1. ¿Qué es la termodinámica?

La termodinámica es la parte de la física que trata de los fenómenos

relacionados con la energía térmica y de las leyes que rigen su transformación en

otro tipo de energía. La variación de energía térmica acumulada en un medio en

un proceso de calentamiento o de enfriamiento se obtiene como el producto de la

masa del medio, por su calor específico y por el salto térmico. Pero no toda la

energía térmica almacenada en un medio es utilizable.

El desarrollo tecnológico ha sido el elemento básico que ha permitido al

hombre utilizar nuevas fuentes de energía de manera cada vez más eficiente.

Pero este progreso también tiene sus límites. Todos los procesos de

aprovechamiento energético recurren en un momento al intercambio de energía

térmica. La energía nuclear genera una energía cinética que se transforma en

energía térmica. La energía eólica es consecuencia de las variaciones térmicas en

la atmósfera.

Ejemplo:

El cuerpo humano puede ser considerado como un sistema termodinámico

abierto, que debe mantener su temperatura constante de 37ºC, a pesar de

encontrarse en un entorno de temperatura generalmente inferior que se puede

tomar como una media de 15ºC. Por otra parte está continuamente

intercambiando materia y energía con sus alrededores (metabolismo),

consumiendo energía para desarrollar los trabajos internos y externos, y para

fabricar moléculas estables (anabolismo) para lo cual necesita alimentarse,

ingiriendo moléculas de gran energía libre (nutrición) que a partir de determinadas

reacciones de combustión dan lugar a productos de menor energía (catabolismo)

2. Transformaciones en unidades termodinámicas

A continuación presentamos dos tablas de las unidades más utilizadas

FACTORES DE CONVERSIÓN

Presión

1Pa=1N /m2

1 ¿̄105 Pa=100kPa

1 ¿̄ 0.986923atm

1 ¿̄14.5038 psi

1 ¿̄750.061mmHg

Temperatura

T (K )=t (°C)+273.15

t (ºC)=(t (ºF)– 32)/1.8

T (K )=T (ºR)/1.8

Fuerza 1N=1kg·m /s 2

Energía

1J=1N·m=1W·s

1kJ=239.006cal

1kJ=0.948 Btu

Potencia1W=1J / s

1kW=1.3405hp

CONSTANTES FÍSICAS

Constante universal de los gases

R=8.314J /(mol·K )

R=0.08314bar·m3/(kmol·K )

R=0.08205atm·L/(mol·K)

R=8.314kPa·m3 /(kmol·K)

Número de Avogadro N A=6.023·1023átomos /mol

Gravedad estándar g=9.80665m /s2

Ejemplo:

Convertir 300°F a grados Kelvin

Solución:

° K=5/9 (° F+459.67)=5/9(300+459.67)=5 /9(759.67)=422° K

° K=0.55 ° F+255.37=0.55 x300+255.37=422° K

3. Diagrama de presión

El diagrama PVT es la representación en el espacio tridimensional Presión -

Volumen específico - Temperatura de los estados posibles de un compuesto

químico. Estos estados configuran en el espacio PVT una superficie discontinua,

debiéndose las discontinuidades a los cambios de estado que sufre el compuesto

al variarse las condiciones de presión y temperatura, que son las variables que

suelen adoptarse como independientes en los estudios y cálculos termodinámicos,

principalmente por la relativa sencillez de su medida.

Las superficies delimitan las zonas de existencia de la fase sólida, la fase

líquida y la fase gaseosa. Nótese que para una fase dada P, V y T están

relacionados por la ecuación de estado (tal como la ecuación de los gases

perfectos o la ley de deformación elástica para los sólidos). Existe un cuarto

parámetro, n, la cantidad de sustancia, responsable de que no existan zonas

prohibidas en el diagrama variando simultáneamente P, V y T.

Ejemplo:

Se tiene un gas que ocupa un volumen de 2 L a una presión de 12atm y

temperatura de 25 °C . El gas se expande sucesivamente e isotérmicamente,

tomando los siguientes valores para el volumen: 4 L, 8 L y 16 L. Calcule: a) El

trabajo realizado por el gas en su expansión.

Solución:

PV=nRT

De donde:

n=PVRT

=12(2)

0,082(298)=0,98moles

Entonces:

W 1 ( para4 L )=nRT ¿

W 2 ( para8 L )=nRT (ln(V 2

V 1))=402cal

W 3 ( para16 L )=nRT ¿

W Total=W 1+W 2+W 3=1.206cal

4. Capacidad calorífica

La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de

energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el

cambio de temperatura que experimenta. En una forma más rigurosa, es la

energía necesaria para aumentar la temperatura de una determinada sustancia en

una unidad de temperatura. Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho

cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor.

Puede interpretarse como una medida de inercia térmica. Es una propiedad

extensiva, ya que su magnitud depende, no solo de la sustancia, sino también de

la cantidad de materia del cuerpo o sistema; por ello, es característica de un

cuerpo o sistema particular. Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua de una

piscina olímpica será mayor que la de un vaso de agua. En general, la capacidad

calorífica depende además de la temperatura y de la presión.

La capacidad calorífica no debe ser confundida con la capacidad calorífica

específica o calor específico, el cual es la propiedad intensiva que se refiere a la

capacidad de un cuerpo «para almacenar calor», y es el cociente entre la

capacidad calorífica y la masa del objeto. El calor específico es una propiedad

característica de las sustancias y depende de las mismas variables que la

capacidad calorífica.

Ejemplo:

Para medir la capacidad calorífica de un material, se calienta 100gr de

dicho material a una temperatura de 80ºC. Se introduce en un recipiente de agua

con 1litro a 15ºC y se observa que la temperatura final asciende a 23ºC. Calcula la

capacidad calorífica de dicho material.

Solución:

Calor específico agua 4180 J /kgºC.

Densidad agua: 1000kg /m3

Tenemos que averiguar la energía que se invierte en el sistema. Hay dos a

tener en cuenta, la que sube la temperatura del agua, y este calor debe proceder

del enfriamiento de ese material.

El calor del agua será Q=m·ce·∆T=1 ·4180 ·(23−15)=33440J .

La temperatura final tanto del material como del agua son 23ºC ya que el

final del proceso implica equilibrio térmico, es decir, misma temperatura.

En consecuencia, para el material pedido:

Q=33440 J=m·ce·∆T=1· ce·(80−23)=57 · ce .

Despejando:

ce=33440 /57=586,7 J /kgºC .

5. Leyes de intercambio de calor

El calor cedido por un sistema es igual al calor ganado por el otro, es decir:

∆Q1=−∆Q2

Ejemplo:

Una persona de 80 kg que intenta bajar de peso desea subir una montaña

para quemar el equivalente a una gran rebanada de pastel de chocolate

tasada en 700 calorías. ¿Cuánto debe ascender la persona?

Solución:

Q=700 x 103 x 1480=1036 x 103 J

Q=mhg

h= Qmg

=1036 x103

80(9,81)=1320m

6. Cambio de fase

Fases son los estados de la materia que pueden existir en equilibrio y en

contacto térmicos simultáneamente. Los cambios de fase ocurren cuando algunas

de las variables utilizadas en la descripción macroscópica (P.V.T) cambian bajo

ciertas condiciones de equilibrio; ya sea por agentes externos o internos.

La descripción del fenómeno desde el punto de vista termodinámico lleva a

utilizar la temperatura y presión como variables; los cuales permanecen

constantes durante la transición. La entropía y el volumen son variables durante el

proceso. Además, debido a que se realizan bajo condiciones de equilibrio

termodinámico, los cambios de fase son reversibles.

Las isotermas en los diagramas, P-V son horizontales durante las

transiciones de fase. Entonces, es posible describir completamente la transición

conociendo el estado final y el estado inicial. Es independiente de los estados

intermedios, se calculan los potenciales químicos y se encuentran las variables

involucradas en la transición. Entre los cambios de fase más conocidos se

encuentran: la fusión y la sublimación. Entre los cambios de fase menos conocidos

se encuentra el pasar de un arreglo cristalino a otro. Como ejemplo de lo anotado,

el grafito se convierte en diamante.

Un punto ordinario de una transición de fase en un diagrama de estado no

es únicamente una singularidad matemática de las cantidades termodinámicas de

una sustancia. Para cada fase existen desigualdades que no son violadas en ese

punto. En el punto de la transición los potenciales químicos son iguales en ambas

fases. El punto crítico es un concepto introducido por D.I. Mendeleev en 1860.

Indica la región del plano PT donde la sustancia se vuelve homogénea. Donde

existe un punto crítico una transición contínua puede efectuarse entre dos estados

de la sustancia sin separar las dos fases.

Ejemplo:

¿Cuántas calorías son necesarias para convertir 15 g de hielo a 0 ºC en

vapor de agua a 100 ºC?

Solución:

Q 1=mHIELO LF=15 ·80=1200cal

Q 2=mAGUACe(TF−Ti)=15 ·1 ·100=1500cal

Q 3=mAGUA LV=15 ·540=8100cal

QTOTAL=Q 1+Q 2+Q 3=10800cal=10,8kcal

7. Expansión térmica

La expansión térmica es el incremento en el volumen de un material a

medida que aumenta su temperatura; por lo general, se expresa como un cambio

fraccionario en las medidas por unidad de cambio de temperatura. Cuando el

material es sólido, la expansión térmica se describe en términos de cambio de

longitud, altura o grosor. Si el material es líquido, por lo general se describe como

un cambio de volumen. Debido a que las fuerzas de unión entre átomos y

moléculas varían de material a material, los coeficientes de expansión son

característicos de los elementos y compuestos. Los metales más suaves tienen un

coeficiente de expansión (CTE) alto; por otra parte, los materiales más duros,

como el tungsteno, tienen un CTE bajo. La incompatibilidad de CTE entre dos

piezas de trabajo puede generar una tensión residual importante en la unión, la

cual, al combinarla con la tensión aplicada, puede causar fallas ante una menor

resistencia a la tracción.

Ejemplo:

Un elevador usa una cinta metálica de acero que tiene exactamente 50000m

de longitud a 20 ºC ¿Qué longitud tiene en un día de verano caluroso en que la

temperatura es de 35 ºC?

Solución

Se trata de un problema de expansión lineal donde: la incógnita es la nueva

longitud L=∆ L+Lo

Conocemos

Lo=50000m,

¿=20 ºC

Tf=35 ºC

Coeficiente de expansión lineal para el acero α=1.2 x10−5K−1

Luego

∆ L=α∆T Lo

∆ L=1.2x 10−5 K−1(35 ºC−20 ºC)(50000m)

∆ L=9m

Luego

L=∆ L+Lo

L=9m+50000m

L=50009m