Colegio Gimnasio Campestre San Sebastián

SINTESIS DEL GRADO NOVENO

TERMODINAMICA

La termodinámica estudia las transferencias de calor y trabajo asociados. Consta de tres

leyes fundamentales:

Ley 0 (Definición de Temperatura)

Primera ley (Conservación de la energía)

Segunda ley (Crecimiento de la Entropía)

Es posible entender las causas microscópicas de estas tres leyes en el marco de la Mecánica

Estadística.

Temperatura

Por experiencia se sabe que muchas propiedades físicas de los cuerpos cambian si los

calentarnos. Por ejemplo el volumen de una columna de Mercurio aumenta al aplicarle una

llama. Con esta observación podemos construir un termómetro elemental que nos permite

especificar cuando dos objetos tienen dos temperaturas distintas.

Para definir temperatura necesitamos introducir dos conceptos básicos:

Contacto térmico

Equilibrio térmico

Dos sistemas físicos están en contacto térmico cuando es posible el intercambio de calor

entre ellos. El calor es la forma de energía que se intercambia entre los dos sistemas debido

a una diferencia de temperatura entre ellos.

Dos sistemas están en equilibrio térmico cuando, estando en contacto térmico, ya no

intercambian energía en forma de calor. Veremos que esto implica que las temperaturas de

los dos sistemas son iguales.

Ley cero de la termodinámica:

Si A y B están en equilibrio térmico con C, entonces A está en equilibrio térmico con B

note que esto define una relación de equivalencia en el conjunto de Sistemas Físicos. La

propiedad que igual a los sistemas en equilibrio térmico se llama temperatura. Podemos

decir que:

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Si A y B tienen la misma temperatura están en equilibrio térmico.

Si A y B tienen temperaturas diferentes, no están en equilibrio térmico.

Calor específico

Las sustancias tienen distintas capacidades de absorber energía en forma de calor, ya que

frente a la misma cantidad de calor, sus temperaturas varían en formas diferentes. Por

ejemplo, si se entrega igual cantidad de calor a una cuchara de aluminio y a una masa

equivalente de agua, al cabo de un cierto tiempo se podrá observar que la cuchara registra

un mayor aumento de temperatura que el agua. Las sustancias tienen capacidades distintas

de almacenamiento de energía, y esto es muy evidente con los alimentos.

Si se colocan en un horno al mismo tiempo una fuente de papas y una cantidad de masa

equivalente de pollo, se advierte que las papas tardan más tiempo en llegar a la temperatura

en equilibrio. Esto ocurre porque diferentes sustancias requieren distintas cantidades de

calor para alcanzar una misma temperatura. Se dice que estos alimentos tienen distintas

capacidades caloríficas específicas o calores específicos.

Calorimetría

Se denomina calorimetría a la medición y el cálculo de las cantidades de calor que

intercambia un sistema. Intuitivamente se sabe que cuanto mayor sea la cantidad de calor

suministrada, el cuerpo alcanzara una mayor variación de la temperatura. Es posible

verificar experimentalmente que entre el calor y la temperatura existe una relación de

proporcionalidad directa. La constante de proporcionalidad depende tanto de la sustancia

que constituye el cuerpo como de su masa, y resulta el producto del calor específico por la

masa del cuerpo. Por lo tanto la ecuación que permite calcular intercambios de calor es:

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DILATACIÓN

Al aumentar la temperatura de una sustancia, sea un sólido, liquido o un gas, aumenta

también el movimiento de las moléculas que la forman, generando cierta separación entre

si. Esto provoca que dicha sustancia, por lo general, presente un aumento en su volumen

en relación con su volumen original, es decir, que se dilate. En el caso contrario, es decir,

en una disminución de temperatura, las moléculas se acercan y se reduce el tamaño de la

sustancia, fenómeno denominado contracción.

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La dilatación se evidencia en algunas grietas que aparecen en las carreteras por efecto de

la absorción de calor por parte del asfalto en épocas de verano, o en la ascensión del

mercurio por el tubo del termómetro cuando aumenta la temperatura..

Dilatación lineal

La variación de la longitud ΔL, de una varilla es directamente proporcional al cambio de

temperatura ΔT. Estas relaciones de proporcionalidad se expresan como:

ΔL = α L ΔT o

Dilatación superficial

Si el sólido tiene forma de lámina, la dilatación afecta sus dos dimensiones y se produce

dilatación superficial (figura 10). En este caso, la variación del área de la lámina es

proporcional al área inicial A0 y al cambio de temperatura ΔT, por tanto:

ΔA = β A ΔT o

Dilatación volumétrica

La variación del volumen DV, es directamente proporcional al cambio de la temperatura y

también es directamente proporcional al volumen inicial del cuerpo, V0. Esto se expresa

como: ΔV = ρ V ΔT o