Fundamentos de la Termodinámica: Energía Interna, Temperatura y Cambios de Estado

Energía Interna y Temperatura

La **energía interna** de un cuerpo se refiere a la energía total de las partículas que lo constituyen, es decir, la suma de todas las formas de energía que poseen sus partículas: átomos, moléculas e iones. La **temperatura** de los cuerpos es una medida de la energía cinética media de sus partículas, de modo que un cuerpo está a mayor temperatura que otro si la energía cinética media de sus partículas es mayor.

Termómetros y Escalas de Temperatura

Los **termómetros** se utilizan para alcanzar rápidamente la misma temperatura que el cuerpo con el que se ponen en contacto, midiendo la temperatura de manera indirecta; es decir, en realidad miden una propiedad física relacionada con la temperatura.

Escalas de Temperatura Comunes

• Celsius: Asigna el valor 0 ºC al punto de fusión normal del agua y 100 ºC al punto de ebullición normal del agua. El intervalo entre las dos temperaturas se divide en 100 partes iguales llamadas grados Celsius.
• Kelvin: Asigna el valor 0 K a la temperatura llamada cero absoluto. El punto de fusión normal del agua corresponde a 273,15 K y el de ebullición normal, a 373,15 K. Las divisiones de esta escala, llamadas Kelvins, son iguales que las de la escala Celsius. El kelvin es la unidad utilizada en el Sistema Internacional.
• Fahrenheit: Asigna el valor 32 ºF al punto de fusión normal del agua y 212 ºF al punto de ebullición normal del agua. El intervalo entre ambas temperaturas se divide en 180 partes iguales llamadas grados Fahrenheit.

Calor y Energía Térmica

La energía transferida entre dos cuerpos debido a una diferencia de temperatura se denomina **calor** o **energía térmica**. Cuando un cuerpo recibe calor, aumenta su energía interna y, como consecuencia, aumenta su temperatura. Cuando un cuerpo cede calor, disminuye su energía interna y, como consecuencia, disminuye su temperatura.

El **calor específico** de una sustancia, *c*, es el calor que debe recibir la unidad de masa de una sustancia para que aumente un kelvin su temperatura.

Teoría Cinético Molecular y Cambios de Estado

La teoría cinético molecular de la materia proporciona una explicación de los cambios de estado: La absorción del calor produce un aumento de la energía cinética y potencial de las partículas del cuerpo. Si se vencen las fuerzas atractivas que existen entre ellas, el sólido pasa a líquido o el líquido pasa a gas. La cesión de calor supone una disminución de la energía cinética y potencial de las partículas. Esta disminución repercute en un aumento de las atracciones entre ellas, de modo que el gas puede pasar a líquido y el líquido, a sólido.

Cambios de Estado Específicos

• Fusión: Cambio de estado que experimenta una sustancia al pasar de sólido a líquido. El calor absorbido por un cuerpo en la fusión es igual al calor cedido por éste en la solidificación.
• Punto de Fusión: La fusión de una sustancia pura tiene lugar a una temperatura determinada que recibe el nombre de temperatura de fusión o punto de fusión. Ésta se mantiene constante mientras tiene lugar el cambio de estado y su valor depende de la sustancia y de la presión externa.
• Calor de Fusión: Cada sustancia requiere una cantidad de calor característica para que se produzca su fusión. El calor de fusión es el calor necesario para que la unidad de masa de una sustancia pase de sólido a líquido a la temperatura de fusión.
• Vaporización: Cambio de estado que experimenta una sustancia al pasar de líquido a gas.
• Punto de Ebullición: La ebullición es una forma particular de vaporización que afecta a todo el volumen del líquido. La ebullición de una sustancia pura sucede a una temperatura determinada que recibe el nombre de temperatura de ebullición o punto de ebullición.
• Calor de Vaporización: Cada sustancia requiere una cantidad de calor característica para que se produzca su vaporización. El calor de vaporización es el calor necesario para que la unidad de masa de una sustancia pase de líquido a vapor a la temperatura de ebullición.

Dilatación Térmica

El aumento de volumen que experimentan los cuerpos al elevar su temperatura se conoce como **dilatación térmica**.

Principios de la Termodinámica

La **termodinámica** es la parte de la Física que estudia los cambios de energía que se producen en los procesos físicos y químicos.

• Primer Principio de la Termodinámica: Expresa el hecho comprobado de que la energía no se crea ni se destruye, por lo que, en cualquier proceso, la cantidad total de energía se mantiene constante.
• Segundo Principio de la Termodinámica: No puede existir ningún sistema que de forma continua transforme el calor totalmente en trabajo sin producir ningún otro efecto. Se llama rendimiento de la máquina térmica a la razón entre el trabajo realizado y el calor absorbido de la fuente de calor.