. El calor de fusión del agua que se congela debajo de la capa se conduce a través de ésta. Se desea saber a qué ritmo aumenta el espesor de la capa de hielo. Respuesta: 4,78.10-7 m/s

 

8) Una 8) Una conservadora, cuyas paredes tienen una superficie superficie de 2 m² y un espesor de 5 cm, está construida de material aislante cuyo λ = 0,05 J/s.m.°C. La temperatura externa es de

20 °C y la temperatura interior de 5 °C, el hielo fundido descarga de la nevera a 15 °C. Si cada kilogramo de hielo cuesta $ 0,10, ¿cuánto costará mantener la nevera durante una hora? Respuesta: $ 0,03 9)  9) Una lámpara incandescen incandescente te trabaja a 3000 °K. El área tot total al de la l a superficie del filamento es de 0,05 cm² y el poder emisor es de 0,3. ¿Qué potencia eléctrica debe suministrarsee al filamento? suministrars Respuesta: 6,89 W Responder el siguiente cuestionario: 1) ¿Qué 1) ¿Qué entiende por Conducción Conducción?? 2) ¿Cómo 2) ¿Cómo clasifica a los cuerpos respecto de su conductividad calórica? calórica?

 

 

 

Tabla de Conductividad Térmica (λ)  Material

W/m.K

 Acero  Agua

47-58 0,58

 Aire 0,02  Alcohol 0,16  Alpaca 29,1  Aluminio 209,3  Amianto 0,04 Bronce 116-186 Cinc 106-140 Cobre 372,1-385,2 Corcho 0,04-0,30 Estaño 64,0 Fibra de Vidrio 0,03-0,07 Glicerina 0,29 Hierro 1,7 Ladrillo 0,80 Ladrillo Refractario 0,47-1,05 Latón 81-116 Litio 301,2 Madera 0,13 Mercurio 83,7 Mica 0,35 Níquel 52,3 Oro 308,2 Parafina 0,21 Plata Plomo  Vidrio

406,1-418,7 35,0 0,6-1,0

EXTRAÍDO http://www.fisicanet.com.ar/fi canet.com.ar/fisica/f2_termodin sica/f2_termodinamica.php amica.php   http://www.fisi REVISADO EL 7/01/17