PROCESOS TERMODINÁMICOS

 Los procesos termodinámicos son cambios que experimenta un sistema termodinámico, donde se produce un movimiento de energía, ya sea dentro del sistema o entre el sistema y su entorno. Existen cuatro tipos principales de procesos termodinámicos:

• Isobáricos: a presión constante (P=cte.).
• Isocóricos: a volumen constante. (V=cte.).
• Isotérmicos: a temperatura constante (T=cte.).
• Adiabáticos: sin intercambio de calor(Q=0).

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• Estos procesos son fundamentales para entender cómo funcionan los sistemas térmicos y la energía en la termodinámica.

¿Qué son los procesos termodinámicos?

Los procesos termodinámicos son procesos en los que un sistema termodinámico bajo estudio sufre un cambio de estado. Durante este cambio de estado, ocurre un movimiento de energía bien sea dentro del sistema o entre el sistema y los alrededores. De hecho, esta es la razón por la que se denominan procesos termodinámicos, ya que termo– se refiere a calor (una forma de energía) y –dinámico se refiere a movimiento.

Por cambio de estado no se hace referencia necesariamente a pasar de sólido a líquido o de líquido a gas (aunque esos también son procesos termodinámicos), sino a un cambio en las funciones de estado, es decir, en las variables que definen el estado del sistema tal como la temperatura, el volumen y la presión. Procesos termodinámicos: qué son, tipos, ejemplos 

Lifeder. (28 de agosto de 2022). Procesos termodinámicos. Recuperado de: https://www.lifeder.com/procesos-termodinamicos/.

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ENERGÍA INTERNA

 La energía interna es la energía total asociada al movimiento y las interacciones de las partículas en un sistema, y se manifiesta a través de cambios en el estado del sistema.

Definición

La energía interna (U) de un sistema se refiere a la energía total que posee debido al movimiento aleatorio y desordenado de sus partículas a nivel microscópico. Esta energía incluye tanto la energía cinética (debido al movimiento de las partículas) como la energía potencial (debido a las interacciones entre ellas). 

La energía interna de un objeto proviene del movimiento al azar que tienen los átomos y las moléculas que lo componen. Aun cuando el objeto se encuentre perfectamente en reposo, en su interior, a nivel microscópico, las partículas que lo componen se mueven continuamente sin descanso.

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TEMPARATURA Y CALOR

 

¿Qué es la temperatura?

La temperatura es una magnitud escalar que se define como la cantidad de energía cinética de las partículas de una masa gaseosa, líquida o sólida. Cuanto mayor es la velocidad de las partículas, mayor es la temperatura y viceversa.

La medición de la temperatura está relacionada con la noción de frío (menor temperatura) y de calor (mayor temperatura), que se puede percibir de manera instintiva. Además, la temperatura actúa como un valor de referencia para determinar el calor normal del cuerpo humano, información que sirve para estimar estados de salud. El calor también se utiliza para los procesos químicos, industriales y metalúrgicos.

Existen distintos tipos de escalas para medir la temperatura. Las más comunes son:

• La escala Celsius. También conocida como “escala centígrada”, es la más utilizada junto con la escala Fahrenheit. En esta escala, el punto de congelación del agua equivale a 0 °C (cero grados centígrados) y su punto de ebullición a 100 °C.
• La escala Fahrenheit. Es la medida utilizada en la mayoría de los países de habla inglesa. En esta escala, el punto de congelación del agua ocurre a los 32 °F (treinta y dos grados Fahrenheit) y su punto de ebullición a los 212 °F.
• La escala Kelvin. Es la medida que suele utilizarse en ciencia y establece el “cero absoluto” como punto cero, lo que supone que el objeto no desprende calor alguno y equivale a -273,15 °C (grados centígrados).
• La escala Rankine. Es la medida usada comúnmente en Estados Unidos para la medición de temperatura termodinámica y se define al medir los grados Fahrenheit sobre el cero absoluto, por lo que carece de valores negativos o bajo cero.

¿Cómo se mide la temperatura?

La temperatura se mide mediante magnitudes termométricas, es decir, diferentes unidades que representan la temperatura a distintas escalas. Para eso se emplea un dispositivo llamado “termómetro” del que existen varios tipos dependiendo del fenómeno que se necesite medir, por ejemplo:

• Dilatación y contracción. Existen termómetros para medir los gases (termómetro de gas a presión constante), los líquidos (termómetro de mercurio) y los sólidos (termómetro de columna líquida o bimetálico), que son elementos que se expanden con temperaturas altas o se contraen con temperaturas bajas.
• Variación de resistencia eléctrica. Las resistencias eléctricas, es decir, los flujos de electrones que se mueven a través de un material conductor, varían según la temperatura que adquieren. Para su medición se emplean termómetros de resistencia eléctrica como los sensores (en base a una resistencia capaz de transformar la variación eléctrica en una variación de temperatura) y los termoeléctricos (que generan fuerza motriz).
• Termómetro de radiación térmica. Los fenómenos de radiación emitidos en el sector industrial pueden ser medidos mediante sensores de temperatura como los pirómetros infrarrojos (para medir temperaturas muy bajas de refrigeración) y los pirómetros ópticos (para medir altas temperaturas de hornos y metales de fusión).
• Potencial termoeléctrico. La unión de dos metales diferentes que se someten a temperaturas distintas entre sí, genera una fuerza electromotriz que se convierte en potencial eléctrico y que se mide en voltios.

Tipos de temperatura

Existen distintos tipos de temperatura y, por eso, se miden con diferentes herramientas, como por ejemplo:

• La temperatura ambiente. Es la temperatura que se puede registrar en los espacios en los que se desenvuelve el ser humano y para su medición se emplea un termómetro ambiental que emplea valores Celsius o Fahrenheit.
• La temperatura del cuerpo. Es la temperatura corporal. Se considera que 36 °C es un valor normal para el ser humano y si la temperatura supera los 37 °C (o 98°F), se considera que el individuo padece fiebre.

Otros tipos de medición de temperatura permiten calcular la sensación térmica, por ejemplo:

• La temperatura seca. Es la temperatura ambiente, sin tener en cuenta la radiación calorífica del ambiente y la humedad. Se mide con un termómetro de bulbo pintado de color blanco brillante para no absorber la radiación.
• La temperatura radiante. Es la temperatura de las superficies y paredes de un entorno cerrado y se mide a través de un termómetro de bulbo.
• La temperatura húmeda. Es la temperatura que mide un termómetro ubicado en la sombra, con su bulbo envuelto con algodón húmedo y ubicado bajo una corriente de aire. A través de este sistema, el agua del algodón se evapora y se absorbe el calor, lo que genera una disminución de la temperatura que capta el termómetro respecto a la temperatura del ambiente. Esto da como resultado una medida de la humedad del aire que se utiliza para medir la sensación térmica.

¿Qué es el calor?

El calor es una forma de energía que se transfiere de manera espontánea entre distintas zonas de un cuerpo o desde un cuerpo hacia otro.

En termodinámica, “calor” significa “transferencia de energía”. Esta transferencia siempre tiene una dirección definida por la diferencia de temperatura entre los cuerpos. El calor fluye del cuerpo más caliente al más frío, de manera de llegar a una temperatura de equilibrio.

El calor se puede transmitir de tres formas diferentes:

• Radiación térmica. El calor se propaga a través de ondas electromagnéticas. Todos los cuerpos emiten calor de esta forma, a menos que estén a una temperatura igual al cero absoluto, 0 Kelvin.
• Conducción térmica. El calor se transmite por la agitación de las moléculas, lo que provoca que la temperatura incremente, que los líquidos se evaporen, que los sólidos se fundan y que los cuerpos se dilaten.
• Convección térmica. El calor se transfiere por medio del movimiento de un fluido, como puede ser un gas y un líquido. Por ejemplo, al calentar agua en una cacerola, la porción que está en contacto con su base asciende al calentarse, mientras que el agua de la superficie desciende por los lados al enfriarse y ocupa el lugar que dejó la porción caliente.

• Unidades de calor

  Como el calor es transferencia de energía, puede ser medido como ganancia o pérdida de energía. Por eso, se lo puede medir con la misma unidad que a cualquier otro tipo de energía: el joule (que, además del calor, sirve para medir trabajo y energía).

  Para medir el calor, se usan dos unidades más:

• Caloría. Su abreviación es cal y representa la cantidad de energía que se necesita para incrementar 1 gramo de agua en 1° C.
• Kilocaloría. Se abrevia kcal y representa la energía que se precisa para elevar 1 kilogramo de agua en 1° C.

• Tipos de calor

• Se pueden identificar diferentes tipos de calor. Algunos de ellos son los siguientes:

  • Latente. Es la energía necesaria para modificar la fase de determinado volumen de una sustancia, es decir, su estado (sólido, líquido o gaseoso). En el cambio de estado de sólido a líquido, el calor latente se denomina de fusión. En el cambio de estado de líquido a gaseoso, el calor latente se llama calor de vaporización. Estas transiciones se dan sin cambios de temperatura.
  • Sensible. Es el calor que genera una modificación en la temperatura del cuerpo que lo percibe pero que no interfiere en su estructura molecular ni produce cambios de fase.
  • Seco. Consiste en un método térmico de esterilización que genera en los microorganismos que conforman al cuerpo un efecto similar al horneado.
  • Específico molar. Se trata de la cantidad de calor necesaria para incrementar en un grado la temperatura de un mol de masa de un compuesto.
  • Específico. Se trata de la cantidad de calor necesaria para incrementar en un grado la temperatura de un gramo de masa de un compuesto.

  Ejemplos de calor

  Algunas situaciones cotidianas en las que el calor o el traspaso de energía se hace presente pueden ser las siguientes:

  • Al planchar la ropa. Luego de enchufar el electrodoméstico, eleva su temperatura, entra en contacto con la tela y ayuda a eliminar las arrugas.
  • Del té a la taza. Cuando se sirve té caliente en una taza, el agua le transmite su calor y la taza aumenta su temperatura (que las palmas de la mano suelen percibir).
  • Al servir la comida en un plato. Si el plato es de cerámica o de algún otro material conductor, la comida servida en él le conducirá el calor.
  • Arena en la playa. La temperatura que irradia el sol es absorbida por los granos de arena y ese calor se transporta, por ejemplo, a la planta de los pies.
  • Del agua al cubo de hielo. Cuando se le arroja un cubo de hielo a una jarra con agua, el agua le transfiere por conducción su calor, por lo cual el cubo comienza a derretirse.
  • Al derretirse chocolate en la mano. Cuando una persona sujeta durante un rato un pedazo de chocolate, comienza a derretirse a raíz de la transferencia del calor corporal.
  • Al hervir agua en una pava. El calor de la llama se conduce a la base de la pava, que luego se transfiere al agua y ésta llega al punto de ebullición.
  • Una lamparita de luz encendida. Cuando se enciende la lamparita, emite calor rápidamente.

• Diferencia entre calor y temperatura

• A pesar de que el calor y la temperatura son conceptos muy relacionados, no son lo mismo. Algunas diferencias son:

  • Su significado. El calor es energía térmica que se debe entender como transferencia de calor, que se da cuando entre dos cuerpos hay una diferencia de temperaturas. Esa transferencia siempre tiene una dirección y es del cuerpo con mayor temperatura al de menor temperatura. La temperatura, en cambio, es una medida de la energía cinética promedio de las moléculas que componen la materia.
  • Su símbolo. El calor se representa con la letra Q y la temperatura con la letra T.
  • Su efecto. La transferencia de calor a un cuerpo aumenta su temperatura. La temperatura es la energía cinética media de las partículas de ese cuerpo, que aumenta si se le entrega calor.
  • Su transmisión. El calor se transmite de una sustancia a otra y puede propagarse por conducción, convección o radiación. Según el tipo de propagación del calor, será el nivel de temperatura alcanzado.
  • Su objeto para la medición. El calor se mide con un calorímetro y la temperatura se mide con un termómetro.
  • Su unidad de medida. El calor se mide en julios, calorías y kilocalorías. La temperatura se mide en grados Kelvin (k), Celsius (C) o Fahrenheit (F).
  Todo copias y pegado de:
• Calor - Concepto, unidades, tipos y ejemplos
• Temperatura - Qué es, escalas, cómo se mide y sus tipos

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 LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA

La Ley Cero de la Termodinámica establece que "si dos sistemas que están en equilibrio térmico con un tercer sistema también están en equilibrio entre sí".

También se le conoce como Principio Cero de la Termodinámica.

Si A está en equilibrio con B y A también está en equilibrio con C, podemos concluir que B está en equilibrio con C.

Dos cuerpos están en equilibrio térmico cuando, al ponerse en contacto, sus variables de estado no cambian. Si no que están en equilibrio térmico, experimentarán un intercambio de calor o energía y alcanzarán el equilibrio térmico.

Esta fue la última de las leyes de la termodinámica al ser presentada. Para obtener una estructura lógica, era necesario colocarla antes de las otras leyes.

Ecuación de la Ley 0 de la Termodinámica.

Si tres sistemas están en equilibrio térmico, se debe cumplir: Ta = Tb = Tc

Donde: Ta, Tb y Tc son las temperaturas de los tres sistemas.

Ejemplos de la Ley 0 de la Termodinámica:

1.- Hielos y agua.

Se colocan hielos dentro de un vaso con agua al tiempo. 

Sistemas: agua, hielo y vaso

Inicialmente los tres sistemas intercambiarán calor y energía hasta llegar a un equilibrio térmico. Pasando un tiempo considerable los tres sistemas alcanzarán la misma temperatura.

2.- Agua caliente y fría.

Sistemas: agua caliente, agua fría y recipientes.

Cuando ponemos en contacto el agua caliente con agua fría, el calor fluye del agua caliente al agua fría hasta que ambos alcanzan la misma temperatura y están en equilibrio térmico.  

Para mejor comprensión realiza la práctica de la Ley 0 de la Termodinámica.

3.- El termómetro. 

Sistemas: Cuerpo A vidrio, cuerpo B en forma de tubo capilar que contiene mercurio, cuerpo C (cuerpo humano o cualquier otro cuerpo sólido o líquido).

Si se acerca el termómetro al cuerpo lo suficiente como para que fluya el calor y se dejan así el tiempo suficiente (aproximadamente cuatro minutos), el cuerpo A alcanzará la misma temperatura que la del cuerpo humano y el B también. Por lo que el termómetro (cuerpo A y B) y el cuerpo humano estarán en equilibrio térmico entre sí. Por lo tanto, el termómetro y el cuerpo tendrán la misma temperatura. 

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DILATACIÓN VOLUMETRICA

 Dilatación volumétrica

Objetivo: observar la dilatación lineal de un cuerpo metálico.

Hipótesis. 

¿Qué le pasa a la forma y volumen de un sólido metálico al agregarle calor 🔥?

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¿Quién se dilatará más una barra de acero o una barra de bronce al colocarlos a fuego directo durante un minuto cada uno?

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Material y reactivos.

- 1 anillo de gravesande

- 1 lámpara de alcohol o

- 1 mechero Bunsen

- Cerillos o encendedor *

- 1 vernier de aluminio o acero, no de plástico 

- 1 termómetro 🌡 de 0°a100°C

*Material proporcionado por el estudiante.

Instrucciones.

1.- Atraviesa la esfera en el aro para comprobar que entra y sale.

2.- Mide con el vernier el diámetro de la esfera, anota el dato ( d1).

3.- Mide la temperatura 🌡 del medio ambiente, simplemente tomando la lectura del termómetro.

4.- Coloca a fuego directo la bola de metal durante exactamente 120 segundos. 

5.- Intenta atravesar la esfera en el aro.

6.- Con cuidado sin quemarte, mide el diámetro de la misma esfera,anota el dato (d2).

7.- Calcula el incremento de dilatación 

D = d2 - d1

Conclusión.

En base al objetivo de la práctica y del desarrollo de la misma,  escribe tu conclusión.

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COLISIONES

En Física, se enfocan en la conservación del momento lineal y la energía cinética, mientras que en Química se estudian en el contexto de la teoría de colisiones, donde las colisiones moleculares son necesarias para que ocurran las reacciones químicas.

Las colisiones se analizan como interacciones entre partículas que resultan en un 

cambio en su movimiento. En Física, se enfoca en la conservación del momento

lineal y la energía cinética, donde las colisiones moleculares son necesarias para 

que ocurran las reacciones químicas. 

En Física:

• Definición:

  Una colisión es una interacción breve entre dos o más cuerpos que provoca un cambio en su movimiento debido a las fuerzas internas que actúan entre ellos. 
• Conservación:

  En una colisión, la cantidad de movimiento o momento lineal se conserva, lo que significa que la cantidad total de movimiento del sistema antes de la colisión es igual a la cantidad total de movimiento después de la colisión. 
• Tipos de colisiones:

  • Elásticas: En estas colisiones, se conserva la energía cinética, es decir, la energía cinética total del sistema antes y después de la colisión es la misma. 
  • Inelásticas: En estas colisiones, la energía cinética no se conserva, ya que parte de la energía se convierte en otras formas de energía, como calor o sonido. 
• Aplicaciones:

  El estudio de colisiones es fundamental para entender el movimiento de objetos en la naturaleza, desde la trayectoria de proyectiles hasta el comportamiento de partículas subatómicas. 

En Química:

• Teoría de las colisiones:

  Esta teoría explica que para que ocurra una reacción química, las moléculas de los reactivos deben colisionar con suficiente energía y la orientación adecuada. 
• Energía de activación:

  Para que una colisión sea efectiva, las moléculas deben tener una energía mínima, conocida como energía de activación, para superar la barrera energética que impide la formación de productos. 
• Importancia:

  La teoría de las colisiones es fundamental para entender la cinética química, es decir, la velocidad a la que ocurren las reacciones químicas. 
• Aplicaciones:

  El estudio de colisiones moleculares es esencial para entender una gran variedad de procesos químicos, desde la combustión hasta la fotosíntesis. 

En resumen, las colisiones son un concepto fundamental tanto en la física como en la química, siendo estudiadas desde diferentes perspectivas para entender los fenómenos naturales y químicos que ocurren a nuestro alrededor. 

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Q ABS, Q CED Y LEY CERO

 Q ABSORBIDO, Q CEDIDO Y LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA

Instrucciones.

I. Observa el siguiente vídeo, que muestra:

- un ejemplo de cálculo de calor cedido,

- un ejemplo de cálculo de temperatura inicial,

- una introducción algebraica de la Ley Cero de la Termodinámica.

II. Actividad a realizar en tu cuaderno.

1.- Realiza un ejercicio con los mismos datos del ejercicio 1, solo cambia la masa de 500g a 350g.

Realiza el mismo procedimiento, como se muestra en el vídeo.

2.- Realiza un ejercicio con los mismos datos del ejercicio 2, solo cambia la masa de 200g a 100g.

Realiza el mismo procedimiento, como se muestra en el vídeo.

3.- Copia las ecuaciones del tercer ejemplo -Calor perdido = Calor ganado. Explica las ecuaciones. 

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ENERGIA CALOR Y TRABAJO

 Energía, Calor y Trabajo

En el siguiente video se da la definición de energía, tipos de energía, también de define al calor, cómo se transfiere, y finalmente como se puede generar trabajo.

Vídeo 

https://youtu.be/L1PtHIJsyvg?si=rZUkDDXYWw2wmVq4

Se sugiere presionar el ícono "Ver transcripción" por si tienes problemas con el audio.

Después de ver el vídeo, escribe en tu cuaderno:

- cuatro definiciones de energía,

- los tipos de energía que existen o que se mencionan (al menos ocho),

- da la definición de calor,

- un ejemplo de cómo se transfiere el calor,

- propón un ejemplo de cómo se puede generar trabajo,

- dibuja un ejemplo de generación de trabajo.

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