20 nuevos ejercicios resueltos de calor y temperatura

Antes de poner los ejercicios de calor y temperatura, vamos a explicar unos conceptos para entender mejor los ejercicios resueltos de calor y temperatura del bloque de energía térmica.

¿Qué es el calor?

El calor es la energía que va de un lugar a otro. Este calor sólo se reconoce cuando cruza un límite, o si hay una diferencia de temperatura - entonces, en la dirección de menor a mayor. No puede haber ninguna transferencia de calor entre dos sistemas a la misma temperatura.

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Naturaleza del calor

A menudo, en el habla coloquial se utilizan expresiones como "cantidad de calor" o "ganancia de calor", y esto puede deberse a que no producen ningún malentendido, o tal vez no hay ninguna alternativa técnica que sea tan intuitiva. El calor no se tiene, el calor es una transferencia. Lo que tiene un cuerpo (en términos científicos) con referencia a un origen externo sería la energía total del sistema: las energías cinética y potencial -que también podrían representar la energía macroscópica y microscópica respectivamente.

Las moléculas se mueven y vibran con cierta velocidad, lo que les crea energía cinética. Esta es la parte de la energía interna que es sensible; es lo que realmente podemos percibir. Pero también hay fuerzas entre los átomos que componen los sólidos, los líquidos o los gases, por lo que necesitan una cantidad de apoyo entrópico para pasar de un estado a otro, lo que equivale a calor latente en los estados gaseosos según se produzcan los cambios de fase.

La energía sensible y latente son formas de energía almacenada. Constituyen la energía interna del sistema, que se libera en las reacciones nucleares. Todas estas energías pueden clasificarse como transferencia de calor o trabajo en función del origen de su interacción con un gradiente termodinámico: calor cuando procede de diferencias de temperatura; trabajo en caso contrario. En resumen, las energías sensibles y latentes se denominan muy comúnmente "calor" en términos coloquiales, pero en realidad se refieren a energías térmicas que existen por separado, no se utilizan indistintamente como "calor".

¿Qué es la temperatura?

La temperatura es una propiedad que puede determinar si un sistema está o no en equilibrio térmico con otros sistemas.1 Da la idea de que el calor pasa de los cuerpos calientes a los fríos hasta que sus temperaturas se igualan y es independiente de la naturaleza y la composición de cada sistema específico, así como de cualquier noción de lo que puede ser la temperatura en una escala individual.

La temperatura tampoco indica cómo puede medirse, lo que podría afectar a los resultados si se trata de averiguar si el cuerpo ha alcanzado la homeostasis (el statu quo).

La temperatura termodinámica es una herramienta muy útil que permite medir las temperaturas y establecer una escala independiente de la naturaleza del sistema analizado. Fue introducida por Lord Kelvin a partir del teorema de Carnot, que permite determinar si algo se ha hecho de forma eficiente o no cuando se utilizan máquinas como los coches o los aviones. La imagen más utilizada para ilustrar esta idea está relacionada con las moléculas a presión de los gases ideales monoatómicos: su energía media depende de la temperatura termodinámica (temperatura medida en grados Celsius) que lleven en cada momento.

Esta animación muestra cómo los átomos se disponen estrechamente entre sí cuando el gas helio ocupa un centímetro cúbico bajo una presión de 1958 atmósferas, en la que cada átomo podría caber entre dos átomos de hidrógeno sin tocarse, ilustrando así lo densamente empaquetadas que estarían estas moléculas si se liberaran de todas las demás restricciones y sólo estuvieran limitadas por la densidad relativa de su entorno (la presión), realizando así un trabajo enteramente a través del movimiento cinético hasta alcanzar la temperatura ambiente, calculando todo lo que hay matemáticamente detrás de cada movimiento individual para aquellos que no saben de física molecular, ¡entre otras muchas cosas!

A temperatura ambiente, los átomos se mueven a una velocidad media dos billones de veces menor que su velocidad máxima. Sin embargo, en un momento dado los átomos pueden moverse mucho más rápido o permanecer casi inmóviles. La temperatura3 es una cantidad escalar que sistematiza lo que consideramos caliente y frío al hacerla medible con un termómetro. La temperatura está relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, concretamente con la parte de la misma asociada al movimiento de las partículas dentro de ese sistema, ya sea por traslación, rotación o vibración, lo que se denomina "agitación térmica". Cuanto mayor es la agitación térmica, más se calienta el sistema.

Las vibraciones son detectables en los sólidos, mientras que el movimiento de traslación de las partículas es lo que influye en el comportamiento de los gases. Las propiedades fisicoquímicas varían en función de la temperatura y pueden incluir aspectos como el estado de una sustancia (sólido, líquido o gas), su volumen y su solubilidad. La temperatura también afecta a la velocidad a la que se producen las reacciones químicas.

La temperatura se mide con instrumentos llamados termómetros. La precisión de estos instrumentos varía en función de su uso, su calibración y el tipo de escala de temperatura que se utiliza para medir. Las escalas de temperatura pueden ser estándar (Sistema Internacional) o personalizadas en función de factores como el país, la cultura y las preferencias lingüísticas. El sistema más popular para medir la temperatura fuera de los contextos científicos es el Celsius: un grado representa una diferencia equivalente a un kelvin desde el cero absoluto (-273°C), pero se conoce con otros nombres, como centígrado en Europa y Fahrenheit, que utiliza grados desde 32°F hasta 212°F.

Ley cero de la termodinámica

Se puede obtener una definición de temperatura a partir de la Ley Cero de la Termodinámica. Si dos sistemas A y B están en equilibrio térmico con un tercer sistema C, en el que los tres comparten un valor común para alguna propiedad física que depende de la temperatura, entonces también estarán en equilibrio térmico entre sí. Este hecho empírico, más que un resultado teórico, refleja la naturaleza del funcionamiento de las leyes termodinámicas; sin ninguna explicación o prueba científica detallada (ya que habría que demostrar que las moléculas individuales siempre se mueven), las reglas y leyes generales tienden a aplicarse universalmente en muchos contextos diferentes: un ejemplo es la aplicación universal de la gravedad en los cuerpos celestes, pero no dentro de ellos individualmente.-.

La temperatura es una forma cuantificable de describir la idea cualitativa de lo caliente que está algo. Si se utiliza Celsius, se describe en términos de calor y si se utiliza Kelvin, se describe en grados. Los instrumentos que miden la temperatura se llaman termómetros.

Segunda ley de la termodinámica

También es posible definir la temperatura en términos de la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía aumenta con el tiempo en todos los sistemas. La entropía define una medida del desorden de un objeto. Puede entenderse como la probabilidad estadística de un sistema; en otras palabras, considere una serie de lanzamientos de monedas: Un sistema perfectamente ordenado sería aquel en el que sólo caen caras y colas; sin embargo, hay múltiples combinaciones en las que se desordena, es decir, hay algunas fracciones (o porcentajes) de caras o colas que ocurren dependiendo de cuántas veces ocurren durante cada lanzamiento: 90% o 60%, respectivamente.

Sin embargo, está claro que a medida que se realizan más disparos, aumenta el número de combinaciones posibles por las que el sistema se desordena; es decir, aunque el sistema evoluciona de forma natural hacia un estado de máximo desorden y cualquier variación fuera de este estado es altamente improbable. Para que te hagas una idea de cómo funcionan las máquinas térmicas: ¡transforman el calor en trabajo mecánico!

Ejercicios resueltos de calor y temperatura

Aqui tienes los ejercicios resueltos de calor y temperatura que te he comentado arriba. Intenta resolverlos primero tu solo y después compara el resultado final. Si lo tienes bien perfecto, pero si lo tienes mal, repasa el ejercicio para ver dónde te has equivocado entiendo porqué.