Calor y temperatura energia interna
- 1. Energía Interna. Calor y Temperatura 1 Definición de Energía. Principio de conservación de la energía. La energía es una magnitud de difícil definición, pero de gran utilidad. Una definición general podría ser: “La energía es una propiedad de cualquier cuerpo o sistema por la cual éste puede transformarse, modificando su estado o posición, así como actuar sobre otros originando en ellos procesos de transformación.” De forma general podríamos decir: • Es necesario transferir (dar o quitar) algún tipo de energía a un sistema para que se produzcan cambios en el mismo. • Todo sistema que tenga capacidad para producir cambios, tiene energía de alguna clase. • La energía se puede presentar en distintas formas o tipos, dependiendo de ellos se le llama de una forma u otra. Helmholtz en 1847 enuncia lo que se considera una de las leyes fundamentales de la Física: el Principio de Conservación de la Energía (PCE) “La energía no se puede crear (sacar de la nada) ni destruir (eliminar, hacerla desaparecer). Únicamente se puede transformar de una forma a otra”. Hermann von Helmholtz. Postdam. Alemania (1821 – 1894) Si queremos disponer de determinada cantidad de una forma de energía sólo lo podremos conseguir transformando una cantidad equivalente de otra forma de energía. En resumen La energía presenta 3 propiedades básicas: • La energía total de un sistema aislado se conserva. • Por tanto en el Universo no puede existir creación o desaparición de energía. La energía total en el universo es constante (PCE). • La energía puede transmitirse (transferirse) de unos cuerpos (o sistemas materiales) a otros. • La energía puede transformarse de unas formas a otras. 2 Energía Interna (U) Energía térmica: La que tienen los cuerpos debido al movimiento de sus átomos, moléculas, etc. (es la suma de todas las energías cinéticas de estas partículas). La tienen los cuerpos que tienen una temperatura mayor que 0 K. Esta energía aumenta con la temperatura. Energía química: Es la energía que tienen las sustancias y compuestos químicos debido a los enlaces químicos que mantienen unidos sus átomos y moléculas. Esta energía se libera en las reacciones químicas cuando se rompen estos enlaces (ejemplo: combustión) Energía nuclear: Asociada a los procesos de fusión (unión de núcleos) o fisión (ruptura de núcleos) que tienen lugar en el interior de los átomos. Se libera en un tipo de reacciones llamadas reacciones nucleares en las cuales los átomos de un elemento químico se transforman en átomos de un elemento diferente. Energía interna U: de un cuerpo es la suma de todas las energías de las partículas (átomos, moléculas, etc.) que componen un cuerpo, (en particular la energía térmica la energía química y la energía nuclear). Comentarios: • Las partículas de un cuerpo se están moviendo de forma desordenas en todas la direcciones y constantemente. A este movimiento se le llama agitación térmica. • La energía interna aumenta con el movimiento (energía cinética) o agitación térmica de las partículas que componen el cuerpo. • Es una magnitud extensiva (aumenta con la masa del cuerpo, mas partículas ->más energía interna)
- 2. 3 Estados de agregación de la materia y teoría cinético molecular. 3.1 Propiedades de la materia • Masa (m): magnitud que mide la cantidad de materia de un cuerpo (Unidades: Kg, gr, moles,..) • Volumen (V): Magnitud que mide el espacio que ocupa un cuerpo, es extensiva. (Unidades: m3, litros, cc,...). • Densidad (d o ρ): Mide lo concentrado que está la materia en una sustancia. Es una propiedad característica de cada sustancia, es intensiva. (Unidades: Kg/m3, Kg/l, gr/l,...) ρ = m/V Nota: Las distintas propiedades o magnitudes físicas que utilizamos para caracterizar la materia se dividen en dos tipos: • Extensivas: Cuyo valor depende de la cantidad de materia del cuerpo o sistema (si doblamos la cantidad de materia doblamos esta cantidad) • Intensivas: Las que su valor no depende de la cantidad de materia del cuerpo Con esta clasificación el volumen y la masa son extensivas y la densidad intensiva1. 1 Como verás existen otras magnitudes extensivas (Energía interna, energía térmica, etc.) e intensivas (temperatura, energía cinética media, presión,...) La materia está formada por partículas (átomos, moléculas, iones) separadas entre sí que interactúan y se mueven desordenadamente. Habitualmente decimos que la materia (una sustancia) puede estar en 3 distintos estados de agregación: sólido, líquido y gaseoso: Estado solido Estado liquido Estado gaseoso • Estado sólido: o Moléculas muy cerca unas de otras ⇒ fuerzas de cohesión2 entre moléculas muy intensas. 2 Fuerzas “de unión”, las fuerzas que forman los enlaces entre las distintas moléculas o Las moléculas ocupan una posición fija en el sólido ⇒ no pueden “viajar”, (sólo vibrar) o Por lo tanto poseen una forma definida y ocupen un volumen propio. • En el estado líquido: o Moléculas a mayor distancia que en los sólidos ⇒ las fuerzas de cohesión son pequeñas. o Las moléculas pueden “viajar”. o Ocupan un volumen propio, pero que no tienen una forma definida, sino que adoptan la del recipiente que los contiene. • En el estado gaseoso: o Distancia grande entre las moléculas ⇒ fuerzas de cohesión prácticamente nulas. o Presentan tendencia a ocupar el mayor volumen posible al poder expandirse con facilidad. Tanto sólidos como líquidos son poco compresibles, en cambio los gases al estar formados por moléculas muy separas entre sí, son fácilmente compresibles. Al reducir las distancias entre las moléculas disminuiría el volumen del gas. Figura 1: Estados de agregación de la materia
- 3. En los líquidos y gases, las fuerzas de cohesión entre las moléculas son muy débiles, por lo que éstas pueden resbalar unas sobre otras fácilmente y se dice comúnmente que fluyen. El nombre fluido se aplica tanto a los líquidos como a los gases). 4 Temperatura y Energía cinética 4.1 Concepto de Temperatura Si en un cuerpo aumenta la agitación térmica de sus moléculas, entonces aumenta la energía cinética promedio de éstas y por lo tanto aumenta la energía interna de este cuerpo. “La temperatura es una magnitud que nos da una medida de la agitación o movimiento medio (de la energía cinética media) de las moléculas de un material”. Si agitación ↑ (más movimiento) ⇒ Energía interna ↑ ⇒ Temperatura↑ “La temperatura de un cuerpo es proporcional a la energía cinética media de las partículas (átomos, moléculas,...) que lo componen.” Nota: Como la temperatura mide la energía cinética promedio, es una magnitud intensiva, no depende del número de partículas del cuerpo 5 Mecanismos de intercambio de energía: Trabajo y Calor La energía puede transferirse entre los sistemas. Dicha transferencia se produce mediante interacciones entre los cuerpos (o sistemas) provocando cambios en los mismos. Las interacciones pueden ser de diferentes tipos y, por tanto, los cambios o transformaciones que se producen en los sistemas, también. Los cuerpos pueden intercambiar energía mediante dos mecanismos: Calor y Trabajo. 5.1 Interacción mecánica: Trabajo (Práce). En los siguientes ejemplos, se produce una interacción de carácter mecánico:
- 4. Ejemplos: La grúa ejerce una fuerza sobre el cuerpo que sostiene, pudiéndolo subir o bajar una determinada altura. El chico que empuja el carro, ejerce una fuerza sobre el mismo y le produce un desplazamiento. Cuando la interacción es de tipo mecánico, es decir, mediante la actuación de una fuerza (y siempre que haya desplazamiento), como en los ejemplos citados, la transferencia de energía entre un cuerpo y otro se denomina Trabajo (W). W = F·Δs·cos(F,Δs) Mientras se realiza trabajo sobre un cuerpo, se produce una transferencia de energía al mismo (la fuerza le “da” o le “quita” energía al cuerpo), por lo que puede decirse que el trabajo es energía en “tránsito”, energía que va de un sistema a otro. 5.2 Interacción térmica: Calor (Teplo). Cuando interaccionan dos cuerpos o sistemas que se encuentran a distintas temperaturas, como en los ejemplos de las fotos, la transferencia de energía que se produce se denomina Calor. En uno de los ejemplos anteriores, el agua o el refresco (a mayor temperatura) ceden energía al hielo (a menor temperatura). La consecuencia es que el agua o el refresco bajan su temperatura. En el lenguaje cotidiano decimos que el agua "se enfría". De manera inversa, el Sol, en el otro ejemplo, (a mayor temperatura) transfiere energía al agua del mar (a menor temperatura) y el agua aumenta su temperatura o, como se suele decir, "se calienta". El calor es la energía que se transfiere entre 2 cuerpos cuando tienen diferente temperatura El calor es energía en tránsito, es decir, energía que siempre fluye de una zona de mayor temperatura a otra de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera. El Calor y el trabajo no son otra forma de energía, sino energía en tránsito, la cantidad de energía que se transfiere de un cuerpo a otro3. 3 Calor y trabajo también son mecanismos de intercambio de energía entre cuerpos. El nombre se utiliza tanto para hacer referencia a la cantidad de energía transferida como para indicar el tipo de mecanismo de intercambio de energía (Podríamos decir que un sistema ha cedido 2julios de energía en forma de calor o simplemente que ha cedido una cantidad de calor de 2 julios).
- 5. 5.3 Unidades de la energía Tanto para la energía, como el trabajo y el calor, que son energía en tránsito, se emplea la misma unidad en el Sistema Internacional de unidades (SI) el julio (J, Joule). Se define como el trabajo realizado por una fuerza de 1 newton a lo largo de un desplazamiento de 1 metro. Para el calor se emplea también una unidad denominada caloría (cal) que se define como "la energía (calor) necesaria para elevar la temperatura de la masa de 1 gramo de agua pura en 1ºC" 1 cal = 4'186 J ó 1J=0,24 cal Existen otras muchas unidades de energía usadas en otras ramas de la física o la tecnología como por ejemplo el electrón-voltio (eV) usado en física nuclear o el kilovatiohora (kW·h) usado como unidad de producción de energía eléctrica. Nota: 1kW·h =103 W·3600s =3,6·106 J 6 Equilibrio térmico. Principio cero de la termodinámica y escalas de temperatura. 6.1 Equilibrio térmico: Como ya hemos comentado, cuando dos cuerpos a diferente temperatura se ponen en contacto de forma que puedan intercambiar calor (se dice que están en contacto térmico), la energía térmica empieza a fluir en forma de calor desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor. Esto ocurrirá hasta que se igualen sus temperaturas, a esta situación se le llama equilibrio térmico. Principio 0 de la termodinámica: “Si dos cuerpos A y B están en equilibrio térmico con un tercer cuerpo C, ambos cuerpos (A y B) están en equilibrio entre sí”. 6.2 Termómetros. Un termómetro es un instrumento que se usa para medir la temperatura de un cuerpo. Para diseñar un instrumento que mida la temperatura debemos escoger una propiedad de la materia que sea fácilmente observable, que varíe de manera importante con la agitación de sus partículas, que sea fácil de medir y que nos permita relacionar su variación con la agitación que tiene el cuerpo. Es decir, con los termómetros medimos la temperatura de forma indirecta a partir de otra propiedad. La cualidad elegida en los termómetros de mercurio es la dilatación, pero existen otros tipos de termómetros basados en otras cualidades. Para medir la temperatura de un cuerpo, ponemos el termómetro en contacto térmico con él y esperamos a que alcancen el equilibrio térmico. En ese momento, podemos hacer la lectura de la temperatura porque ambos cuerpos tienen la misma. 6.3 Escalas de temperatura Actualmente se utilizan habitualmente 3 escalas (o sistemas) de temperatura diferentes: La escala Celsius, la escala Kelvin (SI) y la Fahrenheit. Para elaborar una escala de temperaturas se eligen dos situaciones con una temperatura característica y definida, y que además sea fácilmente reproducible. En el caso de las escalas Celsius y Kelvin, estos puntos fueron: • El punto de congelación del agua destilada (pura) a 1 atmósfera de presión (presión normal). A la temperatura de este punto especial se le asignó el valor 0ºC (32ºF en el caso de la escala Fahrenheit4) 4 En el caso de la escala Fahrenheit, para definir los puntos 0ºF y 100ºF se utilizó el cloruro amónico (NH4Cl) en lugar del agua • El punto de ebullición (o vaporación) del agua pura a 1 atmósfera de presión. A la temperatura de este punto se le asignó el valor 100ºC. (212ºF en el caso de la escala Farenheit) Después el intervalo de temperaturas entre esos dos punto se dividió en 100 partes (180 partes en el caso de la escala Fahrenheit)
- 6. Puntos de referencia Escala Punto Punto Divisiones Uso congelación ebullición Celsius 0º 100º Europa Kelvin 273,15º 373,15 Científicos (SI) Fahrenheit 32º 212º Anglosajones (EEUU, Reino Unido, etc.) Para pasar de un sistema a otro: De Celsius a Kelvin: T(K) = T(C) + 273,15º De Fahrenheit a Celsius: (Cloruro amónico en agua) El cero absoluto (0 ºK = -273,15 ºC) es la temperatura a la cual cesa toda agitación térmica y es, por tanto, la mínima temperatura que puede alcanzar un cuerpo, la mínima temperatura que puede existir. 7. Formas de transferencia de Calor: Existen 3 formas (o mecanismos) básicas de transferencia de calor entre los cuerpos: • Conducción: Cuando las partículas del cuerpo van transfiriendo la energía térmica sucesivamente de una a otras sin desplazarse por el cuerpo (cada partícula va chocando con las que están próximas a ella y les cede energía). Esta forma de transmisión es típica de los sólidos. • Convección: Cuando las partículas pueden viajar por el sistema (esto ocurre en los fluidos -líquidos y gases-), se establecen corrientes donde las partículas con más energía (de zonas más calientes) se mueven hacia las zonas de menos energía (más frías) y, de esta forma, transportan y transfieren la energía a estas zonas. Estas corrientes se denominas “corrientes de convección”. Como la densidad de los materiales suele disminuir al aumentar la temperatura es normal que las zona más calientes se sitúen arriba (menos densidad, pesan menos), en cambio las zonas frías se sitúan abajo (más densidad, pesan más). Por eso estas corrientes suelen ser verticales. Es un sistema de transmisión muy típico de la atmósfera.
- 7. En los radiadores de nuestras casas pasa algo parecido. El aire cercano al radiador se caliente y asciende por convección, mientras que el aire frío de las zonas superiores de la habitación baja. Mediante estas corrientes el calor se transmite a toda la habitación • Radiación: El transporte y transferencia de calor se realiza mediante la radiación electromagnética. Todo cuerpo con una T>0ºK emite energía en forma de radiación, emite más energía cuanto mayor sea su temperatura. Es el sistema por el cual nos llega la energía del sol y a el se debe el efecto invernadero.
- 8. En la siguiente figura podéis ver un ejemplo con los distintos mecanismos de transmisión de calor desde una hoguera. Transmisión del calor mediante los 3 mecanismos existentes: • Conducción • Convección • Radiación