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.