Elementos de fisica y quimica clase TRABAJO, ENERGIA, CALOR 2

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Elementos de fisica y quimica
FÍSICA: Trabajo y energía. Calor y temperatura 
TEMPERATURA:
Supongamos que tenemos una masa de gas en un cilindro. El gas está a cierta temperatura.
Digamos que la temperatura de un objeto es una medida de la velocidad con la que se mueven las moléculas de ese objeto. Es decir, si uno pudiera mirar el objeto con un microscopio vería que las moléculas de gas se mueven para todos lados. Se golpean entre ellas y golpean con las paredes del cilindro. Cuánto más rápido se mueven las moléculas, más temperatura tiene el gas.
En realidad la temperatura no es la velocidad de las moléculas. La temperatura es proporcional a la velocidad de las moléculas. La temperatura se mide en grados centígrados. Pero en Estados Unidos la temperatura se mide en Grados Fahrenheit. 
CALOR
Entender exactamente lo que es el calor es un poco complicado. A grandes rasgos el calor vendría a ser algo así como la energía cinética que tienen las moléculas de un cuerpo. Cada molécula se mueve a cierta velocidad v. La energía cinética que tiene esa molécula vale ½ m v2. Si se suma la cantidad de energía que tienen todas las moléculas de un objeto, se obtiene la cantidad de calor que tiene el objeto.
TRABAJO REALIZADO POR UN GAS CUANDO SE EXPANDE
Supongamos que tengo un cilindro con gas. Dentro de un cilindro hay una cierta presión. Supongamos que la tapa está trabada con algo para que no se pueda mover. 
Si saco la traba el gas se empieza a expandir. La tapa sube. La presión interior del cilindro empuja la tapa para arriba una distancia d. Supongamos que la presión dentro del cilindro se mantiene constante mientras la tapa sube. La presión sobre la tapa multiplicada por la superficie del émbolo me da la fuerza que empuja.
Esta fuerza multiplicada por la distancia d que sube el pistón me da el trabajo realizado. Es decir:
W= F x d 
W = ( p x sup ) x d
Pero sup x d es el volumen que se expandió el gas. Entonces el trabajo queda:
W = presión x volumen expandido
El volumen expandido se puede poner como Volumen final – Volumen inicial:
Entonces el trabajo realizado por el gas queda:W= p x (Vf – V0)
Si empujo la tapa para abajo, el gas se comprime. Ahí el gas está recibiendo trabajo del exterior. Para calcular el trabajo que realiza el gas cuando se lo comprime también puedo usar la fórmula W = p x ( Vf – V0 ) .
Pero como ahora Vf es menor que V0, el trabajo me da negativo.
Conclusión: Fijarse los signos. Si el gas se expande, Vf es mayor que V0. Entonces el trabajo hecho por el gas es (+). Si el gas se comprime, Vf es menor que V0. Entonces el trabajo del gas es (-).
Vamos ahora a las unidades del trabajo realizado por un gas. Si pongo a la presión en pascales (Pa= N/m2) y al volumen en metros cúbicos, el trabajo dará en Joules.
([W] = [p] x [V] = N/m2 x m3 = N x m = Joule)
ENERGIA INTERNA (U):
Supongamos que tengo un gas encerrado en un cilindro. El cilindro tiene una tapa que se puede mover. Caliento el gas y le entrego 100 calorías. ¿Qué pasa?
Rta: al calentarse el gas se va a expandir. Si la tapa se puede mover, el émbolo se va a ir para arriba. Al irse para arriba, uno puede aprovechar la expansión del gas para obligarlo a realizar trabajo.
Por ejemplo, con la tapa que sube uno puede levantar un peso hasta cierta altura.
Dicho de otra manera, entregué 100 calorías al gas y obtuve a cambio un trabajo.
Parecería que todo el calor que entregué se convirtió en trabajo. En ese caso la fórmula que busco sería Q = W. Pero no es así. Observar porque no. Partamos de la base de que el calor es una forma de energía. Las moléculas del gas se mueven para todos lados. El calor vendría a ser la energía cinética que tienen estas moléculas al moverse. Supongamos que no dejo que el pistón se mueva. Se vuelve a entregar 100 calorías al gas. Pero ahora el pistón no puede subir. Se tiene un cilindro rígido. Y si el émbolo no puede subir, no puede realizar trabajo.
Pregunta: ¿Adónde fueron las 100 calorías que se le entregaron al gas?
Esa energía no se puede haber perdido.
Se sabe que al entregar calor al gas, el gas se debe haber calentado.
Sus moléculas ahora se mueven más rápido. ¿Entonces?
Lo que ocurrió fue lo siguiente: el calor que se entregó de alguna manera quedó almacenado dentro del gas. Esto se observa pues la temperatura del gas aumentó.
Sus moléculas se mueven más rápido y tienen más energía. De alguna manera, las 100 calorías tienen que estar encerradas dentro del gas. Las 100 calorías que se entregaron al gas se transformaron en energía que no se ve. Esa energía de alguna manera está encerrada dentro del gas. Llamo a esta energía ENERGIA INTERNA U.
¿QUÉ ES LA ENERGIA INTERNA? Es la energía que queda encerrada en las moléculas del gas que acabo de calentar. No es fácil explicar exactamente donde está almacenada esta energía. Analicemos un poco este asunto de " calor guardado o calor almacenado". 
PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA:
Cuando se entrega calor a un gas, este calor se divide en 2. Parte se usa para expandir el gas y parte queda encerrado en el gas en forma de calor. (= Energía interna)
Concretamente, la energía entregada en forma de calor es la suma de la energía que queda almacenada en el gas en forma de energía interna más la energía que se gastó en realizar trabajo. Es decir:
Convención de signos- Unidades:
El calor se mide en calorías o en Joules. Entonces, la energía interna y el trabajo también se van a medir en calorías o en Joules.
Para saber los signos del calor y el trabajo, usamos la siguiente convención:
Calor que entra al sistema: POSITIVO. Trabajo que sale del sistema: POSITIVO
Resumo la convención de signos en este cuadrito:
SISTEMA, MEDIO Y UNIVERSO:
Llamamos sistema al gas que está encerrado en el cilindro.
Llamamos medio a todo lo que rodea al cilindro. (Medio = Entorno o medio ambiente)
Llamamos universo al sistema más el medio.
Cuando entra calor al cilindro, ese calor salió del medio. Cuando el gas realiza trabajo, ese trabajo va a parar al medio ambiente. Entonces:
Observaciones:
El primer principio es la ley de conservación de la energía. Esta ley se podría enunciar así: El calor es una forma de energía. Si uno entrega calor a un gas, este calor no se pierde. O se transforma todo en trabajo o queda todo almacenado en el gas en forma de calor (= energía interna), o las 2 cosas a la vez. La energía interna de un gas depende SOLO de la temperatura. ΔU depende de T. Si se aumenta la temperatura de un gas, la variación de energía interna es positiva. Si disminuye la temperatura del gas, la variación de energía interna es negativa.
CALOR Y TEMPERATURA
Supongamos que uno tiene un ladrillo y lo calienta. Ahora el ladrillo tiene mayor temperatura. Veamos que quiere decir esto de tener mayor temperatura.
Desde el punto de vista de la física, calentar un objeto significa hacer que sus moléculas se muevan (vibren) más rápido. Esa medida de la agitación de las moléculas se llama TEMPERATURA. Cuando alguien toca algo y se quema, lo que se esta sintiendo es el golpeteo de las moléculas que chocan contra tu mano.
La temperatura se mide con los termómetros. 
CALOR
Si se le da un martillazo con toda la fuerza a una moneda. Esta se calienta.
¿Por qué?
Rta : Porque la energía cinética que tenía el martillo se transformó en calor.
El calor es una forma de energía..
La equivalencia es esta:
CALOR RECIBIDO Y CALOR ENTREGADO:
Supongamos que se tiene un pedazo de hierro a 20 ºC. Si se lo calienta y ahora está a 80ºC. Pregunta: ¿Cómo se sabe que cantidad de calor que se le entregó?
Rta : La fórmula que se usa para calcular esto es:
En esta fórmula Q es el calor que recibió o que entregó el cuerpo. Puede ir en cal o en Kcal. (Según en qué unidades se utilice el calor específico c). Si el resultado Q da (+) el cuerpo recibió calor (se calentó). Si el resultado Q da (-) el cuerpo entregó calor (se enfrió). Esta convención de signos es importante.
m es la masa del cuerpo (kg o g). Tf y Ti son las temperaturas final e inicial que tiene el cuerpo (ºC).
¿Qué es c?
c es lo que se llama CALORESPECIFICO DEL CUERPO. Sus unidades son:
El calor específico es una cantidad que me dice cuantas kilocalorías hay que entregarle a un kg de una substancia para lograr que su temperatura aumente en 1 ºC. Cada substancia tiene su propio calor específico. Por ejemplo, el calor específico del agua vale 1. El del hierro vale 0,1. Eso quiere decir que es 10 veces más difícil calentar agua que hierro. (Hay que entregar 10 veces más energía). Al agua no le gusta ser calentada. Se opone.
Aclaración: ¨calentado¨ quiere decir ¨calentado o enfriado¨. Si se deja una olla con agua hirviendo, va tardar más en enfriarse que un pedazo de hierro.
El calor específico de un cuerpo se podría pensar como una especie de inercia térmica. Es una magnitud que me da una idea de la resistencia que opone un cuerpo a ser calentado o enfriado. ( a cambiar su temperatura , digamos ).
La ecuación Q = c. m (Tf -Ti). Sólo se puede hacer si la substancia NO cambia de estado. Es decir, mientras sea sólida, líquida o gaseosa, pero NO mientras cambia de sólido a líquido, de líquido a vapor, etc.
CALOR DE FUSION Y DE VAPORIZACION
Supongamos que se tiene un trozo de hielo. Para derretirlo es necesario entregarle calor. La cantidad de calor que hay que entregarle a una substancia para derretirla (fundirla) se llama calor latente de fusión. Para el hielo vale 80 Kcal / Kg (u 80 cal /g). Lo mismo si se desea evaporar agua. El calor latente de de vaporización para el agua es Lv = 540 cal / g (o kcal / kg). Estos valores de Lv y Lf significan lo siguiente: Para derretir 1 kg de hielo hay que entregar 80 kcalorias. (o lo que es lo mismo, para congelar 1 kg de agua hay que quitarle 80 kcal ). Para evaporar un kg de agua hay que entregarle 540 kcal. ( y para condensar 1 kg de vapor hay que quitarle 540 kcal ).
La fórmula que se usa para calcular la cantidad de calor que hay que entregarle a una cierta masa para que se derrita, se congele, se evapore o se condense es:
TRANSMISION DEL CALOR:
El calor puede viajar de un lado a otro. Hay 3 mecanismos que usa el calor para trasladarse: conducción, convección y radiación.
CONDUCCION:
Si se coloca la punta de una cuchara al fuego, al cabo de un rato el mango también se calienta.
Supongamos que tengo una barra con una punta que está al fuego y la otra no. A través de esta barra se va a transmitir el calor. ¿Cómo hace el calor para transmitirse desde la punta caliente hasta la punta fría?
El calor se va transmitiendo de molécula a molécula. Es decir, al calentar la parte izquierda las moléculas de ese lado se ponen a vibrar más rápido. Esas moléculas van golpeando a las que tienen a la derecha. De esa manera se va propagando el calor a toda la barra.
LEY DE FOURIER:
Supongamos que tenemos una barra que tiene una longitud Δx y área A. Una punta de está caliente y la otra no. A través de la barra se va a ir transfiriendo un flujo de calor Q/t. Por ejemplo, si Q/t es 20 Kcal/seg, eso quiere decir que cada segundo que pasa están pasando por la barra 20 Kilocalorías.
Este flujo de calor puede entenderse como si fuera el flujo de agua que está circulando por un caño.
La fórmula que se usa para calcular la cantidad de calor por conducción es la ley de Fourier. Lo que dice la ley de Fourier es lo siguiente:
En esta fórmula Q/t es la cantidad de calor transmitida por unidad de tiempo. Flujo de calor. [Kcal/seg] o en [Joule/seg].
A es el área de la barra. A veces en vez de una barra uno puede tener una pared o una ventana. En ese caso, A pasa a ser el área de la pared o de la ventana. El área va en la fórmula en m2.
T1 y T2 son las temperaturas en los extremos de la barra (°C). Hay que ponerlas de manera que T1 –T2 sea mayor que 0.
ΔX es la longitud de la barra o el espesor de la pared (m).
K es lo que se llama CONDUCTIBILIDAD DEL MATERIAL. Es un coeficiente que da una idea de con qué rapidez se transmite el calor en ese material.
K es distinto para cada substancia. Si K es grande, el objeto será buen conductor del calor. (los metales, por ejemplo). Las unidades del coeficiente de conductibilidad térmica son:
CONVECCIÓN:
Esta es una forma de transmisión del calor en líquidos y en gases. Si se coloca una olla sobre el fuego, el líquido de abajo se calienta y empieza a subir. A su vez, el líquido de arriba que está más frío empieza a bajar. Así se crea una corriente de líquido que se va moviendo. Se llaman corrientes de convección.
RADIACIÓN:
Hay un fenómeno que ocurre cuando el calor del Sol llega a la Tierra. Se supone que en el medio hay espacio vacío.
¿Cómo hace el calor para viajar por el espacio vacío?
Se descubrió que lo hace por medio de ondas. Estas ondas son RADIACIÓN y no necesitan que haya substancia para propagarse. La radiación puede viajar en el vacío o en el aire. Le da lo mismo.
Supongamos una de esas estufas eléctricas que tienen resistencias que se ponen al rojo.
El calor que llega en este tipo de estufas es por radiación. Cualquier cuerpo que esté caliente emite radiación. Más caliente está, más emite. La fórmula que da el calor emitido por radiación es:
Aclaremos un poco los términos de esta fórmula:
Q/A.t es la cantidad de calor emitida por unidad de tiempo y por unidad de área. Se mide en calorías /m2.s.
Epsilon (ε) es el coeficiente de emisividad. Es un número que está entre 0 y 1. Da una idea de que tan buen emisor es el cuerpo. Más grande es epsilon, mejor emite. O sea:
Este epsilon depende del color del cuerpo. Si el cuerpo es obscuro ε es grande y el objeto es un buen emisor. En otras palabras, las superficies de color negro son buenas emisoras. Las superficies de color claro son malas emisoras.
· La constante sigma (σ) vale: 
· T4 es la temperatura en Kelvin elevada a la cuarta.