Termodinámica, el estudio del calor y su relación con otras formas de energía

Termo

Termodinámica, el estudio del calor y su relación con otras formas de energía.

La tercera sección examina la relación entre cambios de calor v las variaciones resultantes en la temperatura v estado de un cuerpo; la primera ley de la termodinámica, la segunda ley de la termodinámica. Trata del desarrollo de los acontecimientos, el flujo del tiempo, la inexorable transformación del orden en desorden en la majestuosa escala de todo el universo.

Se consideró el calor como un fluido imponderable, auto-repelente e indestructible, al que el gran químico Lavoisier (alrededor de 1787) llamo calórico.

Rumford demostró que podía continuarse generando calor mientras se realizara trabajo, mientras los caballos hicieran girar el barril. En el siglo XIX hubo un resurgimiento de la teoría ondulatoria de la luz, que tenía su base en un éter ondulante y sugirió un esquema similar para el calor. a finales del siglo XIX, e incluso comienzos del XX, cuando se reconoció universalmente que el calor es la energía de movimiento de los átomos que constituyen la materia.

El calor es la vis viva resultante de los movimientos imperceptibles de las moléculas de un cuerpo. Es la suma de los productos de la masa de cada molécula por el cuadrado de su velocidad.

Energía térmica: la energía de un objeto que se comporta como un todo —en ese contexto podría considerarse como energía organizada. La energía térmica en tránsito se define como calor, que es la energía del movimiento aleatorio transferida por medio del contacto de un objeto con otro, de un grupo de átomos con otro (exclusivamente como resultado de una diferencia de tem-peraturas). En otras palabras, el calor es la energía térmica ganada, perdida o transferida por medio del efecto acumulativo de colisiones atómicas individuales. Un cuerpo contiene, o almacena, energía térmica, no calor. Una vez transmitida, la energía ya no se llama calor; ya que la energía térmica de un objeto puede ser aumentada o disminuida (hacerlo mas caliente o frío) en formas muy diferentes. Puede aumentarse la energía térmica golpeando el objeto con un martillo, frotándolo o doblándolo (es decir, mediante un trabajo).

Temperatura: Galileo inventó (1593) el primer indicador de temperatura, aunque no se trataba de un verdadero termómetro. Galileo simplemente invirtió un frasco largo de cuello estrecho que contenía agua coloreada en una vasija con el mismo líquido. El aire capturado en la pequeña bola de la parte superior del frasco se expandía o contraía al calentarse o enfriarse, y la columna bajaba o subía en proporción. Cualquiera puede ver algo semejante metiendo un globo inflado en el frigorífico

Hay tres cosas a partir de las cuales puede generarse calor, a saber un objeto caliente, el movimiento y una concentración de rayos: sin embargo deberíamos comprender que el calor en estas cosas es de una sola clase... En estos tres casos, la causa inmediata del calor es la dispersión. Así cuando un objeto caliente genera calor, lo hace por dispersión de partículas de materia.

Hasta cierto grado: Fahrenheit fijó este punto a 96° (debería haber sido más próximo a 98,6°). El agua se congelaba a lo que resultó ser 32°, Y ebullía a unos 212°.

Las temperaturas más altas concebibles hasta ahora se encuentran en el interior de ciertas estrellas —unos cuatro mil millones de grados Celsius parecen el tope teórico— Una bomba de hidrógeno se inflama a unos 40 millones de °C (70 millones de °F) y alcanza una temperatura unas diez veces mayor, mientras que el interior del Sol alcanza tan sólo 15 millones de °C (27 millones de °F). El hielo, por supuesto, se forma a O°C (32 °F), pero si se le añade sal (CINa) al hielo viscoso, la temperatura de la mezcla descenderá a - 21 °C (- 5,8 °F). Este efecto se ha usado durante mucho tiempo para enfriar el helado hecho en casa

Cantidad de calor: A medida que se baja la temperatura de un gas, se presenta una norma muy interesante: la disminución del volumen es siempre proporcional. Todos los gases muestran el mismo efecto; parecen caer directamente hacia un volumen cero a una temperatura de — 273 °C (— 460°F).

William Thomson, lord Kelvin (1824-1907), siguiendo una línea teórica de pensamiento bastante diferente, introdujo una escala de temperatura absoluta, que resultó coincidente con la de un termómetro de gas.

Black fue el gran pionero en su estudio, y quizás el primero que distinguió entre «cantidad de calor» y temperatura, a la que llamaba a menudo «grado de calor» Consideró que este último reflejaba la «intensidad» o concentración de lo que nosotros llamaríamos energía térmica (y que él denominaba «materia de calor»). Un estofado sabe salado por su concentración de sal, y se percibe caliente debido a la concentración de energía térmica. Cuanto mayor es la olla, mas sal debe añadirse y más calor necesita.

Se define la caloría como la cantidad de calor que debe añadirse o extraerse para cambiar la temperatura de 1 gramo de agua en 1 °C, bajándola o subiéndola. Consideró esto como una «capacidad para el calor», y en consecuencia, se define la capacidad calorífica específica de una sustancia como el número de kilo-calorías de calor que deben suministrarse a 1 kg de material para que su temperatura suba 1 °C.

El agua, que tiene una capacidad calorífica relativamente alta, es molecularmente ligera. Por eso, 1 kg contendrá un gran número de moléculas (unas tres veces más que átomos hay en 1 kg de hierro). Como la temperatura está relacionada con la energía cinética media, la mayor parte de las moléculas tendrán que ser puestas en movimiento, lo que necesitará una cantidad de calor proporcionalmente grande.

Un objeto con gran capacidad calorífica cambiará de temperatura (aumentando o disminuyendo) sólo cuando se le suministre o extraiga gran cantidad de calor.

Si una cantidad de agua (con una capacidad calorífica específica de i) cambia su temperatura 10°C la misma masa de hierro, con la misma cantidad de calor, cambiara su temperatura unos 91 °C (ya que su capacidad calorífica es de sólo 0.11). Cuando dos cuerpos a diferente temperatura entran en contacto, el calor fluye del más caliente al más frío hasta que se igualen las temperaturas, y se dice que ambos están en equilibrio térmico.

La definición de calor específico: la cantidad de calor en kilocalorías que debe añadirse o quitarse ( calor) de cada kilogramo de masa (m) de una sustancia para cada 1 °C de cambio de temperatura ( T). En otras palabras, el calor específico es la calor por unidad de masa por grado Celsius, o

Círculo de energía: Rumford había llegado muy cerca del concepto crucial; había encontrado el círculo de energía pero no dio el paso final a la cuantificación. «Puede obtenerse más calor», llegó a asegurar, «usando más pienso para la alimentación de los caballos» La energía, química potencial del forraje la convertían los caballos en trabajo y este, a su vez, se convertía en calor; así todo iba como en un círculo, como un camaleón girando en un círculo, convirtiéndose una forma en la siguiente. Pocos vieron la verdadera relación entre el esfuerzo de los caballos y el agua hirviendo; nadie sabía que la humanidad se balanceaba en el borde mismo del torbellino de la energía.

Robert Mayer, propuso que las distintas formas de energía «son cuantitativamente indestructibles y cualitativamente convertibles». Todas las manifestaciones de la energía (EP, EC. trabajo y calor) son transformables unas en otras, y la energía como un todo se conserva.

James Prescott Joule. Fue un gran experimentador que preparó una serie completa de dispositivos que utilizaban varios medios (por ejemplo, corrientes eléctricas, rozamiento, compresión de un gas, etc.) para generar calor. Su invento más famoso fue un dispositivo con una rueda de paletas movida por pesos. Al girar, agitando el agua y calentándola por rozamiento, subía la temperatura. Determinando el trabajo mecánico realizado al caer los pesos y la cantidad de energía térmica comunicada al agua, pudo calcular la relación que necesitaba.

En la actualidad se dice que una kilocaloría de calor es igual a 4200 joules de energía. La energía no puede crearse ni destruirse, solo sólo transformarse de una forma en otra. Esta noción trascendental es la primera ley de la termodinámica.

El precio de la potencia: El calor fluye en forma natural de una región de mayor temperatura a una de menor temperatura. Esta sencilla afirmación que predice la dirección del flujo de calor es una de las vanas formas alternativas de la segunda ley de la termodinámica.

Cuando se pone en contacto el objeto caliente con un cuerpo a menor temperatura (cuyas moléculas, en promedio, se mueven más despacio), habrá una transferencia de energía a las partículas más lentas cuando estas chocan con las más rápidas. Estas son bombardeadas por las moléculas «calientes». El resultado neto es un flujo de calor desde la temperatura más alta (TA ) a la más baja (TB) y la EC promedio de cada una se acerca a la de la otra.

La flecha del tiempo: De todas las leyes que hemos visto, sólo la segunda ley de la termodinámica indica una dirección al desarrollo de los acontecimientos, a la progresión de los procesos.

La primera ley estaría observando cómo vuelve el calor a convertirse en energía mecánica para lanzar fuera del agua a un bañista, devolviéndolo al trampolín. Calor a EC a EP gravitacional, esto estaría permitido, pero la segunda ley insiste en que el calor se pierde y nuestro bañista nunca volverá al

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