TERMODINÁMICA

La termodinámica es la rama de la física que estudia la energía y la transformación entre sus distintas manifestaciones, como el calor, y su capacidad para producir un trabajo.

La ley cero de la termodinámica establece que si dos sistemas, Ay B, están en equilibrio termodinámico, y B está a su vez en equilibrio termodinámico con un tercer sistema C, entonces A y C se encuentran en equilibrio termodinámico. Este principio fundamental se enunció formalmente luego de haberse enunciado las otras tres leyes de la termodinámica, por eso se la llamó “ley cero”.

La primera ley de la termodinámica, también conocida como ley de la conservación de la energía enuncia que la energía es indestructible, siempre que desaparece una clase de energía aparece otra (Julius Von Mayer). Más específicamente, la primera ley de la termodinámica establece que al variar la energía interna en un sistema cerrado, se produce calor y un trabajo. “La energía no se pierde, sino que se transforma”.

La segunda ley de la termodinámica indica la dirección en que se llevan a cabo las transformaciones energéticas. El flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de temperatura más alta a aquellos de temperatura más baja. En esta ley aparece el concepto de entropía, la cual se define como la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir un trabajo.

Esto es más fácil de entender con el ejemplo de una máquina térmica: Una fuente de calor es usada para calentar una sustancia de trabajo (vapor de agua), provocando la expansión de la misma colocada dentro de un pistón a través de una válvula. La expansión mueve el pistón, y por un mecanismo de acoplamiento adecuado, se obtiene trabajo mecánico. El trabajo se da por la diferencia entre el calor final y el inicial. Es imposible la existencia de una máquina térmica que extraiga calor de una fuente y lo convierta totalmente en trabajo, sin enviar nada a la fuente fría. La entropía de un sistema es también un grado de desorden del mismo. La segunda ley establece que en los procesos espontáneos la entropía, a la larga, tiende a aumentar. Los sistemas ordenados se desordenan espontáneamente. Si se quiere restituir el orden original, hay que realizar un trabajo sobre el sistema.

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

El calor siempre fluye desde una región con temperatura más alta hacia otra región con temperatura más baja. La transferencia o dispersión del calor puede ocurrir a través de tres mecanismos posibles, conducción, convección y radiación.

CONDUCCIÓN:

En los materiales sólidos la conducción del calor se produce por transferencia de energía de vibración de una molécula a otra, si bien en los metales la elevada conductividad calorífica se debe a la difusión de electrones libres de la zona caliente a la fría. En los fluidos, la conducción se produce además como consecuencia de la transferencia de energía cinética. En cualquier caso, la conducción es un proceso lento en comparación con la convección y la radiación, siendo poco importante cuantitativamente en la transmisión del calor en los fluidos.

CONVECCIÓN: Es el flujo de calor mediante corrientes dentro de un fluido (líquido o gaseoso). La convección es el desplazamiento de masas de algún líquido o gas. Cuando una masa de un fluido se calienta al estar en contacto con una superficie caliente, sus moléculas se separan y se dispersan, causando que la masa del fluido llegue a ser menos densa. Cuando llega a ser menos denso se desplazará hacia arriba u horizontalmente hacia una región fría, mientras que las masas menos calientes, pero más densas, del fluido descenderán o se moverán en un sentido opuesto al del movimiento de la masa más caliente (el volumen de fluido menos caliente es desplazado por el volumen más caliente). Mediante este mecanismo los volúmenes más calientes transfieren calor a los volúmenes menos calientes de ese fluido (un líquido o un gas).

Por ejemplo, cuando calentamos agua en una estufa, el volumen de agua en el fondo de la olla adquirirá el calor por conducción desde el metal de la olla y se hará menos denso. Entonces, al ser menos denso, se moverá hacia la superficie del agua y desplazará a la masa superior menos caliente y más densa hacia el fondo de la olla.

RADIACIÓN: Es la transferencia de calor por medio de ondas electromagnéticas. No se requiere de un medio para su propagación. La energía irradiada se mueve a la velocidad de la luz.

Por ejemplo, si colocamos un objeto (tal como una moneda, un coche, o a nosotros mismos) bajo los rayos del Sol directos; al poco tiempo notaremos que el objeto se calentará. El intercambio de calor entre el Sol y el objeto ocurrirá por medio de  radiación.

Todos los sólidos, líquidos y gases emiten radiación térmica, y si dos cuerpos se sitúan en una cámara cerrada, se establece un intercambio entre ellos, intercambio que no cesa aún cuando se alcance el equilibrio térmico, solo que entonces cada uno de ellos radia y absorbe en la misma cantidad.

DILATACIÓN DE LOS CUERPOS

DILATACIÓN TÉRMICA

Se denomina dilatación térmica al aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura que se provoca en él por cualquier medio. La contracción térmica es la disminución de propiedades métricas por disminución de la misma.

DILATACIÓN LINEAL 

Es aquella en la cual predomina la variación en una única dimensión, o sea, en el ancho, largo o altura del cuerpo. El coeficiente de dilatación lineal, designado por α_L, para una dimensión lineal cualquiera, se puede medir experimentalmente comparando el valor de dicha magnitud antes y después:

Donde , es el incremento de su integridad física cuando se aplica un pequeño cambio global y uniforme de temperatura  a todo el cuerpo. El cambio total de longitud de la dimensión lineal que se considere, puede despejarse de la ecuación anterior:

Donde:

α=coeficiente de dilatación lineal [°C^-1]

L₀ = Longitud inicial

L_f = Longitud final

T₀ = Temperatura inicial.

T_f = Temperatura final

Ejercicio resuelto

Los rieles de una vía de tren de acero, tienen 1500m de longitud. ¿Qué longitud tendrá cuando la temperatura aumente de 24ºc a 45ºc? 

Datos:

 –> Longitud Inicial –> Longitud Final  

 –> Temperatura Inicial

 –> Temperatura Final

  –> Coeficiente de dilatación lineal del Acero.

Hemos elegido acero, porque el problema nos pide que son vías del ferrocarril de acero.

Lo único que haremos será sustituir nuestros datos, en la fórmula final.

Pero antes de sustituir, debemos saber cual es el valor de la diferencial de temperatura, para poder meterla en la fórmula, esa diferencial es la resta de la temperatura más alta, con la temperatura más baja.

Ahora si, a sustituir en la fórmula.

Si observamos, las vías del tren se han dilatado solo .3465 metros, es decir 346.5 milímetros, muy poco, pero significativo para la distancia entre las juntas de riel.

DILATACIÓN SUPERFICIAL

Es aquella en que predomina la variación en dos dimensiones, o sea, la variación del área del cuerpo debido a la intervención de un cambio de temperatura.

El coeficiente de dilatación superficial es cuando los sólidos con un área de un metro cuadrado se les aumenta 1ºc su temperatura, varia en su área de manera constante 

La formula con la que se mide la dilatación superficial es: 

                                            Sf-Si                 Sf = Si [1 + g (Tf- Ti)]

                                         Si (Tf-Ti)               
Donde:

g = coeficiente de dilatación superficial (1/ºc).

Sf = Superficie final (m²⁾ 

Si = Superficie inicial (m²⁾

Tf = Temperatura final (ºC)

Ti = Temperatura inicial (ºC)

Ejercicio resuelto

Una placa de vidrio de 10x10 cm incrementa su temperatura de 17ºc a 50ºc ¿Cual es su incremento superficial?

Datos:

Ti = 17ºc

Tf = 50ºc

Si = 10x10cm= 1m2

g = 1.8x10-5 1/ºc

Sustitución de datos:

ΔS= 1m² [1.8x10^-5 1/ºc (50ºc – 17ºc)]

ΔS= 1m² [1.8x10^-5 1/ºc (33ºc)]

ΔS= 0.00594m²

DILATACIÓN VOLUMETRICA 

Es aquella en la que predomina la variación en tres dimensiones, o sea, la variación del volumen del cuerpo, este fenómeno se ve dado en el estado liquido "La dilatación volumetrica que se presenta en un liquido es directamente proporcional a la diferencia de volumenes en inversamente proporcional al volumen inicial multiplicado por la diferencia de temperaturas".

El coeficiente volumetrico es cuando las sustancias con un volumen inicial de un metro cubico se les aumenta 1ºc su temperatura, varían su volumen de manera constante.

Formula que se utiliza para la dilatación volumetrica es:

β =   Vf-Vi   

      Vi (Tf-Ti)                                           β = Vi [1 + β (Tf-Ti)]

Donde:

β = Coeficiente superficial (1/ºc)

Vf = Volumen final (m³⁾

Vi = Voluemen inicial (m³⁾

Tf = Temperatura final (ºC)

Ti = Temperatura inicial (ºC)

 Ejercicio resuelto 

Antonio un litro de alcohol etílico (vino blanco) en la estufa para calentarla, ya que prepararía la cena de navidad; el alcohol estaba a 15ºc. Después de unos minutos, midió la temperatura y el termómetro marcó 85ºc. Determina cuanto varía el volumen de alcohol.

Datos:

β  alcohol =746x10-6 1/ºc

Vf = ?

Vi =  0.001m³

Tf = 85 ºc

Ti = 15ºc

Δv = ?

Sustitución de la formula:

*Vf = 0.001m³ [1 + 746x10-6 1/ºc (85ºc - 15ºc)]
Vf =  0.001m³ [1 + 746x10-6 1/ºc (70)]
Vf = 0.00105222 m³ 

*Δv = 0.00105222 m³ - 0.001m³
  Δv = 5.22x10-5 m³
 

^{DILATACIÓN IRREGULAR DEL AGUA}

^{La dilatación irregular del agua se produce entre los 0ºC y 4ºC, ya que en este intervalo termico se comporta al revés, es decir, el agua se dilata al enfriarse, y se contrae al calentarla. Por eso el agua ocupa menos volumen es el agua a 4ºC.}

^{Este comportamiento se puede notar cuando se congela un charco de agua, el proceso de congelamiento de esté es lento y comienza de arriba hacia abajo, cuando la temperatura de la atmosfera bajo de 8ºC a 6ºC, el agua que se encuentra.}