LA ENERGA Y SUS FORMAS

1. CALOR (q):

Es la energa transferida entre el sistema y su entorno, debido a que existe entre ambos una diferencia de temperatura.

Sistema: parte del universo que va a ser estudiado y para lo cual se le ponen lmites fsicos o imaginarios. Puede ser: Sistema abierto: intercambia materia y energa con

el medio. Sistema cerrado: slo intercambia energa con el

medio. Sistema aislado: no intercambia materia ni energa. .

Calor Sensible: Se denomina calor sensible a la energa calorfica que aplicada a una sustancia, hace subir su temperatura sin que haya cambio de estado o fase. q = m.Ce.(Tf Ti) Donde: q = calor sensible m = masa T= temperatura final e inicial Ce = calor especifico de la sustancia Calor Latente: Es el calor intercambiado en donde hay un cambio de estado o fase. q = m.L Donde L = calor latente (calor oculto) de la sustancia. Existen dos tipos de calor latente: Lf = calor latente de fusin Lv = calor latente de vaporizacin

CALORES ESPECFICOS DE ALGUNAS SUSTANCIAS A 25 oC Y PRESIN ATMOSFRICA

Calor especfico

Sustancia J/kg.oC Cal/g.oC

Slidos elementales

Aluminio

Berilio

Cadmio

Cobre

Germanio

Oro

Hierro

Plomo

Silicio

Plata

900

1830

230

387

322

129

448

128

703

234

0,215

0,436

0,055

0,0924

0,077

0,0308

0,107

0,0305

0,168

0,056

Otros slidos

Latn

Vidrio

Hielo (-5C)

Mrmol

Madera

380

837

2090

860

1700

0,092

0,200

0,50

0,21

0,41

Lquidos

Alcohol (etlico)

Mercurio

Agua (15C)

2400

140

4186

0,58

0,033

1,00

Gas

Vapor (100C) 2010 0,48

Algunos calores latentes

Sustancia Punto de fusin

(C) Calor latente de fusin

(J/kg)

Punto de ebullicin

(oC)

Calor Latente de

vaporizacin (J/kg)

Helio

Nitrgeno

Oxgeno

Alcohol etlico

Agua

Azufre

Plomo

Aluminio

Plata

Oro

Cobre

-269,65

-209,97

-218,79

-114

0,00

119

327,3

660

960,80

1063,00

1083

5,23x105

2,55x104

1,38x104

1,04x105

3,33x105

3,81x104

2,45x104

3,97x105

8,82x104

6,44x104

1,34x105

-268,93

-195,81

-182,97

78

100,00

444,60

1750

2450

2193

2660

1187

2,09x104

2,01x105

2,13x105

8,54x105

2,26x106

3,26x105

8,70x105

1,14x107

2,33x106

1,58x106

5,06x106

Calorimetra

Para medir el calor especfico de una sustancia se calienta la muestra y se sumerge en una cantidad conocida de agua. Se mide la temperatura final y con estos datos se puede calcular el calor especfico.

mw

Tw< Tx

mx

Tx

Tf

antes despus

Qfrio = Qcaliente

mwcw(Tf Tw) = mxcx(Tf Tx)

fxx

wfwwx

TTm

TTcmc

Ejemplo Un lingote metlico de 0,050 kg se calienta hasta 200 oC y a continuacin se introduce en un vaso de laboratorio que contiene 0,4 kg de agua inicialmente a 20 oC. si la temperatura de equilibrio final del sistema mezclado es de 22,4 oC, encuentre el calor especfico del metal.

fxx

wfwwx

TTm

TTcmc

En la grfica de la temperatura contra la energa trmica aadida cuando 1 g inicialmente a 30 oC se convierte en vapor a 120 oC. Cuanto calor se aade?

Hielo

Hielo + agua

Agua

Agua + vapor

Vapor

62,7 395,7 814,7 3074,7 -30

0

50

100

T(oC)

A B

C

D E

Se calienta el hielo

Se funde el hielo

Se calienta el agua

Se evapora el agua

Se calienta el vapor

120

Parte A. q1 = miCeiDT = (1x103)(2090)(30) = 62,7 J

Parte B. q2 = mLf = (1x103)(3,33x105) = 333 J

Parte C. q3 = mwCewDT = (1x103)(4,186x103)(100,0) = 418,6 J

Parte D. q4 = mLv = (1x103)(2,26x106) = 2,26x103 J

Parte E. q5 = msCesDT = (1x103)(2,01x103)(20,0) = 40,2 J

Total = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 = 3114,5 J

Qu masa de vapor inicialmente a 130 oC se necesita para calentar 200 g de agua en un recipiente de vidrio de 100 g de 20,0 oC a 50,0 oC?

Para enfriar el vapor de 130 oC a 100 oC

q1 = - m.Ce.T = m(2010 J/kg.oC)(30 oC) = 60300m.J/kg

Para condensar el vapor se libera:

q2 = mLf = m(2,26x106 J/kg) = 2260000m.J/kg

Para enfriar el vapor (agua) de 100 oC a 50 oC

q3 = - mCew T = m(4186 J/kg.oC )(50 oC) = 209300m.J/kg

Para calentar el agua y el recipiente de 20 oC a 50 oC, se requiere:

q = mw.Ce.w T + mVCev T

= (0,2 kg)(4186 J/kg.oC )(30 oC) + (0,1 kg)(837 J/kg.oC)(30 oC) = 27627 J

Calor perdido por el vapor = Calor ganado por agua y recipiente

60300m.J/kg + 2260000m.J/kg + 209300m.J/kg = 27627 J

m = 10,9 g

2. Energa interna:

Tiene que ver con la estructura del sistema. Se debe a la energa

cintica de las molculas, la energa de vibracin de los tomos y a

la energa de los enlaces. Est en funcin a la temperatura. No se

puede conocer su valor absoluto, slo la diferencia al ocurrir un

cambio en el sistema: U.

3. TRABAJO MECNICO:

Es la forma bajo la cual se efecta el intercambio de energa entre el sistema y su medio ambiente. W = F x l Donde: W = Trabajo F = Fuerza l = Distancia W es negativo (W < 0) si recibe energa. W es positivo (W > 0) si cede energa.

TRABAJO

dW = F.dl Donde: F = fuerza, l = distancia

P = F/A Donde P = presin, F = fuerza y A = superficie o rea

Trabajo = fuerza x distancia

dw = P.A.dl dw = P.dV

Primera Ley de la Termodinmica

Corresponde al principio de conservacin de la energa.

La energa del universo no se puede crear ni destruir, slo son posibles las transformaciones de un tipo de energa en otro.

U = q - w

U = Uf - Ui

q = U + w U = cambio de U interna de un

sistema

Uf = U interna final

Ui = U interna inicial

w = Trabajo

q = Calor

CONVENCIONES DE SIGNOS PARA LA PRIMERA LEY

ENTRADA de calor q es positiva

q= U + w = (final - inicial)

SALIDA de calor es negativa

Trabajo POR un gas es positivo

Trabajo SOBRE un gas es negativo

+qin

+U

-win

-qout

-U

+wout

Ejemplo: En la figura, el gas absorbe 400 J de calor y al mismo tiempo realiza 120 J de trabajo sobre el pistn. Cul es el cambio en energa interna del sistema?

q = U + w

Aplicamos la primera ley:

qin 400 J

wout =120 J

DU = +280 J

qin 400 J

wout =120 J

DU = q - w = (+400 J) - (+120 J) = +280 J

w es positivo: +120 J (trabajo SALE)

q = DU + w

DU = q - w

q es positivo: +400 J (calor ENTRA)

1. Calcular la variacin de energa interna para un sistema que

ha absorbido 5000 J y realiza un trabajo de 3000 J sobre su

entorno.

2. Calcular la variacin de energa interna para un sistema que ha liberado 2590 J y el trabajo es realizado por las fuerzas

exteriores sobre el sistema, siendo el valor del trabajo 3560 J.

Ejercicios