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Trabajo que servirá como una breve introducción a lo que es la termodinámica en el cual abarcamos temas desde el comportamiento atómico de la materia hasta lo que es la termodinámica en si.

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE FISICA

Profesor: DR. ARIEL FLORES ROSAS

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UNIDAD 3. Comprender propiedades de la materia y la termodinámica

Primero empezaremos con una breve introducción de lo que es termodinámica de manera literal. Termodinámica viene del termino griego termo “θερμo” y quieren decir calor y dínamis “δύναμις” que significa fuerza lo cual no da una vaga idea de lo que trata la termodinámica; la termodinámica es una rama de la física que estudia la interacción entre el calor y otras manifestaciones de la energía, esto según lo dice el Diccionario de la lengua española de la Real Academia Española; Su estudio se inició en el siglo XVIII y sus principios se fundamentan en fenómenos comprobados experimentalmente. Con la termodinámica se puede estudiar la cantidad de transferencia de calor a medida que un sistema pasa por un proceso de un estado de equilibrio a otro, en ocasiones nos ayudaría a saber cuánto durará ese proceso. Hay situaciones en las que nos interesa la rapidez o razón de esa transferencia, la cual constituye el tema transferencia de calor que abordare en un tema posterior. Tomando esto como una breve introducción los temas a los que me dedicare a explicar serán.

I. NATURALEZA ATOMICA DE LA MATERIA II. FASES DE LA MATERIA: SOLIDOS, LIQUIDOS, GASES Y PLASMAS

III. TEMPERATURA Y CALOR IV. TRANSFERENCIA DE CALOR Y CAMBIOS DE FASE V. TERMODINAMICA

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3.1 Naturaleza atómica de la materia

El átomo es algo que une dos materias de la ciencia como lo es la física y la química; en la química la estudian para poder estudiar cómo están compuestas las cosas que a su vez tienen algo en común con los biólogos, por otro lado, en física, el átomo es algo que los científicos estudian para conocer su comportamiento (el de los átomos) ya que es algo que a pesar de los muchos avances en ciencia también implicaría avances en tecnología y por ende en la humanidad.

EL ATOMO

En 1808 John Dalton hizo pública su teoría corpuscular de la materia en donde recoge ideas de los pensadores Leucipo y Demócrito sobre la discontinuidad de la materia y la existencia de partículas indivisibles denominadas átomos; gracias a esto se desarrollaron varias ramas de estudios en ciencia como la electroquímica y descubrieron un gran número de elementos químicos.

Williant Gilbert (1544-1603) estudio de forma sistemática los fenómenos eléctricos y magnéticos. Este investigador fue el que uso los términos eléctrico y magnético.

En 1777, el francés Charles de Coulomb introduce el concepto de carga eléctrica, asignando signos + y – a las mismas y descubre la ley que explica la atracción o repulsión entre cargas (ley de Coulomb).

En 1820 Davy explico los fenómenos eléctricos, asignando a cada átomo dos polos, concentrándose en uno de ellos la electricidad positiva y en el otro la negativa, aplicándose el principio de conservación de la carga “cuando se frotan los cuerpos la carga no se crea simplemente se separa”.

A finales del siglo XIX se sustituyó el modelo atómico de Dalton, basado en la existencia de los átomos como las partículas más pequeñas e invisibles de la materia, por otros modelos en los que los átomos están formados por partículas más elementales.

Las partículas que integran un átomo son el electrón (con carga negativa), el protón (con carga positiva) y el neutrón (con carga neutra).

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LA MATERIA EN SU NIVEL ATOMICO

Ok después de haber hecho un breve resumen de la composición del átomo pasaremos a explicar la naturaleza de la materia a nivel atómico.

La materia que conocemos hasta el momento los llamamos estados de la materia, dichos estados los podemos encontrar a diario en nuestro día a día, los más conocidos son los estados sólido, líquido y gaseoso, aunque también hay otros menos conocidos como lo son el plasma y otro aun menos conocido como lo son el Condensado de Bose-Einstein (aunque este ultimo aun no ha sido comprobado del todo).

En la naturaleza podemos encontrar la materia ya sea de forma compuesta o en su forma pura es decir el elemento químico y en otras ocasiones el humano lo pasa por procesos para extraer el elemento puro o a la inversa combina elementos puros para obtener un compuesto, estos elementos a su vez están compuestos de moléculas y las moléculas de átomos y los átomos de quarks (aunque esto es nuevo y faltan experimentos), siendo los átomos los responsables del estado en cómo se encuentra la materia y siendo la energía de estos los que responsables de dicho estado, dicha energía es como ya dije la que determina el estado en que se encuentra la materia, por ejemplo, entre más sea la energía de los átomos estos se moverán o vibraran mas rápido separándose más unos de otros lo que nos mostraría un cuerpo en estado líquido o gaseoso según sean las condiciones; y una mente curiosa se preguntaría ¿Cómo obtienen la energía los átomos para poder moverse o vibrar con más fuerza? Y es ahí en donde entra la energía que en el caso de la termodinámica, sería el calor el responsable de los cambios de la naturaleza atómica de la materia.

3.2 Fases de la materia: sólidos, líquidos, gases y plasmas

FASES DE LA MATERIA

Como ya he explicado la materia puede tener distintas fases, las mas comunes son el solido, el liquido y el gas, y el otro no tanto como el plasma (aunque en realidad es también común en la naturaleza); y aunque

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dedicare para cada uno de estos estados párrafos por separado, explicare brevemente lo que son las fases de la materia.

Las sustancias existen en fases diferentes. Ejemplo de esto es que a temperatura y presión ambiental el cobre es un solido, el mercurio un liquido, y el nitrógeno un gas, pero en condiciones distintas, cada uno podría aparecer en fases diferentes. Aunque son tres las principales (solida, liquida y gaseosa) , una sustancia puede tener varias fases dentro de la principal, cada una con distinta estructura molecular. Por ejemplo, tenemos el carbono existe como grafito o como diamante en la fase solida, el helio tiene dos fases liquidas y el hierro tres fases sólidas, como otro ejemplo tenemos que el hielo a grandes presiones tiene siete fases diferentes; cada fase tiene una configuración molecular distinta.

Las fases de la materia son básicamente las propiedades y el tipo de interacción que tienen los átomos de dicho cuerpo entre ellos, pues según sea la fuerza y el tipo de interacción que tienen los átomos será el estado en el que se encuentre la materia, siendo las diferentes fases de la materia beneficiosas y necesarias para la vida en el planeta, sin las distintas fases de la materia sería imposible por ejemplo que callera la lluvia para que las plantas crezcan grandes y fuertes con los frutos que usamos como alimento; gracias a personas curiosas nosotros podemos provocar estos cambios de fase siguiendo ciertas reglas y leyes, las cuales nos la proporciona la física.

Otra situación algo particular dentro de las fases de la materia es el llamado punto triple.

PUNTO TRIPLE

Como hemos dicho cada fase es estable solamente en ciertos intervalos de temperatura y presión. La transición de una fase a otra normalmente se da en equilibrio de fases entre las dos fases y, para una presión dada, esto solo ocurre a una temperatura específica. Podemos representar estas condiciones en una gráfica, llamada grafica de fases.

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En la siguiente grafica de fases podemos observar lo que acabamos de explicar.

En cada punto de esta grafica solo puede existir una fase, pero cuando el punto esta sobre alguna de las líneas entonces se cumplen los factores para que coexistan dos fases de la materia en equilibrio, es decir, en la figura podemos ver que la línea roja separa a la fase gaseosa de la sólida, por lo tanto si se cumplen ciertas condiciones de presión-temperatura y estas están sobre dicha línea roja, entonces la fase sólida y la gaseosa pueden convivir juntas, de igual manera con la

línea verde que separa la fase solida de la liquida y la azul (liquida-gaseosa). Hay un punto llamado punto triple en donde se juntan las tres líneas que separan las fases, en este punto triple es donde se encuentran las condiciones de persion–temperatura para que las tres fases de la materia puedan estar juntas al mismo tiempo (cabe aclarar que la temperatura y la presión para llegar al punto triple depende del tipo de sustancia de la que se hable ya que no es el mismo valor para todos),de lado izquierdo se puede observar algunos ejemplos de sustancias con la temperatura y presión requeridas para legar al punto triple.

Ahora comenzaremos estudiando y conociendo las diferentes fases de la materia.

Para empezar daremos una breve introducción de lo que es el estado sólido.

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SOLIDO.

El “estado sólido” de la materia se refiere al estado una sustancia de energía condensada por pérdida de calor, con una densidad relativamente alta, una gran fuerza entre sus partículas que es mayor a la repulsión de sus cargas electromagnéticas y una gran resistencia a cambiar su estado de reposo, de forma y volumen definidos cuando no está atrapado.

Los sólidos se conforman cuando las moléculas con mucha energía con fuerte velocidad y oscilación en estado de fusión pierden calor.

Las moléculas de los sólidos interactúan entre sí con una fuerza muy grande. Estas interacciones pueden estar organizadas en una “estructura cristalina regular” llamada monocristalina o policristalina; o no tener una forma definida es decir, amorfos.

Si durante la solidificación la pérdida de calor produce un cambio lento en el estado de las partículas, éstas se organizarán de forma coherente adoptando una estructura geométrica o “cristalina” a nivel molecular lo veríamos se explicaría de la siguiente forma.

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Pero si la solidificación se da de manera súbita, las partículas se organizarán de forma “amorfa”, pues no podrán colocarse de forma homogénea como en el caso del vidrio.

Los sólidos a diferencia de los fluidos (líquidos y gases) no pueden fluir, es decir, que si los ponemos en un tubo horizontal no se mueven, a diferencia de como lo hiciera un fluido; los sólidos tienen forma y cuerpo rígido, por lo cual y no se comprimen, si un sólido es deformado puede pasar que recupere su forma original o que se rompa en varios fragmentos, las fuerzas que afectan a las moléculas del interior de cada solido son diferentes a las fuerzas de afuera (la superficie). Dentro del material, cada molécula está sometida a todas las fuerzas de atracción posibles con sus moléculas vecinas, por lo que se afirma que las partículas dentro de los sólidos se encuentran en un estado menor de energía, pero las moléculas que se encuentra en la superficie tienen fuerzas netas hacia el interior de la materia y posibilidades de interacción, por lo que dichas partículas superficiales se encuentran en un estado más alto de energía.

LIQUIDOS

Es un fluido y estado de la materia con una densidad y volumen definidos, pero sin una forma particular, ya que puede cambiar fácilmente si es sometido a una fuerza, se miden en unidades de volumen, principalmente en metros cúbicos y sus divisiones, particularmente el decímetro,

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conocido como litro, su volumen está fijado por su temperatura y su presión.

Las partículas de un líquido tienen por decirlo de alguna manera mas libertad que las de un sólido y menos que la de un gas, esto por la energía en forma de calor que tienen las moléculas de dicho fluido, en la imagen de abajo se muestra dicha libertad y podemos ver que no están tan compactas o juntas como la de los sólidos.

Las partículas de un líquido tienen menor energía en forma de calor que en su estado gaseoso lo que les permite unirse con firmeza por electromagnetismo con otras partículas (si son iguales la unión se llamara “cohesión” y sin son distintas se llamara “adhesión”) con cierta coherencia en la cercanía, sin que dichas uniones sean rígidas y sin formar estructuras en particulares, lo que le permite al líquido adoptar la forma del recipiente que lo contiene. Las fuerzas cohesivas de un líquido dependerán de la velocidad en la que ocurre la deformación de la sustancia.

Los líquidos tienen mayor energía que el de sus enlaces con otras partículas, lo que les permite fácilmente vibrar, tener movimiento, deslizarse y separarse de forma libre entre sí y entre otras partículas, sin adoptar una forma definida y sin repelerse fuertemente entre sí, permitiendo a la sustancia la capacidad de fluir, es decir, la posibilidad de deformarse para pasar por cualquier orificio o agujero sin necesidad de ejercer una tensión mecánica .

Esta circunstancia de energía le permite a las partículas de los líquidos generar uniones y romperlas; cuando una molécula de un líquido se separa del resto de las partículas, tiene una alta probabilidad de encontrarse con una partícula del mismo material para volver a unirse.

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Un dato curioso y que no muchos saben es que la forma de los líquidos es esférica si sobre ellos no actúa ninguna fuerza externa, como ejemplo tenemos la imagen de la derecha en la que se puede observar un poco de agua en el espacio exterior sin que actúe la fuerza de gravedad de la tierra sobre ella; al ser sujeto a la fuerza de la gravedad, su forma queda definida por el recipiente que lo contiene.

Los líquidos se forman cuando partículas energizadas (de un gas) se consolidan en un espacio determinado, a temperatura y presión constantes, perdiendo energía en forma de calor, e iniciando un proceso de condensación con la posibilidad de que dichas partículas puedan interactuar entre sí por medio de uniones electromagnéticas hasta constituir un arreglo o sustancia; como ya habíamos dicho anteriormente al igual que los gases, los líquidos fluyen y bajo la acción de la gravedad también tomarán la forma del recipiente que los contiene, sin embargo, como sus partículas no se dispersan ni se repelen, no llenan el espacio del recipiente que los contienen sino que conservan una densidad generalmente constante formando una superficie.

La tensión superficial también permite el fenómeno físico de mojar, es decir, que las moléculas de mayor energía en la superficie se adhieran a otras moléculas distintas; otra propiedad que tienen los líquidos es que la tensión superficial permite que un objeto flote elllos aunque sea más denso que el líquido. También permite la capilaridad, es decir, la capacidad de subir por tubos de diámetros muy pequeños donde la fuerza de cohesión es superada por las fuerzas de adhesión.

Como las moléculas en un fluido ya están unidas, es muy difícil comprimirlas, por lo que se dice que los líquidos tienen un volumen constante a menos que sea sometido a temperaturas muy altas. Los líquidos generalmente se dilatan al aumentar su temperatura y pierden volumen cuando se enfrían.

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GASES

Es una forma de la materia en el que sus partículas se encuentran en un alto estado de energía, lo que hace que éstas vibren rápidamente, que experimenten una fuerte repulsión entre sí, y que tiendan a separarse lo más posible con un desplazamiento vectorial de gran velocidad hacia direcciones aleatorias en la imagen de la derecha podemos ver el comportamiento de las partículas en el estado gaseoso y podemos ver como están mas separadas que en el estado sólido y el líquido.

El estado gaseoso, junto con el plasma, es el estado más abundante en el universo, de materia sólida, debido a que en su gran mayoría abundan fundamentalmente el hidrogeno y el helio; las partículas de los gases cambiarán su dirección por acción de la gravedad, al interactuar con otras partículas, o con campos electromagnéticos, u otra forma de energía externa.

El estado gaseoso se reconoce como un estado de la materia entre el estado líquido (menores niveles de energía) y el plasma (mayores niveles de energía). Debido a que las partículas de un gas están ampliamente separadas entre sí y por lo tanto podemos decir que tendrán uniones intermoleculares más débiles que los líquidos y los sólidos.

Cuando las partículas de un gas pierden energía en forma de calor, se condensarán o licuefarán pudiendo transformarse en líquidos; por otra parte, si las partículas de un gas aumentan su nivel de energía, al igual que su vibración, y por esto perderán sus electrones y pasarán al estado de la materia llamado plasma.

El comportamiento de los gases varía de acuerdo a la estructura del núcleo sus partículas, su simetría, su tamaño, su masa atómica, la cantidad de energía cinética en sus partículas, las características de carga electromagnética y de su campo electrostático, así como de sus uniones electromagnéticas con otras partículas, aunque esto se aplica en el caso de ser compuestos.

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Si un gas no está confinado, es decir, que no este contenido en algún recipiente, sus partículas se dispersarán a gran velocidad lo más posible hacia el espacio (no hasta el infinito) sin una forma definida hasta que pierdan suficiente energía cinética por interacción con otros campos electromagnéticos o colisión con otras partículas, que cambiarán su curso o permitirán su condensación.

Para medir la velocidad de la partícula de gas se sabe que esta es proporcional a su energía en cantidad de calor. La temperatura de un gas se mide en relación a la energía cinética promedio de sus partículas en movimiento.

Por todo lo anterior podemos decir que las propiedades de los gases son:

• Las moléculas de un gas se encuentran prácticamente libres, de modo que son capaces de distribuirse por todo el espacio en el cual son contenidos. Las fuerzas gravitatorias y de atracción entre las moléculas son despreciables, en comparación con la velocidad a que se mueven sus moléculas.

• Los gases ocupan completamente el volumen del recipiente que los contiene.

• Los gases no tienen forma definida, adoptando la de los recipientes que las contiene.

• Pueden comprimirse fácilmente, debido a que existen enormes espacios vacíos entre unas moléculas y otras.

En el caso de los gases podremos mencionar unas leyes que nos hablan de sus cualidades.

- LEY DE BOYLE-MARIOTTE

La Ley de Boyle-Mariotte (o Ley de Boyle), formulada por Robert Boyle y Edme Mariotte, es una de las leyes de los gases que relaciona el volumen y la presión de una cierta cantidad de gas mantenida a temperatura

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constante. La ley dice que a una temperatura constante y para una masa dada de un gas el volumen del gas varía de manera inversamente proporcional a la presión absoluta del recipiente:

PV=k

(PRESION POR VOLUMEN = CONSTANTE SI LA TEMPERATURA Y LA MASA DEL GAS PERMANECEN CONSTANTES.)

- LEY DE CHARLES

En 1787, Jack Charles estudió por primera vez la relación entre el volumen y la temperatura de una muestra de gas a presión constante y observó que cuando se aumentaba la temperatura el volumen del gas también aumentaba y que al enfriar el volumen disminuía. Por lo tanto se tienen que:

El volumen es directamente proporcional a la temperatura del gas:

•Si la temperatura aumenta, el volumen del gas aumenta.

•Si la temperatura del gas disminuye, el volumen disminuye

Cuando aumentamos la temperatura del gas las moléculas se mueven con más rapidez y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. Esto quiere decir que el número de choques por unidad de tiempo será mayor. Es decir se producirá un aumento (por un instante) de la presión en el interior del recipiente y aumentará el volumen, es decir, el émbolo se desplazará hacia arriba hasta que la presión se iguale con la exterior.

Lo que Charles descubrió es que si la cantidad de gas y la presión permanecen constantes, el cociente entre el volumen y la temperatura siempre tiene el mismo valor.

Con esto pudo deducir esta pequeña ecuación:

“La presión ejercida por una fuerza física es inversamente proporcional al volumen de una masa gaseosa, siempre y cuando su temperatura se mantenga constante.”

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V/T=K (el cociente entre el volumen y la temperatura es constante)

En un ejemplo que vi hace rato se decía; supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V1 que se encuentra a una temperatura T1 al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V2, entonces la temperatura cambiará a T2, por lo que con esto podemos describir la siguiente ecuación que no es mas que otra forma de ver la ley de chales:

V1/T1=V2/T2

Esta ley se descubre casi ciento cuarenta años después de la de Boyle debido a que cuando Charles la enunció se encontró con el inconveniente de tener que relacionar el volumen con la temperatura Celsius ya que aún no existía la escala absoluta de temperatura.

- LEY DE GAY-LUSSAC

Fue formulada por Joseph Louis Gay-Lussac a principios de 1800, y en ella establece la relación entre la temperatura y la presión de un gas cuando el volumen es constante; tenemos por la ley de Gay- Lussac que:

La presión del gas es directamente proporcional a su temperatura:

•Si aumentamos la temperatura, aumentará la presión.

•Si disminuimos la temperatura, disminuirá la presión.

Al aumentar la temperatura las moléculas del gas se mueven más rápidamente y por tanto aumenta el número de choques contra las paredes, es decir aumenta la presión ya que el recipiente es de paredes fijas y su volumen no puede cambiar, Gay-Lussac descubrió que, en cualquier momento de este proceso, el cociente entre la presión y la temperatura siempre tenía el mismo valor por lo que llego a esta ecuación:

P/T=K (el cociente entre la presión y la temperatura es constante)

Otra manera de expresar la ley de Gay-Lussac seria:

P1/T1 = P2/T2

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Lo que quiere decir es que si tenemos tenemos un gas que se encuentra a una presión P1 y a una temperatura T1 al comienzo del experimento y variamos la temperatura hasta un nuevo valor T2, entonces la presión cambiará a P2.

- LEY GENERAL DE LOS GASES

Esta ley es una resultante de la combinación de las tres leyes anteriores y no dice que:

PV/T = K

Lo que quiere decir es que la presión por el volumen sobre la temperatura es constante, ya que a mayor presión, menor volumen y mayor temperatura y viceversa.

- LEY DE LOS GASES IDEALES

De la ley general de los gases se obtiene la ley de los gases ideales. Su expresión matemática es:

PV=nRT

De donde P=presión, V=volumen, n=número de moles, R=constante universal de los gases ideales y T= temperatura

De esta ley se deduce que un mol (6,022 x 10^23 átomos o moléculas) de gas ideal ocupa siempre un volumen igual a 22,4 litros a 0 °C y 1 atmósfera. También se le llama la ecuación de estado de los gases, ya que solo depende del estado actual en que se encuentre el gas.

PLASMAS

Es el cuarto estado de agregación de la materia, un estado fluido similar al estado gaseoso pero en el que determinada proporción de sus partículas están cargadas eléctricamente y no poseen equilibrio electromagnético, por eso son buenos conductores eléctricos y sus partículas responden fuertemente a las interacciones electromagnéticas de largo alcance.

El plasma presenta características propias que no se dan en los sólidos, líquidos o gases, por lo que es considerado otro estado de agregación de

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la materia; como el gas, el plasma no tiene una forma o volumen definido, a no ser que esté encerrado en un contenedor; pero a diferencia del gas en el que no existen efectos colectivos importantes, el plasma bajo la influencia de un campo magnético puede formar estructuras como filamentos, rayos y capas dobles. Los átomos de este estado se mueven libremente; cuanto más alta es la temperatura más rápido se mueven los átomos en el gas, y en el momento de colisionar la velocidad es tan alta que se produce un desprendimiento de electrones.

Calentar un gas puede ionizar sus moléculas o átomos (reduciendo o incrementado su número de electrones para formar iones), convirtiéndolo en un plasma. La ionización también puede ser inducida por otros medios, como la aplicación de un fuerte campo electromagnético mediante un láser o un generador de microondas. El plasma es el estado de agregación más abundante de la naturaleza, y la mayor parte de la materia en el Universo visible se encuentra en estado de plasma.

En física el plasma tiene aplicaciones en otras área, por ejemplo, en las descargas de gases, en la fusión termonuclear, en la física del espacio, en la astrofísica moderna, en la conversión de energía MHD y propulsión iónica entre otros.

Puesto que existen plasmas en contextos muy diferentes y con características diversas, la primera tarea de la física del plasma es definir apropiadamente los parámetros que deciden el comportamiento de un plasma.

Los principales parámetros son, la neutralidad y especies presentes que nos dice si un plasma es neutro o es no neutro o inestable , la longitud (llamada también longitud de Debye o de apantallamiento electromagnético) También la longitud de una onda plasmática depende del contenido cóncavo de su recipiente, el cual influye porque su

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paralelismo con respecto del eje x sobre la tierra afecta la longitud de dicha onda de espectro electromagnético; la frecuencia del plasma, así como la longitud de Debye proporciona una medida de las longitudes típicas en un plasma, la frecuencia de plasma describe sus tiempos característicos; la temperatura o velocidad térmica, a mayor temperatura, mayor será la dispersión de velocidades, una medida de tal dispersión es la velocidad cuadrática media que, en el equilibrio, se denomina también velocidad térmica; y el parámetro de plasma el cual indica el número medio de partículas contenidas en una esfera cuyo radio es la longitud de Debye conocida también como esfera de Debye.

3.3 Temperatura y calor.

TEMPERATURA Y EQUILIBRIO TERMICO

El concepto de temperatura se origina en las ideas cualitativas de lo que nosotros conocemos habitualmente como caliente y frio basadas en nuestro sentido del tacto. Un cuerpo que se siente caliente suele tener una temperatura mas alta que un cuerpo similar que se siente frio. Esto es un tanto vago y los sentidos pueden engañarse. Sin embargo muchas propiedades de la materia que podemos medir dependen de la temperatura; como por ejemplo, la longitud de una varilla de metal, la presión de vapor de una caldera, la capacidad de un alambre para conducir corriente eléctrica, el color brillante de un objeto muy caliente, entre muchos otros.

La temperatura también se relaciona con la energía cinetica de las moléculas de un material. En general, esta relación es muy compleja, como para que esto defina a la temperatura. Sin embargo es importante entender que el calor y la temperatura pueden definirse independientemente de cualquier enfoque molecular detallado.

Para medir la temperatura de un cuerpo, colocamos un termómetro en contacto con él. Si queremos conocer la temperatura de una taza de café introducimos el termómetro en el líquido, al interactuar los dos, el termómetro se calienta y el café se enfría un poco. Una vez que el

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termómetro se estabiliza leemos la temperatura. El sistema está en una condición de equilibrio, en la cual la interacción entre el termómetro y el café ya no causa un cambio en el sistema. Llamamos equilibrio térmico a dicho estado.

- LEY CERO DE LA TERMODINAMICA

La ley cero de la termodinámica establece que si un cuerpo A se encuentra a la misma temperatura que un cuerpo B y este tiene la misma temperatura que un tercer cuerpo C, entonces, el cuerpo A tendrá la misma temperatura que el cuerpo C. Por lo cual estaremos seguros de que tanto el cuerpo A, como el B y C, estarán los tres, en equilibrio térmico. Es decir: los cuerpos A, B y C, tendrán igual temperatura.

Otra forma de explicar esto de manera mas corta seria: dos sistemas están en equilibrio térmico, si y solo si tienen la misma temperatura.

TERMOMETROS Y ESCALAS DE TEMPERATURA

Para que un termómetro se útil necesitamos marcar una escala numerada en la pared de un tubo. Estos números son arbitrarios e históricamente se han usado muchos esquemas diferentes; Los termómetros se ajustan en diferentes escalas; las más famosas son la escala Fahrenheit, Celsius (también llamada centígrada), y la escala absoluta Kelvin.

En la actualidad tenemos varios tipo de termómetro como los siguientes:

Termómetro de mercurio: Es un tubo de vidrio sellado que contiene un líquido, generalmente mercurio (Hg), o alcohol coloreado, cuyo volumen cambia con la temperatura de manera uniforme. (Fue inventada por Fahrenheit en el 1714)

Pirómetros: Son utilizados en fundiciones, fábricas de vídrio, etc. Segun su funcionamiento y existen de varios tipos.

Termómetro de lámina bimetálica: Formado por dos láminas de metales de coeficientes de dilatación muy distintos.

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Termómetro de gas: Pueden ser a presión o a volumen constante. Este tipo de termómetros son muy exactos y se usan casi siempre para calibración de otros termómetros.

Termómetro de resistencia: Consiste en un alambre de algún metal (Platino) cuya resistencia eléctrica cambia cuando varía la temperatura.

Termopar: Un termopar es un dispositivo utilizado para medir temperaturas que esta basado en la fuerza electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dos metales distintos.

Termistor : Se detecta la temperatura con base a un termistor que varía el valor de su resistencia eléctrica en función de la temperatura.

A continuación pongo una tabla en donde se muestran las diferentes tipos de conversiones:

Si nos damos cuenta al tener una ecuación y querer encontrar su reciproca lo único que hacemos es despejar los grados.

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También les pongo las comparaciones mas comunes que se hacen entre temperaturas

TEMPERATURA ºC ºF

Punto Ebullición Agua 100 212

Punto Congelación Agua 0 32

Temperatura Corporal Promedio del Cuerpo Humano 37 98.6

Temperatura ambiente confortable de 20 a 25 de 68 a 77

EXPANSIÓN TERMICA

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.

También se puede definir como el efecto más frecuente producido por cambios de temperatura es un cambio en el tamaño. Con pocas excepciones, todas las sustancias incrementan su tamaño cuando se eleva la temperatura. Los átomos en un sólido se mantienen juntos en un arreglo regular debido a la acción de fuerzas eléctricas. A cualquier temperatura los átomos vibran con cierta frecuencia y amplitud.

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Como ejemplo tenemos lo siguiente:

Experimentalmente se ha encontrado que un incremento en una sola dimensión, por ejemplo, la longitud de una barra, depende de la dimensión original y del cambio de temperatura. Por ejemplo, considere una la barra. La longitud original es L0 y la temperatura inicial es t0. Cuando se calienta a una temperatura t, la nueva longitud de la barra se indica como L. Por tanto, un cambio en la temperatura, t = t — t0 produce un cambio de longitud, L = L — L0. El cambio de longitud proporcional está dado por

L = αL0 t (expansión térmica lineal)

donde a es la constante de proporcionalidad llamada el coeficiente de dilatación lineal. Como un incremento en la temperatura no produce el mismo aumento en la longitud en todos los materiales, el coeficiente α es una propiedad del material.

A continuación le mostramos una tabla de los coeficientes de dilatacion de algunos materiales.

EXPANCION DE VOLUMEN

Un aumento de temperatura suele aumentar el volumen de materiales tanto líquidos como sólidos. Al igual que en la expansión lineal, se ha visto experimentalmente que si los cambios de temperatura ɅT (tomando Ʌ

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como delta) no es muy grande (menos de 100 C°), el aumento de volumen ɅV es aproximadamente proporcional al cambio de temperatura ɅT y al volumen inicial V0:

ɅV=βV0ɅT (expansión térmica de volumen)

Y en donde β es la constante que caracteriza las propiedades de expansión de volumen de un material dado; llamado coeficiente de expansión volumétrica.

A continuación pondré una pequeña tabla de expansión volumétrica:

CANTIDAD DE CALOR

El calor es simplemente otra forma de energía que puede medirse únicamente en términos del efecto que produce. La unidad de energía del SI, el joule, es también la unidad preferida para medir el calor, puesto que éste es una forma de energía. Sin embargo, hay tres antiguas unidades que aún se conservan. Estas primeras unidades se basaron en la energía térmica requerida para producir un cambio patrón. Son la caloría, la kilocaloría y la unidad térmica británica (British thermal unit) o Btu.

Una caloría (cal) es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius.

Una cal).

Una unidad térmica británica (Btu) es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra patrón (Ib) de agua en un grado Fahrenheit.

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Además del hecho de que estas viejas unidades implican que la energía térmica no se puede relacionar con otras formas de energía, existen otros problemas con su uso. El calor requerido para cambiar la temperatura del agua de 92 a 93°C no es exactamente el mismo que el que se necesita para elevar la temperatura de ese líquido de 8 a 9°C. Por tanto, es necesario especificar el intervalo de temperatura para la caloría y para la unidad térmica británica en aplicaciones de precisión. Los intervalos elegidos fueron 14.5 a 15.5°C y 63 a 64°F. Además, la unidad libra que aparece en la definición del Btu debe ser reconocida como la masa de la libra patrón. Esto representa el abandono de las unidades del SUEU, ya que en ese sistema la libra quedó reservada para expresar el peso. Esta distinción es necesaria debido a que la libra de agua debe representar una cantidad constante de materia, independientemente del lugar geográfico. Por definición, la libra masa se relaciona con el gramo y el kilogramo en la siguiente forma:

1 Ib = 454 g = 0.454 kg

Enseguida se muestran unas equivalencias de las unidades de calor:

CALOR ESPECÍFICO

La capacidad térmica C de una muestra particular se define como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de dicha muestra en 1°C. A partir de esta definición, se ve que, si la energía Q produce un cambio ɅT en la temperatura de una muestra, en tal caso

Q =C ɅT

El calor específico c de una sustancia es la capacidad térmica por unidad de masa. Por lo tanto, si a una muestra de una sustancia con masa m se le

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transfiere energía Q y la temperatura de la muestra cambia en ɅT, el calor específico de la sustancia es

El calor específico es en esencia una medida de qué tan insensible térmicamente es una sustancia a la adición de energía. Mientras mayor sea el calor específico de un material, más energía se debe agregar a una masa determinada del material para causar un cambio particular de temperatura.

En la siguiente tabla puede verlos calores específicos de algunos materiales:

Por lo anterior podemos relacionar la energía Q transferida entre una muestra de masa m de un material y sus alrededores con un cambio de temperatura ɅT como:

Q m*c*ɅT

3.4 Transferencia de calor y cambio de fase

TRANSFERENCIA DE CALOR

Es un proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección,

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radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.

La conducción es la transferencia de calor a través de un objeto sólido: es lo que hace que el asa de un atizador se caliente aunque sólo la punta esté en el fuego. La convección transfiere calor por el intercambio de moléculas frías y calientes: es la causa de que el agua de una tetera se caliente uniformemente aunque sólo su parte inferior esté en contacto con la llama. La radiación es la transferencia de calor por radiación electromagnética (generalmente infrarroja): es el principal mecanismo por el que un fuego calienta la habitación.

De manera mas corta podemos decir que la transferencia de calor se produce normalmente desde un objeto con alta temperatura, a otro objeto con temperatura más baja. La transferencia de calor cambia la energía interna de ambos sistemas implicados, de acuerdo con la primera ley de la Termodinámica.

- CONDUCCION

Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es

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proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).

El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario conocer la velocidad de conducción del calor a través de un sólido en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Para averiguarlo se requieren técnicas matemáticas muy complejas, sobre todo si el proceso varía con el tiempo; en este caso, se habla de conducción térmica transitoria. Con la ayuda de ordenadores (computadoras) analógicos y digitales, estos problemas pueden resolverse en la actualidad incluso para cuerpos de geometría complicada.

Para el caso simplificado de flujo de calor estacionario en una sola dirección, el calor transmitido es proporcional al área perpendicular al flujo de calor, a la conductividad del material y a la diferencia de temperatura, y es inversamente proporcional al espesor:

De donde:

Es el calor transmitido por unidad de tiempo.

K es la conductividad térmica.

A es el área de la superficie de contacto.

T1-T2 es la diferencia de temperatura entre el foco caliente y el frío.

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X es el espesor del material.

LEY DE FOURIER

La conducción térmica está determinada por la ley de Fourier, que establece que el flujo de transferencia de calor por conducción en un medio isótropo es proporcional y de sentido contrario al gradiente de temperatura en esa dirección. De forma vectorial:

q=-k T

donde:

q: es el vector de flujo de calor por unidad de superficie (W m-2).

k: es una constante de proporcionalidad, llamada conductividad térmica (W m-1 K-1).

T: es el gradiente del campo de temperatura en el interior del material ( K m-1).

De forma integral, el calor que atraviesa una superficie S por unidad de tiempo viene dado por la expresión:

- - CONVECCION

Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo

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En la imagen se muestra como es el proceso de la transferencia de calor por el proceso de convección.

el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.

Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como

resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima. De forma similar, en una cámara vertical llena de gas, como la cámara de aire situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el aire situado junto al panel exterior —que está más frío— desciende, mientras que al aire cercano al panel interior —más caliente— asciende, lo que produce un movimiento de circulación.

El calentamiento de una habitación mediante un radiador no depende tanto de la radiación como de las corrientes naturales de convección, que hacen que el aire caliente suba hacia el techo y el aire frío del resto de la habitación se dirija hacia el radiador. Debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, los radiadores deben colocarse cerca del suelo (y los aparatos de aire acondicionado cerca del techo) para que la eficiencia sea máxima. De la misma forma, la convección natural es responsable de la ascensión del agua caliente y el vapor en las calderas de convección natural, y del tiro de las chimeneas. La convección también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde el interior del Sol hasta su superficie.

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- RADIACION

La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. En 1905, Albert Einstein sugirió que la radiación presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto fotoeléctrico, la radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. La naturaleza cuántica de la energía radiante se había postulado antes de la aparición del artículo de Einstein, y en 1900 el físico alemán Max Planck empleó la teoría cuántica y el formalismo matemático de la mecánica estadística para derivar una ley fundamental de la radiación. La expresión matemática de esta ley, llamada distribución de Planck, relaciona la intensidad de la energía radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda determinada con la temperatura del cuerpo. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe un máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo ideal (cuerpo negro) emite radiación ajustándose exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten con una intensidad algo menor.

°ley de Planck

La ley de Planck describe la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro en equilibrio térmico en una temperatura definida. La ley lleva el nombre de Max Planck, quien la propuso originalmente en 1900. Se trata de un resultado pionero de la física moderna y la teoría cuántica.

En esta imagen se muestra que no es necesario aire o algún

medio para la transferencia de calor por radiación.

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La intensidad de la radiación emitida por un cuerpo negro (o radiancia espectral) con una cierta temperatura T y frecuencia viene dada por la ley de Planck:

Lo siguiente es un cuadro de lo que significa cada símbolo de la ecuación Planck

La contribución de todas las longitudes de onda a la energía radiante emitida se denomina poder emisor del cuerpo, y corresponde a la cantidad de energía emitida por unidad de superficie del cuerpo y por unidad de tiempo. Como puede demostrarse a partir de la ley de Planck, el poder emisor de una superficie es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. El factor de proporcionalidad se denomina constante de Stefan-Boltzmann en honor a dos físicos austriacos, Joseph Stefan y Ludwig Boltzmann que, en 1879 y 1884 respectivamente, descubrieron esta proporcionalidad entre el poder emisor y la temperatura. Según la ley de Planck, todas las sustancias emiten energía radiante sólo por tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida. Además de emitir radiación, todas las sustancias son capaces de

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absorberla. Por eso, aunque un cubito de hielo emite energía radiante de forma continua, se funde si se ilumina con una lámpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor mayor de la que emite.

Las superficies opacas pueden absorber o reflejar la radiación incidente. Generalmente, las superficies mates y rugosas absorben más calor que las superficies brillantes y pulidas, y las superficies brillantes reflejan más energía radiante que las superficies mates. Además, las sustancias que absorben mucha radiación también son buenos emisores; las que reflejan mucha radiación y absorben poco son malos emisores. Por eso, los utensilios de cocina suelen tener fondos mates para una buena absorción y paredes pulidas para una emisión mínima, con lo que maximizan la transferencia total de calor al contenido de la cazuela.

Algunas sustancias, entre ellas muchos gases y el vidrio, son capaces de transmitir grandes cantidades de radiación. Se observa experimentalmente que las propiedades de absorción, reflexión y transmisión de una sustancia dependen de la longitud de onda de la radiación incidente. El vidrio, por ejemplo, transmite grandes cantidades de radiación ultravioleta, de baja longitud de onda, pero es un mal transmisor de los rayos infrarrojos, de alta longitud de onda. Una consecuencia de la distribución de Planck es que la longitud de onda a la que un cuerpo emite la cantidad máxima de energía radiante disminuye con la temperatura. La ley de desplazamiento de Wien, llamada así en honor al físico alemán Wilhelm Wien, es una expresión matemática de esta observación, y afirma que la longitud de onda que corresponde a la máxima energía, multiplicada por la temperatura absoluta del cuerpo, es igual a una constante, 2.878 micrómetros-Kelvin. Este hecho, junto con las propiedades de transmisión del vidrio antes mencionadas, explica el calentamiento de los invernaderos. La energía radiante del Sol, máxima en las longitudes de onda visibles, se transmite a través del vidrio y entra en el invernadero. En cambio, la energía emitida por los cuerpos del interior del invernadero, predominantemente de longitudes de onda mayores, correspondientes al infrarrojo, no se transmiten al exterior a través del vidrio. Así, aunque la temperatura del aire en el exterior del invernadero

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sea baja, la temperatura que hay dentro es mucho más alta porque se produce una considerable transferencia de calor neta hacia su interior.

Además de los procesos de transmisión de calor que aumentan o disminuyen las temperaturas de los cuerpos afectados, la transmisión de calor también puede producir cambios de fase, como la fusión del hielo o la ebullición del agua. En ingeniería, los procesos de transferencia de calor suelen diseñarse de forma que aprovechen estos fenómenos. Por ejemplo, las cápsulas espaciales que regresan a la atmósfera de la Tierra a velocidades muy altas están dotadas de un escudo térmico que se funde de forma controlada en un proceso llamado ablación para impedir un sobrecalentamiento del interior de la cápsula. La mayoría del calor producido por el rozamiento con la atmósfera se emplea en fundir el escudo térmico y no en aumentar la temperatura de la cápsula.

CAMBIOS DE FASE

Se denomina cambio de estado o de fase a la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición. Los tres estados más estudiados y comunes en la Tierra son el sólido, el líquido y el gaseoso; no obstante, el estado de

°Ley de desplazamiento de Wien:

La ley de desplazamiento de Wien es una ley de la física que establece que hay una relación inversa entre la longitud de onda en la que se produce el pico de emisión de un cuerpo negro y su temperatura. Matemáticamente, la ley es:

Donde T es la temperatura del cuerpo negro en Kelvin (K) y λmax es la longitud de onda del pico de emisión en metros. La constante c de Wien está dada en Kelvin x metro.

Las consecuencias de la ley de Wien es que cuanta mayor sea la temperatura de un cuerpo negro menor es la longitud de onda en la cual emite.

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agregación más común en el Universo es el plasma, material del que están compuestas las estrellas.

Fusión: Es el paso de un sólido al estado líquido por medio del calor; durante este proceso endotérmico (proceso que absorbe energía para llevarse a cabo este cambio) hay un punto en que la temperatura permanece constante. El "punto de fusión" es la temperatura a la cual el sólido se funde, por lo que su valor es particular para cada sustancia. Dichas moléculas se moverán en una forma independiente, transformándose en un líquido. Un ejemplo podría ser un hielo derritiéndose, pues pasa de estado sólido al líquido. hay que aclarar que para cada solido el punto de fusión es diferente; enseguida muestro un cuadro en el que hay varios elementos y sus respectivos puntos de fusión.

Solidificación: Es el paso de un líquido a sólido (lo opuesto a la fusión) por medio del enfriamiento; el proceso es exotérmico. El "punto de solidificación" o de congelación es la temperatura a la cual el líquido se solidifica y permanece constante durante el cambio, y coincide con el punto de fusión si se realiza de forma lenta (reversible); su valor es también específico.

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Vaporización y ebullición: Son los procesos físicos en los que un líquido pasa a estado gaseoso. Si se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión continuar calentándose el líquido, éste absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión del agua en estado líquido en agua en estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura del gas; abajo se muestra otra tabla pero esta vez muestra el punto de ebullición de las sustancias.

Condensación: Se denomina condensación al cambio de estado de la materia que se pasa de forma gaseosa a forma líquida. Es el proceso inverso a la vaporización. Si se produce un paso de estado gaseoso a estado sólido de manera directa, el proceso es llamado sublimación inversa. Si se produce un paso del estado líquido a sólido se denomina solidificación.

Sublimación: Es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Al proceso inverso se le denomina Sublimación inversa; es decir, el paso directo del estado gaseoso al estado sólido. Un ejemplo clásico de sustancia capaz de sublimarse es el hielo seco. Esto pasa cundo la presión a la que es sometida la sustancia está por debajo del punto triple el cual ya explicamos anteriormente.

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Las fases que corresponden al cambio de gas a plasma y de plasma a gas se llaman ionización y desionización respectivamente

Gas ionizado

Un gas frío está constituido de moléculas que a su vez están formadas de átomos; si se calienta el gas, por ejemplo por interacción lumínica, las moléculas se moverán más rápidamente y chocarán entre sí con más fuerza, hasta que por encima de cierta temperatura varíe la molécula, y según su tipo, ésta se rompa y queden átomos dispersos. Estos átomos y sus electrones pueden en este proceso transformar parte de su energía en fotones; por ello un gas caliente brilla. Si se sigue aumentando la temperatura, los átomos empiezan a agitar sus electrones, formando un gas constituido de electrones libres (que emiten fotones constantemente), e iones (átomos con menos electrones que protones); y esto es lo que en parte da lugar a la ionización (gas-plasma).

3.5 TERMODINAMICA

El principio cero de la termodinámica es una ley fenomenológica para sistemas que se encuentran en equilibrio térmico. Fue formulado por primera vez en 1931 por Ralph H. Fowler. Constituye una gran importancia experimental (pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema) pero no lo es tanto para la propia estructura de la teoría termodinámica.

El principio establece que existe una determinada propiedad, denominada temperatura empírica Ɵ, que es común para todos los estados de equilibrio que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.

Dicho de manera parecida:

La temperatura empírica, Ɵ, es aquella propiedad cuyo valor es el mismo para todos los sistemas que están en equilibrio térmico entre sí.

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La formulación del principio cero de la termodinámica es:

F (xA, yA, xC, yC) = 0

F (xB, yB, xC, yC) = 0

⇔ F (xA, yA, xB, yB) = 0

En palabras simples se diría asi se diría asi: “Si se pone un objeto con cierta temperatura en contacto con otro a una temperatura distinta, ambos intercambian calor hasta que sus temperaturas se igualan”.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará.

Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, en su obra Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios de la termodinámica. Esta obra fue incomprendida por los científicos de su época, y más tarde fue utilizada por Rudolf Clausius y Lord Kelvin para formular, de una manera matemática, las bases de la termodinámica.

La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:

Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma:

Donde U es la energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.

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Más formalmente, este principio se descompone en dos partes;

El “principio de la accesibilidad adiabática”

El conjunto de los estados de equilibrio a los que puede acceder un sistema termodinámico cerrado es, adiabáticamente, un conjunto simplemente conexo.

y un “principio de conservación de la energía”:

El trabajo de la conexión adiabática entre dos estados de equilibrio de un sistema cerrado depende exclusivamente de ambos estados conectados.

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

Esta ley marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, dice algo así como que una mancha de tinta dispersada en el agua no puede volver a concentrarse en un pequeño volumen). También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo a otro sin pérdidas. De esta forma, la segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta solo el primer principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.

Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico.

La aplicación más conocida es la de las máquinas térmicas, que obtienen trabajo mecánico mediante aporte de calor de una fuente o foco caliente, para ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero frío. La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo mecánico obtenido.

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Entre las frases mas conocidas tenemos las siguientes:

Clausius:

No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada.

Kelvin—Planck:

Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito, con la realización de una cantidad igual de trabajo. Sería correcto decir que "Es imposible construir una máquina que, operando cíclicamente, produzca como único efecto la extracción de calor de un foco y la realización equivalente de trabajo". Varía con el primero, dado a que en él, se puede deducir que la máquina transforma todo el trabajo en calor, y, que el resto, para otras funciones. Este enunciado afirma la imposibilidad de construir una máquina que convierta todo el calor en trabajo. Siempre es necesario intercambiar calor con un segundo foco (el foco frío), de forma que parte del calor absorbido se expulsa como calor de desecho al ambiente. Ese calor desechado, no pude reutilizarse para aumentar el calor (inicial) producido por el sistema (en este caso la máquina), es a lo que llamamos entropía.

TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

“Es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. Puede formularse también como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. La entropía de los sólidos

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cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales al cero absoluto”.

Dicho más informalmente esto dice que el cero absoluto (es decir, provocar una solides en la que las partículas atómicas no tengan ningún movimiento de energía) es imposible de alcanzar ya que aun en el cero absoluto quedara una energía residual llamada energía del punto cero.

Aunque formalmente no se toma como una ley sino que es el postulado de Nernst, llamado así por su autor, Walther Nernst.

PROCESOS TERMODINAMICOS

Se dice que un sistema pasa por un proceso termodinámico, o transformación termodinámica, cuando al menos una de las coordenadas termodinámicas no cambia.

Walther Nernst(1864-1941)

En 1920 ganó un premio nobel en la rama de química por su trabajo

en la termodinámica

Estas son algunas graficas de los procesos termodinámicos

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Los procesos más importantes son:

Procesos isotérmicos: son procesos en los que la temperatura no cambia.

Se denomina proceso isotérmico o proceso isotermo al cambio reversible en un sistema termodinámico, siendo dicho cambio a temperatura constante en todo el sistema. La compresión o expansión de un gas ideal puede llevarse a cabo colocando el gas en contacto térmico con otro sistema de capacidad calorífica muy grande y a la misma temperatura que el gas. este otro sistema se conoce como foco calórico. De esta manera, el calor se transfiere muy lentamente, permitiendo que el gas se expanda realizando trabajo. Como la energía interna de un gas ideal sólo depende de la temperatura y ésta permanece constante en la expansión isoterma, el calor tomado del foco es igual al trabajo realizado por el gas:

Una curva isoterma es una línea que sobre un diagrama representa los valores sucesivos de las diversas variables de un sistema en un proceso isotermo. Las isotermas de un gas ideal en un diagrama P-V, llamado diagrama de Clapeyron, son hipérbolas equiláteras, cuya ecuación es:

P•V = constante.

Procesos isobáricos: son procesos en los cuales la presión no varía.

es un proceso termodinámico que ocurre a presión constante. La Primera Ley de la Termodinámica, para este caso, queda expresada como sigue:

Q=calor P= presión

U= energía interna V= volumen

Procesos isócoros: son procesos en los que el volumen permanece constante.

Es decir: Q = W.

Donde Q es el calor del foco, y W es el trabajo realizado por el gas.

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Es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante; ɅV = 0 . Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen, ya que éste se define como:

De donde P es la presión; y como el trabajo es ejercido por el sistema el trabajo es positivo.

Procesos adiabáticos: son procesos en los que no hay transferencia de calor alguna.

Es aquel en el cual el sistema termodinámico (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. Un proceso adiabático que es además reversible se conoce como proceso isentrópico.

Procesos diatérmicos: son procesos que dejan pasar el calor fácilmente.

Procesos isoentrópicos: procesos adiabáticos y reversibles. Procesos en los que la entropía no varía.

Por ejemplo, dentro de un termo donde se colocan agua caliente y cubos de hielo, ocurre un proceso adiabático, ya que el agua caliente se empezará a enfriar debido al hielo, y al mismo tiempo el hielo se empezará a derretir hasta que ambos estén en equilibrio térmico, sin embargo no hubo transferencia de calor del exterior del termo al interior por lo que se trata de un proceso adiabático.