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Calor y temperatura

Calor y temperatura. Antoine-Laurent de Lavoisier, uno de los pioneros de la química moderna, murió en la guillotina en 1794 víctima de los excesos de la Revolución francesa. Antes de este aciago destino desarrolló una labor ingente de estudio e investigación que le llevó, entre otros muchos hallazgos, a proponer una teoría novedosa para explicar la naturaleza del calor. En tiempos de Lavoisier aún se postulaba la existencia del flogisto, una sustancia misteriosa de connotaciones alquímicas que se creía presente en todos los materiales inflamables. Definida como incolora, inodora, insípida e ingrávida, al liberarse en la combustión, supuestamente permitiría que los cuerpos se desflogisticaran después de arder y adquirieran con ello su verdadera esencia y naturaleza. La hipótesis del flogisto, que había gozado de fortuna durante un par de siglos, no casaba bien con los experimentos químicos de Lavoisier. En el curso de sus reflexiones, este insigne francés propuso la existencia de...

Calorímetro

Se llama calorímetros a los dispositivos destinados a la medida del calor. Los más conocidos se componen de una vasija, aislada térmicamente del exterior, que está dotada de un termómetro y de una paleta que sirve para agitar el agua que se halla en su interior. Entre las aplicaciones más notables de los calorímetros está la determinación de calores específicos y el calibrado de potencias de microondas. Para hallar el calor específico de una sustancia mediante un calorímetro de agua se procede del siguiente modo:. Se calienta una masa de la sustancia, ms, hasta una temperatura ts. Se agita la masa de agua del calorímetro, ma, para que toda ella alcance la misma temperatura, t1. Se introduce la sustancia en el calorímetro y se agita el agua, que ahora tendrá una nueva temperatura t2. Llamando csal calor específico de la sustancia, mca la masa del calorímetro y cc al calor específico del mismo, se tendrá que:. Calor perdido por la sustancia: Qs = ms · cs · (ts – t2). Calor...

Cambios de estado (física)

Cambios de estado (física). Los cambios de estado son fenómenos habituales en el desarrollo cotidiano a los que todas las personas están acostumbradas. El agua puesta a hervir en un cazo se consume al evaporarse si no se retira del fuego a tiempo. Los charcos se congelan en las noches frías de invierno. El hielo se derrite en el vaso de un refresco y mucho más deprisa si se mezcla con café caliente. El butano licuado de las bombonas domésticas se convierte en gas al llegar al quemador de la cocina... Los ejemplos son innumerables. Los efectos subyacentes en los fenómenos anteriores, se sitúan entre los más conocidos de la transferencia calorífica: los cambios de estado. A continuación, se ofrece un compendio sucinto de los principales conceptos manejados, que se complementará con un enfoque centrado en los aspectos físicos de estos fenómenos y, en particular, en la noción de calor latente. Calor y cambios de estado. Se denomina cambio de estado a todo proceso en el cual una...

Capacidad calorífica

Los cuerpos y sistemas ofrecen una cierta inercia térmica que los lleva a presentar una resistencia a los cambios de temperatura. Esta inercia, que depende de las características de cada sustancia, recibe el nombre de capacidad calorífica. Así, si se tienen, por ejemplo, 200 gramos de hierro y 200 gramos de cobre, ambos a 30 ºC y se entrega a ambas masas metálicas, también por ejemplo, 1.300 calorías, se observará que sus temperaturas finales son diferentes. De ello se deduce que no todas las sustancias se comportan de igual manera a la hora de evaluar el calor que precisan para elevar su temperatura a un determinado nivel. Para reflejar este fenómeno, se define la capacidad calorífica de un material, denotado por C, a la relación existente entre el calor que se le suministra y la variación de temperatura que se produce en él. Es decir, que:. C =. El hecho de que no todos los materiales absorban calor de la misma manera lleva a definir otro parámetro ligado a la naturaleza del...

Ciclo de Rankine

Como todo ciclo termodinámico, el ciclo de Rankine ofrece una serie de consideraciones teórico-prácticas destinadas a obtener trabajo a partir de dos fuentes de calor situadas a distinta temperatura. En particular, el de Rankine se asemeja al ciclo que se verifica en la obtención de agua gaseosa a partir de agua líquida y, por ello, fue la base del funcionamiento de la máquina de vapor. Aunque las máquinas de vapor han caído en desuso, el ciclo de Rankine se usa aún como fundamento teórico de las centrales térmicas. Ello ha conducido a realizar diversos estudios en torno a sus principios, siempre con la perspectiva de mejorar su rendimiento al máximo. En esencia, el dispositivo en el que se emplea este ciclo se compone de una caldera que contiene agua líquida. Dicha caldera es capaz de absorber el calor que se genera al arder un combustible, una turbina y un condensador. Al recibir calor, el agua líquida se convierte en vapor, que se inyecta a alta presión en la turbina,...

Ciclos reversibles

Los ciclos termodinámicos se definen como series de procedimientos cerrados destinados a extraer un trabajo a partir de dos fuentes de calor a distinta temperatura. Como sugiere su nombre, los ciclos son reversibles cuando es posible invertir su devenir y retornar al estado inicial. En general, si se desea modificar el estado de equilibrio de un sistema termodinámico, deberá, lógicamente, introducirse alguna variación en los parámetros que lo configuran, ya sea la temperatura, la fuerza, la presión, etc. Una vez realizada esa variación, el sistema evolucionará hasta un nuevo estado de equilibrio que estará determinado por los nuevos valores que hayan tomado las magnitudes que lo definen. El tránsito de la primera situación a la segunda puede hacerse de dos formas:. - Rápidamente, con lo que se pasará de la situación inicial a la final, mediante una sucesión de estados en los que no se presentará equilibrio alguno. En ese caso, se dice que la transformación realizada es...

Coeficiente de dilatación

Uno de los efectos que causa el calor sobre la materia sólida es la dilatación de la misma. En un cuerpo se pueden considerar tres tipos de dilataciones: lineal, en una sola dimensión; superficial, en dos dimensiones, y cúbica, si afecta a las tres dimensiones espaciales. En realidad todo cuerpo, al ser tridimensional, se ve afectado por una única forma de dilatación: la cúbica. Sin embargo, a menudo hay una dimensión o dos muy predominantes, por lo que el estudio del fenómeno se circunscribe especialmente a esta o estas dimensiones. Un caso típico es el de un alambre muy delgado, en el que prima la longitud (dilatación lineal). También es prototípica la situación de una fina chapa metálica, que se dilata en dos dimensiones (superficial) de forma predominante. Por todo ello, en física se definen tres coeficientes específicos relacionados con este fenómeno que se denominan respectivamente de dilatación lineal, superficial y cúbica. El coeficiente de dilatación lineal es la...

Desigualdad de Clausius

La viabilidad de una transformación en un sistema termodinámico exige la existencia de alguna diferencia de presión, temperatura, etc., entre dos o más partes de este sistema. De aquí se deduce que los sistemas uniformes en todos sus componentes no tienen posibilidad de transformación alguna; inversamente, un sistema será más activo cuando su grado de desorden sea más elevado. La llamada desigualdad de Clausius, propuesta por el físico alemán Rudolf Clausius en el siglo XIX y base del concepto de entropía, sirve para estudiar cuantitativamente este principio. Sea, por ejemplo, el caso del agua. Cuando esta sustancia se encuentra en estado sólido, los átomos de hidrógeno y oxígeno se hallan perfectamente ordenados según una red cristalina. Si se aporta calor adecuadamente, se logra agua líquida, en la cual la disposición anterior ha desaparecido. Sólo se conservan las distancias intermoleculares y, si se sigue calentando, se acabará logrando vapor de agua, un estado en el que las...

Dilatación de sólidos, líquidos y gases

Dilatación de sólidos, líquidos y gases. La inmensa mayoría de los cuerpos presentes en la naturaleza se dilatan por el calor. Sin embargo, en el caso del agua se da un fenómeno singular cuyos efectos son notables en el comportamiento de las masas líquidas continentales y de los seres vivos que dependen de ellas. A diferencia de la mayor parte de los cuerpos, que aumentan de volumen en mayor o menor medida al absorber calor, en el agua entre 0 °C y 4 °C el coeficiente de dilatación es negativo; es decir, al calentar el agua desde 0 °C hasta 4 °C, la masa de líquido se contrae. Dicho de otro modo, en este rango térmico el agua se dilata al enfriarse. Este fenómeno tiene gran importancia para la vida en los lagos y ríos de aguas lentas. En las superficies lacustres, el agua por encima de 4 °C se contrae al enfriarse, se adensa y, con ello, se hunde hacia el fondo. En cambio, cuando el agua de la superficie desciende por debajo de 4 °C y por encima de 0 °C, se dilata y se hace menos...

Ecuación general de los gases perfectos

A partir de los parámetros de presión, P, volumen, V, temperatura T, y número de moles, n, y de lo establecido en las leyes de los gases, se puede determinar una ecuación que defina el estado general de los gases perfectos (también llamados ideales), entendidos éstos como modelos idealizados de comportamiento que siguen sin variaciones los principios de la teoría cinético-molecular y que, en condiciones normales, no presentan desviaciones significativas respecto a los reales. En este contexto, según las leyes previamente expuestas, a las que se incorpora una constante de proporcionalidad, R, puede exponerse que:. O lo que es lo mismo:. Tal es la formulación de la ecuación general de los gases ideales, y en la que, además de las variables ya conocidas, se incorpora R, la constante universal de los gases, cuyo valor puede determinarse en función de la propia ecuación con los valores de condiciones normales, P = 1 atmósfera, V = 22,4424 l, n = 1 mol y T = 0 °C = 273 K. Así pues, el...

Emisores ideales

Al introducir en una cámara varios cuerpos de pequeño tamaño en comparación con las dimensiones de dicha cámara, la energía radiante que emite el interior de la misma alcanza a esos cuerpos con la misma intensidad. Esa energía que llega a cada cuerpo se divide en dos partes: una es absorbida y servirá para aumentar la temperatura del cuerpo en cuestión; la otra se reflejará. Cuando el cuerpo alcanza la temperatura de las paredes del habitáculo, dicha temperatura, aun cuando se absorba radiación, se mantiene constante. Ello lleva a concluir que, en esa situación, la cantidad de la energía que se emite es igual a la de la energía que se absorbe. Por ello, puede considerarse que un cuerpo que absorba energía con facilidad debe ser capaz de emitirla con idéntica facilidad; inversamente, si es un mal receptor, debe, correlativamente, emitir la energía con dificultad. Por otra parte, teniendo en cuenta que todo cuerpo ha de absorber en parte y reflejar, también en parte, la energía que...

Entalpía, entropía y desorden

Entalpía, entropía y desorden. La noción de entropía se propuso durante el siglo XIX como un artificio teórico para explicar el carácter de los procesos irreversibles. Un vaso hecho añicos al caer al suelo o el estallido de una carga explosiva son ejemplos muy claros de transformaciones irreversibles. Por otra parte, en el comportamiento del mundo inmediato parece advertirse una tendencia general al desarreglo y al desorden. Mientras que para tomar un conjunto de folios impresos y ordenarlos por número de páginas es necesario cierto trabajo, resulta sencillo que se desordenen con estrépito: basta con que se caigan al suelo con un poco de mala suerte. El concepto físico que pone en contacto las nociones de irreversibilidad y desorden es el de entropía. Postulada originalmente para explicar por qué no es posible revertir ciertos procesos termodinámicos, como el tránsito de calor de los cuerpos fríos a los calientes, la entropía se ha convertido en la actualidad en un concepto...

Equilibrios térmicos

Cuando se ponen dos cuerpos en contacto a diferentes temperaturas, pasa calor del más caliente al más frío hasta que ambos igualan su temperatura, t. En ese momento se dice que se ha alcanzado el equilibrio térmico, con lo que cesa el tránsito neto de calor. El fenómeno expuesto es muy fácilmente reconocible en la vida diaria. Si una persona tiene una naranjada a 18 ºC y le gusta más fría, introduce en ella unos cubitos de hielo (suelen estar a unos –7 ºC). Al entrar en contacto la naranjada con el hielo, la primera cede calor al hielo, con lo que:. La naranjada pierde calor y se enfría. El hielo gana calor, llega a la temperatura de fusión y se va derritiendo. Cuando naranjada y hielo alcancen la misma temperatura, teóricamente terminará el flujo de calor (aunque ese flujo continuará entre la bebida y el aire de la habitación). Así pues, en todo equilibrio térmico existe un cuerpo que cede calor y otro que lo absorbe. El principio de conservación de la energía exige que:. ...

Escala internacional de temperaturas

Definida por el Comité Internacional de Pesas y Medidas en su IX Conferencia General, celebrada en 1948, la escala internacional de temperaturas es un conjunto de temperaturas fijas de equilibrio, a partir de las cuales se pueden definir los valores térmicos. El objetivo de su definición fue poner término a la diversidad de escalas usadas en los distintos países y culturas para medir la temperatura, lo cual complicaba la comunicación y el intercambio de los resultados de las investigaciones. En esencia, la escala internacional de temperaturas toma quince sustancias puras y determina con gran precisión la temperatura de 17 estados de equilibrio, entre los que destacan los siguientes:. Temperatura de equilibrio entre:. (a 1 atm de presión). Temperatura en ºC. Oxígeno líquido y su vapor. (punto de oxígeno). -182,97. Hielo y agua saturada de aire. (punto de hielo). 0,00. Agua líquida y su vapor. (punto de vapor, punto fijo fundamental). 100,00. Azufre líquido y su vapor. ...

Ley de Stefan

Basándose en las investigaciones que anteriormente había desarrollado John Tyndall, el austriaco Josef Stefan estableció en el siglo XIX que todos los cuerpos emiten una radiación térmica, debida a su energía interior, que es proporcional a la potencia cuarta de su temperatura absoluta,. Por ello, la expresión matemática de esta ley es:. E = e · · T4. En esta ecuación, E es la energía radiante emitida por segundo y por unidad de superficie, es una constante cuyo valor en el Sistema Internacional es 5,6699 · 10-8 y e es una magnitud, denominada poder emisivo, que depende de la naturaleza de la sustancia de que esté hecho el cuerpo radiante. En todo caso, los valores de e están comprendidos entre 0 y 1 y son mayores para las superficies ásperas que para las pulimentadas. Finalmente, se designa por T la temperatura absoluta del cuerpo. Cabría suponer que si un cuerpo emite energía radiante, el fenómeno terminará cuando haya expulsado de sí toda la energía que contiene y haya...

Leyes de Raoult

Las leyes del cambio de estado afirman que todos los cuerpos puros solidifican a una determinada temperatura, denominada punto de solidificación y que hierven a una cierta temperatura, llamada punto de ebullición. Así, por ejemplo, en el agua, a la presión normal (una atmósfera), la solidificación se produce a 0 ºC, mientras que la ebullición tiene lugar a 100 ºC. Ahora bien, si en una masa de agua se disuelve una determinada sustancia, se produce una disolución. Esta mezcla homogénea tiene un punto de ebullición superior al del disolvente puro y un punto de solidificación más bajo que el de dicho disolvente. La elevación del punto de ebullición se denomina ascenso ebulloscópico y la reducción del punto de congelación recibe el nombre de descenso crioscópico. La magnitud de ambas variaciones, siempre con respecto al disolvente puro, viene dada por una expresión conocida como ley de Raoult. Dicha ley postula que las variaciones en las temperaturas de fusión y ebullición de una...

Máquina térmica

Se conocen como máquinas térmicas ciertos dispositivos especializados en la transformación de energía calorífica en mecánica. Algunos ejemplos típicos son la máquina de vapor, el motor de explosión, el motor diésel y las máquinas frigoríficas. La máquina de vapor es un motor de combustión externa que está constituida por una caldera, dotada de un elemento calefactor, y un pistón, acoplado a un mecanismo biela-manivela, que acciona un determinado elemento (rueda, bomba, telar, etc.). Funciona del modo siguiente:. 1. Se quema un combustible (madera, carbón, etc.) y el calor producido en la combustión se comunica a la masa de agua líquida presente en la caldera, con lo que se obtiene agua vapor. 2. El vapor de agua así logrado se inyecta en el cilindro, con lo que el pistón se desplaza en un movimiento de traslación. Mediante el mecanismo biela-manivela, dicho movimiento se convierte en otro de rotación. Finalizado el movimiento de traslación, cuyo recorrido es la longitud del...

Principios de la termodinámica

Principios de la termodinámica. La termodinámica se estableció como una rama de la física con derecho propio en el primer cuarto del siglo XIX. Los estudios de Sadi Carnot sobre los ciclos de motores térmicos y el principio de la reversibilidad tuvieron entonces una notoria influencia sobre las investigaciones del resto del periodo. Poco a poco, la termodinámica se transformó así en la ciencia de la energía y la postulación sistemática de sus principios generales la dotó de un instrumento muy poderoso para avanzar en sus trabajos y elucubraciones teóricas. De este modo, los conceptos de energía, calor, temperatura y trabajo vinieron a complementarse con otros progresivamente más complejos como los de energía libre, entalpía y entropía. Estas ideas permitieron en conjunto abordar el estudio de los sistemas físicos desde novedosas perspectivas. Después, en el transcurso de los últimos cien años, las consideraciones propias de la física del átomo y de la mecánica estadística dieron...

Problemas de cambio de estado

Para solucionar problemas de este tipo, debe tenerse en cuenta, principalmente:. Las diferentes escalas termométricas y las fórmulas de paso de unas a otras. Las unidades de calor. El cálculo del calor absorbido o emitido por una masa al cambiar de temperatura. El concepto de calor latente de cambio de estado. Problema 1. ¿Qué calor hay que suministrar a una masa de hielo de 2 kg que está a –20 ºC para convertirla en agua líquida a 90 ºC?. Calor de fusión del hielo (cf) = 80 cal/g; calor específico del hielo (c) = 0,5 cal/g ºC. Solución. Para pasar de una situación a la otra, se necesita:. Calor para colocar al hielo a 0 ºC, es decir, en condiciones de fundir. Su valor será:. Q1 = m · c · (t’ – t) Q1 = 2.000 · (0,5) · (20) Q1= 20.000 cal. Una vez situada la masa a 0 ºC, calor para fundirla:. Q2 = m · cf Q2 = 2.000 · 80 Q2 = 160.000 cal. Así se tendría agua líquida a 0 ºC. Para pasarla a 90 ºC, se precisa, teniendo en cuenta que el calor específico del agua líquida es la...

Problemas de dilatación en gases

Cuando se calienta una sustancia gaseosa, debe tenerse en cuenta que, si el volumen es constante, aumentará la presión que ejerce en el interior del recipiente que la contiene; a su vez, si la presión es constante, lo que aumentará será el volumen. Ello es consecuencia de que presión, volumen y temperatura, llamadas variables de estado, están ligadas entre sí por un conjunto de ecuaciones que habrán de tenerse en cuenta. Problema 1. Una vasija de 1 litro contiene 0,05 moles de hidrógeno a 20 ºC. Calcular la presión existente. ¿Qué presión ejercerá el gas si la temperatura se eleva 30 ºC?. Solución. Aplicando la ecuación de estado:. P · V = n · R · T P · 1 = (0,05) · (0,082) · (273 + 20). Operando:. P = 1,20 atmósferas. Aplicando nuevamente la misma ecuación:. P · V = n · R · T P · 1 = (0,05) · (0,082) · (273 + 50). Operando:. P = 1,32 atm. Problema 2. Se tiene un depósito de 54 litros de volumen. La presión manométrica es de 14 kg/cm2 y la temperatura de 27 ºC. El...