Hasta 1850, los temas de termodinámica y mecánica se consideraban como dos ramas distintas de las ciencias, y el principio de conservación de energía parecía describir sólo ciertas clases de sistemas mecánicos. Los experimentos realizados por el físico inglés James Joule(1818-1889) y otros investigadores demostraron que la razón entre decrecimiento en energía mecánica (cinética más potencial) de un sistema aislado y el aumento en energía interna del sistema era siempre la misma. Hoy en día, se considera que la energía interna es de un tipo que puede transformarse en energía mecánica y viceversa. Una vez que el concepto de energía se generalizó para incluir la interna, la ley de conservación de energía emergió como ley de naturaleza universal.
El tema central de esta unidad consiste en describir alguno de los procesos que hacen posible que la energía se transfiera entre un sistema y su medio ambiente.
CALOR Y ENERGÍA INTERNA
Debe hacerse una distinción importante entre energía interna y calor, particularmente porque "calor" se emplea en forma muy general en nuestra vida diaria. Con toda atención, el estudiante debe leer las siguientes descripciones y esforzarse en utilizar estos términos en forma correcta, porque no son intercambiables y significan cosas muy distintas cuando se cumplen en física.
La siguiente es una definición formal de energía interna:
La energía interna U es la energía asociada con los componentes microscópicos de un sistema: átomos y moléculas. Comprende la energía cinética y potencial asociada con el movimiento aleatorio de traslación, rotación y vibración de los átomos o moléculas que conforman el sistema, así como la energía potencial intermolecular.
La energía interna también está asociada con la energía potencial intermolecular ("energía de enlace") entre moléculas de un líquido o un sólido. El tema de calor se introdujo como un posible método de transferencia de energía entre un sistema y su medio ambiente. Aquí presentamos una definición formal:
Calor es un mecanismo por el cual se transfiere energía entre un sistema y su medio ambiente debido a la diferencia de temperatura entre ellos.
El símbolo Q se utiliza para representar la cantidad de energía transferida por calor entre un sistema y su entorno. Para mayor brevedad, con frecuencia utilizaremos la frase "la energía transferida a un sistema..." en lugar de "la energía Q transferida por calor a un sistema..."
El trabajo realizado en (o por) un sistema es una medida de la cantidad de energía transferida entre el sistema y su medio ambiente, en tanto que la energía mecánica del sistema (cinética y/o potencial) es una consecuencia de su movimiento y coordenadas. Así, cuando una persona realiza trabajo en un sistema, se transfiere energía de la persona al sistema. No tiene sentido hablar del trabajo en un sistema, pues nos referimos sólo al trabajo realizado sobre o por un sistema cuando ha ocurrido algún proceso en el que se ha transferido energía a o desde el sistema. Del mismo modo, no tiene sentido usar el término calor a menos que se transfiera energía como resultado de una diferencia de temperatura.
UNIDADES DE CALOR
En los primeros tiempos del desarrollo de la termodinámica, antes de que los científicos se percataran de la relación entre termodinámica y mecánica, el calor se definía en términos de los cambios de temperatura que producía en un objeto, y una unidad de energía por separado, la caloría, se usaba para designarlo. La caloría (cal) se definió como la energía necesaria para elevar la temperatura de 1g de agua de 14,5°C a 15,5°C. (La "Caloría", con C mayúscula, que se usa para describir el contenido energético de alimentos, es en realidad una kilocaloría).
La energía interna también está asociada con la energía potencial intermolecular ("energía de enlace") entre moléculas de un líquido o un sólido. El tema de calor se introdujo como un posible método de transferencia de energía entre un sistema y su medio ambiente. Aquí presentamos una definición formal:
Calor es un mecanismo por el cual se transfiere energía entre un sistema y su medio ambiente debido a la diferencia de temperatura entre ellos.
El símbolo Q se utiliza para representar la cantidad de energía transferida por calor entre un sistema y su entorno. Para mayor brevedad, con frecuencia utilizaremos la frase "la energía transferida a un sistema..." en lugar de "la energía Q transferida por calor a un sistema..."
El trabajo realizado en (o por) un sistema es una medida de la cantidad de energía transferida entre el sistema y su medio ambiente, en tanto que la energía mecánica del sistema (cinética y/o potencial) es una consecuencia de su movimiento y coordenadas. Así, cuando una persona realiza trabajo en un sistema, se transfiere energía de la persona al sistema. No tiene sentido hablar del trabajo en un sistema, pues nos referimos sólo al trabajo realizado sobre o por un sistema cuando ha ocurrido algún proceso en el que se ha transferido energía a o desde el sistema. Del mismo modo, no tiene sentido usar el término calor a menos que se transfiera energía como resultado de una diferencia de temperatura.
UNIDADES DE CALOR
En los primeros tiempos del desarrollo de la termodinámica, antes de que los científicos se percataran de la relación entre termodinámica y mecánica, el calor se definía en términos de los cambios de temperatura que producía en un objeto, y una unidad de energía por separado, la caloría, se usaba para designarlo. La caloría (cal) se definió como la energía necesaria para elevar la temperatura de 1g de agua de 14,5°C a 15,5°C. (La "Caloría", con C mayúscula, que se usa para describir el contenido energético de alimentos, es en realidad una kilocaloría).
En 1948, los investigadores convinieron en que el calor (al igual que el trabajo) es una medida de la transferencia de energía, y que la unidas del SI debía ser joule. La caloría se define ahora exactamente como: 1cal = 4,186J
La caloría es una unidad general de energía. Se introduce aquí por razones históricas, pero haremos poco uso de ella. La igualdad antes mencionada se conoce como equivalente mecánico del calor.
CALOR ESPECÍFICO
La definición histórica de la caloría indica la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de una sustancia específica, el agua, que es 4,186J. Para elevar 1°C la temperatura de 1kg de agua debemos transferir 4186J de energía. La cantidad de energía necesaria para elevar 1°C la temperatura de 1kg de una sustancia arbitraria varía de acuerdo con la sustancia. Por ejemplo, la energía necesaria para elevar 1°C la temperatura de 1kg de cobre es de 387J, que es considerablemente menor que la necesaria para el agua. Toda sustancia necesita una cantidad única de energía por unidad de masa para cambiar la temperatura en 1°C.
Supongamos que una cantidad de energía Q se transfiere a una masa m de una sustancia, con lo cual cambia su temperatura en Tf - To. El calor específico c de la sustancia se define como:
La caloría es una unidad general de energía. Se introduce aquí por razones históricas, pero haremos poco uso de ella. La igualdad antes mencionada se conoce como equivalente mecánico del calor.
CALOR ESPECÍFICO
La definición histórica de la caloría indica la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de una sustancia específica, el agua, que es 4,186J. Para elevar 1°C la temperatura de 1kg de agua debemos transferir 4186J de energía. La cantidad de energía necesaria para elevar 1°C la temperatura de 1kg de una sustancia arbitraria varía de acuerdo con la sustancia. Por ejemplo, la energía necesaria para elevar 1°C la temperatura de 1kg de cobre es de 387J, que es considerablemente menor que la necesaria para el agua. Toda sustancia necesita una cantidad única de energía por unidad de masa para cambiar la temperatura en 1°C.
Supongamos que una cantidad de energía Q se transfiere a una masa m de una sustancia, con lo cual cambia su temperatura en Tf - To. El calor específico c de la sustancia se define como:
c = Q / m(Tf-To)
A partir de esta definición podemos expresar la energía Q necesaria para elevar la temperatura de un sistema de masa m en (Tf - To) como:
Q = m c (Tf - To)
CALORIMETRÍA
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