Sumario

Temperatura y termómetros.
Leyes de la termodinámica y sus aplicaciones.
Equilibrio térmico y Ley Cero de la Termodinámica.
Expansión térmica.
Calor y energía interna.
Calorimetría, calor específico y calor latente.
Transferencia de calor y aplicaciones termodinámicas y sus aplicaciones en la Ingeniería Agronómica y Agroindustrial.

Objetivo

Al finalizar el estudio de este capítulo, entre otras habilidades, usted será capaz de:

Aplicar, por medio de los conceptos de calor, temperatura y equilibrio térmico, los procesos mediante los cuales la energía térmica se transfiere, las restricciones que impone la Segunda Ley de la Termodinámica, para su aplicación en algunas situaciones importantes de la Primera y Segunda Ley de la Termodinámica.

Introducción

A continuación, se presenta una serie de sugerencias para cumplir con las estrategias de aprendizaje, las cuales se proponen en el programa del curso de Física para Ingeniería Agroindustrial y Agronómica. Si bien son aplicables al curso, no son exhaustivas, el estudiante puede aprovechar otros materiales recomendados en las referencias bibliográficas.

Guía de lectura

Puede visualizar el video sobre Temperatura y Calor, de la tutora de la UNED Mónica Pereira, en el siguiente enlace <https://www.youtube.com/watch?v=THZSLlwjetk> (duración 14 min)
2. Lectura del libro de texto, sobre el tema de calor y termodinámica. En esta lectura, deberá hacer énfasis en las definiciones de los conceptos que le ofrece el capítulo. Todos los temas son importantes, por lo tanto, se le recomienda hacer un resumen de cada uno para su mejor comprensión.
También, puede elaborar una ficha para identificar, con sus propias palabras, los conceptos de temperatura y equilibrio térmico. Se le invita a revisar la sección del capítulo en estudio, donde encontrará las definiciones de los diferentes conceptos, que se involucran con temperatura y equilibrio térmico y su relación.

Comentarios del tema

A continuación, se le ofrece un ejemplo de un mapa conceptual sobre cómo construir un termómetro y, posteriormente, se le sugieren referencias bibliográficas para ubicar más información, al respecto.

Puede revisar más información sobre cómo construir un termómetro en:

¿Cómo hacer un termómetro casero?
<https://www.youtube.com/watch?v=1_sagbhNtWs>
Cómo funciona un termómetro
<http://rincondelaciencia.educa.madrid.org/Simulaci/termometro/term.html>

En el siguiente ejemplo, se muestra cómo elaborar un cuadro comparativo entre los conceptos de capacidad calorífica, calor específico y calor latente.

Capacidad calorífica	Calor específico	Calor latente o calor de cambio de estado
Es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema, en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta.	Es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico, para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius).	Es la energía requerida por una sustancia, para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización).
Se representa con la letra C (mayúscula).	Se representa con la letra c (minúscula).	Se representa con la letra L (mayúscula).
Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende, no solo de la sustancia, sino también de la cantidad de materia del cuerpo o sistema. Por ello, es característica de un cuerpo o sistema particular.	En general, el valor del calor específico depende de la temperatura inicial.	Se debe tener en cuenta que, esta energía en forma de calor, se invierte para el cambio de fase y no para un aumento de la temperatura. Por tanto, al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido, se libera la misma cantidad de energía.

Capacidad calorífica
Es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema, en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta.
Se representa con la letra C (mayúscula).
Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende, no solo de la sustancia, sino también de la cantidad de materia del cuerpo o sistema. Por ello, es característica de un cuerpo o sistema particular.
Calor específico
Es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico, para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius).
Se representa con la letra c (minúscula).
En general, el valor del calor específico depende de la temperatura inicial.
Calor latente o calor de cambio de estado
Es la energía requerida por una sustancia, para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización).
Se representa con la letra L (mayúscula).
Se debe tener en cuenta que, esta energía en forma de calor, se invierte para el cambio de fase y no para un aumento de la temperatura. Por tanto, al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido, se libera la misma cantidad de energía.

A continuación, se le ofrece un cuadro comparativo entre las leyes de la termodinámica.

Ley Cero de la Termodinámica	Primera Ley de la Termodinámica	Segunda Ley de la Termodinámica
Si inicialmente C está en equilibrio térmico con A y con B, entonces A y B también están en equilibrio térmico entre sí.	La energía no se puede crear ni destruir, solo puede cambiarse o transferirse de un objeto a otro.	Cada transferencia de energía que se produce, aumentará la entropía del universo y reducirá la cantidad de energía utilizable, disponible para realizar trabajo (o en el caso más extremo, la entropía total se mantendrá igual).
Dos sistemas están en equilibrio térmico si, y sólo si, tienen la misma temperatura.	Ninguna de estas transferencias es completamente eficiente. En cada situación, parte de la energía inicial se libera como energía térmica. Cuando la energía térmica se mueve de un objeto a otro, recibe el nombre más familiar de calor.	En otras palabras, cualquier proceso, como una reacción química o un conjunto de reacciones conectadas, procederá en una dirección que aumente la entropía total del universo.

Ley Cero de la Termodinámica
Si inicialmente C está en equilibrio térmico con A y con B, entonces A y B también están en equilibrio térmico entre sí.
Dos sistemas están en equilibrio térmico si, y sólo si, tienen la misma temperatura.
Primera Ley de la Termodinámica
La energía no se puede crear ni destruir, solo puede cambiarse o transferirse de un objeto a otro.
Ninguna de estas transferencias es completamente eficiente. En cada situación, parte de la energía inicial se libera como energía térmica. Cuando la energía térmica se mueve de un objeto a otro, recibe el nombre más familiar de calor.
Segunda Ley de la Termodinámica
Cada transferencia de energía que se produce, aumentará la entropía del universo y reducirá la cantidad de energía utilizable, disponible para realizar trabajo (o en el caso más extremo, la entropía total se mantendrá igual).
En otras palabras, cualquier proceso, como una reacción química o un conjunto de reacciones conectadas, procederá en una dirección que aumente la entropía total del universo.

Seguidamente, un cuadro resumen sobre los procesos termodinámicos.

Procesos termodinámicos
Isotérmico	Proceso que ocurre a temperatura constante. Cambio reversible en un sistema termodinámico. Puede llevarse a cabo colocando el gas en contacto térmico, con otro sistema. Este otro sistema, se conoce como foco calórico. El calor se transfiere muy lentamente, lo que permite que el gas se expanda y realice el trabajo.
Isobárico	Proceso termodinámico, que ocurre a presión constante. Es un proceso, en el cual un gas se expande (o contrae), mientras que la presión del mismo no cambia. El calor transferido a presión constante está relacionado con el resto de variables. Un ejemplo de un proceso isobárico, es la ebullición del agua en un recipiente abierto.
Isocórico	Es un proceso termodinámico, en el cual el volumen permanece constante. Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen. Se presenta cuando el volumen del sistema permanece constante. Debido a que la variación de volumen es 0, no se realiza trabajo ni sobre el sistema ni de este último sobre los alrededores, por lo que se cumple que $∆E_i=$$Q$
Adiabático	Aquel, en el cual el sistema (generalmente, un fluido que realiza un trabajo), no intercambia calor con su entorno. Un proceso adiabático que es, además, reversible, se conoce como proceso isoentrópico. El extremo opuesto, en el que tiene lugar la máxima transferencia de calor, causando que la temperatura permanezca constante, se denomina proceso isotérmico.
Diatérmico	Un proceso diatérmico, quiere decir, que deja pasar el calor fácilmente. Una interacción térmica, es cualquier otro tipo de intercambio de energía. En este caso, la pared se denomina diatérmica. Cualquier superficie real es una superficie diatérmica, por ejemplo, un vaso, los muros de una casa, etc. (todos en mayor o menor grado permiten la transferencia de calor).

Puede visualizar el siguiente video, sobre las Leyes de la Termodinámica:
<https://www.youtube.com/watch?v=Bvfn6eUhUAc&t=215s> (duración 5 minutos)

En el siguiente enlace, puede observar videos sobre experimentos caseros con las Leyes de la Termodinámica: <https://www.youtube.com/watch?v=BH8kZAPsCxs>

Para profundizar sobre las Leyes de la Termodinámica (en particular máquinas térmicas), puede observar: <https://www.youtube.com/watch?v=N3qpGCmhJTY> (duración 27 min)

Primero, vea el siguiente video: <https://www.youtube.com/watch?v=En3bRCuLQZM> Luego, explique por qué Homero le dice a Lisa que se respetan las Leyes de la Termodinámica.

Para su participación en el foro de discusión en internet sobre “El efecto del calentamiento global a partir del concepto de equilibrio térmico”, se le sugiere revisar la siguiente información.

Herramientas para la toma de decisiones y transferencia de riesgos del sector de la agroindustria ante los efectos del cambio climático en Uruguay, Argentina y Paraguay. Casos de estudio. En: <https://cdkn.org/wp-content/uploads/2017/07/Gamarra_Herramientas-toma-de-decisiones_13-DE-JULIO.pdf>
“Nuevo escándalo en EEUU, sobre el cambio climático”, La Nación, 24 de febrero de 2012. En: <https://www.nacion.com/archivo/nuevo-escandalo-en-ee-uu-sobre-el-cambio-climatico/BLDS2B5N4JGVZFRVRLKDYL3HCA/story/>
Programa de cambio climático. En: <http://cglobal.imn.ac.cr/>
Cambio Climático, informe de síntesis. En: <http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/syr/ar4_syr_sp.pdf>
Kioto con tu ayuda. En: <http://www.oei.es/salactsi/kiotonoti.htm>
Consumo, energía y futuro, ¿hay esperanza? En: <http://www.oilwatch.org/galeria/videos/545-consumo-energa-y-futuro>
Alerta por el calentamiento global. En: <http://www.youtube.com/watch?v=klLZ3tL5buc>

Ejercicios resueltos. Se le ofrecen varios problemas con su solución.

El nitrógeno líquido es un material relativamente barato, que, a menudo, se utiliza para realizar diversas demostraciones de física a baja temperatura. El gas nitrógeno experimenta licuefacción a una temperatura de -346 ºF.
Convierta esta temperatura a:
a) °C
b) K

Datos

$T_1=$ $-346^{\circ}F$

Incógnitas

a) ¿ ºC ?

b) ¿ K ?

Ecuaciones

$T_F=$ $ \frac{9}{5}T_c+32$

$T_K=$ $T_C+273,15$

Solución

$T_F=$ $\frac{9}{5}T_c + 32$

$-346=$ $ \frac{9}{5}T_c+32\rightarrow \left (-346-32 \right )\frac{5}{9}= $ $ T_c=$ $ -210^{\circ}C$

b)
$T_K=$ $T_C+273,15\rightarrow T_K=$ $-210+273,15=$ $63,15K$

R/La temperatura de -346 ºF equivale a -210 ºC y 63,15 K

Al pintar la punta de una antena de 225 m de altura, un trabajador deja caer accidentalmente una botella de agua de 1 L de su lonchera. La botella cae sobre unos arbustos en el suelo y no se rompe. Si una cantidad de calor, igual a la magnitud del cambio de energía mecánica de la botella, pasa el agua, ¿cuánto aumentará su temperatura?

Datos

h = 225 m

V = 1 L de agua = $ 1x10^{-3}m^3 $

Incógnita

$ \Delta T=$ ¿?

Ecuaciones

$m=$ $\rho V$

$ Q=$ $ mc\Delta T$

Solución

$m= $ $\rho V= $ $1000\frac{kg}{m^3}\cdot 1x10^{-3}m^3= $ $1kg$

$\Delta U=$ $mgh=$ $1\cdot 9,8\cdot225=$ $2205J$

$$Q=mc\Delta T$$ $$\Delta T=\frac{Q}{mc}=\frac{2205}{1\cdot4190}=0,523$$ R/ La temperatura del agua aumentaría 0,523 K o 0,523º C.

Quemaduras de vapor contra quemaduras de agua.

Cuánto calor entra en su piel si recibe el calor liberado por:

25 g de vapor de agua, que inicialmente está a 100°C, al enfriarse a la temperatura de la piel (34°C)
25 g de agua, que inicialmente está a 100°Cal enfriarse a 34°C

Qué le dice esto, acerca de la severidad relativa de las quemaduras con vapor y con agua caliente.

Datos

a) 25 g de vapor de agua
Ti = 100 ºC
$T_f=$ 34 ºC
b) 25 g de agua
Ti = 100 ºC
$T_f=$ 34 ºC

Incógnita

¿ Q ?

Ecuaciones

$ Q=$ $mL_v$

$ Q=$ $mc\Delta T$

Solución

a) Vapor de agua:

$ Q=$ $ mL_v+mc\Delta T$

$ Q=$ $ -25x10^{-3}\cdot 2,25x10^6 + $ $25x10^3\cdot 4190\cdot \left ( 34-100 \right ) $

$ Q=$ $ -6,33x10^4J$

b) Agua líquida

$ Q=$ $ mc\Delta T$

$ Q=$ $25x10^3\cdot 4190\cdot \left ( 34-100 \right )= $ $-6,91x10^3J$

c) Si se quema con vapor de agua el cuerpo absorbe $6,33x10^4$J de energía, pero si se quema con agua a 100 ºC absorbe casi 10 veces menos energía.

Un horno de cocina eléctrico tiene un área de pared total de $ 1,40 m^2 $ y está aislado con una capa de fibra de vidrio de 4 cm de espesor. La superficie interior de la fibra de vidrio está a 175°C y la exterior a 35°C. La fibra de vidrio tiene una conductividad térmica de 0,040 W/m*K.
a) Calcule la corriente de calor en el aislante, tratándolo como una plancha con un área de de $ 1,40 m^2 $.
b) ¿Qué aporte de potencia eléctrica requiere el elemento calentador para mantener esta temperatura?

Datos

$ A=$ $ 1,4m^2$
$ L=$ $ 4x10^{-2}m$
$ T_H=$ $ 175^{\circ}C$
$ T_c=$ $ 35^{\circ}C$
$ K_T=$ $ 0,040 W/Mk$

Incógnita

H = ¿?
¿Potencia eléctrica?

Ecuaciones

$ H=$ $ KA\frac{T_H-T_C}{L}$

Solución

$ H=$ $KA\frac{T_H-T_C }{L}=$ $0,040\cdot 1,4\cdot\frac{(175-35)}{4x10^{-2}}=$ $ 196W$

R/ Debe entregar 196 W de potencia para mantener esa temperatura en el horno.

Esa misma potencia deberá de generar el sistema eléctrico.

Un recipiente de espuma de polietileno de masa insignificante contiene 1,75 kg de agua y 0,450 kg de hielo. Más hielo proveniente de un refrigerador a -15,0°C, se agrega a la mezcla en el recipiente y, cuando se alcanza el equilibrio térmico, la masa total del hielo en el recipiente es de 0,778 kg.
Suponiendo que no hay intercambio de calor con los alrededores, ¿cuál es la masa de hielo que se agregó?

Datos

Masa de agua: 1,75 kg
Masa de hielo: 0,450 kg
T = -15º C
Masa total de hielo al llegar al equilibrio térmico:
0,778 kg

Incógnita

¿Masa de hielo que se agrega?

Ecuaciones

$Q=$ $ mL_v$

$Q=$ $ mc\Delta T$

Solución

Si al final queda más hielo, eso significa que el equilibrio térmico se logra a una temperatura de 0º C.

La masa adicional de hielo que se forma equivale a:
0,778-0,45=0,328 kg

El hielo adicional absorbe la siguiente cantidad de calor para llegar a 0°:
$ Q=$ $ m_h2100\cdot 15=$ $ 31500m_h$

El agua cede la siguiente cantidad de calor:
$ Q=$ $ m_a3,34x10^5$

La masa adicional de hielo es igual a la masa de agua que cedió calor (y se solidificó) más la masa de hielo que aumentó su temperatura a 0°.
$ m_h+m_a=$ $ 0,328 kg$

La cantidad de calor absorbido por el hielo que alcanza los 0° es igual a la cantidad de calor cedida por el agua que alcanza los 0°
$ 31500m_h=$ $ m_a3,34x10^5$
$ m_h=$ $ 10,6m_a$

$ 10,6m_a+m_a=$ $ 0,328\rightarrow m_a=$ $2,83x10^{-2}kg$

$ m_h=$ $0,29kg$

R/ Se deben agregar 0,29 kg de hielo.

Un experimentador agrega 970 J de calor a 1,75 moles de un gas ideal, para calentarlo de 10 °C a 25°C a presión constante. El gas realiza 223 J de trabajo al expandirse. a) calcule el cambio en la energía interna del gas. b) calcule el $\gamma$ para el gas.

Datos

Q= 970 J
Moles: 1,75
Ti= 10°C
Tf= 25°C
W= 223 J
Presión constante
R=8,314 J/mol K

Incógnitas

$ \Delta U= $ ¿?
$ \gamma =$ ¿?

Ecuaciones

$ \Delta U=$ $ \Delta Q-W$

$ \Delta U=$ $ nC_v\Delta T$

$ C_v=$ $ \frac{R}{\gamma -1}$

Solución

$ \Delta U=$ $ \Delta Q-W=$ $970-223=$ $747J$

$ \Delta U=$ $ nC_v\Delta T\rightarrow C_v=$ $ \frac{\Delta U}{n\Delta T}=$ $ \frac {747}{175\ast 15K}=$ $ 28,5J/K$

b)

$ C_v=$ $ \frac{R}{\gamma -1}\rightarrow \gamma =$ $ 1+\frac{R}{C_v}=$ $1+\frac {8,314}{28,5}=$ $1,3$

Para explicar ejemplos de los mecanismos de transferencia de calor, relacionados con el campo de la agroindustria y agronomía puede revisar la siguiente información:

Radiación, conducción y convección: tres formas de transferencia de calor. En: <http://nergiza.com/radiacion-conduccion-y-conveccion-tres-formas-de-transferencia-de-calor/>
Solarización del suelo. En: <http://www.fao.org/docrep/007/y5031s/y5031s0g.htm>

Referencias bibliográficas

Abu, B. (s.f.). Solarización del suelo. Recuperado de: <http://www.fao.org/docrep/007/y5031s/y5031s0g.htm>

Agence France Presse. (2012). “Nuevo escándalo en EEUU, sobre el cambio climático”, La Nación, 24 de febrero de 2012. Recuperado de: <https://www.nacion.com/archivo/nuevo-escandalo-en-ee-uu-sobre-el-cambio-climatico/BLDS2B5N4JGVZFRVRLKDYL3HCA/story/>

Almanza, A. y otros. (2010). ¿Cómo construir un termómetro casero? [video]. Recuperado de: <https://www.youtube.com/watch?v=1_sagbhNtWs>

Casares, C. (2010). Alerta por el calentamiento global. Recuperado de: <http://www.youtube.com/watch?v=klLZ3tL5buc>

Celiz, S. y otros (2016). Experimentos sobre las Leyes de la termodinámica [video]. Recuperado de: <https://www.youtube.com/watch?v=BH8kZAPsCxs>

Delgado, D. (2010). Kioto con tu ayuda. Recuperado de: <http://www.oei.es/salactsi/kiotonoti.htm>

Gamarra, T. (2017). Herramientas para la toma de decisiones y transferencia de riesgos del sector de la agroindustria ante los efectos del cambio climático en Uruguay, Argentina y Paraguay. Casos de estudio. Recuperado de: <https://cdkn.org/wp-content/uploads/2017/07/Gamarra_Herramientas-toma-de-decisiones_13-DE-JULIO.pdf>

Gómez, M. (2006). Cómo construir un termómetro [video]. Recuperado de: <http://centros5.pntic.mec.es/ies.victoria.kent/Rincon-C/practica2/pajita/Termomet/term-2.htm>

Groening, M. (1995). Los Simpson, sexta temporada, capítulo 21. Recuperado de: <https://www.youtube.com/watch?v=En3bRCuLQZM>

Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático. (2007). Cambio Climático, informe de síntesis. Recuperado de: <http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/syr/ar4_syr_sp.pdf>

Instituto Meteorológico Nacional. (2011). Programa de cambio climático. Recuperado de: <http://cglobal.imn.ac.cr/>

Nergiza. (2013). Radiación, conducción y convección: tres formas de transferencia de calor. Recuperado de: <http://nergiza.com/radiacion-conduccion-y-conveccion-tres-formas-de-transferencia-de-calor/>

Oilwatch Mesoamerica-Costa Rica. (2009). Consumo, energía y futuro, ¿hay esperanza? Recuperado de: <http://www.oilwatch.org/galeria/videos/545-consumo-energa-y-futuro>

Pereira, M. (2017). Temperatura y calor [video]. Recuperado de: <https://www.youtube.com/watch?v=THZSLlwjetk>

QuamtunFracture. (2015). Las Leyes de la Termodinámica en 5 Minutos [video]. Recuperado de: <https://www.youtube.com/watch?v=Bvfn6eUhUAc&t=215s>

Rothschild, M. (1985). The Engine of Nature [video]. Recuperado de: <https://www.youtube.com/watch?v=N3qpGCmhJTY>

2018 Universidad Estatal a Distancia Créditos