Conceptos Fundamentales de Termodinámica y Teoría Cinética de los Gases

Trabajo, Energía y Potencia

Se define julio como el trabajo realizado sobre un cuerpo cuando, al aplicarle una fuerza de 1 N, le producimos un desplazamiento de 1 metro. El trabajo se define como el producto de la fuerza por el desplazamiento y por el coseno del ángulo que forman. Un vatio es la potencia aplicada cuando se realiza un trabajo de un julio por cada segundo. La potencia es una magnitud escalar que mide la eficiencia con que se realiza un trabajo. Se define como el cociente entre el trabajo realizado y el tiempo que se tarda en realizarlo:

P = W/t

Se define energía como la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un cierto trabajo. El trabajo realizado por la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre la partícula es igual a la diferencia de valores de su energía cinética en las posiciones finales e inicial:

W = E_cf - E_ci = ΔE_c (Teorema de las Fuerzas Vivas)

La energía cinética es la energía que posee un cuerpo en función de su velocidad. La energía potencial es la capacidad para realizar trabajo que adquiere un cuerpo en virtud de la posición que ocupa cuando está sometido a algún tipo de fuerzas, como la gravitatoria. En ausencia de rozamiento, la energía mecánica de una partícula permanece constante, enunciado que constituye el principio de la conservación de la energía mecánica.

Calor y Temperatura

• Evaporación: Es el paso de líquido a gas de las partículas que se encuentran en la superficie del líquido de forma muy lenta.
• Ebullición: Es el paso de líquido a gas, pero de toda la masa del líquido y de forma tumultuosa.

La temperatura de un cuerpo es una magnitud escalar directamente proporcional a la energía cinética media de sus partículas. El calor es la energía que se transfiere de un cuerpo a otro cuando se encuentran a distinta temperatura. El calor específico de una sustancia es la energía que hay que suministrar a 1 kg de la misma para incrementar su temperatura en 1 K. Se define calor latente de cambio de estado de una sustancia como la energía necesaria para que la unidad de masa de la misma cambie de estado a la temperatura constante correspondiente. Se denomina dilatación al aumento de las dimensiones de un cuerpo al incrementar su temperatura.

Formas de Transmisión del Calor

• Conducción: Es la propagación del calor a través de las partículas de un cuerpo, o de varios que estén en contacto, sin que se altere la posición de las mismas. Hay transporte de energía, pero no de materia.
• Convección: Es la forma de propagación del calor más importante en los líquidos y en los gases. Se origina por el desplazamiento de las partículas de fluido. Hay transporte de energía y de materia.
• Radiación: Es la propagación de calor mediante ondas electromagnéticas. Los cuerpos, al calentarse, emiten energía en forma de ondas electromagnéticas que se transmiten en todas direcciones.

Postulados de la Teoría Cinética de los Gases

• Los gases están constituidos por partículas pequeñísimas en movimiento continuo y desordenado.
• El volumen efectivo que ocupan las partículas es despreciable frente al volumen del recipiente que las contiene.
• Las partículas chocan continuamente entre sí y contra las paredes del recipiente sin pérdidas de energía cinética. La presión que ejerce el gas es proporcional al número de choques contra las paredes.
• Las partículas se encuentran muy separadas unas de otras, de forma que entre ellas no se ejercen fuerzas apreciables salvo en el instante del choque.
• No todas las partículas del gas tienen la misma velocidad. La energía cinética media de traslación de las partículas es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas, de tal manera que a mayor velocidad media, mayor temperatura.