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Termodinámica.
Transformación de la energía

Energía térmica i combustión.
Efectos de la termodinámica 

Entropía

¿Qué es el calor?

En la física, en particular en la termodinámica, el calor se define como:

¿Qué es el calor?

La contribución de la energía transformada como resultado de una reacción química o nuclear y transferida entre dos sistemas, o entre dos partes de un mismo sistema.

Esta cantidad de energía no es atribuible a un trabajo o a una conversión entre dos diferentes tipos de energía.

El calor es, por lo tanto, una forma de energía transferida y no una forma de energía contenida, como energía interna. También recibe el nombre de enerǵia térmica.

El calor y el trabajo son formas de energía que no pueden asociarse con el estado del sistema, es decir, con su configuración de equilibrio. En particular, ambas formas de energía se reconocen en el momento en que transitan, fluyen.

El trabajo identifica el momento en que la fuerza se realiza un cambio. En otras palabras, los flujos de trabajo se realizan en el instante en que se producen; así como la energía térmica se identifica solo en el momento de su transmisión.

Unidades para expresar el calor

El calor se mide en el Sistema Internacional en joules.

En la práctica, sin embargo, a menudo se utiliza todavía como la unidad de medida de calorías.

Una caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de agua destilada. Esta definición es válida en las condiciones de presión de 1 atm.

A veces también se usan unidades puramente técnicas: como kWh o BTU.

¿Qué es el calor específico?

El calor específico (o calor de masa específica) de una sustancia se define como: la cantidad de calor necesaria para aumentar o disminuir en un kelvin la temperatura de una unidad de masa.

Recordemos que la diferencia entre un grado Celsius y un kelvin es la misma.

Una cantidad similar es el calor molar específico, se define como: la cantidad de calor necesaria para aumentar o disminuir la temperatura de un mol de sustancia en un grado.

En el sistema internacional la unidad de medida del calor específico es J / (K · kg), incluso si la kcal / ( kg  ×  °C ) se usa mucho , mientras que la de calor molar es J / ( K · mol).

¿Cuáles son los efectos del calor?

Los efectos de la transferencia de energía térmica se describen por la primera ley de la termodinámica en su forma más general:

ΔE = Q - W

donde,
ΔE -> indica un cambio de cualquier forma de energía (tal como energía interna, energía cinética, o energía potencial).
Q -> representa el calor.
W -> indica el trabajo (por cambio de volumen o isócoro).

Las consecuencias de la transferencia de energía térmica pueden ser principalmente de dos tipos:

  1. variación de energía
  2. intercambio de trabajo.

Una forma particular de energía que puede modificarse después del paso del calor es la energía interna. La variación de la energía interna puede tener diferentes consecuencias, incluido un cambio en la temperatura o un cambio en el estado de agregación.

¿Qué son el calor latente y el calor sensible?

Si la transferencia de calor da como resultado un cambio en el estado de agregación, toma el nombre de calor latente. Si la transferencia da como resultado una disminución en la diferencia de temperatura (porque los dos sistemas o dos partes del mismo sistema tienden a alcanzar el equilibrio térmico) hablamos de calor sensible.

La fórmula clásica del calor sensible es:

Q  = c·m·ΔT

mientras que el del calor latente es:

Q = λ·m

Finalmente, en el caso de que la transferencia de energía térmica implique tanto una disminución en la diferencia de temperatura como un cambio de fase, este calor puede considerarse como la suma de dos contribuciones:

  1. una contribución relacionada con el calor sensible
  2. una contribución relacionada con el calor latente.

Ejemplo

Por ejemplo, el aumento de la temperatura del agua de 20°C a 50°C en condiciones estándar (es decir, a una presión de 1 atm) se determina por el hecho de que se proporciona calor sensible. Si el agua ha alcanzado ya la temperatura de ebullición, almacena energía (en forma de calor latente), manteniendo su temperatura sin cambios, hasta que se produce el cambio de fase de líquido a vapor.

Por esta razón, un chorro de vapor de agua a 100°C, que tiene energía almacenada durante el paso del estado, puede causar quemaduras más severas que el agua en el estado líquido a la misma temperatura.

También se habla de calor de reacción cuando el calor se consume o se genera por una reacción química.

¿Qué relación tienen energía térmica, temperatura y energía interna?

El calor no es una propiedad asociada con una configuración de equilibrio termodinámico. En presencia de un gradiente de temperatura, la energía térmica fluye desde los puntos a temperaturas más altos a los que están a temperaturas más bajas, hasta que se alcanza el equilibrio térmico.

La cantidad de calor intercambiado depende de la trayectoria en particular seguido de la transformación para llegar desde el estado inicial al estado final.

En otras palabras, el calor no es una función de estado.

Energía interna

La energía interna, en su lugar, es una función del estado asociable con una configuración de equilibrio (o estado termodinámico) del sistema, dependiendo de las variables de estado.

Para la temperatura y la energía internas tienen expresiones lógicas (es decir, son científicamente correctas) del tipo: "el cuerpo tiene una cierta temperatura, tiene una cierta energía interna, adquiere energía, da energía".

Energía en tránsito

Por otro lado, la energía térmica no es una propiedad termodinámica. Las frases como "el cuerpo tiene calor, cede calor, adquiere calor" no tienen ningún valor científico. De hecho, el calor puede definirse como "energía en tránsito", no como "energía poseída por un cuerpo".

El calor es intercambiado entre dos cuerpos (o dos partes del mismo cuerpo) y no poseído por un solo cuerpo (como es el caso de la energía interna). En particular, la energía térmica fluye debido a una diferencia de temperatura entre el sistema en estudio. La transferencia se realiza desde las temperaturas más altas a las temperaturas más bajas. El entorno que interactúa con él. Entonces, el calor solo se manifiesta cuando pasa entre el sistema y el entorno debido a una diferencia de temperatura.

No se reconoce de ninguna manera dentro del sistema y el medio ambiente como una propiedad intrínseca de la misma.

¿Cómo se propaga el calor?

La transferencia (o intercambio o propagación) de calor entre sistemas se puede hacer de tres maneras:

  • Conducción.
  • Convección.
  • Irradiación.

Propagación de por conducción

En un solo cuerpo o entre cuerpos en contacto hay una transmisión, por impactos, de energía cinética entre las moléculas que pertenecen a las áreas vecinas del material.

En la energía de conducción se transfiere a través de la materia, pero sin movimiento macroscópico de la última.

Propagación de por convección

En un fluido en movimiento, las partes de fluido pueden calentar o enfriar al entrar en contacto con las superficies exteriores. A continuación, en el curso de su movimiento (en el carácter turbulento a menudo), la transferencia (siempre a ejecutar), la energía adquirida a otras superficies, lo que da lugar a una transferencia de por advección.

Propagación de por irradiación

Entre dos sistemas, la transmisión de calor puede tener lugar a una distancia (también en el vacío).

La transferencia se realiza mediante la emisión, propagación y absorción de las ondas electromagnéticas: el cuerpo temperatura más baja se calienta, la temperatura superior se enfría.

El mecanismo de irradiación no requiere contacto físico entre los cuerpos involucrados en el proceso.

Un ejemplo: el calor que se propaga desde el Sol hacia la tierra mediante la radiación solar. Las partículas que emiten radiación también generan calor.

Detección de temperatura

La sensación de "calor" o "frío" que siente al tocar un cuerpo está determinada por su temperatura y la conductividad térmica del material del que está hecha, además de otros factores.

Aunque es posible comparar con el tacto (con cierta precaución) las temperaturas relativas de dos cuerpos, es imposible dar una evaluación absoluta.

Para calcular la transferencia de energía térmica se utilizan los calorímetros.

La temperatura es un índice de la energía cinética promedio de las partículas del cuerpo bajo examen. El calor es la energía que un cuerpo a una temperatura más alta transfiere a un cuerpo a una temperatura más baja (hasta tener ambos cuerpos a la misma temperatura). La sensación de frío y calor se debe tanto a la diferencia de temperatura entre la mano y el objeto como a la velocidad con la que el objeto puede transferir (absorber o liberar) calor a la mano (u otro objeto a diferentes temperaturas).

Sin embargo, al proporcionar calor a un cuerpo, no solo aumenta la temperatura, entonces hay una sensación más aguda de calor, pero hay variaciones directamente mensurables en algunas propiedades físicas.

Ejemplos

Por ejemplo. Sumergimos una mano en agua fría durante unos segundos y la otra en agua caliente. Luego sumergimos ambas en agua tibia. La primera tendrá la sensación de que el agua está caliente, la segunda de que está fría, porque la temperatura percibida es relativo al de la mano que está haciendo la medición.

Una evaluación relativa también es a menudo imposible. Por ejemplo, al tocar una pieza de madera y una pieza de metal. Suponemos que ambos materiales han estado en el mismo ambiente el tiempo suficiente para alcanzar el equilibrio térmico con el entorno. Al tocarlos se tiene la sensación de que el metal es mucho más frío, debido a la diferente conductividad térmica de los dos materiales.

Al mismo tiempo colocamos un termómetro. Primero en contacto con la madera y luego con metal. Observamos que la temperatura en ambos materiales es la misma. La misma que la temperatura ambiente.

Antecedentes históricos

Durante la primera mitad del siglo XVIII, los eruditos utilizaron la sustancia elemental llamada flogisto para explicar el calentamiento de algunos materiales y la combustión.

En los años siguientes, los fenómenos térmicos se remontaban a la teoría según la cual el calor era un fluido invisible. Al entrar en la materia de un cuerpo podía aumentar su temperatura.

A pesar de los estudios del siglo XVII de Boyle sobre la relación entre el movimiento de las partículas y la energía térmica, sólo hacia el medio del siglo XIX se sentó las bases de la termodinámica. Estas bases se sentaron gracias a los estudios Mayer (1842) y Joule (1843), relativa a la cantidad de calor y el trabajo necesario para conseguirlo.

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Fecha publicación: 24 de agosto de 2018
Última revisión: 21 de abril de 2020