Energía y termodinamica

CALORIMETRIA
Calor:  Cuando dos cuerpos que están a diferente temperatura entran en contacto, la experiencia indica que “algo” fluye del cuerpo de mayor temperatura hacia el de menor temperatura, de modo que, después de un cierto tiempo ambos cuerpos tienen la misma temperatura final.
En el siglo XIX se pensaba que este “algo” era una especie de fluido que pasaba de un cuerpo a otro y se le
denominó flogisto o calórico. Hoy se sabe que el calor es una onda electromagnética (posee la misma
naturaleza que la luz) y su emisión depende de la vibración de los electrones de los átomos que conforman el cuerpo. Al colocar en contacto dos cuerpos, la temperatura final de ambos tiene un valor intermedio entre las dos temperaturas iniciales. Uno de ellos (el de mayor temperatura inicial) pierde calor, mientras que el otro gana calor hasta que las temperaturas se igualan. Cuando esto sucede no hay más transferencia de energía entre los cuerpos y el flujo de calor se detiene. Se dice que los dos cuerpos han llegado al equilibrio térmico.
Definición: La transferencia de energía que se da exclusivamente por una diferencia de temperatura, se
llama flujo de calor o transferencia de calor y la energía así transmitida se llama calor.
La cantidad de calor (cedida de un sistema a otro) puede medirse, es una magnitud escalar que suele ser
representada mediante la letra Q. Las unidades para medir el calor son la caloría, kilo caloría (1000 cal), etc.
La caloría puede definirse como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de
agua desde 14.5 °C a 15.5 °C.

Equivalente mecánico del calor El calor es precisamente otra forma de energía, cualquier unidad de energía, puede ser una unidad de calor. El tamaño relativo de las "unidades de calor" y las "unidades mecánicas" puede encontrarse a partir de los experimentos en los cuales una cantidad conocida de energía mecánica, medida en joules, se añade al sistema. De esa manera puede calcularse la relación entre Joule y calorías, es decir, el llamado equivalente mecánico del calor.

Capacidad calorífica y Calor específico Algunos alimentos permanecen calientes mucho más tiempo que otros. La capacidad de una sustancia para almacenar el calor transferido, depende de su composición química. Un material requiere una cantidad específica de calor para elevar la T° de una masa dada un n° específico de grados. Las sustancias difieren entre sí en la cantidad de calor que se necesita para producir, en una unidad de masa dada, un determinado aumento de T°. La relación directamente proporcional entre la variación de la cantidad de calor (∆Q) y la variación de T° (∆T) se denomina capacidad calorífica C. Es el calor añadido por unidad de aumento de T°. Si medimos la capacidad calorífica por unidad de masa estamos frente a otra unidad, el calor específico c, que es una característica del material del cual está compuesto el cuerpo. Ni la capacidad calorífica de un cuerpo, ni el calor específico del material son constantes, sino que dependen del intervalo de T° escogido. Sin embargo, dentro de una amplitud térmica determinada sin cambio de estado, podemos tomar esos valores como constantes. En el caso del agua, por ejemplo, el calor específico varía menos de 1% de su valor 1,00 cal/ (gr ºC) dentro del intervalo de T° comprendido ntre 0 ºC y 100 ºC. Recordemos que la inercia indica la resistencia de un objeto a cambiar su estado de mov.. La capacidad calorífica específica es como una inercia térmica, ya que significa la resistencia de una sustancia a los cambios en su T°. Un gramo de agua requiere una caloría de energía para elevar la T° de 1 °C. Se necesita sólo alrededor de un octavo tanta energía para elevar la T° de un gramo de hierro por la misma cantidad. La energía absorbida que aumenta la Velc. de traslación de las moléculas es responsable de los aumentos de T°. La T° es una única medida de la energía cinética del mov. de traslación. La energía absorbida también puede aumentar la rotación de las moléculas, aumentan las vibr. internas dentro de las moléculas, o estirar enlaces intermoleculares y se almacena como energía potencial. Los átomos de hierro en una red de hierro principal% se agitan de ida y vuelta produciendo vibraciones, mientras que las moléculas de agua absorben una gran cantidad de energía en las rotaciones, las vibraciones internas y estiramiento de los enlaces químicos.

Agua y clima
La propiedad del agua para resistir los cambios de temperatura mejora el clima en muchos lugares.
El agua tiene una capacidad mucho mayor para almacenar energía que la mayoría de los materiales comunes. Una cantidad relativamente pequeña de agua absorbe una gran cantidad de calor para un aumento de la temperatura correspondientemente pequeño. Debido a esto, el agua es un agente de enfriamiento muy útil, y se utiliza en sistemas de refrigeración en automóviles y otros motores. Para un líquido de baja capacidad calorífica específica, la temperatura se elevaría mucho más para una absorción comparable de calor. El agua también requiere más tiempo para enfriarse. La capacidad de agua para almacenar el calor afecta el clima global. El agua requiere más energía para calentarse que la tierra. El agua tiene un alto calor específico y es transparente, por lo que necesita más energía para calentarse la tierra.

Transferencia de calor
El total de las energías que pose un cuerpo se conoce como
energía interna. Las sustancias no contienen calor, sino energía interna. El calor es, entonces, un proceso de trasnsferencia de energía entre dos cuerpos o entre un cuerpo y su entorno, en virtud de una diferencia de temperatura entre ambos. El calor fluye del cuerpo con mayor temperatura al que tiene menor temperatura; nunca fluye por si solo desde una sustancia más fría a una mas caliente. El calor tiene tres metodos difererentes: Conducción, Convección, Radiación. La ciencia que trata de la determinación de las velocidades de esa transferencia de energía, se denomina transferencia de calor Transmisión Por Conducción Es la transferencia de energía de las partículas más energéticas de una sustancia hacia las adyacentes, como resultado de interacciones entre esas partículas. La conducción puede tener lugar en los sólidos , líquidos o gases. En los gases y líquidos la conducción
se debe a las colisiones y a la difusión de las moléculas durante su mov. aleatorio. En los sólidos se debe a la combinación de las vibr. de las moléculas en una retícula y al transporte de energía por parte de los e- libres.

La velocidad de la conducción de calor a través de un medio depende de la configuración geométrica de este, su espesor y el material de que este hecho, así como de la diferencia de temperatura a través de él. Se sabe que al envolver un tanque de agua caliente con fibra de vidrio (un material aislante) se reduce la velocidad de la perdida de calor de ese tanque. Entre mas grueso sea el aislante, menor será la perdida de calor. También se conoce que un tanque de agua caliente perderá calor a mayor velocidad cuando se baja la temperatura del cuarto en donde se aloja. Además entre mas grande sea el tanque, mayor será el área superficial y por consiguiente, la velocidad de la perdida de calor. Para entender lo anterior, consideremos una conducción de estado estacionario de calor a través de una pared plana grande de espesor ∆x = L y área A. La diferencia de temperatura de uno a otro lado de la pared es ∆T =T2 – T1. Experimentalmente se puede demostrar que la velocidad de transferencia de calor ( flujo de calor) es directamente proporcional a esta diferencia de temperatura de la pared y al área de la sección transversal de transferencia , pero es inversamente proporcional al espesor de esa capa.

Transmisión Por Convección Uno de los últimos versos del Martín Fierro, dice: “El fuego pa calentar, debe ir siempre por debajo”. Así es en efecto, si se pone al fuego un recipiente, el liquido de la parte inferior se calienta primero, su densidad disminuye y sube, desplazando al mas frió que baja al calentarse, se establece así una corriente de liquido, lo que facilita el rápido calentamiento del mismo, entonces podemos decir que esta transferencia de calor depende del mov.masivo de un fluido o gas , que transporta calor , es un parámetro que se determina en forma experimental y cuyo valor depende de variable como la configuración geométrica de la superficie , la naturaleza del movimiento del fluido , las propiedades de veste y la velocidad de este; As es el área del cuerpo en contacto con el fluido. Ts es la temperatura en la superficie del cuerpo y Tinf es la temperatura del fluido lejos del cuerpo

Transmisión Por Radiación 
Radiación o radiación térmica o infrarroja. Casi todo el calor de estos cuerpos tan calientes nos llega no por conducción ni convección en el aire intermedio sino por radiación, esto es, por que para los procesos anteriormente mencionados se requiere de un medio material a través de cual se pueda transferir el calor, mientras que habría transferencia de calor por radiación aunque solo hubiera vacío entre nosotros y la fuente de calor. Este tipo detransferencia se debe principalmente a que la energía emitida por la materia es en la forma de ondas electromagnéticas y debido a su temperatura, es un proceso en el cual no existe intercambio de masa .
Se trata de una de las formas de transferencia más rápidas. Todo cuerpo aun a temperaturas ordinarias, emite energía en forma de radiación electromagnética. Claro está que cuanto mayor es la temperatura mayor cantidad de calor irradian. Esto es debido a que cuando electrones en niveles de energía altos caen a niveles de energía bajos. La energía que se pierde es emitida en forma de luz o radiación electromagnetica .La energía absorbida por los átomos hace que sus electrones salten a niveles superiores. Cuando la absorción de energía esta equilibrada con la emisión, la temperatura del objeto permanece constante. Si la absorción de energía domina, la T°del objeto aumenta, en cambio, si es la emisión la que domina, la temperatura disminuye.
Un caso interesante de analizar es el cuerpo Negro, o mas bien conocido como radiación de cuerpo negro, este consiste principalmente en una superficie idealizada que emite radiación máxima, a una velocidad máxima, se
trata de un absorbedor ideal y a su vez es un radiador ideal de energía entendiéndose como absorbedor ideal
como aquel cuerpo capaz de de absorber toda la energía incidente sobre él. Los cuerpos oscuros absorben mayor parte de la radiación que incide en ellos. Es por esto que un objeto negro puesto al Sol, su temperatura es considerablemente mas elevada; por otra parte, los cuerpos claros reflejan casi en su totalidad la radiación térmica
incidente y por ello, en los climas calurosos las personas suelen usar ropa blanca

Temperatura y equilibrio térmico 
La termodinámica es una rama de la fisica que se ocupa de describir el estado de sistemas físicos, así como de su evolución en la medida en que interactúan con su entorno. Si se trata de un gas, sabemos que este gas está compuesto de millones y millones de átomos, que tienen ciertos grados de libertad para moverse más o menos libremente, y que pueden o no colisionar entre sí. La T° y la presión son ejemplos de cantidades promedio que son útiles para describir un sistema a nivel macroscópico. Cuando un gas está comprimido dentro de un volumen, sabemos que se va a escapar más rápidamente mientras mayor sea la presión a la que se encuentra dentro del recipiente. Esto es, la presión es una cantidad que podemos relacionar con la veloc. a la que se mueven los átomos o moléculas que lo componen. Mientras más rápido sea su mov. dentro del recipiente, con mayor veloc. impactarán las paredes que lo separan del medio ambiente, transfiriendo a ellas este “empuje” neto hacia afuera. Si además aumentamos el número de partículas, mayor será la cantidad de choques que se produzcan por unidad de tiempo, ya que simplemente aumenta el numero de particulas que intenta salir. Como resultado, esto también provocará un aumento en la presión media. Al medir presión no estamos midiendo la velocidad individual de las particulas ni la tasa a la que cada una de ellas colisiona contra el recipiente. Estamos solamente tomando un promedio que representa a todo el sistema. Por supuesto, algunas tendrán velocidades muy altas y otras muy bajas, pero en promedio tendrán una cierta velocidad característica. Tal como ocurre con la presión, la temperatura es otra de estas cantidades observables y se relaciona con la energía media de un sistema. Entendemos habitualmente que un objeto está caliente cuando es capaz de transferir energía a otro objeto, aunque este calor solo es una de las tantas manifestaciones de la energía. Si pensamos en un gas compuesto por millones de moléculas, algunas de ellas tienen más energía que otras y por lo tanto son capaces de ceder más calor a otras, mientras que aquellas más frías podrían recibir calor por medio de interacciones. El valor medio de la energía de las partículas está determinado por la T°

Transferencia de calor Uno de los hechos básicos que podemos observar en un sistema con muchas partículas es que si ponemos algunas partículas con muy alta velocidad en interacción con partículas de baja velocidad, tendremos choques sucesivos en los que las particulas rápidas transferirán energía cinética a las partículas lentas. Como la energía total debe conservarse, el resultado de este proceso es que lentamente las partículas rápidas van perdiendo velocidad y aquellas lentas comienzan a moverse más rápido. Transcurrido el tiempo suficiente, el sistema alcanzará un estado de equilibrio, en el cual -en promedio- las partículas alcanzan una energía cinética determinada dentro de todo el espacio en que se encuentran. Este es el llamado principio de la equiparticion de la energía. Este proceso puede ocurrir de forma muy rápida o muy lenta, dependiendo de la capacidad que tengan las partículas de ceder o recibir calor. Esto es simplemente una forma de la conservación de la energía. Al hacer el experimento con el nitrógeno líquido, el hielo estaba más caliente que su entorno, y por lo tanto entregó calor a él. Luego, el hielo se enfrió y el hidrógeno se calentó por efecto el hielo. El calor no es una propiedad de un cuerpo, sino una cantidad que refleja el intercambio de energía entre un cuerpo y otro.

Escalas de Temperatura
1) Escala Celsius: La escala definida por el físico sueco A. Celsius en 1742 y aún ampliamente utilizada toma
como referencia dos puntos del agua: la temperatura de congelamiento y la temperatura de ebullición. Ambos,
bajo condiciones “normales” de presión atmosférica, equivalentes a 1.01·10^5 Pa. Al primer valor le asignamos el origen o punto cero de la escala, y al segundo el valor 100. Dividiendo este rango en 100 partes iguales, se tiene la escala de Celsius, donde cada parte equivale a 1 ºC.
2) Escala Absoluta o Kelvin: La escala Kelvin es la base de la termodinámica moderna. Se basa en el llamado
punto triple del agua. Este corresponde a la T° a la cual el agua coexiste en equilibrio en sus tres estados: sólido, líquido y gaseoso y su valor es 273.16 K. Se define 1 K como 1/273.16 de dicha T°, a una presión de 610 Pa. Tanto Kelvin como ºC tienen la misma amplitud.

Origen
1) El caso de los gases
Consideremos un gas (e.g. aire) contenido dentro de un globo cerrado. Si calentamos el aire en su interior, el
globo aumentará su volumen para adecuarse a la nueva condición de presión. Podríamos considerar que las
partículas de este gas se comportan como lo hacen las pelotas de billar: las colisiones entre ellas son
perfectamente elásticas. Como Ud. aprendió, esto significa que ocurren sin perdida de energía cinética. En este
caso existe una relación universal entre la presión, la temperatura y el volumen de una cantidad de gas, i.e. el
número de partículas. Esa relación se llama ley de los gases ideales y no depende de la naturaleza del gas
considerado. Para las condiciones habituales de temperatura, presión y volumen usados en la naturaleza, casi
todos los gases son muy bien aproximados por un gas ideal. Las desviaciones con respecto a esta ley ocurren
para presiones y temperaturas altas. El estudio de tales gases reales está fuera de nuestro objetivo.
2) El caso de los líquidos
El origen de la dilatación de los líquidos es el mismo que el de los gases. Pero la interacción entre las partículas
no se puede omitir en ese caso, ya que la distancia promedio entre moléculas o átomos es mucho menor. Por lo
tanto no existe una ley universal como en el caso de los gases ideales que relacione presión, volumen y
temperatura.
3) El caso de los sólidos
En un sólido, los átomos tienen energía térmica y vibran alrededor de su posición media. Esa vibración es
función de la temperatura y de los átomos cercanos. Una representación útil de un sólido es considerar los
átomos como pelotas unidas entre sí por medio resorte. Un aumento de la temperatura se traduce en un
aumento de las vibraciones. De esa manera la magnitud de desplazamiento de cada átomo alrededor de su
posición de reposo va a aumentar con la temperatura y la malla entera va a aumentar su tamaño

Fuerza Electrostática, Carga Eléctrica
Se conoce comoelectrización y su estudio científico llevaría al descubrimiento de la carga eléctrica.
Carga Eléctrica La carga eléctrica es, junto a la masa, una propiedad fundamental de la materia, que tiene su
origen en la estructura atómica. La corteza o envoltura , esta formada por electrones, partículas con carga eléctrica negativa, mientras que el núcleo del átomo esta formado por los protones, partículas con carga positiva del mismo valor absoluto que la carga del electrón y los neutrones que son partículas sin carga eléctrica. En condiciones normales, los cuerpos u objetos son neutros, por lo que para entender el fenómeno de la electrización, es necesario conocer y saber que algunos átomos que componen estos objetos tienen la facilidad de desprenderse de sus electrones mas externos adquiriendo los cuerpos carga eléctrica neta. Si un material tiende a perder algunos de sus electrones cuando entra en contacto con otro, se dice que es más positivo en la serie Triboeléctrica. Si un material
tiende a capturar electrones cuando entra en contacto con otro material, dicho material es más negativo en la
serie triboeléctrica. Cuando dos materiales no conductores entran en contacto uno de los materiales puede capturar electrones del otro material. La cantidad de carga depende de la naturaleza de los materiales, y del área de la superficie que entra en contacto. Otro de los factores que intervienen es el estado de las superficies, si son lisas o rugosas. La humedad o impurezas que contengan las superficies proporcionan un camino para que se recombinen las cargas. La presencia de impurezas en el aire tiene el mismo efecto que la humedad. La cantidad de cargas transferidas por el fenómeno de triboelectricidad depende de factores como la calidad del contacto de las superficies que están frotándose. Aquellos átomos que pierden electrones quedan cargados positiva% denominándose ion positivo y aquellos que ganan,quedan negativamente cargados llamados ion negativo, pero su carga total permanece invariable, cumpliendo lo que se conoce como el principio de conservación de la carga, por lo que la carga no puede ser creada ni destruida. Son Tres formas de electrización que son frotación, contacto e inducción.

Electrización por frotamiento Para electrizar un objeto por frotación se necesitan primeramente 2 cuerpos neutros, supongamos por ejemplo que frotamos un peine de plástico sobre nuestro cabello, se intercambian la energía necesaria para que pase una pequeña fracción de electrones desde el peine al pelo, en el proceso, el cabello se carga positivamente y la peineta negativamente, pues los electrones son sujetados con mas fuerza en el plástico que en el pelo, por lo que este ultimo tiene un exceso de electrones, entonces cuando acercamos el peine a unos trocitos de papel estos son atraídos, ambos tiene carga de diferente

Electrización por contacto Este tipo de electrización ocurre cuando se ponen en contacto dos cuerpos , uno cargado y otro descargado, al entrar en contacto los objetos , pasa carga eléctrica del objeto cargado al descargado y terminan por repelerse. El cuerpo descargado se electriza con carga del mismo signo que el objeto cargado . Si el objeto cargado es conductor , la carga se redistribuye por toda la superficie, si es aislante, la carga queda confinada en la zona de contacto. Por contacto un material conductor cargado se descarga rápidamente, independientemente de la zona de contacto. Sin embargo, u material dieléctrico cargado solo se descargado por contacto si este tiene lugar en la zona donde se encuentra confinada la carga, la zona de frotamiento.

Electrización por Inducción En materiales conductores.
Este fenómeno es un efecto de las fuerzas eléctricas debido a que éstas se ejercen a distancia, ocurre cuando se acerca un objeto cargado (denominado inductor) a un cuerpo conductor descargado (llamado cuerpo inducido), en este ultimo se produce una polarizacion, de modo superficial de electrones, de forma que cargas de distinto signo
quedan enfrentadas en el objeto cargado y en el conductor. La separación de cargas inducida por las fuerzas eléctricas es transitoria y desaparece cuando el agente responsable se aleja suficientemente del cuerpo neutro. Por inducción solo se electrizan las sustancias conductoras, pues ellas poseen cargas con libertad para desplazarse de un lugar a otro.