Trabajo Termodinamica

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na breve introducción a lo que es la termodinámica en el cual abarcamos temas desde el comportamient

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UNIDAD 3. Comprender propiedadesde 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 “θ!"o# $ quieren decir calor $

d%namis “&'()"*+# que signi,ica ,uerza lo cual no da una

vaga idea de lo que trata la termodinámica- la

termodinámica es una rama de la ,%sica que estudia la

interacción entre el calor $ otras mani,estaciones de laenerg%a esto seg/n lo dice el 0iccionario de la lengua

espa1ola de la 2eal cademia 4spa1ola- 5u estudio se inició

en el siglo 67 $ sus principios se ,undamentan en

,enómenos comprobados e9perimentalmente. :on la

termodinámica se puede estudiar la cantidad de

trans,erencia de calor a medida que un sistema pasa por un

proceso de un estado de equilibrio a otro en ocasiones nos

a$udar%a a saber cuánto durará ese proceso. ;a$situaciones en las que nos interesa la rapidez o razón de

esa trans,erencia la cual constitu$e el tema trans,erencia

de calor que abordare en un tema posterior. Tomando esto

como una breve introducción los temas a los que me

dedicare a e9plicar serán.

. <T=2>4? T@A: 04 > AT42. B545 04 > AT42C 5@>0@5 >D=0@5 E545 F

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3.1 Naturaleza atómica de la materia

4l átomo es algo que une dos materias de la ciencia comolo es la ,%sica $ la qu%mica- en la qu%mica la estudian para

poder estudiar cómo están compuestas las cosas que a su

vez tienen algo en com/n con los biólogos por otro lado en

,%sica el átomo es algo que los cient%Hcos estudian para

conocer su comportamiento Iel de los átomosJ $a que es

algo que a pesar de los muchos avances en ciencia tambiKn

implicar%a avances en tecnolog%a $ por ende en la

humanidad.EL AT!

4n L8M8 Nohn 0alton hizo p/blica su teor%a corpuscular de la

materia en donde recoge ideas de los pensadores >eucipo $

0emócrito sobre la discontinuidad de la materia $ la

e9istencia de part%culas indivisibles denominadas átomos-

gracias a esto se desarrollaron varias ramas de estudios en

ciencia como la electroqu%mica $ descubrieron un grann/mero de elementos qu%micos.

 Oilliant Eilbert ILQQRLSM3J estudio de ,orma sistemática

los ,enómenos elKctricos $ magnKticos. 4ste investigador

,ue el que uso los tKrminos elKctrico $ magnKtico.

4n L el ,rancKs :harles de :oulomb introduce el

concepto de carga elKctrica asignando signos U $ V a las

mismas $ descubre la le$ que e9plica la atracción orepulsión entre cargas Ile$ de :oulombJ.

4n L8WM 0av$ e9plico los ,enómenos elKctricos asignando a

cada átomo dos polos concentrándose en uno de ellos la

electricidad positiva $ en el otro la negativa aplicándose el

principio de conservación de la carga “cuando se ,rotan los

cuerpos la carga no se crea simplemente se separa#.

Hnales del siglo 66 se sustitu$ó el modelo atómico de0alton basado en la e9istencia de los átomos como las

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part%culas más peque1as e invisibles de la materia por

otros modelos en los que los átomos están ,ormados por

part%culas más elementales.

>as part%culas que integran un átomo son el electrón Iconcarga negativaJ el protón Icon carga positivaJ $ el neutrón

Icon carga neutraJ.

LA !ATE"IA EN #U NI$EL AT!IC

@X despuKs de haber hecho un breve resumen de la

composición del átomo pasaremos a e9plicar la naturaleza

de la materia a nivel atómico.

>a materia que conocemos hasta el momento los llamamos

estados de la materia dichos estados los podemos

encontrar a diario en nuestro d%a a d%a los más conocidos

son los estados sólido l%quido $ gaseoso aunque tambiKn

ha$ otros menos conocidos como lo son el plasma $ otro

aun menos conocido como lo son el :ondensado de GoseR

4instein Iaunque este ultimo aun no ha sido comprobado

del todoJ.

4n la naturaleza podemos encontrar la materia $a sea de

,orma compuesta o en su ,orma pura es decir el elemento

qu%mico $ en otras ocasiones el humano lo pasa por

procesos para e9traer el elemento puro o a la inversa

combina elementos puros para obtener un compuesto

estos elementos a su vez están compuestos de molKculas $

las molKculas de átomos $ los átomos de quarXs Iaunque

esto es nuevo $ ,altan e9perimentosJ siendo los átomos losresponsables del estado en cómo se encuentra la materia $

siendo la energ%a de estos los que responsables de dicho

estado dicha energ%a es como $a dije la que determina el

estado en que se encuentra la materia por ejemplo entre

más sea la energ%a de los átomos estos se moverán o

vibraran mas rápido separándose más unos de otros lo que

nos mostrar%a un cuerpo en estado l%quido o gaseoso seg/n

sean las condiciones- $ una mente curiosa se preguntar%a

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Y:ómo obtienen la energ%a los átomos para poder moverse

o vibrar con más ,uerzaZ F es ah% en donde entra la energ%a

que en el caso de la termodinámica ser%a el calor el

responsable de los cambios de la naturaleza atómica de la

materia.

3.% &ases de la materia' sólidos( l)*uidos(+ases y plasmas

&A#E# DE LA !ATE"IA

:omo $a he e9plicado la materia puede tener distintas

,ases las mas comunes son el solido el liquido $ el gas $ el

otro no tanto como el plasma Iaunque en realidad es

tambiKn com/n en la naturalezaJ- $ aunque dedicare para

cada uno de estos estados párra,os por separado e9plicare

brevemente lo que son las ,ases de la materia.

>as sustancias e9isten en ,ases di,erentes. 4jemplo de esto

es que a temperatura $ presión ambiental el cobre es un

solido el mercurio un liquido $ el nitrógeno un gas pero en

condiciones distintas cada uno podr%a aparecer en ,asesdi,erentes. unque son tres las principales Isolida liquida $

gaseosaJ una sustancia puede tener varias ,ases dentro de

la principal cada una con distinta estructura molecular. Por

ejemplo tenemos el carbono e9iste como graHto o como

diamante en la ,ase solida el helio tiene dos ,ases liquidas

$ el hierro tres ,ases sólidas como otro ejemplo tenemos

que el hielo a grandes presiones tiene siete ,ases

di,erentes- cada ,ase tiene una conHguración moleculardistinta.

>as ,ases de la materia son básicamente las propiedades $

el tipo de interacción que tienen los átomos de dicho

cuerpo entre ellos pues seg/n sea la ,uerza $ el tipo de

interacción que tienen los átomos será el estado en el que

se encuentre la materia siendo las di,erentes ,ases de la

materia beneHciosas $ necesarias para la vida en elplaneta sin las distintas ,ases de la materia ser%a imposible

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por ejemplo que callera la lluvia para que las plantas

crezcan grandes $ ,uertes con los ,rutos que usamos como

alimento- gracias a personas curiosas nosotros podemos

provocar estos cambios de ,ase siguiendo ciertas reglas $

le$es las cuales nos la proporciona la ,%sica.

@tra situación algo particular dentro de las ,ases de la

materia es el llamado punto triple.

,UNT T"I,LE

:omo hemos dicho cada ,ase es estable solamente en

ciertos intervalos de temperatura $ presión. >a transición de

una ,ase a otra normalmente se da en equilibrio de ,asesentre las dos ,ases $ para una presión dada esto solo

ocurre a una temperatura espec%Hca. Podemos representar

estas condiciones en una gráHca llamada graHca de ,ases.

4n la siguiente graHca de

,ases podemos observar lo

que acabamos de e9plicar.

4n cada punto de estagraHca solo puede e9istir

una ,ase pero cuando el

punto esta sobre alguna de

las l%neas entonces se

cumplen los ,actores para

que coe9istan dos ,ases de

la materia en equilibrio es decir en la

Hgura podemos ver que la l%nea rojasepara a la ,ase gaseosa de la sólida

por lo tanto si se cumplen ciertas

condiciones de presiónRtemperatura $

estas están sobre dicha l%nea roja

entonces la ,ase sólida $ la gaseosa

pueden convivir juntas de igual

manera con la l%nea verde que separa

la ,ase solida de la liquida $ la azul

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IliquidaRgaseosaJ. ;a$ un punto llamado punto triple en

donde se juntan las tres l%neas que separan las ,ases en

este punto triple es donde se encuentran las condiciones de

persionVtemperatura para que las tres ,ases de la materia

puedan estar juntas al mismo tiempo Icabe aclarar que latemperatura $ la presión para llegar al punto triple depende

del tipo de sustancia de la que se hable $a que no es el

mismo valor para todosJde lado izquierdo se puede

observar algunos ejemplos de sustancias con la

temperatura $ presión requeridas para legar al punto triple. 

hora comenzaremos estudiando $ conociendo las

di,erentes ,ases de la materia.

Para empezar daremos una breve

introducción de lo que es el estado

sólido.

#LID.

4l “estado sólido# de la materia sereHere al estado una sustancia de

energ%a condensada por pKrdida de

calor con una densidad relativamente alta una gran ,uerza

entre sus part%culas que es ma$or a la repulsión de sus

cargas electromagnKticas $ una gran resistencia a

cambiar su estado de reposo de ,orma $ volumen

deHnidos cuando no está atrapado.

>os sólidos se con,orman cuando las molKculas con

mucha energ%a con ,uerte velocidad $ oscilación en

estado de ,usión pierden calor.

>as molKculas de los sólidos interact/an entre s% con

una ,uerza mu$ grande. 4stas interacciones pueden

estar organizadas en una “estructura cristalina

regular# llamada monocristalina o policristalina- o no

tener una ,orma deHnida es decir amor,os.

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5i durante la solidiHcación la pKrdida de calor produce un

cambio lento en el estado de las part%culas Kstas se

organizarán de ,orma coherente adoptando una estructura

geomKtrica o “cristalina# a nivel molecular lo ver%amos se

e9plicar%a de la siguiente ,orma.

Pero si la solidiHcación se da de manera s/bita laspart%culas se organizarán de ,orma “amor,a# pues no

podrán colocarse de ,orma homogKnea como en el caso del

vidrio.

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>os sólidos a di,erencia de los [uidos Il%quidos $ gasesJ no

pueden [uir es decir que si los ponemos en un tubo

horizontal no se mueven a di,erencia de como lo hiciera un[uido- los sólidos tienen ,orma $ cuerpo r%gido por lo cual $

no se comprimen si un sólido es de,ormado puede pasar

que recupere su ,orma original o que se rompa en varios

,ragmentos las ,uerzas que a,ectan a las molKculas del

interior de cada solido son di,erentes a las ,uerzas de

a,uera Ila superHcieJ. 0entro del material cada molKcula

está sometida a todas las ,uerzas de atracción posibles con

sus molKculas vecinas por lo que se aHrma que laspart%culas dentro de los sólidos se encuentran en un estado

menor de energ%a pero las molKculas que se encuentra en

la superHcie tienen ,uerzas netas hacia el interior de la

materia $ posibilidades de interacción por lo que dichas

part%culas superHciales se encuentran en un estado más

alto de energ%a.

LI-UID#

4s un [uido $ estado de la materia con una densidad $

volumen deHnidos pero sin una ,orma particular $a que

puede cambiar ,ácilmente si es sometido a una ,uerza se

miden en unidades de volumen principalmente en metros

c/bicos $ sus divisiones particularmente el dec%metro

conocido como litro su volumen está Hjado por su

temperatura $ su presión.

>as part%culas de un l%quido tienen por decirlo de alguna

manera mas libertad que las de un sólido $ menos que la de

un gas esto por la energ%a en ,orma de calor que tienen las

molKculas de dicho [uido en la imagen de abajo se

muestra dicha libertad $ podemos ver que no están tan

compactas o juntas como la de los sólidos.

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>as part%culas de un l%quido tienen menor energ%a en ,orma

de calor que en su estado gaseoso lo que les permite unirse

con Hrmeza por electromagnetismo con otras part%culas Isi

son iguales la unión se llamara “cohesión# $ sin son

distintas se llamara “adhesión#J con cierta coherencia en la

cercan%a sin que dichas uniones sean r%gidas $ sin ,ormarestructuras en particulares lo que le permite al l%quido

adoptar la ,orma del recipiente que lo contiene. >as ,uerzas

cohesivas de un l%quido dependerán de la velocidad en la

que ocurre la de,ormación de la sustancia.

>os l%quidos tienen ma$or energ%a que el de sus enlaces con

otras part%culas lo que les permite ,ácilmente vibrar tener

movimiento deslizarse $ separarse de ,orma libre entre s% $entre otras part%culas sin adoptar una ,orma deHnida $ sin

repelerse ,uertemente entre s% permitiendo a la sustancia

la capacidad de [uir es decir la posibilidad de de,ormarse

para pasar por cualquier oriHcio o agujero sin necesidad de

ejercer una tensión mecánica .

4sta circunstancia de energ%a le permite a las part%culas de

los l%quidos generar uniones $ romperlas- cuando una

molKcula de un l%quido se separa del resto de las part%culastiene una alta probabilidad de encontrarse con una

part%cula del mismo material para volver a unirse.

=n dato curioso $ que no muchos saben es que la ,orma de

los l%quidos es es,Krica si sobre ellos no act/a ninguna

,uerza e9terna como ejemplo tenemos la imagen de la

derecha en la que se puede observar un poco de agua en el

espacio e9terior sin que act/e la ,uerza de gravedad de latierra sobre ella- al ser sujeto a la ,uerza de la gravedad su

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,orma queda deHnida por el

recipiente que lo contiene.

>os l%quidos se ,orman

cuando part%culasenergizadas Ide un gasJ se

consolidan en un espacio

determinado a temperatura

$ presión constantes

perdiendo energ%a en ,orma de calor e iniciando un proceso

de condensación con la posibilidad de que dichas part%culas

puedan interactuar entre s% por medio de uniones

electromagnKticas hasta constituir un arreglo o sustancia-como $a hab%amos dicho anteriormente al igual que los

gases los l%quidos [u$en $ bajo la acción de la gravedad

tambiKn tomarán la ,orma del recipiente que los contiene

sin embargo como sus part%culas no se dispersan ni se

repelen no llenan el espacio del recipiente que los

contienen sino que conservan una densidad generalmente

constante ,ormando una superHcie.

>a tensión superHcial tambiKn permite el ,enómeno ,%sico

de mojar es decir que las molKculas de ma$or energ%a en

la superHcie se adhieran a otras molKculas distintas- otra

propiedad que tienen los l%quidos es que la tensión

superHcial permite que un objeto [ote elllos aunque sea

más denso que el l%quido. TambiKn permite la capilaridad

es decir la capacidad de subir por tubos de diámetros mu$

peque1os donde la ,uerza de cohesión es superada por las

,uerzas de adhesión.

:omo las molKculas en un [uido $a están unidas es mu$

di,%cil comprimirlas por lo que se dice que los l%quidos

tienen un volumen constante a menos que sea sometido a

temperaturas mu$ altas. >os l%quidos generalmente se

dilatan al aumentar su temperatura $ pierden volumen

cuando se en,r%an.

A#E#

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4s una ,orma de la materia en el que sus

part%culas se encuentran en un alto estado

de energ%a lo que hace que Kstas vibren

rápidamente que e9perimenten una ,uerte

repulsión entre s% $ que tiendan a separarselo más posible con un desplazamiento

vectorial de gran velocidad hacia direcciones

aleatorias en la imagen de la derecha

podemos ver el comportamiento de las

part%culas en el estado gaseoso $ podemos

ver como están mas separadas que en el

estado sólido $ el l%quido.

4l estado gaseoso junto con el plasma es el

estado más abundante en el universo de materia sólida

debido a que en su gran ma$or%a abundan

,undamentalmente el hidrogeno $ el helio- las part%culas de

los gases cambiarán su dirección por acción de la gravedad

al interactuar con otras part%culas o con campos

electromagnKticos u otra ,orma de energ%a e9terna.

4l estado gaseoso se reconoce como un estado de la

materia entre el estado l%quido Imenores niveles de

energ%aJ $ el plasma Ima$ores niveles de energ%aJ. 0ebido

a que las part%culas de un gas están ampliamente

separadas entre s% $ por lo tanto podemos decir que

tendrán uniones intermoleculares más dKbiles que los

l%quidos $ los sólidos.

:uando las part%culas de un gas pierden energ%a en ,ormade calor se condensarán o licue,arán pudiendo

trans,ormarse en l%quidos- por otra parte si las part%culas

de un gas aumentan su nivel de energ%a al igual que su

vibración $ por esto perderán sus electrones $ pasarán al

estado de la materia llamado plasma.

4l comportamiento de los gases var%a de acuerdo a la

estructura del n/cleo sus part%culas su simetr%a su tama1osu masa atómica la cantidad de energ%a cinKtica en sus

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part%culas las caracter%sticas de carga electromagnKtica $

de su campo electrostático as% como de sus uniones

electromagnKticas con otras part%culas aunque esto se

aplica en el caso de ser compuestos.

5i un gas no está conHnado es decir que no este contenido

en alg/n recipiente sus part%culas se dispersarán a gran

velocidad lo más posible hacia el espacio Ino hasta el

inHnitoJ sin una ,orma deHnida hasta que pierdan suHciente

energ%a cinKtica por interacción con otros campos

electromagnKticos o colisión con otras part%culas que

cambiarán su curso o permitirán su condensación.

Para medir la velocidad de la part%cula de gas se sabe que

esta es proporcional a su energ%a en cantidad de calor. >a

temperatura de un gas se mide en relación a la energ%a

cinKtica promedio de sus part%culas en movimiento.

Por todo lo anterior podemos decir que las propiedades de

los gases sonC

• >as molKculas de un gas se encuentran prácticamente

libres de modo que son capaces de distribuirse por

todo el espacio en el cual son contenidos. >as ,uerzas

gravitatorias $ de atracción entre las molKculas son

despreciables en comparación con la velocidad a que

se mueven sus molKculas.• >os gases ocupan completamente el volumen del

recipiente que los contiene.• >os gases no tienen ,orma deHnida adoptando la de

los recipientes que las contiene.• Pueden comprimirse ,ácilmente debido a que e9isten

enormes espacios vac%os entre unas molKculas $ otras.

4n el caso de los gases podremos mencionar unas le$es

que nos hablan de sus cualidades.

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R >4F 04 G@F>4RA2@TT4

>a >e$ de Go$leRAariotte Io >e$ de Go$leJ ,ormulada por

2obert Go$le $ 4dme Aariotte es una de las le$es de los

gases que relaciona el volumen $ la presión de una cierta

cantidad de gas mantenida a temperatura constante. >a le$

dice que a una temperatura constante $ para una masa

dada de un gas el volumen del gas var%a de manera

inversamente proporcional a la presión absoluta del

recipienteC

P7\X

IP245@< P@2 7@>=A4< \ :@<5T<T4 5 >

 T4AP42T=2 F > A5 04> E5 P42A<4:4<

:@<5T<T45.J

R >4F 04 :;2>45

4n L8 NacX :harles estudió por primera vez la relación

entre el volumen $ la temperatura de una muestra de gas a

presión constante $ observó que cuando se aumentaba la

temperatura el volumen del gas tambiKn aumentaba $ que

al en,riar el volumen disminu%a. Por lo tanto se tienen queC

4l volumen es directamente proporcional a la temperatura

del gasC

]5i la temperatura aumenta el volumen del gas aumenta.

]5i la temperatura del gas disminu$e el volumen

disminu$e

:uando aumentamos la temperatura del gas las molKculas

se mueven con más rapidez $ tardan menos tiempo en

“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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alcanzar las paredes del recipiente. 4sto quiere decir que el

n/mero de choques por unidad de tiempo será ma$or. 4s

decir se producirá un aumento Ipor un instanteJ de la

presión en el interior del recipiente $ aumentará el

volumen es decir el Kmbolo se desplazará hacia arribahasta que la presión se iguale con la e9terior.

>o que :harles descubrió es que si la cantidad de gas $ la

presión permanecen constantes el cociente entre el

volumen $ la temperatura siempre tiene el mismo valor.

:on esto pudo deducir esta peque1a ecuaciónC

7^T\_ Iel cociente entre el volumen $ la temperatura esconstanteJ

4n un ejemplo que vi hace rato se dec%a- supongamos que

tenemos un cierto volumen de gas 7L que se encuentra a

una temperatura TL al comienzo del e9perimento. 5i

variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor 7W

entonces la temperatura cambiará a TW por lo que con esto

podemos describir la siguiente ecuación que no es mas que

otra ,orma de ver la le$ de chalesC

7L^TL\7W^TW

4sta le$ se descubre casi ciento cuarenta a1os despuKs de

la de Go$le debido a que cuando :harles la enunció se

encontró con el inconveniente de tener que relacionar el

volumen con la temperatura :elsius $a que a/n no e9ist%a

la escala absoluta de temperatura.R >4F 04 EFR>=55:

Bue ,ormulada por Noseph >ouis Ea$R>ussac a principios de

L8MM $ en ella establece la relación entre la temperatura $

la presión de un gas cuando el volumen es constante-

tenemos por la le$ de Ea$R >ussac queC

>a presión del gas es directamente proporcional a su

temperaturaC

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]5i aumentamos la temperatura aumentará la presión.

]5i disminuimos la temperatura disminuirá la presión.

l aumentar la temperatura las molKculas del gas se

mueven más rápidamente $ por tanto aumenta el n/mero

de choques contra las paredes es decir aumenta la presión

$a que el recipiente es de paredes Hjas $ su volumen no

puede cambiar  Ea$R>ussac descubrió que en cualquier

momento de este proceso el cociente entre la presión $ la

temperatura siempre ten%a el mismo valor por lo que llego a

esta ecuaciónC

P^T\_ Iel cociente entre la presión $ la temperatura esconstanteJ

@tra manera de e9presar la le$ de Ea$R>ussac seriaC

PL^TL \ PW^TW

>o que quiere decir es que si tenemos tenemos un gas que

se encuentra a una presión PL $ a una temperatura TL al

comienzo del e9perimento $ variamos la temperatura hastaun nuevo valor TW entonces la presión cambiará a PW.

R >4F E4<42> 04 >@5 E545

4sta le$ es una resultante de la combinación de las tres

le$es anteriores $ no dice queC

P7^T \ _ 

>o que quiere decir es que la presión por el volumen sobrela temperatura es constante $a que a ma$or presión

menor volumen $ ma$or temperatura $ viceversa.

R >4F 04 >@5 E545 04>45

0e la le$ general de los gases se obtiene la le$ de los gases

ideales. 5u e9presión matemática esC

P7\n2T

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0e donde P\presión 7\volumen n\n/mero de moles

2\constante universal de los gases ideales $ T\

temperatura

0e esta le$ se deduce que un mol ISMWW 9 LM`W3 átomos omolKculasJ de gas ideal ocupa siempre un volumen igual a

WWQ litros a M : $ L atmós,era. TambiKn se le llama la

ecuación de estado de los gases $a que solo depende del

estado actual en que se encuentre el gas.

,LA#!A#

4s el cuarto estado de agregación de la materia un estado

[uido similar al estado gaseoso pero en el que determinadaproporción de sus part%culas están cargadas elKctricamente

$ no poseen equilibrio electromagnKtico por eso son

buenos conductores elKctricos $ sus part%culas responden

,uertemente a las interacciones electromagnKticas de largo

alcance.

4l plasma presenta caracter%sticas propias que no se dan en

los sólidos l%quidos o gases por lo que es considerado otro

estado de agregación de la materia- como el gas el plasma

no tiene una ,orma o volumen deHnido a no ser que estK

encerrado en un contenedor- pero a di,erencia del gas en el

que no e9isten e,ectos

colectivos importantes el

plasma bajo la in[uencia

de un campo magnKtico

puede ,ormar estructurascomo Hlamentos ra$os $

capas dobles. >os átomos

de este estado se mueven

libremente- cuanto más

alta es la temperatura

más rápido se mueven los átomos en el gas $ en el

momento de colisionar la velocidad es tan alta que se

produce un desprendimiento de electrones.

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:alentar un gas puede ionizar sus molKculas o átomos

Ireduciendo o incrementado su n/mero de electrones para

,ormar ionesJ convirtiKndolo en un plasma. >a ionizacióntambiKn puede ser inducida por otros medios como la

aplicación de un ,uerte campo electromagnKtico mediante

un láser o un generador de microondas. 4l plasma es el

estado de agregación más abundante de la naturaleza $ la

ma$or parte de la materia en el =niverso visible se

encuentra en estado de plasma.

4n ,%sica el plasma tiene aplicaciones en otras área por

ejemplo en las descargas de gases en la ,usión

termonuclear en la ,%sica del espacio en la astro,%sica

moderna en la conversión de energ%a A;0 $ propulsión

iónica entre otros.

Puesto que e9isten plasmas en conte9tos mu$ di,erentes $

con caracter%sticas diversas la primera tarea de la ,%sica del

plasma es deHnir apropiadamente los parámetros que

deciden el comportamiento de un plasma.

>os principales parámetros son la neutralidad $ especies

presentes que nos dice si un plasma es neutro o es no

neutro o inestable la longitud Illamada tambiKn longitud

de 0eb$e o de apantallamiento electromagnKticoJ  TambiKn

la longitud de una onda plasmática depende del contenido

cóncavo de su recipiente el cual in[u$e porque su

paralelismo con respecto del eje 9 sobre la tierra a,ecta lalongitud de dicha onda de espectro electromagnKtico- la

,recuencia del plasma as% como la longitud de 0eb$e

proporciona una medida de las longitudes t%picas en un

plasma la ,recuencia de plasma describe sus tiempos

caracter%sticos- la temperatura o velocidad tKrmica a

ma$or temperatura ma$or será la dispersión de

velocidades una medida de tal dispersión es la velocidad

cuadrática media que en el equilibrio se denominatambiKn velocidad tKrmica- $ el parámetro de plasma el

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cual indica el n/mero medio de part%culas contenidas en

una es,era cu$o radio es la longitud de 0eb$e conocida

tambiKn como es,era de 0eb$e.

3.3 Temperatura y calor.

TE!,E"ATU"A / E-UILI0"I TE"!IC

4l concepto de temperatura se origina en las ideas

cualitativas de lo que nosotros conocemos habitualmente

como caliente $ ,rio basadas en nuestro sentido del tacto.

=n cuerpo que se siente caliente suele tener unatemperatura mas alta que un cuerpo similar que se siente

,rio. 4sto es un tanto vago $ los sentidos pueden

enga1arse. 5in 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 elKctrica el color brillante de un objeto

mu$ caliente entre muchos otros.

>a temperatura tambiKn se relaciona con la energ%a cinetica

de las molKculas de un material. 4n general esta relación

es mu$ compleja como para que esto deHna a la

temperatura. 5in embargo es importante entender que el

calor $ la temperatura pueden deHnirse

independientemente de cualquier en,oque molecular

detallado.

Para medir la temperatura de un cuerpo colocamos un

termómetro en contacto con Kl. 5i queremos conocer la

temperatura de una taza de ca,K introducimos el

termómetro en el l%quido al interactuar los dos el

termómetro se calienta $ el ca,K se en,r%a un poco. =na vez

que el termómetro se estabiliza leemos la temperatura. 4l

sistema está en una condición de equilibrio en la cual la

interacción entre el termómetro $ el ca,K $a no causa un

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cambio en el sistema. >lamamos equilibrio tKrmico a dicho

estado.

R >4F :42@ 04 > T42A@0<A:

>a le$ cero de la termodinámica establece que si un cuerpo

se encuentra a la misma temperatura que un cuerpo G $

este tiene la misma temperatura que un tercer cuerpo :

entonces el cuerpo tendrá la misma temperatura que el

cuerpo :. Por lo cual estaremos seguros de que tanto el

cuerpo como el G $ : estarán los tres en equilibrio

tKrmico. 4s decirC los cuerpos G $ : tendrán igual

temperatura.

@tra ,orma de e9plicar esto de manera mas corta seriaC dos

sistemas están en equilibrio tKrmico si $ solo si tienen la

misma temperatura.

TE"!!ET"# / E#CALA# DE TE!,E"ATU"A

Para que un termómetro se /til necesitamos marcar una

escala numerada en la pared de un tubo. 4stos n/meros

son arbitrarios e históricamente se han usado muchosesquemas di,erentes- >os termómetros se ajustan en

di,erentes escalas- las más ,amosas son la escala

Bahrenheit :elsius ItambiKn llamada cent%gradaJ $ la

escala absoluta _elvin.

4n la actualidad tenemos varios tipo de termómetro como

los siguientesC

 Termómetro de mercurioC 4s un tubo de vidrio sellado quecontiene un l%quido generalmente mercurio I;gJ o alcohol

coloreado cu$o volumen cambia con la temperatura de

manera uni,orme. IBue inventada por Bahrenheit en el

LLQJ

PirómetrosC 5on utilizados en ,undiciones ,ábricas de v%drio

etc. 5egun su ,uncionamiento $ e9isten de varios tipos.

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 Termómetro de lámina bimetálicaC Bormado por dos láminas

de metales de coeHcientes de dilatación mu$ distintos.

 Termómetro de gasC Pueden ser a presión o a volumen

constante. 4ste tipo de termómetros son mu$ e9actos $ seusan casi siempre para calibración de otros termómetros.

 Termómetro de resistenciaC :onsiste en un alambre de

alg/n metal IPlatinoJ cu$a resistencia elKctrica cambia

cuando var%a la temperatura.

 TermoparC =n termopar es un dispositivo utilizado para

medir temperaturas que esta basado en la ,uerza

electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dosmetales distintos.

 Termistor C 5e detecta la temperatura con base a un

termistor que var%a el valor de su resistencia elKctrica en

,unción de la temperatura.

continuación pongo una tabla en donde se muestran las

di,erentes tipos de conversionesC

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5i nos damos cuenta al tener una ecuación $ querer

encontrar su reciproca lo /nico que hacemos es despejar

los grados.

 TambiKn les pongo las comparaciones mas comunes que se

hacen entre temperaturas

 T4AP42T=2 :

B

Punto 4bullición gua LMM

WLW

Punto :ongelación gua M

3W

 Temperatura :orporal Promedio del :uerpo ;umano  3

8.S

 Temperatura ambiente con,ortable de WM a W

de S8 a

E,AN#I2N TE"!ICA

4s el incremento en el volumen de un material a medida

que aumenta su temperatura- por lo general se e9presa

como un cambio ,raccionario en las medidas por unidad de

cambio de temperatura. :uando el material es sólido la

e9pansión tKrmica se describe en tKrminos de cambio de

longitud altura o grosor. 5i el material es l%quido por lo

general se describe como un cambio de volumen. 0ebido aque las ,uerzas de unión entre átomos $ molKculas var%an

de material a material los coeHcientes de e9pansión son

caracter%sticos de los elementos $ compuestos. >os metales

más suaves tienen un coeHciente de e9pansión I:T4J alto-

por otra parte los materiales más duros como el

tungsteno tienen un :T4 bajo. >a incompatibilidad de :T4

entre dos piezas de trabajo puede generar una tensión

residual importante en la unión la cual al combinarla con

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la tensión aplicada puede causar ,allas ante una menor

resistencia a la tracción.

 TambiKn se puede deHnir como  el e,ecto más ,recuente

producido por cambios de temperatura es un cambio en eltama1o. :on pocas e9cepciones todas las sustancias

incrementan su tama1o cuando se eleva la temperatura.

>os átomos en un sólido se mantienen juntos en un arreglo

regular debido a la acción de ,uerzas elKctricas. cualquier

temperatura los átomos vibran con cierta ,recuencia $

amplitud.

:omo ejemplo tenemos lo siguienteC

49perimentalmente se ha encontrado que un incremento en

una sola dimensión por ejemplo la longitud de una barra

depende de la dimensión original $ del cambio de

temperatura. Por ejemplo considere una la barra. >a

longitud original es >M $ la temperatura inicial es tM. :uandose calienta a una temperatura t la nueva longitud de la

barra se indica como >. Por tanto un cambio en la

temperatura t \ t tM produce un cambio de longitud

> \ > >M. 4l cambio de longitud proporcional está dado

por

  > \ )>M t Ie9pansión tKrmica linealJ

donde a es la constante de proporcionalidad llamada elcoeHciente de dilatación lineal. :omo un incremento en la

temperatura no produce el mismo aumento en la longitud

en todos los materiales el coe,iciente ) es una propiedad

del material.

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continuación le mostramos una tabla de los coeHcientes

de dilatacion de algunos materiales.

E,ANCIN DE $LU!EN

=n aumento de temperatura suele aumentar el volumen de

materiales tanto l%quidos como sólidos. l igual que en la

e9pansión lineal se ha visto e9perimentalmente que si los

cambios de temperatura T Itomando como deltaJ no esmu$ grande Imenos de LMM :J el aumento de volumen 7

es apro9imadamente proporcional al cambio de

temperatura T $ al volumen inicial 7MC

7\f7MT Ie9pansión tKrmica de volumenJ

 F en donde f es la constante que caracteriza las

propiedades de e9pansión de volumen de un material dado-

llamado coeHciente de e9pansión volumKtrica.

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continuación pondrK una peque1a tabla de e9pansión

volumKtricaC

CANTIDAD DE CAL"

4l calor es simplemente otra ,orma de energ%a que puede

medirse /nicamente en tKrminos del e,ecto que produce. >a

unidad de energ%a del 5 el joule es tambiKn la unidad

pre,erida para medir el calor puesto que Kste es una ,orma

de energ%a. 5in embargo ha$ tres antiguas unidades que

a/n se conservan. 4stas primeras unidades se basaron en

la energ%a tKrmica requerida para producir un cambio

patrón. 5on la calor%a la Xilocalor%a $ la unidad tKrmica

británica IGritish thermal unitJ o Gtu.

=na calor%a IcalJ es la cantidad de calor necesaria para

elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado

:elsius.

=na calJ.

=na unidad tKrmica británica IGtuJ es la cantidad de calor

necesaria para elevar la temperatura de una libra patrón

IbJ de agua en un grado Bahrenheit.

demás del hecho de que estas viejas unidades implican

que la energ%a tKrmica no se puede relacionar con otras

,ormas de energ%a e9isten otros problemas con su uso. 4l

calor requerido para cambiar la temperatura del agua de W

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a 3: no es e9actamente el mismo que el que se necesita

para elevar la temperatura de ese l%quido de 8 a :. Por

tanto es necesario especiHcar el intervalo de temperatura

para la calor%a $ para la unidad tKrmica británica en

aplicaciones de precisión. >os intervalos elegidos ,ueronLQ. a L.: $ S3 a SQB. demás la unidad libra que

aparece en la deHnición del Gtu debe ser reconocida como

la masa de la libra patrón. 4sto representa el abandono de

las unidades del 5=4= $a que en ese sistema la libra quedó

reservada para e9presar el peso.  4sta distinción es

necesaria debido a que la libra de agua debe representar

una cantidad constante de materia independientemente

del lugar geográHco. Por deHnición la libra masa se

relaciona con el gramo $ el Xilogramo en la siguiente ,ormaC

L b \ QQ g \ M.QQ Xg

4nseguida se muestran unas equivalencias de las unidades

de calorC

CAL" E#,EC&IC

>a capacidad tKrmica : de una muestra particular se deHnecomo la cantidad de energ%a necesaria para elevar la

temperatura de dicha muestra en L:. partir de esta

deHnición se ve que si la energ%a D produce un cambio T

en la temperatura de una muestra en tal caso

D \: T

4l calor espec%Hco c de una sustancia es la capacidad

tKrmica por unidad de masa. Por lo tanto si a una muestra

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de una sustancia con masa m se le transHere energ%a D $ la

temperatura de la muestra cambia en T el calor espec%Hco

de la sustancia es

4l calor espec%Hco es en esencia una medida de quK tan

insensible tKrmicamente es una sustancia a la adición de

energ%a. Aientras ma$or sea el calor espec%Hco de un

material más energ%a se debe agregar a una masa

determinada del material para causar un cambio particular

de temperatura.

4n la siguiente tabla puede verlos calores espec%Hcos de

algunos materialesC

Por lo anterior podemos relacionar la energ%a D trans,erida

entre una muestra de masa m de un material $ sus

alrededores con un cambio de temperatura T comoC

D mcT

3.4 Trans5erencia de calor y cam6io de5ase

T"AN#&E"ENCIA DE CAL"

4s un proceso por el que se intercambia energ%a en ,ormade calor entre distintos cuerpos o entre di,erentes partes

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de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. 4l

calor se transHere mediante convección radiación o

conducción. unque estos tres procesos pueden tener lugar

simultáneamente puede ocurrir que uno de los

mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo elcalor se transmite a travKs de la pared de una casa

,undamentalmente por conducción el agua de una cacerola

situada sobre un quemador de gas se calienta en gran

medida por convección $ la Tierra recibe calor del 5ol casi

e9clusivamente por radiación.

>a conducción es la trans,erencia de calor a travKs de un

objeto sólidoC es lo que hace que el asa de un atizador secaliente aunque sólo la punta estK en el ,uego. >a

convección transHere calor por el intercambio de molKculas

,r%as $ calientesC es la causa de que el agua de una tetera

se caliente uni,ormemente aunque sólo su parte in,erior

estK en contacto con la llama. >a radiación es la

trans,erencia de calor por radiación electromagnKtica

Igeneralmente in,rarrojaJC es el principal mecanismo por el

que un ,uego calienta la habitación.

0e manera mas corta podemos decir que la trans,erencia

de calor se produce normalmente desde un objeto con alta

temperatura a otro objeto con temperatura más baja. >a

trans,erencia de calor cambia la energ%a interna de ambos

sistemas implicados de acuerdo con la primera le$ de la

 Termodinámica.

7 CNDUCCIN

5i se calienta un e9tremo de una varilla metálica de ,orma

que aumente su temperatura el calor se transmite hasta el

e9tremo más ,r%o por conducción. <o se comprende en su

totalidad el mecanismo e9acto de la conducción de calor en

los sólidos pero se cree que se debe en parte al

movimiento de los electrones libres que transportan energ%a

cuando e9iste una di,erencia de temperatura. 4sta teor%ae9plica por quK los buenos conductores elKctricos tambiKn

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tienden a ser buenos conductores del calor. 4n L8WW el

matemático ,rancKs Noseph Bourier dio una e9presión

matemática precisa que ho$ se conoce como le$ de Bourier

de la conducción del calor. 4sta le$ aHrma que la velocidad

de conducción de calor a travKs de un cuerpo por unidad desección transversal es proporcional al gradiente de

temperatura que e9iste en el cuerpo Icon el signo

cambiadoJ.

4l ,actor de proporcionalidad se denomina conductividad

tKrmica del material. >os materiales como el oro la plata o

el cobre tienen conductividades tKrmicas elevadas $

conducen bien el calor mientras que materiales como elvidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso

miles de veces menores- conducen mu$ mal el calor $ se

conocen como aislantes. 4n ingenier%a resulta necesario

conocer la velocidad de conducción del calor a travKs de un

sólido en el que e9iste una di,erencia de temperatura

conocida. Para averiguarlo se requieren tKcnicas

matemáticas mu$ complejas sobre todo si el proceso var%a

con el tiempo- en este caso se habla de conduccióntKrmica transitoria. :on la a$uda de ordenadores

IcomputadorasJ analógicos $ digitales estos problemas

pueden resolverse en la actualidad incluso para cuerpos de

geometr%a complicada.

Para el caso simpliHcado de [ujo de calor estacionario en

una sola dirección el calor transmitido es proporcional al

área perpendicular al [ujo de calor a la conductividad del

material $ a la di,erencia de temperatura $ es

inversamente proporcional al espesorC

De donde'

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 Es el calor transmitido por unidad de tiempo.

8 es la conductividad térmica.

A es el área de la superfcie de contacto.

T17T% es la dierencia de temperatura entre el oco caliente

 y el río.

 es el espesor del material.

LE/ DE &U"IE"

>a conducción tKrmica está determinada por la le$ de

Bourier que establece que el [ujo de trans,erencia de calor

por conducción en un medio isótropo es proporcional $ de

sentido contrario al gradiente de temperatura en esa

dirección. 0e ,orma vectorialC

 q\RX TdondeC

qC es el vector de [ujo de calor por unidad de superHcie IO

mRWJ.

XC es una constante de proporcionalidad llamada

conductividad tKrmica IO mRL _RLJ.

  TC es el gradiente del campo de temperatura en el interiordel material I _ mRLJ.

0e ,orma integral el calor que atraviesa una superHcie 5

por unidad de tiempo viene dado por la e9presiónC

R

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7 CN$ECCIN

5i e9iste una di,erencia de temperatura en el interior de un

l%quido o un gas es casi seguro que se producirá un

movimiento del [uido. 4ste movimiento transHere calor deuna parte del [uido a otra por un proceso llamado

convección. 4l movimiento del [uido puede ser natural o

,orzado. 5i se calienta un l%quido o un gas su densidad

Imasa por unidad de volumenJ suele disminuir. 5i el l%quido

o gas se encuentra en el campo gravitatorio el [uido más

caliente $ menos denso asciende mientras que el [uido

más ,r%o $ más denso desciende. 4ste tipo de movimiento

debido e9clusivamente a la no uni,ormidad de latemperatura del [uido se denomina convección natural. >a

convección ,orzada se logra sometiendo el [uido a un

gradiente de presiones con lo

que se ,uerza su movimiento de

acuerdo a las le$es de la

mecánica de [uidos.

5upongamos por ejemplo que

calentamos desde abajo una

cacerola llena de agua. 4l

l%quido más pró9imo al ,ondo se

calienta por el calor que se ha

transmitido por conducción a travKs de la cacerola. l

e9pandirse su densidad disminu$e $ como resultado de ello

el agua caliente asciende $ parte del [uido más ,r%o baja

hacia el ,ondo con lo que se inicia un movimiento de

circulación. 4l l%quido más ,r%o vuelve a calentarse por

conducción mientras que el l%quido más caliente situado

arriba pierde parte de su calor por radiación $ lo cede al

aire situado por encima. 0e ,orma 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 e9terior que está más ,r%o

desciende mientras que al aire cercano al panel interior

En la imagen se muestra

como es el proceso de la

transerencia de calor por elroceso de convección.

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más caliente asciende lo que produce un movimiento de

circulación.

4l calentamiento de una habitación mediante un radiador

no depende tanto de la radiación como de las corrientesnaturales de convección que hacen que el aire caliente

suba hacia el techo $ el aire ,r%o del resto de la habitación

se dirija hacia el radiador. 0ebido a que el aire caliente

tiende a subir $ el aire ,r%o a bajar los radiadores deben

colocarse cerca del suelo I$ los aparatos de aire

acondicionado cerca del techoJ para que la eHciencia sea

má9ima. 0e la misma ,orma la convección natural es

responsable de la ascensión del agua caliente $ el vapor enlas calderas de convección natural $ del tiro de las

chimeneas. >a convección tambiKn determina el

movimiento de las grandes masas de aire sobre la

superHcie terrestre la acción de los vientos la ,ormación de

nubes las corrientes oceánicas $ la trans,erencia de calor

desde el interior del 5ol hasta su superHcie.

7 "ADIACIN

>a radiación presenta una di,erencia ,undamental respecto

a la conducción $ la convecciónC las sustancias que

intercambian calor no tienen que estar

en contacto sino que pueden estar

separadas por un vac%o. >a radiación es

un tKrmino que se aplica a toda clasede ,enómenos relacionados con ondas

electromagnKticas. lgunos ,enómenos

de la radiación pueden describirse

mediante la teor%a de ondas pero la

/nica e9plicación general satis,actoria

de la radiación electromagnKtica es la

teor%a cuántica. 4n LM lbert 4instein sugirió que la

radiación presenta a veces un comportamiento cuantizadoCen el e,ecto ,otoelKctrico la radiación se comporta como

n la imagen se muestra

omo es el proceso de la

anserencia de calor por el

roceso de convección.

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min/sculos pro$ectiles llamados ,otones $ no como ondas.

>a naturaleza cuántica de la energ%a radiante se hab%a

postulado antes de la aparición del art%culo de 4instein $ en

LMM el ,%sico alemán Aa9 PlancX empleó la teor%a cuántica

$ el ,ormalismo matemático de la mecánica estad%stica paraderivar una le$ ,undamental de la radiación. >a e9presión

matemática de esta le$ llamada distribución de PlancX

relaciona la intensidad de la energ%a radiante que emite un

cuerpo en una longitud de onda determinada con la

temperatura del cuerpo. Para cada temperatura $ cada

longitud de onda e9iste un má9imo de energ%a radiante.

5ólo un cuerpo ideal Icuerpo negroJ emite radiación

ajustándose e9actamente a la le$ de PlancX. >os 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 euilibrio térmico en unatemperatura defnida. La ley lleva el nombre de !a" Planck#

uien la propuso originalmente en $%&&. 'e trata de un

resultado pionero de la ísica moderna y la teoría cuántica.

En esta imagen se

muestra que no es

necesario aire o

algún medio para

 

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La intensidad de la radiación emitida por un cuerpo negro

(o radiancia espectral) con una cierta

temperatura * y recuencia viene

dada por la ley de Planck+

Lo siguiente es un cuadro de lo ue signifca cada símbolo

de la ecuación Planck 

>a contribución de todas las longitudes de onda a la energ%a

radiante emitida se denomina poder emisor del cuerpo $

corresponde a la cantidad de energ%a emitida por unidad de

superHcie del cuerpo $ por unidad de tiempo. :omo puede

demostrarse a partir de la le$ de PlancX el poder emisor de

una superHcie es proporcional a la cuarta potencia de su

temperatura absoluta. 4l ,actor de proporcionalidad se

denomina constante de 5te,anRGoltzmann en honor a dos

,%sicos austriacos Noseph 5te,an $ >udig Goltzmann que

en L8 $ L88Q respectivamente descubrieron esta

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proporcionalidad entre el poder emisor $ la temperatura.

5eg/n la le$ de PlancX todas las sustancias emiten energ%a

radiante sólo por tener una temperatura superior al cero

absoluto. :uanto ma$or es la temperatura ma$or es la

cantidad de energ%a emitida. demás de emitir radiacióntodas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso

aunque un cubito de hielo emite energ%a radiante de ,orma

continua se ,unde si se ilumina con una lámpara

incandescente porque absorbe una cantidad de calor ma$or

de la que emite.

>as superHcies opacas pueden absorber o re[ejar la

radiación incidente. Eeneralmente las superHcies mates $rugosas absorben más calor que las superHcies brillantes $

pulidas $ las superHcies brillantes re[ejan más energ%a

radiante que las superHcies mates. demás las sustancias

que absorben mucha radiación tambiKn son buenos

emisores- las que re[ejan mucha radiación $ absorben poco

son malos emisores. Por eso los utensilios de cocina suelen

tener ,ondos mates para una buena absorción $ paredes

pulidas para una emisión m%nima con lo que ma9imizan latrans,erencia total de calor al contenido de la cazuela.

lgunas sustancias entre ellas muchos gases $ el vidrio

son capaces de transmitir grandes cantidades de radiación.

5e observa e9perimentalmente que las propiedades de

absorción re[e9ión $ transmisión de una sustancia

dependen de la longitud de onda de la radiación incidente.

4l vidrio por ejemplo transmite grandes cantidades de

radiación ultravioleta de baja longitud de onda pero es un

mal transmisor de los ra$os in,rarrojos de alta longitud de

onda. =na consecuencia de la distribución de PlancX es que

la longitud de onda a la que un cuerpo emite la cantidad

má9ima de energ%a radiante disminu$e con la temperatura.

>a le$ de desplazamiento de Oien llamada as% en honor al

,%sico alemán Oilhelm Oien es una e9presión matemática

de esta observación $ aHrma que la longitud de onda que

corresponde a la má9ima energ%a multiplicada por la

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temperatura absoluta del cuerpo es igual a una constante

W.88 micrómetrosR_elvin. 4ste hecho junto con las

propiedades de transmisión del vidrio antes mencionadas

e9plica el calentamiento de los invernaderos. >a energ%a

radiante del 5ol má9ima en las longitudes de onda visiblesse transmite a travKs del vidrio $ entra en el invernadero.

4n cambio la energ%a emitida por los cuerpos del interior

del invernadero predominantemente de longitudes de onda

ma$ores correspondientes al in,rarrojo no se transmiten al

e9terior a travKs del vidrio. s% aunque la temperatura del

aire en el e9terior del invernadero sea baja la temperatura

que ha$ dentro es mucho más alta porque se produce una

considerable trans,erencia de calor neta hacia su interior.

demás de los procesos de transmisión de calor que

aumentan o disminu$en las temperaturas de los cuerpos

a,ectados la transmisión de calor tambiKn puede producircambios de ,ase como la ,usión del hielo o la ebullición del

agua. 4n ingenier%a los procesos de trans,erencia de calor

suelen dise1arse de ,orma que aprovechen estos

,enómenos. Por ejemplo las cápsulas espaciales que

regresan a la atmós,era de la Tierra a velocidades mu$

altas están dotadas de un escudo tKrmico que se ,unde de

,orma controlada en un proceso llamado ablación para

impedir un sobrecalentamiento del interior de la cápsula. >a

°Ley de despla,amiento de -ien+

La ley de despla,amiento de -ien es una ley de la ísica ue establece ue ay

una relación inversa entre la longitud de onda en la ue se produce el pico de

emisión de un cuerpo negro y su temperatura. !atemáticamente# la ley es+ 

/onde * es la temperatura del cuerpo negro en 0elvin (0) y 1ma" es la longitud

de onda del pico de emisión en metros. La constante c de -ien está dada en

0elvin " metro.

Las consecuencias de la ley de -ien es ue cuanta mayor sea la temperatura de

un cuer o ne ro menor es la lon itud de onda en la cual emite.

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ma$or%a del calor producido por el rozamiento con la

atmós,era se emplea en ,undir el escudo tKrmico $ no en

aumentar la temperatura de la cápsula.

CA!0I# DE &A#E5e denomina cambio de

estado o de ,ase a la

evolución de la materia

entre varios estados de

agregación sin que ocurra un

cambio en su composición.

>os tres estados más

estudiados $ comunes en la

 Tierra son el sólido el l%quido $ el gaseoso- no obstante el

estado de agregación más com/n en el =niverso es el

plasma material del que están compuestas las estrellas.

BusiónC 4s el paso de un sólido al estado l%quido por medio

del calor- durante este proceso endotKrmico Iproceso que

absorbe energ%a para llevarse a cabo este cambioJ ha$ un

punto en que la temperatura permanece constante. 4lpunto de ,usión es la temperatura a la cual el sólido se

,unde por lo que su valor es particular para cada sustancia.

0ichas molKculas se moverán en una ,orma independiente

trans,ormándose en un l%quido. =n ejemplo podr%a ser un

hielo derritiKndose pues pasa de estado sólido al l%quido.

ha$ que aclarar que para cada solido el punto de ,usión es

di,erente- enseguida muestro un cuadro en el que ha$

varios elementos $ sus respectivos puntos de ,usión.

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5olidiHcaciónC 4s el paso de un l%quido a sólido Ilo opuesto a

la ,usiónJ por medio del en,riamiento- el proceso es

e9otKrmico. 4l punto de solidiHcación o de congelación es

la temperatura a la cual el l%quido se solidiHca $ permanece

constante durante el cambio $ coincide con el punto de

,usión si se realiza de ,orma lenta IreversibleJ- su valor estambiKn espec%Hco.

7aporización $ ebulliciónC 5on los procesos ,%sicos en los que

un l%quido pasa a estado gaseoso. 5i se realiza cuando la

temperatura de la totalidad del l%quido iguala al punto de

ebullición del l%quido a esa presión continuar calentándose

el l%quido Kste absorbe el calor pero sin aumentar latemperaturaC el calor se emplea en la conversión del agua

en estado l%quido en agua en estado gaseoso hasta que la

totalidad de la masa pasa al estado gaseoso. 4n ese

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momento es posible aumentar la temperatura del gas-

abajo se muestra otra tabla pero esta vez muestra el punto

de ebullición de las sustancias.

:ondensaciónC 5e denomina condensación al cambio de

estado de la materia que se pasa de ,orma gaseosa a ,orma

l%quida. 4s el proceso inverso a la vaporización. 5i se

produce un paso de estado gaseoso a estado sólido de

manera directa el proceso es llamado sublimación inversa.

5i se produce un paso del estado l%quido a sólido se

denomina solidiHcación.

5ublimaciónC 4s el proceso que consiste en el cambio de

estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por

el estado l%quido. l proceso inverso se le denomina

5ublimación inversa- es decir el paso directo del estado

gaseoso al estado sólido. =n ejemplo clásico de sustancia

capaz de sublimarse es el hielo seco. 4sto pasa cundo la

presión a la que es sometida la sustancia está por debajo

del punto triple el cual $a e9plicamos anteriormente.

>as ,ases que corresponden al cambio de gas a plasma $ de

plasma a gas se llaman ionización $ desionización

respectivamente

Eas ionizado

=n gas ,r%o está constituido de molKculas que a su vez

están ,ormadas de átomos- si se calienta el gas porejemplo por interacción lum%nica las molKculas se moverán

más rápidamente $ chocarán entre s% con más ,uerza hasta

que por encima de cierta temperatura var%e la molKcula $

seg/n su tipo Ksta se rompa $ queden átomos dispersos.

4stos átomos $ sus electrones pueden en este proceso

trans,ormar parte de su energ%a en ,otones- por ello un gas

caliente brilla. 5i se sigue aumentando la temperatura los

átomos empiezan a agitar sus electrones ,ormando un gasconstituido de electrones libres Ique emiten ,otones

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constantementeJ e iones Iátomos con menos electrones

que protonesJ- $ esto es lo que en parte da lugar a la

ionización IgasRplasmaJ.

3.9 TE"!DINA!ICA

4l principio cero de la termodinámica es una le$

,enomenológica para sistemas que se encuentran en

equilibrio tKrmico. Bue ,ormulado por primera vez en L3L

por 2alph ;. Boler. :onstitu$e una gran importancia

e9perimental Ipues permite construir instrumentos que

midan la temperatura de un sistemaJ pero no lo es tantopara la propia estructura de la teor%a termodinámica.

4l principio establece que e9iste una determinada

propiedad denominada temperatura emp%rica que es

com/n para todos los estados de equilibrio que se

encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.

>a ,ormulación del principio cero de la termodinámica esC

B I9 $ 9: $:J \ M

B I9G $G 9: $:J \ M

k B I9 $ 9G $GJ \ M

4n palabras simples se dir%a asi se dir%a asiC “5i se pone un

objeto con cierta temperatura en contacto con otro a una

temperatura distinta ambos intercambian calor hasta que

sus temperaturas se igualan#.

,"I!E"A LE/ DE LA TE"!DIN:!ICA

0icho de manera parecidaC

>a temperatura emp%rica es aquella propiedad cu$o valor es el

mismo para todos los sistemas que están en equilibrio tKrmico entre s%.

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 TambiKn conocida como principio de conservación de la

energ%a para la termodinámica establece que si se realiza

trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor con

otro la energ%a interna del sistema cambiará.

7isto de otra ,orma esta le$ permite deHnir el calor como la

energ%a necesaria que debe intercambiar el sistema para

compensar las di,erencias entre trabajo $ energ%a interna.

Bue propuesta por <icolas >Konard 5adi :arnot en L8WQ en

su obra 2e[e9iones sobre la potencia motriz del ,uego $

sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta

potencia en la que e9puso los dos primeros principios de la

termodinámica. 4sta obra ,ue incomprendida por loscient%Hcos de su Kpoca $ más tarde ,ue utilizada por 2udol, 

:lausius $ >ord _elvin para ,ormular de una manera

matemática las bases de la termodinámica.

>a ecuación general de la conservación de la energ%a es la

siguienteC

Due aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el

criterio de signos termodinámico queda de la ,ormaC

0onde = es la energ%a interna del sistema IaisladoJ D es la

cantidad de calor aportado al sistema $ O es el trabajo

realizado por el sistema.

Aás ,ormalmente este principio se descompone en dos

partes-

4l “principio de la accesibilidad adiabática#

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4l conjunto de los estados de equilibrio a los que puede

acceder un sistema termodinámico cerrado es

adiabáticamente un conjunto simplemente cone9o.

$ un “principio de conservación de la energ%a#C

4l trabajo de la cone9ión adiabática entre dos estados de

equilibrio de un sistema cerrado depende e9clusivamente

de ambos estados conectados.

#EUNDA LE/ DE LA TE"!DINA!ICA

4sta le$ marca la dirección en la que deben llevarse a cabolos procesos termodinámicos $ por lo tanto la

imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario Ipor

ejemplo dice algo as% como que una mancha de tinta

dispersada en el agua no puede volver a concentrarse en

un peque1o volumenJ. TambiKn establece en algunos

casos la imposibilidad de convertir completamente toda la

energ%a de un tipo a otro sin pKrdidas. 0e esta ,orma la

segunda le$ impone restricciones para las trans,erencias deenerg%a que hipotKticamente pudieran llevarse a cabo

teniendo en cuenta solo el primer principio. 4sta le$ apo$a

todo su contenido aceptando la e9istencia de una magnitud

,%sica llamada entrop%a de tal manera que para un sistema

aislado Ique no intercambia materia ni energ%a con su

entornoJ la variación de la entrop%a siempre debe ser

ma$or que cero.

0ebido a esta le$ tambiKn se tiene que el [ujo espontáneo

de calor siempre es unidireccional desde los cuerpos de

ma$or temperatura hacia los de menor temperatura hasta

lograr un equilibrio tKrmico.

>a aplicación más conocida es la de las máquinas tKrmicas

que obtienen trabajo mecánico mediante aporte de calor de

una ,uente o ,oco caliente para ceder parte de este calor a

la ,uente o ,oco o sumidero ,r%o. >a di,erencia entre los dos

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calores tiene su equivalente en el trabajo mecánico

obtenido.

4ntre las ,rases mas conocidas tenemos las siguientesC

:lausiusC

<o es posible ning/n proceso cu$o /nico resultado sea la

e9tracción de calor de un recipiente a una cierta

temperatura $ la absorción de una cantidad igual de calor

por un recipiente a temperatura más elevada.

_elvinPlancXC

4s imposible construiruna máquina tKrmica

que operando en un

ciclo no produzca otro

e,ecto que la

absorción de energ%a

desde un depósito

con la realización de

una cantidad igual detrabajo. 5er%a correcto

decir que 4s imposible construir una máquina que

operando c%clicamente produzca como /nico e,ecto la

e9tracción de calor de un ,oco $ la realización equivalente

de trabajo. 7ar%a con el primero dado a que en Kl se

puede deducir que la máquina trans,orma todo el trabajo

en calor $ que el resto para otras ,unciones. 4ste

enunciado aHrma la imposibilidad de construir una máquinaque convierta todo el calor en trabajo. 5iempre es necesario

intercambiar calor con un segundo ,oco Iel ,oco ,r%oJ de

,orma que parte del calor absorbido se e9pulsa como calor

de desecho al ambiente. 4se calor desechado no pude

reutilizarse para aumentar el calor IinicialJ producido por el

sistema Ien este caso la máquinaJ es a lo que llamamos

entrop%a.

TE"CE"A LE/ DE LA TE"!DIN:!ICA

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“4s imposible alcanzar una temperatura igual al cero

absoluto mediante un n/mero Hnito de procesos ,%sicos.

Puede ,ormularse tambiKn como que a medida que un

sistema dado se apro9ima al cero absoluto su entrop%a

tiende a un valor constante espec%Hco. >a entrop%a de lossólidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo

temperaturas iguales al cero absoluto#.

0icho más in,ormalmente esto dice que

el cero absoluto Ies decir provocar una

solides en la que las part%culas atómicas

no tengan ning/n movimiento de

energ%aJ es imposible de alcanzar $aque aun en el cero absoluto quedara

una energ%a residual llamada energ%a del

punto cero.

unque ,ormalmente no se toma como

una le$ sino que es el postulado de

<ernst llamado as% por su autor Oalther <ernst.

,"CE## TE"!DINA!IC#

5e dice que un sistema pasa por un proceso

termodinámico o trans,ormación termodinámica cuando al

menos una de las coordenadas termodinámicas no cambia.

Oalther <ernstIL8SQRLQLJ

4n LWM ganó un premio

nobel en la rama de qu%mica

por su trabajo en la

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>os procesos más importantes sonCProcesos isotKrmicosC son procesos en los que la

temperatura no cambia.

5e denomina proceso isotKrmico o proceso isotermo al

cambio reversible en un sistema termodinámico siendo

dicho cambio a temperatura constante en todo el sistema.

>a compresión o e9pansión de un gas ideal puede llevarse a

cabo colocando el gas en contacto tKrmico con otro sistemade capacidad calor%Hca mu$ grande $ a la misma

temperatura que el gas. este otro sistema se conoce como

,oco calórico. 0e esta manera el calor se transHere mu$

lentamente permitiendo que el gas se e9panda realizando

trabajo. :omo la energ%a interna de un gas ideal sólo

depende de la temperatura $ Ksta permanece constante en

la e9pansión isoterma el calor tomado del ,oco es igual al

trabajo realizado por el gasC

=na curva isoterma es una l%nea que sobre un diagrama

representa los valores sucesivos de las diversas variables

de un sistema en un proceso isotermo. >as isotermas de un

gas ideal en un diagrama PR7 llamado diagrama de

:lape$ron son hipKrbolas equiláteras cu$a ecuación esC

 P]7 \ constante.

4stas son algunas graHcas de los procesos termodinámicos

4s decirC D \ O.

0onde D es el calor del ,oco $ O es el trabajo realizado por el gas.

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Procesos isobáricosC son procesos en los cuales la presión

no var%a.

es un proceso termodinámico que ocurre a presión

constante. >a Primera >e$ de la Termodinámica para estecaso queda e9presada como sigueC

D\calor P\ presión

=\ energ%a interna 7\ volumen

Procesos isócorosC son procesos en los que el volumenpermanece constante.

4s un proceso termodinámico en el cual el volumen

permanece constante- 7 \ M . 4sto implica que el proceso

no realiza trabajo presiónRvolumen $a que Kste se deHne

comoC

0e donde P es la presión- $ como el trabajo es ejercido por

el sistema el trabajo es positivo.

Procesos adiabáticosC son procesos en los que no ha$

trans,erencia de calor alguna.

4s aquel en el cual el sistema termodinámicoIgeneralmente un [uido que realiza un trabajoJ no

intercambia calor con su entorno. =n proceso adiabático

que es además reversible se conoce como proceso

isentrópico.

Procesos diatKrmicosC son procesos que dejan pasar el calor

,ácilmente.

Procesos isoentrópicosC procesos adiabáticos $ reversibles.Procesos en los que la entrop%a no var%a.

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Por ejemplo dentro de un termo donde se colocan agua

caliente $ cubos de hielo ocurre un proceso adiabático $a

que el agua caliente se empezará a en,riar debido al hielo

$ al mismo tiempo el hielo se empezará a derretir hasta que

ambos estKn en equilibrio tKrmico sin embargo no hubotrans,erencia de calor del e9terior del termo al interior por

lo que se trata de un proceso adiabático.