NATURALEZA DEL CALOR
Trabajo de grupo. Explicar
locomotora de vapor.
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el
funcionamiento
Termodinámica
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de
una
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TRANSMISIÓN DEL CALOR
•
Temperatura
•
Dilatación de los cuerpos
•
Cantidad de calor
•
Transmisión del calor
•
Naturaleza del calor
•
Cambios de estado
•
Primer Principio de la Termodinámica
•
Los gases perfectos
•
Los gases reales
•
Segundo principo de la termodinámica
•
Máquinas térmicas
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Termodinámica
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NATURALEZA DEL CALOR
CALOR Y TRABAJO MECÁNICO
EL TRABAJO PUEDE TRANSFORMARSE EN CALOR.
EL CALOR PUEDE TRANSFORMARSE EN TRABAJO.
Trabajo  Calor
1. Si se dobla repetidamente un alambre este se calienta.
2. Cuando un auto frena, el sistema de frenado se calienta.
Calor  Trabajo
1. Cuando se calienta agua en una tetera, la tapa se mueve.
2. Una locomotora se mueve gracias al calor que entrega la caldera al
agua.
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NATURALEZA DEL CALOR
TRABAJO NECESARIO PARA PRODUCIR UNA CANTIDAD DE CALOR
En el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la
relación entre la unidad de energía joule (julio) y la unidad de calor caloría.
Mediante esta experiencia simulada, se pretende poner de manifiesto la gran cantidad
de energía que es necesario transformar en calor para elevar apreciablemente la
temperatura de un volumen pequeño de agua.
1 cal = 4.186 J
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Las pesas que se mueven con velocidad prácticamente
constante,
pierden
energía
potencial.
Como
consecuencia, el agua agitada por las paletas se clienta
debido a la fricción.
Si los bloque de masa m desciende una altura h, la
energía potencial disminuye en 2mgh, y ésta es la energía
que se utiliza para calentar el agua (se desprecian otras
pérdidas).
Joule encontró que la disminución de energía potencial es
proporcional al incremento de temperatura del agua. La
constante de proporcionalidad (el calor específico de
agua) es igual a 4.186 J/(g ºC). Por tanto, 4.186 J de
energía mecánica aumentan la temperatura de 1g de
agua en 1º C. Se define la caloría como 4.186 J sin
referencia a la sustancia que se está calentando.
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NATURALEZA DEL CALOR
TRABAJO REALIZADO EN UN CAMBIO DE VOLUMEN
Un líquido hierve en un cilindro cerrado. El émbolo
tiene peso despreciable, no tiene roce y se halla
perfectamente ajustado a la pared del cilindro. En
estas condiciones, la presión que se ejerce sobre
el contenido del cilindro es igual a la presión
atmosférica.
En (a) el cilindro tiene un masa m de un líquido en
su punto de ebullición, con el émbolo apoyado
directamente sobre la superficie líquida.
En (b) se ha suministrado calor al líquido que está
hirviendo a temperatura constante. El vapor
procedente del líquido fuerza el émbolo contra la
presión atmosférica.
En (c) ha terminado la ebullición del líquido y el
cilindro contiene una masa m de sustancia en
forma de vapor. El calor suministrado durante le
proceso es igual al producto de la masa por el
calor de vaporización, mL.
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TRABAJO REALIZADO EN UN CAMBIO DE VOLUMEN
El principio de conservación de la energía dice que
cuando se realiza trabajo sobre un cuerpo debe
tenerse en cuenta todo el trabajo efectuado, sea
en una forma o en otra. En este caso el calor
suministrado es mL.
Durante la ebullición se ha realizado trabajo
mecánico, puesto que el vapor ha ejercido una
fuerza F contra la superficie del émbolo, y éste se
ha desplazado una distancia s. La cantidad de
trabajo será :
W=FxS
Este trabajo sólo puede proceder de la cantidad
mL de calor suministrado; luego, no todo el calor
ha sido absorbido por el vapor. El trabajo W se
denomina trabajo externo o parte externa del calor
de vaporización. El resto del calor se dice que ha
aumentado la energía interna de la sustancia.
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TRABAJO REALIZADO EN UN CAMBIO DE VOLUMEN
Sea U la energía interna de un cuerpo. Si UV es la energía interna del vapor, y UL la del
líquido, el incremento de energía interna será UV – UL.
Estableciendo el balance de energía se tiene:
mL = (UV – UL) + W
Es decir, el calor suministrado es igual al incremento de energía interna más el trabajo
exterior.
Sea A la superficie del émbolo, la fuerza aplicada será:
F = pA
y el trabajo realizado es:
W = Fs = pAs
As es el incremento de volumen, el que puede escribirse VV – VL, siendo VV el volumen
de vapor y VL el del líquido. Luego:
W = p(VV – VL)
Y finalmente:
mL = (UV – UL) + p(VV – VL)
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Atención a
cuando
se
ecuación.
las unidades
utiliza
esta
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TRABAJO REALIZADO EN UN CAMBIO DE VOLUMEN
La expresión de trabajo externo, W = p(VV – VL), se ha deducido para el caso
especial de ebullición a presión constante.
Si la presión varía durante la expansión, el trabajo realizado para conseguir un
pequeño aumento de volumen dV es: dW = pdV
Si el volumen pasa de A a B: W 

VB
pdV
VA
W  nRT
VB
nRT
VA
V

Si la temperatura T se mantiene constante en el proceso: W 
VB
dV
VA
V

W  nRT ln
dV
VB
VA
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TRABAJO REALIZADO EN UN CAMBIO DE VOLUMEN
Problema 1. Un gramo de agua (1 cm3) se transforma en 1,671 cm3 de vapor cuando
hierve a una presión de 1 atm. El calor de vaporización correspondiente a esta presión es
de 539 cal/g. Calcular el trabajo exterior y el incremento de energía interna.
Trabajo externo = p(VV – VL)
= 1.013 x 106 (1671 -1)
= 1.695 x 109 ergs
= 169.5 julios
= 41 cal
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Problema 2. Un mol de oxígeno (se asume gas ideal)se expande a temperatura
constante T de 310 K de un volumen inicial de 12 lt a un volumen final de 19 lt. ¿Cuánto
trabajo se realiza por la expansión de los gases?
Trabajo externo = nRT ln VB/VA
= (1 mol) (8.31 J/mol K) (310 K) ln 19 lt/12 lt
= 1,180 julios
= 281.9 cal
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Variables
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Solución
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Solución
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Solución 1
Solución 2
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