Calor y trabajoCalor y trabajo

Se Se incrementaincrementa la la energenergííaa internainternade un de un sistemasistema cuandocuando realizarealiza un un trabajotrabajo.

Se Se incrementaincrementa la la energenergííaa internainternade un de un sistemasistema al al proporcionarleproporcionarlecalorcalor al al sistemasistema..

FunciFuncióón de la energn de la energíía internaa internaUn Un sistemasistema se se encuentraencuentra en en equilibrioequilibrio termodintermodináámicomico sisi no no hay hay unauna fuerzafuerza resultanteresultante queque actactúúee sobresobre el el sistemasistema y y sisi la la temperatruatemperatrua del del sistemasistema eses la la mismamisma queque la de la de sussus alrededoresalrededores..

∆ ∆ ∆U Q W= − ∆U = cambio en la energía interna∆Q = calor neto absorbido por el sistema∆W = trabajo neto realizado por el

sistema sobre sus alrededores

∆U = cambio en la energía interna∆Q = calor neto absorbido por el sistema∆W = trabajo neto realizado por el

sistema sobre sus alrededores

FunciFuncióónn de la de la energenergííaainternainterna, U:, U:

Primera ley de la termodinPrimera ley de la termodináámicamica

∆ ∆ ∆Q W U= +∆Q = calor neto absorbido por el sistema∆W = trabajo neto realizado por el

sistema sobre sus alrededores∆U = cambio en la energía interna

∆Q = calor neto absorbido por el sistema∆W = trabajo neto realizado por el

sistema sobre sus alrededores∆U = cambio en la energía interna

La energLa energíía a no puede crearse o destruirse no puede crearse o destruirse ssóólo transformarse lo transformarse de una forma a otrade una forma a otra.

En cualquier proceso termodinEn cualquier proceso termodináámico, el mico, el calor neto absorbidocalor neto absorbidopor un sistema es igual a la suma del equivalente tpor un sistema es igual a la suma del equivalente téérmico del rmico del trabajo realizadotrabajo realizado por el sistema y el cambio de por el sistema y el cambio de energenergíía internaa internadel mismo.del mismo.

El diagrama PEl diagrama P--VVCuandoCuando un un procesoprocesotermodintermodináámicomico implicaimplica cambioscambiosen el en el volumenvolumen y/o en la y/o en la presipresióónn, , el el trabajotrabajo realizadorealizado porpor el el sistemasistema eses igualigual al al áárearea bajobajo la la curvacurva en un en un diagramadiagrama PP--V.V.

P

V

P1

P2

V1V2

Diagrama P-V

∆ ∆W P= V

Área bajo la curva P-VÁrea bajo la curva P-V

Caso general para la primera leyCaso general para la primera ley

PrimeraPrimera leyley::∆ ∆ ∆Q W U= +

En el En el casocaso mmááss generalgeneral, de , de algalgúúnn modomodo laslas trestrescantidadescantidades estestáánn involucradasinvolucradas en en cambioscambios..

En En casoscasos especialesespeciales, , ssóólolo unauna o dos o dos de de laslas cantidadescantidades involucraninvolucran cambioscambios..

Procesos adiabProcesos adiabááticosticos

Un Un procesoproceso adiabadiabááticotico eses aquelaquel en el en el queque no hay no hay intercambiointercambiode de energenergííaa ttéérmicarmica ∆∆QQ entreentre un un sistemasistema y y sussus alrededoresalrededores..

De la primera ley: ∆Q = ∆W + ∆USi ∆Q = 0 (proceso adiabático) entonces 0 = ∆W + ∆UPor lo tanto, ∆W = -∆U

De la primera ley: ∆Q = ∆W + ∆USi ∆Q = 0 (proceso adiabático) entonces 0 = ∆W + ∆UPor lo tanto, ∆W = -∆U

∆W = -∆U∆W = -∆U

Procesos Procesos isocisocóóricosricos

Un Un procesoproceso isocisocóóricorico eses aquelaquel en el en el queque el el volumenvolumen del del sistemasistemapermanecepermanece constanteconstante..

De la primera ley: ∆Q = ∆W + ∆USi ∆W = 0 (proceso isocórico) entonces ∆Q = 0 + ∆UPor lo tanto, ∆Q = ∆U

De la primera ley: ∆Q = ∆W + ∆USi ∆W = 0 (proceso isocórico) entonces ∆Q = 0 + ∆UPor lo tanto, ∆Q = ∆U

∆Q = ∆U∆Q = ∆U

Procesos isotProcesos isotéérmicosrmicos

Un Un procesoproceso isotisotéérmicormico eses aquelaquel en el en el queque la la temperaturatemperatura del del sistemasistema permanecepermanece constanteconstante..

De la primera ley: ∆Q = ∆W + ∆USi ∆U = 0 (proceso isotérmico) entonces ∆Q = ∆W + 0Por lo tanto, ∆Q = ∆W

De la primera ley: ∆Q = ∆W + ∆USi ∆U = 0 (proceso isotérmico) entonces ∆Q = ∆W + 0Por lo tanto, ∆Q = ∆W

∆Q = ∆W∆Q = ∆W

Temperatura

T > TB A

A B

Calor

Calor

T > TA B

A B

U

Energía interna

Equivalente mecánico del calor

El inglés J P Joule el año 1878 pudo comprobar mediante un simple experimento que una cantidad de trabajo realizado (cualquiera sea su naturaleza) produce siempre una cantidad definida de calor. Así, del ejemplo de la figura se tiene que el bloque de masa m = 20,9 kgcolocado a una altura h = 0,5 m al ser liberado, por efecto de la caída convierte su energía potencial en trabajo que hacen las paletas en el interior del cilindro, el cual contiene m' = 100 g de agua y que por efecto de la agitación eleva su temperatura en ∆T = 0,25°C. A continuación dividimos:

cal1J18,4cal/J18,4QW

cal)25,0.1.100(J)5,0.10.9,20(

TCe'mmgh

QW

><⇒=⇒

=∆

=

agua

g

h

Cuidado1.Si "Q" es el calor en calorías, entonces el trabajo "W" en joules equivalente estará dado por: W = 4,18.Q2.Si "W" es el trabajo en joules y "Q" es el calor equivalente en calorías se verificará que:Q = 0,24.W

Cantidad de Calor (Q)Representa la variación de

energía interna que experimenta un cuerpo. Si aumenta "U" es porque ganó calor y si disminuye "U" pierde calor.

Q = m.Ce. T∆ Q = Calorías = cal

Q∆T

¿Cuánto calor será necesario proporcionar a un trozo de aluminio de 100 g para elevarle su temperatura desde los 10ºC hasta los 60ºC?. Considere que para el aluminio Ce = 0,3.

A cierto bloque de oro de 200 g que se encuentra a 10ºC se le calienta absorviendo 120 calorías de calor. ¿Cuál será la temperatura de dicho bloque, luego de ser calentado?. Considere que para el oro Ce = 0,03.

Hallar el calor específico de un cuerpo que al ganar 200cal, aumentó su temperatura de 5ºC a 45ºC (masa del cuerpo: 4 g)

Equilibrio TérmicoSuponga que tuviésemos dos cuerpos con distinta

temperatura, uno en contacto con el otro, podría comprobarse que el cuerpo más caliente se iría enfriando, mientras que el cuerpo más frío se iría calentando, después de cierto tiempo empleando el tacto se notaría que los dos cuerpos alcanzan una misma temperatura, esta situación final se denomina "Equilibrio térmico".

T = 40ºC2

T = 90ºC1

Equilibrio Térmico

0QQQ0Q

321 =++=∑

MAGNITUD UNIDADES

Q

m

L

L

T

F

V

calor

masa

calor latente de fusión

calor latente de vaporización

temperatura

caloría

kilogramo

caloría por gramo

caloría por gramo

grado celsius

cal

kg

cal/g

cal/g

°C

Una bala de plomo de 25 g de masa impacta contra una pared y con una rapidez de 300 m/s, 40% de su energía lo absorbe la bala en forma de calor. Determine en cuánto cambio su temperatura. (CePb = 0,03 cal/g°C) ; 1 J = 0,24 cal.

Se tiene un recipiente de capacidad calorífica despreciable que contiene40 g de agua a 43°C, ¿qué cantidad de calor es necesario extraer del sistema para que se alcance una temperatura de 33°C?

Se mezclan 400 g de agua a 15ºC con200 g de agua a 45ºC. ¿Cuál será la temperaturafinal de la mezcla?

En un calorímetro de equivalente en agua 80 g queesta a 0ºC se vierte 16 g de agua a 60ºC. ¿Cuál serála temperatura final del equilibrio?

Dos cuerpos que están a las temperaturas de 30ºC y 70ºC se les pone en contacto y llegan a una temperatura final de equilibrio T. Entonces:

I. T es mayor a 30ºII. T es mayor a 70ºIII. T es menor a 30ºIV. T es menor a 70º¿Cuántas afirmaciones son correctas?

Propagación del calor

Por conducciónEl calor puede viajar dentro de un cuerpo o de un

cuerpo a otro en contacto con él por medio de la agitación de las moléculas, de una zona de alta temperatura hacia otra de baja temperatura. Esto se da principalmente en los sólidos, siendo los metales los que mejor lo conducen, y en orden decreciente: la plata, el cobre, el oro, el aluminio, ....., etc. Entre los malos conductores de calor podemos citar: el aire, la lana, la madera, el agua, etc.

Por convecciónDebido a que una elevación de temperatura disminuye la densidad, especialmente de líquidos y gases, entonces las masas calientes suben y las frías bajan, generándose un movimiento cíclico, que llamaremos convección. Este efecto se aprecia al hervir agua, y en la atmósfera es la causa de los vientos.

Por radiaciónPor experiencia sabemos que al acercarnos a una fogata sentimos el calor que proviene del fuego; algo similar sucede con el calor que nos llega desde el sol cruzando el espacio vacío.Así, el calor puede viajar por radiación de ondas electromagnéticas y en el vacío. Se comprueba que los cuerpos mejores emisores de energía radiante son también los mejores absorbentes, y el mejor de ellos es el cuerpo negro. El mejor reflector es el blanco.

Sol

Rayos solares

Tierra

Fuego

Agua

Agua caliente(90ºC)

a) Por Conducción b) Por Convección c) Por Radiación

Calor

Cambios de fase del agua

Sólido (Hielo) Líquido

Solidificación

FusiónQ = 80.m

Gaseoso"Vapor"

Líquido

Vaporización

Condensación

Q = 540.m

Suponga que desea calentar agua y preparar té.¿qué distanciatendría que caer un bloque de 1 kg para elevar la temperaturade 0,25 kg de agua de 25ºC a 925ºC?. Suponga que toda la energíase convierte en calor.

Comportamiento del agua en sus distintas fases