CALOR

El calor es aquello que siente un ser vivo ante una temperatura elevada. La física entiende el calor como la energía que se traspasa de un sistema a otro o de un cuerpo a otro, una transferencia vinculada al movimiento de moléculas, átomos y otras partículas.

En este sentido, el calor puede generarse a partir de una reacción química (como la combustión), una reacción nuclear (como aquellas que se desarrollan dentro del Sol) o una disipación (ya sea mecánica, fricción, o electromagnética, microondas).

Es importante tener en cuenta que los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. Cuando una parte de esta energía se transfiere de un sistema o cuerpo hacia otro que se halla a distinta temperatura, se habla de calor. El traspaso de calor se producirá hasta que los dos sistemas se sitúen a idéntica temperatura y se alcance el denominado equilibrio térmico.

La cantidad de energía térmica que se traspasa se calcula y se expresa en calorías. Esta unidad de medida (no oficial) refleja la cantidad energética requerida para elevar, de 14,5º a 15,5º celsius, la temperatura de un gramo de H2O (agua). En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de energía se conoce como joule. Una caloría resulta equivalente a 4,184 joules.

Existen otros usos del término calor, por lo general relacionados con un sentido simbólico. El calor puede ser, por lo tanto, sinónimo de enardecimiento y exaltación (por ejemplo, “El calor del público se hizo sentir en el estadio”) o referirse a lo más intenso de una acción (“Su ropa se rompió en el calor de la batalla”).

Ciertas consecuencias del calentamiento global

Sin duda, la consecuencia más clara del calentamiento global es el aumento de la temperatura media del planeta, fenómeno que hemos presenciado en las últimas décadas. Asimismo, el nivel del mar ha aumentado considerablemente, lo cual amenaza con peligrosas inundaciones.

Todo esto podría repercutir en la salud, provocando un alza en el promedio de personas afectadas por enfermedades respiratorias y cardiovasculares, así como infecciones causadas por insectos tropicales y deshidratación. El primer grupo de afecciones mencionadas tendría lugar dado que, a causa del calor, aumentaría el esfuerzo necesario para realizar cualquier actividad física, con la consecuente presión sobre los pulmones y el sistema circulatorio.

Con respecto a los mosquitos y el resto de las plagas, siendo que las zonas tropicales se ampliarían, enfermedades como el dengue, la fiebre amarilla, el cólera y la malaria afectarían a un porcentaje mayor de la población mundial.

La magnitud y frecuencia de las precipitaciones serían mayores, aunque el nivel de agua de los ríos y lagos decrecería, dada la mayor evaporación que causarían las altas temperaturas. Ciertas sequías a lo largo del año podrían afectar la productividad de la generación de energía eléctrica. Por otro lado, naturalmente, aumentaría la demanda de agua potable, para luchar contra el calor. Esta demanda, sin embargo, no podría ser satisfecha.

Otra posible consecuencia de la excesiva evaporación sería que los suelos perdieran su humedad; esto ocasionaría que muchas zonas ricas en vegetación se convirtieran en desiertos. A la pérdida de plantas y nutrientes seguiría lógicamente una disminución en las actividades ganaderas, con su impacto en la economía.

Las inundaciones, por otra parte, no sólo traerían consigo evacuaciones masivas, sino que el agua del mar salinizaría ciertos ríos y ocasionaría un aumento en la erosión de las edificaciones de las costas, lo cual amenazaría sus cimientos. A su vez, la luz solar no alcanzaría con la misma facilidad el fondo de los arrecifes, y esto afectaría directamente el proceso de fotosíntesis de ciertas especies que resultan esenciales para la vida del coral, una de cuyas funciones es moderar el oleaje.

CANTIDAD DE CALOR

Cuando una sustancia se está fundiendo o evaporándose está absorbiendo cierta cantidad de calor llamada calor latente de fusión o calor latente de evaporación, según el caso. El calor latente, cualquiera que sea, se mantiene oculto, pero existe aunque no se manifieste un incremento en la temperatura,ya que mientras dure la fundición o la evaporación de la sustancia no se registrará variación de la misma.

Para entender estos conceptos se debe conocer muy bien la diferencia entre calor y temperatura.

En tanto el calor sensible es aquel que suministrado a una sustancia eleva su temperatura.

La experiencia ha demostrado que la cantidad de calor tomada (o cedida) por un cuerpo es directamente proporcional a su masa y al aumento (o disminución) de temperatura que experimenta.

La expresión matemática de esta relación es la ecuación calorimétrica:

Q = m·Ce·(Tf-Ti)

En palabras más simples, la cantidad de calor recibida o cedida por un cuerpo se calcula mediante esta fórmula, en la cual m es la masa, Ce es el calor específico, Ti es la temperatura inicial y Tf la temperatura final. Por lo tanto Tf – Ti = ΔT (variación de temperatura).

Nota: La temperatura inicial (Ti) se anota también como T₀ o como t₀.

Si Ti > Tf el cuerpo cede calor Q < 0

Si Ti < Tf el cuerpo recibe calor Q > 0

Se define calor específico (Ce) como la cantidad de calor que hay que proporcionar a un gramo de sustancia para que eleve su temperatura en un grado centígrado. En el caso particular del agua Ce vale 1 cal/gº C ó 4,186 J.

MEDIDA DEL CALOR

De acuerdo con el principio de conservación de la energía, suponiendo que no existen pérdidas, cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto, el calor tomado por uno de ellos ha de ser igual en cantidad al calor cedido por el otro. Para todo proceso de transferencia calorífica que se realice entre dos cuerpos puede escribirse entonces la ecuación:

Q₁ = - Q₂

en donde el signo - indica que en un cuerpo el calor se cede, mientras que en el otro se toma. Recurriendo a la ecuación calorimétrica, la igualdad anterior puede escribirse en la forma:

m₁ · c₁ · (T_e - T₁) = -m₂ · c₂ · (T_e - T₂)

(6)

donde el subíndice 1 hace referencia al cuerpo frío y el subíndice 2 al caliente. La temperatura T_e en el equilibrio será superior a T₁ e inferior a T₂.

La anterior ecuación indica que si se conocen los valores del calor específico, midiendo temperaturas y masas, es posible determinar cantidades de calor. El aparato que se utiliza para ello se denomina calorímetro. Un calorímetro ordinario consta de un recipiente de vidrio aislado térmicamente del exterior por un material apropiado. Una tapa cierra el conjunto y dos pequeños orificios realizados sobre ella dan paso al termómetro y al agitador, los cuales se sumergen en un líquido llamado calorimétrico, que es generalmente agua.

Cuando un cuerpo a diferente temperatura que la del agua se sumerge en ella y se cierra el calorímetro, se produce una cesión de calor entre ambos hasta que se alcanza el equilibrio térmico. El termómetro permite leer las temperaturas inicial y final del agua y con un ligero movimiento del agitador se consigue una temperatura uniforme. Conociendo el calor específico y la masa del agua utilizada, mediante la ecuación calorimétrica se puede determinar la cantidad de calor cedida o absorbida por el agua.

En este tipo de medidas han de tomarse las debidas precauciones para que el intercambio de calor en el calorímetro se realice en condiciones de suficiente aislamiento térmico. Si las pérdidas son considerables no será posible aplicar la ecuación de conservación Q₁ = - Q₂ y si ésta se utiliza los resultados estarán afectados de un importante error.

La ecuación (6) puede aplicarse únicamente a aquellos casos en los cuales el calentamiento o el enfriamiento del cuerpo problema no lleva consigo cambios de estado físico (de sólido a líquido o viceversa, por ejemplo). A partir de ella y con la ayuda del calorímetro es posible determinar también el calor específico del cuerpo si se conocen las temperaturas T₁, T₂ y T_e, las masas m₁ y m₂ y el calor específico del agua.

Proceso termodinámico

En física, se denomina proceso termodinámico a la evolución de determinadas magnitudes (o propiedades) propiamente termodinámicas relativas a un determinado sistema termodinámico. Desde el punto de vista de la termodinámica, estas transformaciones deben transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a otro final; es decir, que las magnitudes que sufren una variación al pasar de un estado a otro deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial y final. De esta forma los procesos termodinámicos pueden ser interpretados como el resultado de la interacción de un sistema con otro tras ser eliminada alguna ligadura entre ellos, de forma que finalmente los sistemas se encuentren en equilibrio (mecánico, térmico y/o material) entre sí.

De una manera menos abstracta, un proceso termodinámico puede ser visto como los cambios de un sistema, desde unas condiciones iniciales hasta otras condiciones finales, debido a su desestabilización.

Tipos de procesos termodinámicos[editar]

Procesos Iso[editar]

Son los procesos cuyas magnitudes permanecen "constantes", es decir que el sistema cambia manteniendo cierta proporcionalidad en su transformación. Se les asigna el prefijo iso-.

Ejemplo:

Isotérmico: proceso a temperatura constante.

Isobárico: proceso a presión constante

Isométrico o isocórico: proceso a volumen constante

Isoentálpico: proceso a entalpía constante

Isoentrópico: proceso a entropía constante

Procesos politrópicos[editar]

Los procesos politrópicos son aquellos procesos termodinámicos para gases ideales que cumplen con la ecuación: $PV^{a}={\text{cte.}}$ donde $a$ es un número dado. Para el caso de procesos adiabáticos, $a$ es igual a $k$ , el cual es un valor específico para cada sustancia. Este valor se puede encontrar en tablas para dicho caso.

Transferencia de calor

La transferencia de calor es el proceso de propagación del calor en distintos medios. La parte de la física que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de caloro Transmisión de calor. La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente térmico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto. El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio térmico, es decir, hasta que se igualan las temperaturas. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente próximas, la transferencia de calor no puede ser detenida, solo puede hacerse más lenta.

Modos de transferencia[editar]

Conducción: Es la transferencia de calor que se produce a través de un medio material por contacto directo entre sus partículas, cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micropartículas. El medio puede ser sólido, líquido o gaseoso, aunque en líquidos y gases solo se da la conducción pura si se excluye la posibilidad de convección. La cantidad de calor que se transfiere por conducción, viene dada por la ley de Fourier. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal, es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo.En general, se reconocen tres modos distintos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación, aunque en rigor, solo la conducción y radiación debieran considerarse formas de transmisión de calor, porque solo ellas dependen exclusivamente de un desequilibrio térmico para producirse. Para que se produzca convección, tiene que haber un transporte mecánico de masa además de una diferencia de temperatura, sin embargo, teniendo en cuenta que la convección también transfiere energía de zonas con mayor temperatura a zonas con menor temperatura, normalmente se admite el modo transferencia de calor por convección.

Convección: La transmisión de calor por convección se compone de dos mecanismos simultáneos. El primero, es la transferencia de calor por conducción, debido al movimiento molecular, a la que se superpone la transferencia de energía por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa, que puede ser un gradiente de densidad (convección natural), o una diferencia de presión producida mecánicamente (convección forzada) o una combinación de ambas. La cantidad de calor transferido por convección, se rige por la ley de enfriamiento de Newton.
Radiación: Se puede atribuir a cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivas. En ausencia de un medio, existe una transferencia neta de calor por radiación entre dos superficies a diferentes temperaturas, debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energía en forma de ondas electromagnéticas.² El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo, viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann.

Aislamiento y barreras de radiación[editar]

Artículo principal: Aislamiento térmico

Como se ha visto, no se puede impedir la transferencia de calor, pero se puede actuar sobre la velocidad en que se produce. Todos los materiales son, en mayor o menor grado, conductores del calor, su disposición para este fin se califica mediante el coeficiente de conductividad. Los materiales cuyo coeficiente de conductividad es muy bajo, se denominan aislantes. Los metales son buenos conductores de calor. En contraposición, la baja conductividad es inherente a los gases.

Los aislantes térmicos son materiales específicamente diseñados para reducir el flujo de calor limitando la conducción, convección o ambos. En la mayoría de los casos, esto se logra atrapando un gas en el interior de pequeñas oquedades practicadas en un sólido. Sin embargo, como los gases son fluidos, el calor también se transfiere por convección en el interior de los huecos y por radiación entre sus paredes, con lo que la conductividad conseguida, ya no es una propiedad del material, sino que es el resultado de la combinación de mecanismos de flujo y se la podría denominar conductividad efectiva, la cual no solo cambia con la temperatura, sino que lo hace también con la presión y con las condiciones ambientales como la humedad.

La conductividad de una sustancia depende de su estado y de la temperatura. Se expresa en el S.I. de unidades en

{\frac {W}{m.K}}

Según la ecuación de Fourier:

Q=-{\frac {S.\lambda }{d}}(t_{2}-t_{1})\qquad \rightarrow \qquad Q={\frac {1}{R}}(t_{2}-t_{1})\qquad \rightarrow \qquad R={\frac {d}{S.\lambda }}

R={\frac {d}{\lambda }}

se llama resistencia térmica por unidad de superficie y es un coeficiente característico de los materiales aislantes, inverso de la conductancia.

La fibra de vidrio rígida, un material aislante usado comúnmente, tiene un valor R de 4 por pulgada, mientras que el cemento, un buen conductor, tiene un valor de 0.08 por pulgada.³

Las barreras de radiación, son materiales que reflejan la radiación, reduciendo así el flujo de calor de fuentes de radiación térmica. Los buenos aislantes no son necesariamente buenas barreras de radiación, y viceversa. Los metales, por ejemplo, son excelentes reflectores pero muy malos aislantes.

La efectividad de una barrera de radiación está indicado por su reflectividad, la cual es una fracción de la radiación reflejada. Un material con una alta reflectividad (en una longitud de onda) tiene una baja absortividad, y por consiguiente una baja emisividad. Un reflector ideal tiene un coeficiente de reflectividad igual a 1, lo que significa que refleja el 100% de la radiación entrante. Por otro lado, en el caso de un cuerpo negro, el cual tiene una excelente absortividad y emitividad de la radiación térmica, su coeficiente de reflectividad es casi 0. Las barreras de radiación tiene una gran aplicación en ingeniería aeroespacial; la gran mayoría de los satélites usan varias capas aislantes aluminizadas que reflejan la luz solar, lo que permite reducir la transferencia de calor y controlar la temperatura del satélite.

Cambio de estado

En física y química se denomina cambio de estado a la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición. Los tres estados más estudiados y comunes en la Tierra son el sólido, el líquido y el gaseoso; no obstante, el estado de agregación más común en el Universo es el plasma, material del que están compuestas las estrellas (si se descarta la materia oscura).

Los tipos de cambio de estado[editar]

Son los procesos en los que un estado de la materia cambia a otro manteniendo una semejanza en su composición. A continuación se describen los diferentes cambios de estado o transformaciones de fase de la materia:

Fusión: Es el paso de un sólido al estado líquido por medio del calor; durante este proceso endotérmico (proceso que absorbe energía para llevarse a cabo este cambio) hay un punto en que la temperatura permanece constante. El "punto de fusión" es la temperatura a la cual el sólido se funde, por lo que su valor es particular para cada sustancia. Dichas moléculas se moverán en una forma independiente, transformándose en un líquido. Un ejemplo podría ser un hielo derritiéndose, pues pasa de estado sólido al líquido.

Solidificación: Es el paso de un líquido a sólido por medio del enfriamiento; el proceso es exotérmico. El "punto de solidificación" o de congelación es la temperatura a la cual el líquido se solidifica y permanece constante durante el cambio, y coincide con el punto de fusión si se realiza de forma lenta (reversible); su valor es también específico.

Vaporización y ebullición: Son los procesos físicos en los que un líquido pasa a estado gaseoso. Si se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión al continuar calentando el líquido, éste absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión del agua en estado líquido en agua en estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura del gas.

Condensación: Se denomina condensación al cambio de estado de la materia que se pasa de forma gaseosa a forma líquida. Es el proceso inverso a la vaporización. Si se produce un paso de estado gaseoso a estado sólido de manera directa, el proceso es llamado sublimación inversa. Si se produce un paso del estado líquido a sólido se denomina solidificación.

Sublimación: Es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Un ejemplo clásico de sustancia capaz de sublimarse es el hielo seco.

Sublimación inversa: Es el paso directo del estado gaseoso al estado sólido.

Desionización: Es el cambio de un plasma a gas.

Ionización: Es el cambio de un gas a un plasma.

Es importante hacer notar que en todas las transformaciones de fase de las sustancias, éstas no se transforman en otras sustancias, solo cambia su estado físico.

Los cambios de estado están divididos generalmente en dos tipos: progresivos y regresivos.

Cambios progresivos: Vaporización, fusión y sublimación progresiva.
Cambios regresivos: Condensación, solidificación y sublimación regresiva

La siguiente tabla indica cómo se denominan los cambios de estado:

_Inicial\^Final	Sólido	Líquido	Gas	Plasma
Sólido		fusión	sublimación, sublimación progresiva o sublimación directa
Líquido	solidificación		evaporación o ebullición
Gas	sublimación inversa, regresiva o deposición	condensación y licuefacción (licuación)		Ionización
Plasma			Desionización

También se puede ver claramente con el siguiente gráfico:

Punto de fusión[editar]

Artículo principal: Punto de fusión

Al efecto de fundir un metal se le llama fusión (no podemos confundirlo con el punto de fusión). También se suele denominar fusión al efecto de licuar o derretir una sustancia sólida, congelada o pastosa, en líquida.El punto de fusión es la temperatura a la cual la materia pasa de estado sólido a estado líquido, es decir, se funde.

En la mayoría de las sustancias, el punto de fusión y de congelación, son iguales. Pero esto no siempre es así: por ejemplo, el agar-agar se funde a 85 °C y se solidifica a partir de los 31 °C a 40 °C; este proceso se conoce como histéresis.

En geología, se denomina punto de solidus a la temperatura en la que empieza a fundirse una roca y punto de liquidus a la temperatura en la que la fusión es total. Tanto la presencia de agua como una disminución de la presión pueden rebajar los puntos de solidus y liquidus de una roca, facilitando la formación de magmas sin aumentar la temperatura.¹.

Punto de ebullición[editar]

Artículo principal: Punto de ebullición

El punto de ebullición es aquella temperatura en la cual la materia cambia de estado líquido a gaseoso, es decir se ebulle. Expresado de otra manera, en un líquido, el punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión del medio que rodea al líquido. En esas condiciones se puede formar vapor en cualquier punto del líquido.

La temperatura de una sustancia o cuerpo depende de la energía cinética media de las moléculas. A temperaturas inferiores al punto de ebullición, sólo una pequeña fracción de las moléculas en la superficie tiene energía suficiente para romper la tensión superficial y escapar. Este incremento de energía constituye un intercambio de calor que da lugar al aumento de la entropía del sistema (tendencia al desorden de las partículasque lo componen).

El punto de ebullición depende de la masa molecular de la sustancia y del tipo de las fuerzas intermoleculares de esta sustancia. Para ello se debe determinar si la sustancia es covalente polar, covalente no polar, y determinar el tipo de enlaces (dipolo permanente - dipolo inducido o puentes de hidrógeno).

Equilibrio térmico

El equilibrio térmico es aquel estado en el cual se igualan las temperaturas de dos cuerpos, las cuales, en sus condiciones iniciales presentaban diferentes temperaturas, una vez que las temperaturas se equiparan se suspende el flujo de calor, llegando ambos cuerpos al mencionado equilibrio térmico.

Definición termodinámica del equilibrio térmico[editar]

Para poder dar una definición más precisa del concepto de equilibrio térmico desde un punto de vista termodinámico es necesario definir algunos conceptos.

Dos sistemas que están en contacto mecánico directo o separados mediante una superficie que permite la transferencia de calor lo que se conoce como superficie diatérmica, se dice que están en contacto térmico.

Consideremos entonces dos sistemas en contacto térmico, dispuestos de tal forma que no puedan mezclarse o reaccionar químicamente. Consideremos además que estos sistemas están colocados en el interior de un recinto donde no es posible que intercambien calor con el exterior ni existan acciones desde el exterior capaces de ejercer trabajo sobre ellos. La experiencia indica que al cabo de un tiempo estos sistemas alcanzan un estado de equilibrio termodinámico que se denominará estado de equilibrio térmico recíproco o simplemente de equilibrio térmico. A partir de ese momento cesaran los cambios que pueden detectarse macroscópicamente y no obstante que la actividad continúa, de algún modo el estado macroscópico ha llegado al equilibrio y se caracteriza porque ambos sistemas tienen la misma temperatura.

Energía interna

En física, la energía interna (U) de un sistema intenta ser un reflejo de la energía a escala macroscópica. Más concretamente, es la suma de:

la energía cinética interna, es decir, de las sumas de las energías cinéticas de las individualidades que forman un cuerpo respecto al centro de masas del sistema,
la energía potencial interna, que es la energía potencial asociada a las interacciones entre estas individualidades.¹

La energía interna no incluye la energía cinética traslacional o rotacional del sistema como un todo. Tampoco incluye la energía potencial que el cuerpo pueda tener por su localización en un campo gravitacional o electrostático externo.

Si pensamos en constituyentes atómicos o moleculares, será el resultado de la suma de la energía cinética de las moléculas o átomos que constituyen el sistema (de sus energías de traslación, rotación y vibración) y de la energía potencial intermolecular (debida a las fuerzas intermoleculares) e intramolecular de la energía de enlace.

En un gas ideal monoatómico bastará con considerar la energía cinética de traslación de sus átomos.
En un gas ideal poliatómico, deberemos considerar además la energía vibracional y rotacional de las mismas.
En un líquido o sólido deberemos añadir la energía potencial que representa las interacciones moleculares.

Desde el punto de vista de la termodinámica, en un sistema cerrado (o sea, de paredes impermeables), la variación total de energía interna es igual a la suma de las cantidades de energía comunicadas al sistema en forma de calor y de trabajo

\Delta U=Q+W

(en termodinámica se considera el trabajo negativo cuando este entra en el sistema termodinámico, positivo cuando sale). Aunque el calor transmitido depende del proceso en cuestión, la variación de energía interna es independiente del proceso, sólo depende del estado inicial y final, por lo que se dice que es una función de estado. Del mismo modo

dU

es una diferencial exacta, a diferencia de

\eth Q

, que depende del proceso.

Algunas variaciones de la energía interna[editar]

Al aumentar la temperatura de un sistema, sin que varíe nada más, aumenta su energía interna reflejado en el aumento de la energía térmica del sistema completo o de la materia estudiada.

Convencionalmente, cuando se produce una variación de la energía interna manifestada en la variación del calor que puede ser cedido, mantenido o absorbido se puede medir este cambio en la energía interna indirectamente por la variación de la temperatura de la materia.

Variación sin cambio de estado[editar]

Sin que se modifique el estado de la materia que compone el sistema, se habla de variación de la energía interna sensible o calor sensible y se puede calcular de acuerdo a los siguientes parámetros;

Q=C_{e}m\Delta T\!

Donde cada término con sus unidades en el Sistema Internacional son:

Q = es la variación de energía o de calor del sistema en un tiempo definido (J).

Ce = calor específico de la materia (J/kg·K).

m = masa.

\Delta T\!

= temperatura final del sistema - temperatura inicial (K).

Ejemplo[editar]

Calcular la energía total de un sistema compuesto de 1 g de agua en condiciones normales, es decir a la altura del mar, una atmósfera de presión y a 14 °C para llevarlo a 15º C, sabiendo que el Ce del agua es = 1 [cal/g·°C].

Aplicando la fórmula

Q=C_{e}m\Delta T\!

y reemplazando los valores, tenemos;

Q = 1 [cal/g·°C] · 1 [g] · (15 - 14) [°C] = 1 [cal]

Energía cinética media de un gas ideal[editar]

E_{cm}={\frac {3}{2}}(KT)={\frac {1}{2}}mv_{m}^{2}\!

K = Constante de Boltzmann = 1,38·10^-23 J/K

v_{m}\!

=Velocidad media de la molécula

Las propiedades termodinámicas de un gas ideal pueden ser descritas por dos ecuaciones:

La ecuación de estado de un gas ideal clásico que es la ley de los gases ideales

PV=nRT\,

y la energía interna a volumen constante de un gas ideal que queda determinada por la expresión:

U={\hat {c}}_{V}nRT

donde

P es la presión
V es el volumen
n es la cantidad de sustancia de un gas (en moles)
R es la constante de los gases (8.314 J·K⁻¹mol^-1)
T es la temperatura absoluta
U es la energía interna del sistema
${\hat {c}}_{V}$ es el calor específico adimensional a volumen constante, ≈ 3/2 para un gas monoatómico, 5/2 para un gas diatómico y 3 para moléculas más complejas.

La cantidad de gas en J·K⁻¹ es

nR=Nk_{B}

donde

N es el número de partículas de gas
$k_{B}$ $k_{B}$ es la constante de Boltzmann (1.381×10⁻²³J·K⁻¹).

La distribución de probabilidad de las partículas por velocidad o energía queda determinada por la distribución de Boltzmann.

Variación con modificación de la composición química[editar]

Si se produce alteración de la estructura atómica-molecular, como es el caso de las reacciones químicas o cambio de estado, se habla de variación de la energía interna química o variación de la energía interna latente.

Esta condición de cambio de estado se puede calcular de acuerdo a:

Q=C_{ce}m\!

Donde

C_{ce}\!

= Coeficiente de cambio de estado, medido en [J/kg]

Véase también: Entalpía

Variación nuclear[editar]

Artículo principal: Equivalencia entre masa y energía

Finalmente, en las reacciones de fisión y fusión se habla de energía interna nuclear.

Máquina térmica

Una máquina térmica es un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía, generalmente a través de un eje, mediante la variación de energía de un fluidoque varía su densidad significativamente al atravesar la máquina. Se trata de una máquina de fluido en la que varía el volumen específico del fluido en tal magnitud que los efectos mecánicos y los efectos térmicos son interdependientes.

Por el contrario, en una máquina hidráulica, que es otro tipo de máquina de fluido, la variación de densidad es suficientemente pequeña como para poder desacoplar el análisis de los efectos mecánicos y el análisis de los efectos térmicos, llegando a despreciar los efectos térmicos en gran parte de los casos. Tal es el caso de una bomba hidráulica, a través de la cual pasa líquido. Alejándose de lo que indica la etimología de la palabra «hidráulica», también puede considerarse como máquina hidráulica un ventilador, pues, aunque el aire es un fluido compresible, la variación de volumen específico no es muy significativa con el propósito de que no se desprenda la capa límite.

En una máquina térmica, la compresibilidad del fluido no es despreciable y es necesario considerar su influencia en la transformación de energía.

Clasificación[editar]

Según el sentido de transferencia de energía[editar]

Las máquinas térmicas pueden clasificarse, según el sentido de transferencia de energía, en:

Máquinas térmicas motoras, en las cuales la energía del fluido disminuye al atravesar la máquina, obteniéndose energía mecánica en el eje.
Máquinas térmicas generadoras, en las cuales la energía del fluido aumenta al atravesar la máquina, precisándose energía mecánica en el eje.

Según el principio de funcionamiento[editar]

Atendiendo al principio de funcionamiento, las máquinas térmicas se clasifican en:

Máquinas volumétricas o máquinas de desplazamiento positivo, cuyo funcionamiento está basado en principios mecánicos e hidrostáticos, de manera que el fluido en algún instante está contenido en un volumen limitado por los elementos de la máquina. En este tipo de máquinas el flujo es pulsatorio. Se dividen a su vez en dos tipos según el movimiento del órgano propulsor: alternativas, cuyo movimiento es rectilíneo; y rotativas, cuyo movimiento es circular.
Turbomáquinas, cuyo funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido y un rodete. En estas máquinas el flujo es continuo.

Teniendo en cuenta lo anterior, podemos clasificar las máquinas térmicas tal como se recoge en el cuadro siguiente.

**Máquinas térmicas**
Motoras	Volumétricas	Alternativas	Máquina de vapor
		Rotativas	Motor Wankel
	Turbomáquinas		Turbina
Generadoras	Volumétricas	Alternativas	Compresor de émbolo
		Rotativas	Compresor rotativo
	Turbomáquinas		Turbocompresor

Balance de energía en una máquina térmica[editar]

Un sistema abierto es aquel que intercambia materia y energía con el entorno. Aplicando el primer principio de la termodinámica para un sistema abierto, el incremento de energía del sistema en un intervalo de tiempo es:

$\Delta E_{sistema}=Q+W+\sum _{in}m_{in}(h+{\frac {1}{2}}V^{2}+gz)_{in}-\sum _{out}m_{out}(h+{\frac {1}{2}}V^{2}+gz)_{out}$

donde;

Q es el calor entregado al sistema. Será negativo cuando el calor sea entregado por el sistema.
W es el trabajo entregado al sistema, en forma de trabajo mecánico y energía de presión. Será negativo cuando el calor sea entregado por el sistema.
El subíndice in representa la materia que entra al sistema.
El subíndice out representa la materia que sale del sistema.
h es la entalpía por unidad de masa del flujo
V²/2 es la energía cinética por unidad de masa del flujo.
gz es la energía potencial por unidad de masa del flujo

Haciendo la derivada de la expresión anterior respecto al tiempo, se obtiene:

${\frac {dE_{sistema}}{dt}}={\dot {Q}}+{\dot {W}}+{\dot {m}}_{in}(h+{\frac {1}{2}}V^{2}+gz)_{in}-{\dot {m}}_{out}(h+{\frac {1}{2}}V^{2}+gz)_{out}$

Debe tenerse en cuenta que en máquinas generadoras, puede aparecer esta expresión con el signo de W cambiado, para que se exprese el trabajo entregado por la máquina y así W sea positivo.

Véase también: Criterio de signos termodinámico

Simplificaciones[editar]

La ecuación que expresa el balance de energía puede simplificarse en los siguientes casos:

Sistema en reposo

Cuando el sistema está en reposo, tal como en máquinas estacionarias, las variaciones de energía potencial y energía cinética serán nulas.

${\frac {dE_{sistema}}{dt}}={\frac {dU}{dt}}+{\frac {E_{c}}{dt}}+{\frac {E_{p}}{dt}}={\frac {dU}{dt}}$
Régimen permanente

Cuando la máquina funciona en régimen permanente, las cantidades de masa y energía que entran son iguales a las que salen, pues de lo contrario variarían esa cantidades dentro del sistema.

${\dot {m}}={\dot {m}}_{in}={\dot {m}}_{out}$; ${\frac {dE_{sistema}}{dt}}=0$
Variación de energía potencial despreciable

En la mayoría de las máquinas térmicas, diferencia de energía potencial del flujo que sale respecto al que entra es poco significativo en comparación con los otros términos asociados a la energía del flujo.

$\Delta (gz)\ll \Delta \left(h+{\frac {1}{2}}V^{2}\right)\Rightarrow \Delta (gz)\approx 0$
Sistemas adiabáticos

En la mayoría de las máquinas térmicas, la transferencia de calor es despreciable frente a otros intercambios de energía. Teniendo en cuenta la transmisión de calor por conducción y convección:

{\dot {Q}}={\frac {dQ}{dt}}=U\cdot A\cdot \Delta T_{LM}\approx 0

donde Q es el calor intercambiado, U es el coeficiente global de transferencia de calor, A es la superficie del sistema y

\Delta T_{LM}

es la diferencia de temperaturas media logarítmica, puede considerarse que el sistema es adiabático cuando se da alguna de las siguientes condiciones:

La superficie externa del sistema está bien aislada térmicamente.
La superficie externa del sistema es muy pequeña.
La diferencia de temperaturas entre el flujo y el entorno del sistema es pequeña.
El fluido pasa a través de la máquina tan rápido que apenas hay tiempo para que sea significativa la transferencia de calor por unidad de masa.

Máquina térmica en régimen permanente con variación de energía potencial despreciable[editar]

En una máquina térmica que funciona en régimen permanente en la cual se desprecie la variación de energía potencial, la expresión el primer principio de la termodinámica puede expresarse como

${\dot {W}}={\dot {m}}[(h+{\frac {V^{2}}{2}})_{out}-(h+{\frac {V^{2}}{2}})_{in}]={\dot {m}}[h_{0out}-h_{0in}]$

donde h₀ es la entalpía de parada.

En los ciclos termodinámicos asociados a la turbina de vapor, la energía cinética específica puede considerarse despreciable frente a la entalpía, resultando