Energía, calor y trabajo
Cuando el gas caliente dentro del motor de un carro empuja un pistón, cede energía al exterior sin que haga falta que «salga» calor de ningún sitio. Cuando calientas agua en una olla sobre la estufa, entra energía sin que nada se mueva. Calor y trabajo son dos caminos distintos para cambiar la energía de un sistema, y la primera ley de la termodinámica dice que, sumados, siempre dan la misma variación de energía interna, sea cual sea el camino recorrido.
Energía interna, calor y trabajo
Al frotarte enérgicamente las manos en un día de invierno en Chicago, con 28 °F afuera, notas que se calientan enseguida sin acercarlas a ninguna estufa: has transformado trabajo mecánico en agitación molecular. ¿Cómo podemos cuantificar toda la energía acumulada en las partículas de un cuerpo y cómo cambia al recibir calor o trabajo?
En una práctica de laboratorio se calienta un bloque de aluminio de masa $m = 150.0\,\text{g}$ desde una temperatura inicial de $18.0\,^{\circ}\text{C}$ hasta…
En una práctica de laboratorio se calienta un bloque de aluminio de masa $m = 150.0\,\text{g}$ desde una temperatura inicial de $18.0\,^{\circ}\text{C}$ hasta $68.0\,^{\circ}\text{C}$. Sabiendo que el calor específico del aluminio en este intervalo es $c = 0.897\,\text{J}\times\text{g}^{-1}\times\text{K}^{-1}$ y suponiendo despreciables las pérdidas térmicas con el entorno:
- a) Calcula la cantidad de calor absorbida por el bloque metálico expresada en julios y en kilojulios.
- b) Justifica conceptualmente por qué el calor absorbido no es una propiedad intrínseca que posea el bloque, diferenciando con claridad entre calor y temperatura.
El trabajo de expansión de un gas
Si calientas suavemente el aire atrapado en una jeringa con el émbolo libre, verás que este se desplaza hacia afuera empujando el aire atmosférico que lo rodea. ¿Cuánta energía mecánica transfiere ese gas en expansión contra la atmósfera exterior simplemente por aumentar de volumen?
La primera ley de la termodinámica: $\Delta U = q + w$
Calorimetría: medir el calor con un termómetro
Sumerges una tuerca metálica recién sacada de agua hirviendo en un vaso (beaker) con agua a temperatura ambiente, y compruebas que el agua se templa mientras el metal se enfría hasta igualar sus temperaturas. ¿Cómo podemos medir la cantidad exacta de calor transferida conociendo solo las masas y el cambio de temperatura?
En un calorímetro de mezclas a presión constante cuya capacidad calorífica propia es despreciable, se introducen $250.0\,\text{g}$ de agua líquida a una temperatura de…
En un calorímetro de mezclas a presión constante cuya capacidad calorífica propia es despreciable, se introducen $250.0\,\text{g}$ de agua líquida a una temperatura de $20.0\,^{\circ}\text{C}$. A continuación, se añade una pieza metálica de masa $80.0\,\text{g}$ extraída de una estufa a $95.0\,^{\circ}\text{C}$. Se agita la mezcla hasta que se alcanza una temperatura de equilibrio térmico de $24.2\,^{\circ}\text{C}$. Datos: calor específico del agua líquida $c_{\text{agua}} = 4,184\,\text{J}\times\text{g}^{-1}\times\text{K}^{-1}$. Supón que no existen pérdidas de calor al exterior.
- a) Plantea el balance de calorimetría y determina el calor específico del metal expresado en $\text{J}\times\text{g}^{-1}\times\text{K}^{-1}$.
- b) Si durante el ensayo se hubiese producido una pequeña pérdida de calor hacia el entorno exterior, razona si el valor experimental obtenido para el calor específico del metal resultaría mayor o menor que el real.
Las cuatro leyes de la termodinámica en la vida diaria
Una taza de chocolate caliente se enfría en la mesa de la cafetería. ¿Qué leyes explican lo que pasa?
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Ley cero: si A está en equilibrio térmico con B y B con C, entonces A y C también. Por eso un termómetro funciona: se iguala con lo que mide.
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Primera ley: la energía se conserva. El chocolate pierde la energía que gana el aire de la sala.
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Segunda ley: el calor fluye espontáneamente de lo caliente a lo frío, nunca al revés. Por eso tu chocolate no se calienta solo.
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Tercera ley: no se puede llegar al cero absoluto (0 K) en un número finito de pasos.