Una taza de café recién servida se enfría y deja escapar vapor hacia la cocina. El agua caliente dentro de un termo bien cerrado sigue caliente horas después. ¿De qué depende lo que un objeto puede intercambiar con lo que lo rodea? Hasta ahora seguías a un cuerpo que se mueve. La termodinámica cambia el punto de vista: te fijas en un sistema (un gas en un cilindro, el aire de una llanta, el contenido de una olla) y en cómo intercambia energía con su entorno. Antes de calcular nada, hay que aprender a describir ese sistema y sus variables.
El sistema termodinámico y su entorno
Temperatura, calor y equilibrio térmico
La temperatura mide qué tan agitadas están las partículas: es proporcional a su energía cinética promedio. Un gas caliente tiene partículas que se mueven más rápido que uno frío.
Cuando dos cuerpos a distinta temperatura se ponen en contacto, la energía fluye del más caliente al más frío. Esa energía en tránsito se llama calor ($Q$). El flujo se detiene cuando ambos llegan a la misma temperatura: es el equilibrio térmico.
Practica★☆☆Sin empezar
Una manta térmica de fisioterapia se aplica a $40\ \celsius$ sobre la espalda de un paciente, cuya piel está a $34\ \celsius$. a) ¿En qué sentido se transfiere el calor…
Una manta térmica de fisioterapia se aplica a $40\ \celsius$ sobre la espalda de un paciente, cuya piel está a $34\ \celsius$.
a) ¿En qué sentido se transfiere el calor al principio: de la manta a la piel o al revés?
b) Describe qué ocurre con las temperaturas de ambos cuerpos hasta que se alcanza el equilibrio térmico.
c) Define con tus palabras qué es el equilibrio térmico.
Un compañero afirma: «El agua de esta olla tiene mucho calor». a) Explica por qué la frase es incorrecta desde el punto de vista de la termodinámica: el calor no se…
Un compañero afirma: «El agua de esta olla tiene mucho calor».
a) Explica por qué la frase es incorrecta desde el punto de vista de la termodinámica: el calor no se «tiene», se transfiere.
b) Reformula la frase correctamente usando los conceptos de energía interna y temperatura.
c) Indica de qué dos formas puede un sistema intercambiar energía con su entorno.
Un gas se encuentra en un estado A descrito por $p_{\text{A}} = 1.5\ \text{atm}$, $V_{\text{A}} = 2.5\ \text{L}$ y $t_{\text{A}} = 27\ \celsius$. Datos:…
Un gas se encuentra en un estado A descrito por $p_{\text{A}} = 1.5\ \text{atm}$, $V_{\text{A}} = 2.5\ \text{L}$ y $t_{\text{A}} = 27\ \celsius$. Datos: $1\ \text{atm} = 1.013\times10^{5}\ \text{Pa}$, $1\ \text{L} = 10^{-3}\ \text{m}^3$ y $T\,(\text{K}) = t\,(\celsius) + 273$.
a) Expresa las tres variables en unidades del Sistema Internacional.
b) De las tres variables, indica cuál es extensiva (depende de la cantidad de gas encerrado) y cuáles son intensivas (no dependen de ella).
Un gas encerrado en una jeringa con el émbolo trabado se calienta y su presión sube. Si el émbolo está suelto, se desplaza y la presión se mantiene igual a la atmosférica. ¿Qué pasa cuando obligamos a una variable a no cambiar?
Estos procesos son modelos ideales: en la práctica casi nunca una variable queda exactamente fija; lo importante es saber cuál es la que más se aproxima.
Practica★☆☆Sin empezar
Tras un viaje largo por la carretera, el aire del interior de las llantas se ha calentado, mientras que el volumen interior de la llanta apenas ha cambiado. a) ¿Qué…
Tras un viaje largo por la carretera, el aire del interior de las llantas se ha calentado, mientras que el volumen interior de la llanta apenas ha cambiado.
a) ¿Qué variable termodinámica del aire encerrado permanece prácticamente constante?
b) ¿Cómo se llama este tipo de proceso?
c) Predice razonadamente qué le habrá ocurrido a la presión del aire y explica por qué los fabricantes recomiendan medir la presión de las llantas «en frío».
Un cilindro de laboratorio contiene un gas cerrado por un émbolo que puede deslizar sin rozamiento, sometido siempre a la presión atmosférica exterior. Calentamos el gas…
Un cilindro de laboratorio contiene un gas cerrado por un émbolo que puede deslizar sin rozamiento, sometido siempre a la presión atmosférica exterior. Calentamos el gas lentamente.
a) ¿Qué variable termodinámica permanece constante durante el proceso? ¿Cómo se denomina este tipo de proceso?
b) Razona qué le ocurre al volumen del gas al aumentar su temperatura: ¿sube o baja el émbolo?
Queremos comprimir un gas manteniendo constante su temperatura, es decir, mediante un proceso isotérmico. Para ello sumergimos el cilindro en un baño de agua…
Queremos comprimir un gas manteniendo constante su temperatura, es decir, mediante un proceso isotérmico. Para ello sumergimos el cilindro en un baño de agua termostatado a $25\ \celsius$ y empujamos el émbolo muy lentamente.
a) Explica por qué la compresión debe realizarse despacio para que la temperatura del gas no cambie.
b) ¿Qué papel juega el baño de agua? ¿Qué intercambio permite entre el gas y el entorno?
Un diagrama $p$-$V$ dibuja la presión en el eje vertical y el volumen en el horizontal. Cada punto es un estado del gas; una línea es un proceso.
Un segmento horizontal es isobárico.
Un segmento vertical es isócoro.
Una curva descendente que cumple $p\,V = \text{cte}$ es isotérmica.
Practica★★☆Sin empezar
Una balón rígido de gas de una instalación de camping contiene gas a $p_1 = 2\times10^{5}\ \text{Pa}$ cuando su temperatura es $T_1 = 300\ \text{K}$. Un día de mucho…
Una balón rígido de gas de una instalación de camping contiene gas a $p_1 = 2\times10^{5}\ \text{Pa}$ cuando su temperatura es $T_1 = 300\ \text{K}$. Un día de mucho calor, la temperatura del gas sube hasta $T_2 = 450\ \text{K}$. Como el balón es rígido, el volumen no cambia y, a volumen constante, el cociente $p/T$ permanece constante (con $T$ expresada en kelvin). El proceso se representa en el gráfico de la figura.
a) Predice, antes de calcular, si la presión del gas aumentará o disminuirá.
En un diagrama $p$-$V$ se representan tres procesos de un mismo gas: el proceso 1 es un segmento horizontal recorrido hacia la derecha; el proceso 2 es un segmento…
En un diagrama $p$-$V$ se representan tres procesos de un mismo gas: el proceso 1 es un segmento horizontal recorrido hacia la derecha; el proceso 2 es un segmento vertical recorrido hacia arriba; el proceso 3 es una curva descendente recorrida a temperatura constante.
a) Nombra cada uno de los tres procesos (isobárico, isócoro o isotérmico).
b) Indica en cuál de ellos aumenta el volumen manteniéndose constante la presión.
c) Indica en cuál aumenta la presión sin que cambie el volumen.
Cuando un gas se expande, empuja el émbolo y realiza trabajo sobre el entorno. Cuando se comprime, el entorno realiza trabajo sobre él. En un proceso a presión constante:
En un diagrama $p$-$V$, el trabajo es el área bajo la línea del proceso: una expansión es una flecha hacia la derecha, y una compresión, hacia la izquierda.
Ampliación: energía interna y primer principio
Ampliación: procesos rápidos e isotérmicos
El primer principio se simplifica cuando una de sus magnitudes es nula.
Ampliación: elegir el sistema
Qué cuenta como «calor con el entorno» depende de dónde pongas la frontera. En un compresor, si el sistema es solo el gas, el calor hacia las paredes cruza la frontera. Si el sistema es el gas más el cilindro, ese calor es interno y no aparece en el balance con el entorno; solo cuenta el calor que pasa al aire de la nave.
Vuelve al principio: la taza de café destapada intercambia materia y energía (sistema abierto), mientras que el termo hermético solo intercambia energía, y muy poca (cerrado, casi aislado).
Resumen
¡A practicar! 3 ejercicios de nivel medio en este apartado