Monografias | Termodinámica

Energía calorifica: La suma de la energía potencialy de la energía sintética de un sistema no permanece siempre constante.

De una manera general, la energía mecánica total de unsistema disminuye con el frotamiento y los choques. Si por ejemplo, se frena uncuerpo durante su caída por un plano inclinado, de forma que su velocidadpermanezca constante, se producirá una disminución de su energía potencialsin que aumente su energía cinética. Pero, en todos los fenómenos de estanaturaleza se produce calor. Así el fósforo de las cerillas se inflama porfrotamiento, las herramientas se calientan al labrar los metales, etc. Sí unabala de plomo se dispara contra una placa de acero, se puede alcanzar, en elmomento del choque, una temperatura superior a su punto de fusión. El calordebe, por consiguiente, considerarse como una forma de energía, hipótesis quese ve corroborada por la posibilidad de producir trabajo mecánico consumiendocalor, por ejemplo, en las maquinas de calor.

Otras formas de energía: eléctrica. La corriente eléctricaes uno de los numerosos fenómenos que pueden producir trabajo mecánico ocalor. La primera transformación se realiza en los motores y la inversa de losgeneradores electromagnéticos de corriente (dínamos, alternadores). En todoslos conductores por los que pasan una corriente hay una producción de calor,conocida con el nombre de efecto de joule; la transformación contrariadirecta, es decir de calor en electricidad, se observa en las pilas termoeléctricasy basta calentar una de las dos soldaduras de dos metales diferentes que formanparte de un circuito para que se engendre en el mismo una corriente. De ellos sededuce que existe energía eléctrica y que el paso de una corriente esen realidad un transporte de energía a lo largo de un circuito.

Un condensador cargado de corriente también energía eléctrica,puesto a descargarse es capaz de producir una corriente, pero esta energía espotencial.

Química: Las reacciones químicas tienen lugar conabsorción o desprendimiento de calor, según los casos. La combustión, que esla combinación del oxígeno del cuerpo combustible o con los elementos que lointegran, revelan que una muestra de carbón y oxigeno contiene energía químicapotencial, que puede utlizarse al iniciar la combustión o la combinación deambos cuerpos.

La energía química se emplea a si mismo en las pilas yacumuladores eléctricos, que la transforman en energía eléctrica, y el fenómenoinverso se produce en la electrólisis, en particular al cargar losacumuladores.

Las explosiones son un ejemplo de transformación de energíaquímica en trabajo mecánico.

Radiante: La luz se produce de diversas formas, perola más corriente de éstas consiste en calentar cuerpos a una temperaturabastante elevada (lámpara de gas, Lámpara eléctrica de incandescencia). Laincandescencia es precisamente la transformación de energía calorífica en energíaradiante.

En los fenómenos de luminiscencia, o emisión de luz en frío,interviene otra forma de energía que es mecánica en el caso de latribolumiscencia. La ruptura de ciertos cristales que se producen por ejemplo almachacar azúcar provocan la aparición de luz. En la electroluminiscencia, laenergía eléctrica se transforma directamente en luz sin que pase por la formacalorifica intermedia. Así acorde en los tubos de gas rarificado como el neóny los vapores de sodio y mercurio. En la quimioluminiscencia, algunas reaccionesquímicas, como la oxidación lenta del fósforo blanco en contacto del aire,provocan emisión de luz, sin calentamiento apreciable. La luz emitida por lasluciérnagas se debe a un fenómeno análogo, puesto que produce de lasreacciones químicas que se producen durante la digestión.

La energía radiante puede convertirse en cualquiera de lasotras cuatro formas de energías que se han considerado. Así, cuando unasustancia absorbe radiaciones, se calienta y este efecto calorifico esparticularmente intenso en el caso de las radiaciones infrarrojas. Por otraparte, los haces luminosos dirigidos hacia los cuerpos ejercen en estos unafuerza de empuje que produce efectos mecánicos y recibe el nombre de presiónde radiación, fenómenos que explica la repulsión de la cola de cometaspor los rayos solares. La transformación de energía luminosa en energía eléctricatiene lugar en la fotoelectricidad al captárselos electrones que emiten algunosmetales cuando recibe la luz. Este fenómeno ha dado lugar a innumerablesaplicaciones practicas, entre las cuales pueden mencionarse el cine sonoro y latelevisión.

Las modificaciones químicas sufridas por los cuerpos bajo lainfluencia de la luz son numerosas y constituyen el objeto de la cienciadenominada fotoquímica, que estudia la transformación de la energíaluminosa en energía química. Las plantas realizan esta transformación graciasa la clorofila, que absorbe las radiaciones solares, y la energía asíalmacenada se emplea para sintetizar los alimentos hidrocarbonados.

Permítase que un sistema cambie de un estado inicial deequilibrio , a un estado final de equilibrio, en un camino determinado, siendo elcalor absorbido por el sistema y el trabajo hecho por el sistema. Después calculamos el valor de .A continuación cambiamos el sistema desde el mismo estado hasta el estado final ,pero en esta ocasión por un camino diferente. Lo hacemos esto una yotra vez, usando diferentes caminos en cada caso. Encontramos que en todos los intentos es la misma. Esto es, aunque y separadamente dependen del camino tomado, nodepende, en lo absoluto, de cómo pasamos el sistema del estado alestado ,sino solo de los estados inicial y final (de equilibrio).

Del estudio de la mecánica recordará, que cuando un objetose mueve de un punto inicial a otro final , en un campo gravitacional en ausencia de fricción, el trabajo hecho depende solode las posiciones de los puntos y no, en absoluto, de la trayectoria por la queel cuerpo se mueve. De esto concluimos que hay una energía potencial, funciónde las coordenadas espaciales del cuerpo, cuyo valor final menos su valorinicial, es igual al trabajo hecho al desplazar el cuerpo. Ahora, en la termodinámica,encontramos experimentalmente, que cuando en un sistema ha cambiado su estado al , la cantidad dependen solo de las coordenadas inicial y final y no, en absoluto, del camino tomadoentre estos puntos extremos. Concluimos que hay una función de las coordenadastermodinámicas, cuyo valor final, menos su valor inicial es igual al cambio en el proceso. A esta función le llamamos función de la energía interna.

Representemos la función de la energía interna por la letra .Entonces la energía interna del sistema en el estado , , es solo el cambio de energía interna del sistema, y esta cantidad tiene unvalor determinado independientemente de la forma en que el sistema pasa delestado alestado f: Tenemos entonces que:

Como sucede para la energía potencial, también para que la energía interna, lo que importa es su cambio. Si se escoge un valor arbitrariopara la energía interna en un sistema patrón de referencia, su valor encualquier otro estado puede recibir un valor determinado. Esta ecuación seconoce como la primera ley de la termodinámica, al aplicarla debemos recordar que se considera positiva cuando el calor entra al sistema y que será positivo cuando el trabajo lo hace el sistema.

A la función interna ,se puede ver como muy abstracta en este momento. En realidad, la termodinámicaclásica no ofrece una explicación para ella, además que es una función deestado que cambia en una forma predecible. ( Por función del estado,queremos decir, que exactamente, que su valor depende solo del estado físicodel material: su constitución, presión, temperatura y volumen.) La primera leyde la termodinámica, se convierte entonces en un enunciado de la ley de laconservación de la energía para los sistemas termodinámicos.

La energía total de un sistema de partículas ,cambia en una cantidad exactamente igual a la cantidad que se le agrega alsistema, menos la cantidad que se le quita.

Podrá parecer extraño que consideremos que s ea positiva cuando el calor entra al sistema y que seapositivo cuando la energía sale del sistema como trabajo. Se llegó aesta convención, porque fue el estudio de las máquinas térmicas lo que provocóinicialmente el estudio de la termodinámica. Simplemente es una buena formaeconómica tratar de obtener el máximo trabajo con una maquina de este tipo, yminimizar el calor que debe proporcionársele a un costo importante. Estasnaturalmente se convierten en cantidades de interés.

Si nuestro sistema sólo sufre un cambio infinitesimal en suestado, se absorbe nada más una cantidad infinitesimal de calor yse hace solo una cantidad infinitesimal de trabajo ,de tal manera que el cambio de energía interna también es infinitesimal. Aunque y no son diferencias verdaderas, podemos escribir la primera ley diferencial en la forma:

.

Podemos expresar la primera ley en palabras diciendo: Todosistema termodinámico en un estado de equilibrio, tiene una variable de estadollamada energía interna cuyo cambio en un proceso diferencial está dado por la ecuación antes escrita.

La primera ley de la termodinámica se aplica a todo procesode la naturaleza que parte de un estado de equilibrio y termina en otro. Decimosque si un sistema esta en estado de equilibrio cuando podemos describirlo pormedio de un grupo apropiado de parámetros constantes del sistema como presión,el volumen, temperatura, campo magnético y otros la primera ley sigue verificándosesi los estados por los que pasa el sistema de un estado inicial (equilibrio), asu estado final (equilibrio), no son ellos mismos estados de equilibrio. Porejemplo podemos aplicar la ley de la termodinámica a la explosión de un coheteen un tambor de acero cerrado.

Hay algunas preguntas importantes que no puede decir laprimera ley. Por ejemplo, aunque nos dice que la energía se conserva en todoslos procesos, no nos dice si un proceso en particular puede ocurrir realmente.Esta información nos la da una generalización enteramente diferente, llamadasegunda ley de la termodinámica, y gran parte de los temas de la termodinámicadependen de la segunda ley.

Las primeras máquinas térmicas construidas, fuerondispositivos muy eficientes. Solo una pequeña fracción del calor absorbido dela fuente de la alta temperatura se podía convertir en trabajo útil. Aun alprogresar los diseños de la ingeniería, una fracción apreciable del calorabsorbido se sigue descargando en el escape de una máquina a baja temperatura,sin que pueda convertirse en energía mecánica. Sigue siendo una esperanza diseñaruna maquina que pueda tomar calor de un depósito abundante, como el océano yconvertirlo íntegramente en un trabajo útil. Entonces no seria necesariocontar con una fuente de calor una temperatura más alta que el medio ambientequemando combustibles. De la misma manera, podría esperarse, que se diseñaraun refrigerador que simplemente transporte calor, desde un cuerpo frío a uncuerpo caliente, sin que tenga que gastarse trabajo exterior. Ninguna de estasaspiraciones ambiciosas violan la primera ley de la termodinámica. La máquinatérmica sólo podría convertir energía calorífica completamente en energíamecánica, conservándose la energía total del proceso. En el refrigeradorsimplemente se transmitiría la energía calorifica de un cuerpo frío a uncuerpo caliente, sin que se perdiera la energía en el proceso. Nunca se halogrado ninguna de estas aspiraciones y hay razones para que se crea que nuncase alcanzarán.

La segunda ley de la termodinámica, que es una generalizaciónde la experiencia, es una exposición cuyos artificios de aplicación noexisten. Se tienen muchos enunciados de la segunda ley, cada uno de los cualeshace destacar un aspecto de ella, pero se puede demostrar que son equivalentesentre sí. Clausius la enuncio como sigue: No es posible para una máquina cíclicallevar continuamente calor de un cuerpo a otro que esté a temperatura másalta, sin que al mismo tiempo se produzca otro efecto (de compensación). Esteenunciado desecha la posibilidad de nuestro ambicioso refrigerador, ya que ésteimplica que para transmitir calor continuamente de un objeto frío a un objetocaliente, es necesario proporcionar trabajo de un agente exterior. Por nuestraexperiencia sabemos que cuando dos cuerpos se encuentran en contacto fluye calordel cuerpo caliente al cuerpo frío. En este caso, la segunda ley elimina laposibilidad de que la energía fluya del cuerpo frío al cuerpo caliente y asídetermina la dirección de la transmisión del calor. La dirección se puedeinvertir solamente por medio de gasto de un trabajo.

Kelvin (con Planck) enuncio la segunda ley con palabrasequivalentes a las siguientes: es completamente imposible realizar unatransformación cuyo único resultado final sea el de cambiar en trabajo elcalor extraído de una fuente que se encuentre a la misma temperatura. Esteenunciado elimina nuestras ambiciones de la máquina térmica, ya que implicaque no podemos producir trabajo mecánico sacando calor de un solo depósito,sin devolver ninguna cantidad de calor a un depósito que esté a unatemperatura más baja.

Para demostrar que los dos enunciados son equivalentes,necesitamos demostrar que si cualquiera de los enunciados es falso, el otrotambién debe serlo. Supóngase que es falso el enunciado de Clausius, de talmanera que se pudieran tener un refrigerador que opere sin que se consuma eltrabajo. Podemos usar una máquina ordinaria para extraer calor de un cuerpocaliente, con el objeto de hacer trabajo y devolver parte del calor a un cuerpofrío.

Pero conectando nuestro refrigerador "perfecto" alsistema, este calor se regresaría al cuerpo caliente, sin gasto de trabajo,quedando así utilizable de nuevo para su uso en una máquina térmica. De aquíque la combinación de una maquina ordinaria y el refrigerador"perfecto" formará una máquina térmica que infringe el enunciado deKelvin-Planck. O podemos invertir el argumento. Si el enunciado Kelvin-Planckfuera incorrecto, podríamos tener una máquina térmica que sencillamente tomecalor de una fuente y lo convierta por completo en trabajo. Conectando esta máquinatérmica "perfecta" a un refrigerador ordinario, podemos extraer calorde un cuerpo ordinario, podemos extraer calor de un cuerpo caliente, convertirlocompletamente en trabajo, usar este trabajo para mover un refrigeradorordinario, extraer calor de un cuerpo frío, y entregarlo con el trabajoconvertido en calor por el refrigerador, al cuerpo caliente. El resultado netoes una transmisión de calor desde un cuerpo frío, a un cuerpo caliente, singastar trabajo, lo infringe el enunciado de Clausius.

La segunda ley nos dice que muchos procesos sonirreversibles. Por ejemplo, el enunciado de Clausius específicamente eliminauna inversión simple del proceso de transmisión de calor de un cuerpocaliente, a un cuerpo frío. Algunos procesos, no sólo no pueden regresarse porsí mismos, sino que tampoco ninguna combinación de procesos pueden anular elefecto de un proceso irreversible, sin provocar otro cambio correspondiente enotra parte.

En el análisis de muchas reacciones químicas es necesariofijar un estado de referencia para la entropia. Este siempre puede escogerse algúnnivel arbitrario de referencia cuando solo se involucra un componente; para lastablas de vapor convencionales se ha escogido 32⁰F. Sobre la base delas observaciones hechas por Nernst y por otros, Planck estableció la terceraley de la termodinámica en 1912, así:

Un cristal "perfecto" es aquel que esta enequilibrio termodinámica. En consecuencia, comúnmente se establece la terceraley en forma más general, como:

La importancia de la tercera ley es evidente. Suministra unabase para el calculo de las entropías absolutas de las sustancias, las cualespueden utilizarse en las ecuaciones apropiadas para determinar la dirección delas reacciones químicas.

Una interpretación estadística de la tercera ley es másbien sencilla, puesto que la entropia se ha definido como:

En donde k es la constante de Bolzmall esla probabilidad termodinámica. En vista de la anterior disertación, la terceraley equivale a establecer que:

cuando 0.

Esto significa que sólo existe una forma de ocurrenciadel estado de energía mínima para una sustancia que obedezca la tercera ley.

Hay varios casos referidos en la literatura en donde los cálculosbasados en la tercera ley no están desacuerdo con los experimentos. Sinembargo, en todos los casos es posible explicar el desacuerdo sobre la base deque la sustancia no es "pura", esto es, pueda haber dos o más isótoposo presentarse moléculas diferentes o, también, una distribución de noequilibrio de las moléculas. En tales casos hay más de un estado cuántico enel cero absoluto y la entropia no tiende a cero.

La entropía, como todas las variables de estado, dependen sólo de los estados del sistema, y debemos estar preparados para calcular el cambio en la entropía de procesos irreversibles, conociendo sólo los estados deprincipio y al fin. Consideraremos dos ejemplos:

1.- Dilatación libre: Dupliquemos el volumen de un gas,haciendo que se dilate en un recipiente vacío, puesto que no se efectúa reacciónalguna contra el vacío, y,como el gas se encuentra encerrado entre paredes no conductoras, .por la primera ley se entiende que o:

donde y se refieren a los estados inicial y final (de equilibrio). Si el gas es ideal, dependeúnicamente de la temperatura y no de la presión o el volumen, y la ecuación implica que .

En realidad, la dilatación libre es irreversible, perdemosel control del medio ambiente una vez que abrimos la llave. Hay sin envergo, unadiferencia de entropía , entre los estados de equilibrio inicial y final, pero no podemos calcularla con la ecuación ,por que esta relación se aplica únicamente a trayectorias reversibles; sitratamos de usar la ecuación, tendremos inmediatamente la facultad de que Q= 0 para la dilatación libre - además - no sabremos como dar valoressignificativos de T en los estados intermedios que no son de equilibrio.

Entonces, ¿Cómo calcularemos S_f - S_ipara estos estados?, lo haremos determinando una trayectoria reversible(cualquier trayectoria reversible) que conecte los estados y f, para así calcular el cambio de entropía de la trayectoria. En ladilatación libre, un trayecto reversible conveniente (suponiendo que se tratede un gas ideal) es una dilatación isotérmica de V_I a V_f (=2V_i).Esto corresponde a la dilatación isotérmica que se lleva a cabo entre lospuntos a y b del ciclo del Carnot.

Esto representa un grupo de operaciones muy diferentes de ladilatación libre y tienen en común la única condición de que conectan elmismo grupo de estados de equilibrio, y f. De la ecuación y el ejemplo 1 tenemos.

Esto es positivo, de tal manera que la entropía del sistemaaumenta en este proceso adiabático irreversible. Nótese que la dilataciónlibre es un proceso que, en la naturaleza se desarrolla por sí mismo una veziniciado. Realmente no podemos concebir lo opuesto, una compresión libre en laque el gas que en un recipiente aislado se comprima en forma espontanea de talmanera que ocupe solo la mitad del volumen que tiene disponible libremente. Todanuestra experiencia nos dice que el primer proceso es inevitable y virtualmente,no se puede concebir el segundo.

2.- Transmisión irreversible de calor. Como otroejemplo, considérense dos cuerpos que son semejantes en todo, excepto que unose encuentra a una temperatura T_H y el otro a la temperatura T_C,donde T_H> T_C. Si ponemos ambos objetos encontacto dentro de una caja con paredes no conductoras, eventualmente llegan ala temperatura común T_m, con un valor entre T_Hy T_C; como la dilatación libre, el proceso es irreversible,por que perdemos el control del medio ambiente, una vez que colocamos los doscuerpos en la caja. Como la dilatación libre, este proceso también es adiabático(irreversible), por que no entra o sale calor en el sistema durante el proceso.

Para calcular el cambio de entropía para el sistema duranteeste proceso, de nuevo debemos encontrar un proceso reversible que conecte losmismos estados inicial y final y calcular el cambio de entropía, aplicando la ecuación al proceso. Podemos hacerlo, si imaginamos que tenemos a nuestra disposición un deposito de calor de gran capacidad calorífica, cuya temperatura T estebajo nuestro control, digamos, haciendo girar una perilla. Primero ajustamos, la temperatura del deposito a T_H a T_m, quitando caloral cuerpo caliente al mismo tiempo. En este proceso el cuerpo caliente pierdeentropía, siendo el cambio de esta magnitud .

En seguida ajustamos la temperatura de nuestro depósito aT_c y lo colocamos en contacto con el segundo cuerpo (el más frío).A continuación elevamos lentamente (reversiblemente) la temperatura del depósitode T_c a T_m, cediendo calor al cuerpo fríomientras lo hacemos. El cuerpo frío gana entropía en este proceso, siendo su cambio .

Aquí T₂ es una temperatura adecuada,escogida para que quede entre T_c y T_m y Q esel calor agregado. El calor Q agregado al cuerpo frío es igual al Qextraído del cuerpo caliente.

Los dos cuerpos se encuentran ahora en la misma temperatura T_my el sistema se encuentra en el estado de equilibrio final. El cambio de entropíapara el sistema completo es:

Como T₁>T₂, tenemos S_f>S_i. De nuevo, como para la dilatación libre, la entropíadel sistema aumenta en este proceso reversible y adiabático.

Nótese que, como la dilatación libre, nuestro ejemplo de laconducción del calor es un proceso que en la naturaleza se desarrolla por símismo una vez que se ha iniciado. En realidad no podemos concebir el procesoopuesto, en el cual, por ejemplo, una varilla de metal en equilibrio térmico ala temperatura del cuarto espontáneamente se ajuste de tal manera, que unextremo quede más caliente y en el otro más frío. De nuevo, la naturalezatiene la preferencia irresistible para que el proceso se efectúe en una direccióndeterminada y no en la opuesta.

En cada uno de estos ejemplos, debemos distinguircuidadosamente el proceso real (irreversible) (dilatación libre o transmisióndel calor) y el proceso reversible que se introdujo, para que se pudieracalcular el cambio de entropía en el proceso real.

Podemos escoger cualquier proceso reversible, mientrasconecte los mismos estados inicial y final que el proceso real; todos estosprocesos reversibles llevarán al mismo cambio de entropía porque ella dependesólo los estados inicial y final y no de los procesos que los conectan, tantosi son reversibles como si son irreversibles.

Mediante el contacto de la epidermis con un objeto seperciben sensaciones de frío o de calor, siendo está muy caliente. Losconceptos de calor y frío son totalmente relativos y sólo se pueden establecercon la relación a un cuerpo de referencia como, por ejemplo, la mano delhombre.

Lo que se percibe con más precisión es la temperatura delobjeto o, más exactamente todavía, la diferencia entre la temperatura delmismo y la de la mano que la toca. Ahora bien, aunque la sensaciónexperimentada sea tanto más intensa cuanto más elevada sea la temperatura, setrata sólo una apreciación muy poco exacta que no puede considerarse comomedida de temperatura. Para efectuar esta ultima se utilizan otras propiedadesdel calor, como la dilatación, cuyos efectos son susceptibles.

Con muy pocas excepciones todos los cuerpos aumentan devolumen al calentarse y diminuyen cuando se enfrían. En caso de los sólidos,el volumen suele incrementarse en todas las direcciones se puede observar estefenómeno en una de ellas con experiencia del pirometró del cuadrante.

El, pirometro del cuadrante consta de una barra metálicaapoyada en dos soportes, uno de los cuales se fija con un tornillo, mientras queel otro puede deslizarse y empujar una palanca acodada terminada por una agujaque recorre un cuadrante o escala cuadrada. Cuando, mediante un mechero, secalienta fuertemente la barra, está se dilata y el valor del alargamiento,ampliado por la palanca, aparece en el cuadrante.

Otro experimento igualmente característico es el llamado delanillo de Gravesande. Este aparato se compone de un soporte del quecuelga una esfera metálica cuyo diámetro es ligeramente inferior al de unanillo el mismo metal por el cual puede pasar cuando las dos piezas están a l amisma temperatura. Si se calienta la esfera dejando el anillo a la temperaturaordinaria, aquella se dilata y no pasa por el anillo; en cambio puede volver ahacerlo una vez enfriada o en el caso en que se hayan calentando simultáneamentey a la misma temperatura la esfera y el anillo.

La dilatación es, por consiguiente, una primera propiedad térmicade los cuerpos, que permite llegar a la noción de la temperatura.

La segunda magnitud fundamental es la cantidad de calorque se supone reciben o ceden los cuerpos al calentarse o al enfriarse,respectivamente.

La cantidad de calor que hay que proporcionar a un cuerpopara que su temperatura aumente en un numero de unidades determinado es tantomayor cuanto más elevada es la masa de dicho cuerpo y es proporcional a lo quese denomina calor especifico de la sustancia de que está constituido.

Cuando se calienta un cuerpo en uno de sus puntos, el calorse propaga a los que son próximos y la diferencia de temperatura entre el puntocalentado directamente y otro situado a cierta distancia es tanto menor cuandomejor conducto del calor es dicho cuerpo. Si la conductabilidad térmicade un cuerpo es pequeña, la transmisión del calor se manifiesta por undescenso rápido de la temperatura entre el punto calentado y otro próximo. Asísucede con el vidrio, la porcelana, el caucho, etc. En el caso contrario, porejemplo con metales como el cobre y la plata, la conductabilidad térmica es muygrande y la disminución de temperatura entre un punto calentado y el otro próximoes muy reducida.

Se desprende de lo anterior que el estudio del calor sólopuede hacerse después de haber definido de una manera exacta los dos términosrelativos al propio calor, es decir, la temperatura, que se expresa en grados,y la cantidad de calor, que se expresa en calorías.

Habrá que definir después algunas propiedades específicasde los cuerpos en su manera de comportarse con respecto al calor y laconductabilidad térmica.

Las dos escalas de temperatura de uso común son la Celsius(llamada anteriormente ‘’centígrada’’) y la Fahrenheit. Estas seencuentran definidas en términos de la escala Kelvin, que es las escalafundamental de temperatura en la ciencia.

La escala Celsius de temperatura usa la unidad ‘’gradoCelsius’’ (símbolo ⁰C), igual a la unidad ‘’Kelvin’’.Por esto, los intervalos de temperatura tienen el mismo valor numérico en lasescalas Celsius y Kelvin. La definición original de la escala Celsius se hasustituido por otra que es más conveniente. Sí hacemos que T_crepresente la escala de temperatura, entonces:

relaciona la temperatura Celsius T_c (⁰C)y la temperatura Kelvin T(K). Vemos que el punto triple del agua (=273.16Kpor definición), corresponde a 0.01⁰C. La escala Celsius se definióde tal manera que la temperatura a la que el hielo y el aire saturado con aguase encuentran en equilibrio a la presión atmosférica - el llamado punto dehielo - es 0.00 ⁰C y la temperatura a la que el vapor y el agualiquida, están en equilibrio a 1 atm de presión -el llamado punto del vapor-es de 100.00 ⁰C.

La escala Fahrenheit, todavía se usa en algunos países queemplean el idioma ingles aunque usualmente no se usa en el trabajo científico.Se define que la relación entre las escalas Fahrenheit y Celsius es:

.

De esta relación podemos concluir que el punto del hielo(0.00⁰C) es igual a 32.0 ⁰F, y que el punto del vapor(100.0⁰C) es igual a 212.0 ⁰F, y que un grado Fahrenheites exactamente igual del tamaño de un grado celcius.

La termodinámica se ocupa solo de variables microscópicas,como la presión, la temperatura y el volumen. Sus leyes básicas, expresadas entérminos de dichas cantidades, no se ocupan para nada de que la materia estaformada por átomos. Sin embargo, la mecánica estadística, que estudialas mismas áreas de la ciencia que la termodinámica, presupone la existenciade los átomos. Sus leyes básicas son las leyes de la mecánica, las que seaplican en los átomos que forman el sistema.

No existe una computadora electrónica que pueda resolver elproblema de aplicar las leyes de la mecánica individualmente a todos los átomosque se encuentran en una botella de oxigeno, por ejemplo. Aun si el problemapudiera resolverse, los resultados de estos cálculos serian demasiadosvoluminosos para ser útiles.

Afortunadamente, no son importantes las historiasindividuales detalladas de los átomos que hay en un gas, si sólo se trata dedeterminar el comportamiento microscópico del gas. Así, aplicamos las leyes dela mecánica estadísticamente con lo que nos damos cuenta de que podemosexpresar todas las variables termodinámica como promedios adecuados de laspropiedades atómicas. Por ejemplo, la presión ejercida por un gas sobre lasparedes de un recipiente es la rapidez media, por unidad de área, a la que losátomos de gas transmiten ímpetu a la pared, mientras chocan con ella. Enrealidad el numero de átomos en un sistema microscópico, casi siempre es tangrande, que estos promedios definen perfectamente las cantidades.

Podemos aplicar las leyes de la mecánica estadísticamente agrupos de átomos en dos niveles diferentes. Al nivel llamado teoría cinética,en el que procederemos en una forma más física, usando para promediar técnicasmatemáticas bastantes simples.

En otro nivel, podemos aplicar las leyes de la mecánicausando técnicas que son más formales y abstractas que las de la teoría cinética.Este enfoque desarrollado por J. Willard Gibbs (1839-1903) y por LudwigBoltzmann (1844-1906)entre otros, se llama mecánica estadística, un terminoque incluye a la teoría cinética como una de sus ramas. Usando estos métodospodemos derivar las leyes de la termodinámica, estableciendo a esta cienciacomo una rama de la mecánica. El florecimiento pleno de la mecánica estadística(estadística cuántica), que comprende la aplicación estadística de las leyesde la mecánica cuántica, más que las de la mecánica clásica para sistemasde muchos átomos.

Gas ideal : Una descripción macroscópica.

Hagamos que cierta cantidad de gas esté confinada en unrecipiente del volumen V. Es claro que podemos reducir su dencidad,retirando algo de gas en el recipiente, o colocando el gas en un recipiente másgrande. Encontramos experimentalmente que a densidades lo bastante pequeñas,todos los gases tienden a mostrar ciertas relaciones simples entre las variablestermodinámicas p,V y T. Esto sugiere el concepto de un gasideal, uno que tendra el mismo comportamiento simple, bajo todas lascondiciones de temperatura y presión.

Dado cualquier gas en un estado de equilibrio térmico,podemos medir su presión p, su temperatura T y su volumen V.Para valores suficientes pequeños la densidad, los experimentos demuestran que(1) para una masa dada de gas que se mantiene a temperatura constante, la presiónes inversamente proporcional al volumen (ley de Boyle), y (2) para una masa dadade gas que se mantiene a presión constante, el volumen es directamenteproporcional a la temperatura (ley de Charles y Gay Lussac). Podemos resumirestos resultados experimentales por medio de la relación:

una constante (para una masa fija de gas).

El volumen ocupado por un gas a una presión y temperaturasdadas, es proporcional a la masa del gas. Así, la constante de la ecuación una constante, también debe ser proporcional a la masa del gas, por ello escribimosla constante de la ecuación una constante; como nR, donde n es el numero de moles de gas en lamuestra y R es una constante que debe determinarse en forma experimentalpara cada gas. Los experimentos demuestran que, a dencidades suficientes pequeñas,R tiene el mismo valor para todos los gases, a saber,

R se llama la constante universal de los gases.Con esto escribimos la ecuación una constante, en la forma:

y definimos a un gas ideal, como aquel que obedece estarelación bajo todas las condiciones. No existe algo que seaen verdad un gasideal, pero sigue siendo concepto muy util y sencillo, relacionado realmente,con el hecho que todos los gases reales se aproximan a la abtracción de losgases ideales en su comportamiento, siempre que la densidad sea suficientementepequeña. pV=nRT se llama ecuación de estado de un gas ideal.

Si pudieramos llenar al bulbo de un termonetro de gas (ideal)a volumen constante, un gas ideal, de veriamos, deacuerdo con la ecuación pV=nRT,que podemos definir la temperatura en terminos de sus lecturas de presión;esto es: (gas ideal).

Aquí es la presión del gas en el punto triple del agua, en el que la temperatura es por definición 273.16 K. En la practica, debemos llenar nuestro termometro conun gas real y medir la temperatura extrapolando a la densidad cero, usando la ecuación:

(gas real).

Desde el punto de vista microscópico, definimos a un gasideal haciendo las siguientes suposiciones, con lo que nuestra tarea sera la deaplicar las leyes de la mecánica clásica, estadisticamente, a los atomos delgas y demostrar que nuestra definición microscópica es consecuente co ladefinición macroscópica de la sección procedente:

1.- Un gas esta formado por particulas llamadasmoleculas. Dependiendo del gas, cada molecula esta formada por un atomo o ungrupo de atomos. Si el gas es un elemento o un compuesto en su estado estable,consideramos que todas sus moleculas son identicas.

2.- Las moleculas se encuentran animadas de movimientoaleatorio y oobedecen las leyes de Newton del movimiento. Las moleculas semueven en todas direcciones y a velocidades diferentes. Al calcular laspropiedades del movimiento suponemos que la mecánica newtoniana se puedeaplicar en el nivel microscopico. Como para todas nuestras suposisiones, estamantendra o desechara, dependiendo de si los hechos experimentales indican o noque nuestras predicciones son corectas.

3.- El numero total de moleculas es grande. Ladirección y la repidez del movimiento de cualquiera de las moleculas puedecambiar bruscamente en los choques con las paredes o con otras moleculas.Cualquiera de las moleculas en particular, seguira una trayectoria de zigzag,debido a dichos choques. Sin embargo, como hay muchas moleculas, suponemos queel gran numero de choques resultante mantiene una distribución total de lasvelocidades moleculares con un movimiento promedio aeleatorio,

4.- El volumen de las moleculas es una fraccióndespresiablemente pequeña del volumen ocupado por el gas. Aunque hay muchasmoleculas, son extremadamente pequeñas. Sabemos que el volumen ocupado por unagas se puede cambiar en un margen muy amplio, con poca dificultad y que, cuandoun gas se condensa, el volumen ocupado por el liquido puede ser miles de vecesmenor que la del gas se condensa, el volumen ocupado por el liquido puede sermiles de veces menor que el del gas. De aqui que nuestra suposición es posible.

5.- No actuan fuerzas apresiables sobre lasmoleculas, excepto durante los choques. En el grado de que esto sea cierto,una molecula se movera con velocidad uniformeentre los choques. Como hemossupuesto que las moléculas son tan pequeñas, la distancia media entre ellas esgrande en comparación con el tamaño de una de las moléculas. De aquiquesuponemos que el alcance de las fuerzas moleculares es comparable al tamañomolecular.

6.- Los choques son elasticos y de duracióndespresiable. En las choques entre las moleculas con las paredes delrecipiente se conserva el impetu y (suponemos) la energia cenetica. Devido a queel tiempo de choque es despresiable comparado con el tiempo que transcurreentrelos choque de moleculas, la energia cinetica que se convierte en nergiapotencial durante el choque, queda disponible denuevo como energia cinetica,despues de un tiempo tan corto, que podemos ignorar este cambio por completo.

Toda las masas gaseosas experimentan variaciones de presión,volumen y temperatura que se rigen por las siguientes leyes:

Los volumenes ocupados por una misma masa gaseosaconservandose su temperatura constante, son inversamente proporcionales a lapresión que soporta.

Segunda ley (Gay-Lussac).

Cuando se calienta un gas, el volumen aumenta 1/273 parte desu valor primitivo, siempre que la presión no varie. Temperatura y volumen sondirectamente proporcioneles.

Tercera ley (Charles)

La presión ejercida por una masa gaseosa es directamenteproporcional a su temperatura absoluta, siempre que el volumen sea constante.

En una masa gaseosa los volumenes y las presiones sondirectamente proporcioneles a sus temperaturas absolutas e inversamenteproporcionales entre sí.

SUS EFECTOS, PREVISIBLES HASTA 1988.

Pescadores peruanos y ecuatorianos fueron los primeros enpercatarse de un fenómeno climático que ocurría con alguna regularidad, lollamaron El niño pues se presentaba en vísperas de Navidad y loasociaban con la llegada del niño Jesús. Posteriormente llamó la atención delos científicos, quienes comenzaron a estudiarlo.

Durante 1997 el fenómeno ha causado severos cambios en elclima de todo el mundo. Según la Administración Nacional Oceanográfica yAtmosférica (NOAA, por sus siglas en ingles) en el continente americanoprovocara "inusuales alteraciones del clima", que se presentaran denoviembre de 1997 a marzo de 1998; las observaciones satelitales el aumento dela temperatura del Pacifico ecuatorial.

Ants Leetmaa, director del Centro de Predicciones Climáticasde la NOAA, menciono algunas de estas inusuales modificaciones: monzones en elsudeste de Asia e India; sequías en Estados Unidos, sudeste de África,Australia y el noreste de Brasil; fuertes tormentas en el Océano Pacifico einundaciones en Perú, Ecuador, Centroamericana y el sur de Estados Unidos. Porsu parte, investigadores del Centro de Predicción Ambiental Marítima de Chinainformaron que el fenómeno meteorológico será el mas fuerte de este siglo ysus efectos se agudizaran a finales del año. Son Xuejia, director del centro,advirtió: "En estos momentos la fuerza de esta alteración natural esigual a la de 1982, pero se espera que se fortalezca aun mas a finales de1997".

Dice que el mar ha registrado movimientos violentos y laalteración de las temperaturas atmosféricas indica que durante este año Elniño se presentara con tal fuera que probablemente será catalogado como elpeor del siglo.

EL NIÑO DEL SIGLO.

Desde que se estudia, uno de los peores fenómenos que se hapresentado es el de 1982-1983, cuando provoco inundaciones en Perú, lluviastorrenciales en el sur de California y benefició con un invierno anormal a unaparte de Estados Unidos. En lo que fue su ultimo gran golpe, el meteoro causograves sequías en Indonesia, África y Australia; persistentes lluvias en América,además de severas inundaciones y deslizamientos.

En este periodo, ocasiono mas de 2 mil muertes en el mundo ydalos materiales por 13 mil millones de dólares. Por ahora, los pronósticos señalanque el fenómeno seguirá fortaleciéndose, pasara por su máxima intensidadhacia finales de este año y se prolongara en su fase de debilitamiento en losprimeros meses del año.

¿ QUÉ ES EL NIÑO ?

Es una masa de agua con una temperatura por arriba de lonormal y se asocia con los tifones, inundaciones, sequías terrestres y todaclase de cambios climáticos. Se desplaza desde las costas de Indonesia por la líneaecuatorial, hasta las costas del pacifico sudamericano en el verano delHemisferio Sur; al suceder esto, las aguas costeras de Perú, Ecuador y delnorte de Chile se elevan algunos grados por encima del promedio.

Este fenómeno que se genera con intervalos de dos a siete añosse caracteriza porque la superficie del mar y la atmósfera sobre él presentanuna condición anormal durante un periodo de 12 a 18 meses, que decae cuando nohay suficiente agua cálida para sostener el ciclo.

El Ingeniero Carlos Espinosa González, gerente del SistemaMeteorológico Nacional (SMN), explico que el meteoro se inicia durante elverano, se propaga hacia el este y alcanza su etapa de madurez en el inviernodel Hemisferio Norte. El niño se origina en el Océano Pacificotropical, cerca de Australia e Indonesia, donde aumenta la temperatura de lasaguas superficiales. Este máximo de temperatura se desplaza gradualmente haciael este y alrededor de seis meses después, alcanza la costa de América delSur, en el extremo este del Pacifico.

El desplazamiento del máximo de temperatura va acompañadode un enfriamiento relativo en el Océano Pacifico Occidental, cerca de Asia.Mientras esto sucede en el océano, en la atmósfera, se altera el patrón de lapresión atmosférica, la cual baja en el este del Pacifico y sube en el oeste.A la aparición y desplazamiento del máximo de temperatura se le ha nombrado"episodio cálido" y al sube y baja de la presión, oscilación delsur.

En tanto, los científicos lo llamaron ENOS (El niño,Oscilación del Sur) y lo definen como alteraciones de los patrones decirculación del océano y la atmósfera. Durante ENOS se altera la presiónatmosférica en zonas distintas entre sí, cambia la dirección y velocidad delviento y se desplazan las zonas de lluvia de la región tropical. En el océano,la contracorriente ecuatorial, que dirige las aguas frías de la corriente delPerú hacia el oeste, se debilita, favoreciendo el transporte de aguas cálidashacia la costa de América del Sur.

Los cambios climáticos que acompañan a El niño son:

• Sube la presión atmosférica en el Pacifico, a la altura del Ecuador sobre el oeste.
• Los vientos predominantes se debilitan y revierten su dirección normal.
• El agua oceánica fluye a mayor temperatura hacia el Ecuador.

Se producen fuertes lluvias en el Pacifico Central y este, ala altura del Ecuador.

Lo contrario a este fenómeno es La niña o fase fríade ENOS. En este caso las aguas son más frías de lo normal en elPacifico tropical del este, a la altura de las costas de Sudamérica.

Cuando se presenta en territorio nacional, los veranos sonlluviosos, el invierno es tibio y la actividad de huracanes aumentaprincipalmente en el Golfo de México y en el Océano Atlántico.

No se sabe cuando será el año de La niña; por lopronto, hasta los primeros meses de 1998, El niño seguirá modificandolos patrones del clima del mundo. Estos fenómenos no se pueden presentar almismo tiempo y tampoco es factible predecir cuando volverá a darse cualquierade los dos.

LA LLEGADA DE EL NIÑO.

Se ha presentado 17 veces desde 1925. Entre lo mas recordadosesta el de 1953, pero al de este año es al que se ha considera como el másintenso. Los científicos atribuyen a varias causas naturales su aparición.Daniel Walter, investigador de la Universidad de Hawai, asocia el fenómeno conla actividad que ocurre con el lecho del océano, dice que hay una conexiónentre los terremotos bajo el mar y la incidencia de El niño.

En su opinión, la aparición del fenómeno coincidió consismos en el East Pacific Rise, una cadena montañosa ubicada en el océano. Latemperatura volcánica llegaba a la superficie del este y calentaba el agua y elaire de la zona, desencadenando las anormalidades que lo caracterizan.

Por su parte, John Toole, oceanografo de Massachusetts,explica que el problema lo provocan el océano y la atmósfera. "Laprincipal causa esta en el primero, que es muy ancho para dar una respuestauniforme a la acción de la radiación solar".

En la actualidad los investigadores vinculan másestrechamente la ocurrencia de El niño con cambios en la presión atmosféricay en la dirección de los vientos en la zona ecuatorial. Carlos Espinosa lodefine como una combinación de interacciones entre el océano y la atmósfera,pero advierte que "no se conocen las causas que originan el desarrollo delfenómeno y no se puede pronosticar. Se sabe que apareció cuando el agua del océanose calentó más de lo normal y predominaron los vientos de oeste a este.

Es un sisteme en el cual las particulas de una sustancia pueden hallarse en suspensión en un liquido -sin tender a acumularse en la superficie ni en el fondo - merced a un equilibrio llamado estado coloidal(sustancia cuyas particulas tienen propiedades coloidales).

Las particalas de todas las substancias coloidales se hayancargadas electricamente y no pueden atravesar dichas membranas.

Las particulas coloidales (micelas) se emulcionan en el senodel líquido y dan una seudosolución (sol) cuya estabilidad depende de laviscosidad y tensión superficial del solvente y de la carga electrica de lasmicelas. Esta carga puede ser negativa o positiva - segun la sustancia de que setrate - paro siempre del mismo signo para todas las micelas. Por consiguiente,estas se repelen y no pueden aglomerarse.

Una parte de los tejidos vegetales y animales son denaturaleza coloidal. Además, los coloides constituyen el punto de partidadeimportantes procesos industriales, cuales son la fabricación del caucho, dela seda artificial, del celuloide y otras materias.

La suspención de particulas liquidas en un medio gaseoso esaerosol.

El ozono esta formado por los efluvios eléctricos, seencuentra en pequeñas cantidades en la baja atmosfera, pero existe tambuién enlas capas más elevadas donde es engendrado por las radiaciones solaresultravioleta.

Gas de la formula O₃ que no es sino una variedadde oxigeno cuyas moleculas constan de tres atomos en vez de los que tiene lamolecula de oxigeno ordinario.

Si el ozono cotenido en la atmosfera se hallara en el suelo,a la temperatura y presión normales, formaria una capa del orden de 2, 5 mmde espesor. En realidad, casi todo este ozono esta consentrado en la ozonosfera,parte de laestratosfera siuada entre 15 y 40 km. Allí se produce, al serdisociadas las moléculas de oxigeno del aire por los rayos ultraviolados deorigen solar y también por los electrones libres y las radiaciones libres y lasradiaciones cosmicas. El ozono detiene asi a todos los rayos ultravioladossolares de la longitud de onda inferior a 2900 angströms, cuya circunstancia sedebe - dado las referidas radiacines son mortales, tanto para los animales comopara las plantas - La existencia de vida en nuestro planeta.

El aire atmosferico ejerce sobre toda pared solida en la quese encuentra sumergido una presión perpendicular, que se denomina presiónatmosferica, cuyo valor es aproximadamente de un kilogramo por centimetrocuadrado.

La presión atmosferica es la que ejerce la atmosfera sobretodos los objetos que se hallan en contacto con ella y que no es sino lamanifestación del peso del aire.

Una columna de aire cuya base mida 1 cm² ycuya altura sea la de la atmosfera, pesa 1003g y equilibra el peso de lacolumna de mercurio de igual diametro y de 76 cm de altura o una de aguade 10,33 m, equivalentes a 1013 milibares. Dichos valores se refieren ala presión a nivel del mar, ya que, como la densidad del aire disminuyerapidamente con la altura, también experimenta un rapido descenso la presión,pues más de la mitad de todo el aire atmosfericose halla consentrado en los5,000 primeros metros y 96% del mismo en los primeros 20,000 m. De ahíla necesidad de comprimir el aire en las cabinas de los aviones y laimposibilidad para los mismos de sustentarse y de hallar en la alta atmosfera eloxígeno necesario para el funcionamiento de los motores de combustión aerobia.Pero los cohetes, que no se apoyan con los planos sustentasores y que llevan supropia reserva de comburente, se mueven y funcionan en las atmosferas másenraresidas e incluso en el vacío.

La presión atmosferica al nivel del mar se halla sujeta avariaciones provocadas por os movimientos de las masas de aire, dado que un airefrío es más denso que un aire caliente. Estos cambios provocan perturbacionesdel tiempo.

Dicese que la atmosfera material rodea a las personas y a lascosas. Y por ext., la atmosfera moral y el conjunto de factores quecontribuyen a crear una situación o estado particular alredor de una persona.

El azul del cielo y el rojo de la puesta del sol, se deben aun fenómeno llamado <<difusión>>. Cuando la luz del sol pasa porla atmósfera de la Tierra, mucha de la luz es recogida por las moléculas delaire y cedida otra vez en alguna otra dirección. El fenómeno es muy similar ala acción de las ondas del agua sobre los objetos flotantes. Si, por ejemplo,las ondulaciones procedentes de una piedra arrojada a un estanque de agua inmóvilencuentran algún corcho pequeño flotando en su superficie, el corcho cabeceasubiendo y bajando con la frecuencia de las ondas que pasan.

La luz se describe como actuando del mismo modo sobre moléculasdel aire y finas partículas de polvo. Una vez puestas en vibración por unaonda luminosa, una molécula o una partícula pueden emitir de nuevo luzabsorbida, algunas veces en la misma dirección, pero generalmente en cualquierotra.

Los experimentos demuestran, de acuerdo con la teoría de ladifusión, que las ondas más cortas se difunden más fácilmente que las máslargas. Para ser más específicos, la difusión es inversamente proporcional ala cuarta potencia de la longitud de onda.

Difusión µ 1/l⁴

De acuerdo con esta ley las ondas cortas de la luz violeta se difunden diezveces más fácilmente que las ondas largas de la luz roja. Los otros colores sedifunden en proporciones intermedias. Así cuando la luz solar entra en la atmósferade la Tierra, la luz violeta y la azul, se difunden más, seguidas del verde,amarilla, anaranjada y roja, en el orden indicado.

Para cada diez ondas violetas ( l = 0,00004 cm )difundidas en un haz, hay sólo una onda roja ( l =0,00007 cm ).

Violeta azul verde amarilla anaranjada roja

10 7 5 3 2 1

A mediodía, en un día claro cuando el Sol estádirectamente en el cenit, el cielo entero aparece como azul claro. Este es elcolor compuesto de la mezcla de colores difundidos más efectivamente por lasmoléculas del aire. Puesto que el azul claro del triángulo de los colores seobtiene de la mezcla aditiva de violeta, azul, verde y amarillo.

Las puestas de sol son rojas, la luz del cielo estapolarizada linealmente en bastante grado, como puede comprobarse sin dificultadmirando al cielo directamente hacia arriba, a través de una lamina polarizante,puesto que la luz difusa es sustraída del haz original, que resulta debilitadodurante este proceso.

Compartir