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Física Calor y termodinámica

Heat and Laws of Thermodynamics

El calor es energía que pasa de un cuerpo a otro por una diferencia de temperatura, así que cuando un cuerpo caliente toca uno frío, el calor fluye del lado caliente al frío. El calor que absorbe un cuerpo se calcula con Q = mcΔT, el producto de la masa, el calor específico y la variación de temperatura, y el calor que absorbe un gas se reparte entre aumentar su energía interna y hacer trabajo hacia fuera, de modo que ΔU = Q − W. En una gráfica P-V, el área bajo la curva es el trabajo que hace el gas al expandirse. Al cambiar la temperatura se mueven las isotermas, y al cambiar el calor Q y el trabajo W la figura muestra cómo queda la variación de energía interna del gas.

Qué es el calor

🔥 Energía que fluye por una diferencia de temperatura
①Cuando un cuerpo caliente toca uno frío, el calor pasa del caliente al frío hasta que las dos temperaturas se igualan
②El calor Q es energía que se transfiere por una diferencia de temperatura, y se mide en J
③El calor necesario para subir ΔT la temperatura de un cuerpo es Q = mcΔT, proporcional a la masa m y al calor específico c

La gráfica P-V y el trabajo

350 K
💡 Cómo leer la gráfica
①A temperatura constante, PV es constante, así que cada curva es una hipérbola
②Cuanto más alta es la temperatura, mayor es la presión con el mismo volumen, y la curva queda más lejos del origen
③El área sombreada bajo la curva es el trabajo W que hace el gas hacia fuera al expandirse, y al subir T₂ esa área crece

Primera ley de la termodinámica

50 J
20 J
Primera ley (conservación de la energía)
ΔU = Q − W
Variación de energía interna = calor absorbido por el gas − trabajo hecho por el gas
⚡ Adónde va el calor
①La energía no se crea ni se destruye, así que el calor Q que recibe el gas se reparte entre el aumento de energía interna ΔU y el trabajo W hecho hacia fuera
②Q positivo significa calor absorbido y negativo, calor cedido; W positivo significa que el gas se expande y hace trabajo, y negativo, que se comprime y recibe trabajo
③Si Q y W son iguales, ΔU = 0 y la temperatura no cambia; si W es negativo, el trabajo recibido se suma y la energía interna aumenta más que Q

Calor y calor específico

Calor
Q = mcΔT
Calor (J) = masa (kg) × calor específico (J/(kg·K)) × variación de temperatura (K)
Equilibrio térmico
Qcedido = Qabsorbido
Si no se escapa calor, el que pierde el cuerpo más caliente es igual al que gana el más frío, y el calor deja de pasar cuando las dos temperaturas se igualan

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1
Un objeto de 2 kg tiene un calor específico de 0,5 kJ/(kg·K). ¿Cuánto calor se necesita para subir su temperatura 20 K?
1
Se usa la fórmula del calor Q = mcΔT.
Q = mcΔT
2
Se sustituyen m = 2 kg, c = 0,5 kJ/(kg·K) y ΔT = 20 K.
Q = 2 × 0,5 × 20 = 20 kJ
▸ 20 kJ
El calor específico viene en kJ, así que la respuesta también sale en kJ. Para subir 40 K el mismo objeto haría falta el doble, 40 kJ.
Ejemplo 2
Un gas absorbe 80 J de calor y realiza 30 J de trabajo sobre el entorno. ¿Cuál es el cambio de energía interna?
1
Se usa la primera ley ΔU = Q − W.
ΔU = Q − W
2
Se sustituyen Q = +80 J (calor absorbido) y W = +30 J (trabajo hecho por el gas).
ΔU = 80 − 30 = 50 J
▸ 50 J (aumento)
De los 80 J de calor absorbido, 30 J salen como trabajo, y los 50 J restantes aumentan la energía interna.

Resumen

Calor
Q = mcΔT
Primera ley
ΔU = Q − W
Problema tipo CSAT, adaptado
Un gas en un recipiente aislado realiza 120 J de trabajo sobre el entorno. ¿Cuál es el cambio de su energía interna?
①+120 J
②+60 J
③0 J
④−60 J
⑤−120 J
▸ ⑤ −120 J
1
En un proceso adiabático no entra ni sale calor, así que Q = 0.
Q = 0 ⇒ ΔU = −W
2
Se sustituye W = +120 J (trabajo hecho por el gas).
ΔU = −120 J
🎯 Puntos de examen
①En Q = mcΔT, cuanto mayor es el calor específico c, menor es la variación de temperatura con el mismo calor
②La primera ley ΔU = Q − W expresa la conservación de la energía
③En un proceso isotérmico ΔT = 0, así que ΔU = 0 y Q = W
④En un proceso adiabático Q = 0, así que ΔU = −W, y un gas que se expande haciendo trabajo se enfría
⑤Por sí solo, el calor solo pasa de lo caliente a lo frío (segunda ley de la termodinámica)
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