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MINISTERIODE EDUCACIÓN
Fase 2, semana 1
Estudiantes 1.er año de bachillerato
Guía de continuidad educativa
Ciencias Naturales
1 | Ciencias Naturales Guía de autoaprendizaje 1.er año de bachillerato
Unidad 4. La termodinámica Fase 2, semana 1
Contenido
• Ley cero de la termodinámica • Escalas de temperatura • Efectos del calor en la dilatación de sólidos y líquidos • Cambios de fases
Evaluación sugerida Resolución de problemas (100%)
Orientación sobre el uso de la guía Esta guía es un resumen de los contenidos y actividades que se desarrollan de forma virtual por el MINED
(www.mined.gob.sv/emergenciacovid19/), incluyendo las tareas sugeridas para la semana. Tu docente podrá revisar estas tareas en el formato que se te indique.
A. ¿Qué debes saber?
1. Introducción En la vida cotidiana utilizamos los términos de calor y temperatura indistintamente, que a veces pasan
desapercibidos. Pero, ¿sabemos realmente qué es el calor?, ¿qué es la temperatura?, ¿cuáles escalas se
utilizan para medir la temperatura?, y ¿cómo esos
cambios de temperatura afectan las dimensiones de los objetos? Continúa leyendo y aprenderás sobre
estos y otros conceptos muy prácticos.
2. Ley cero de la termodinámica Hoy en día sabemos que la temperatura es una medida del movimiento y del estado de vibración de las partículas
que componen a todos los cuerpos de la naturaleza. Sin
embargo, se reconoce que dicha definición se originó en un principio por la necesidad de medir las sensaciones de
calidez y frialdad de los cuerpos.
Ahora bien, cuando dos cuerpos a diferente
temperatura se ponen en contacto físico se produce como consecuencia de esa desigualdad un proceso de
transferencia de energía térmica del cuerpo que tiene
mayor temperatura hacia el de menor temperatura. Es entonces esta energía térmica la que denominamos
calor, que continuará transfiriendo por un tiempo
hasta que se establezca el estado de equilibrio térmico, el cual ocurrirá cuando ambos cuerpos
alcancen la misma temperatura.
Entendidos ambos conceptos, la ley cero de la termodinámica establece que, si inicialmente dos cuerpos A y C están en equilibrio térmico y a su vez C
está en equilibrio térmico con un tercer cuerpo B,
entonces A y B están también en equilibrio térmico (Fig. 1).
Figura 1. Los cuerpos A y B están separados mediante un aislante, pero se encuentran en contacto y en equilibrio térmico con el cuerpo C.
De la figura anterior, imagina que el cuerpo B ahora es un termómetro que se encuentra en contacto con C,
y este a la vez con A. Entonces, ¿qué sucede con esta
interacción? ¿Cuál es la lectura del termómetro una vez transcurra un lapso de tiempo? Como lo pensaste,
cuando se alcanza el punto de equilibrio térmico, B medirá la temperatura no solo de C si no la de A
también porque ambos cuerpos tienen en realidad la
misma temperatura.
3. Escalas de temperatura Los termómetros son instrumentos que se aprovechan de la variación en ciertas propiedades medibles de un
cuerpo que acompañan a los cambios de temperatura en el mismo, como el volumen en un líquido, o la
presión en un gas. Los termómetros se calibran de
manera que se les pueda asignar un valor numérico o escala a una temperatura. Las escalas de temperatura
más conocidas y utilizadas son: Celsius (°C), Fahrenheit (°F) y Kelvin (K). La escala Celsius es el resultado de dividir en cien intervalos iguales la distancia entre el nivel "0" y "100"
del líquido de un termómetro a la temperatura de
congelación y ebullición del agua pura. Por otro lado, la escala Fahrenheit tiene valores de 32.0 °F para la
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temperatura de condensación y de 212 °F para la temperatura de ebullición. Las relaciones de
conversión entre las dos escalas son:
𝑇! =95𝑇" + 32°
𝑇" =59 (𝑇! − 32°)
La escala de temperatura Kelvin tiene como base una temperatura hipotética de referencia de -273.15 °C, en
la que la presión absoluta del gas es cero. Esta resulta
de extrapolar la recta graficada entre las temperaturas de 0 °C y 100 °C. La temperatura Kelvin y Celsius se
relacionan de la siguiente manera: 𝑇# = 𝑇" + 273.15
Ejemplo 1. La temperatura normal de una persona es
de 37.0 °C. ¿A cuánto equivale en Kelvin y en
Fahrenheit?
Solución. Identificamos la ecuación necesaria para la
conversión de Kelvin a Celsius y sustituimos de la siguiente manera:
𝑇# = 𝑇" + 273.15𝑇# = 37.0 + 273.15𝑇# = 310.15𝐾
Para convertir de Celsius a Fahrenheit:
𝑇! =95𝑇" + 32°
𝑇! = (1.80)(37.0°) + 32° = 66.6° + 32.0°𝑇! = 98.6°𝐹
4. Efectos del calor en la dilatación de sólidos y
líquidos Durante un proceso de expansión térmica y
correspondiente aumento de temperatura, cada átomo incrementa tanto su energía como su amplitud de
vibración y, en consecuencia, se separan, aumentando
las dimensiones del cuerpo. En los sólidos, por ejemplo, la dilatación suele ser volumétrica, es decir, el cuerpo se
expande en todas las direcciones. No obstante, dependiendo de las dimensiones del cuerpo, también
podemos considerar una dilatación lineal o superficial.
Por ejemplo, una barra cuya sección transversal es despreciable frente a su longitud puede exhibir una
dilatación lineal, y una lámina rectangular cuyo espesor
es despreciable en comparación a su superficie puede presentar una dilatación superficial. Por otro lado, la
dilatación en los líquidos se debe a que las fuerzas de atracción entre las moléculas son menores que en las de
los sólidos, entonces, cuando existe un incremento de
temperatura, tienden a tener una mayor dilatación. Esto
representa un caso aplicable que ha permitido construir los reconocidos termómetros de vidrio y líquido, en los
cuales podemos apreciar una variación rápida en la
columna del líquido con el aumento de temperatura.
5. Cambios de fase El término cambio de fase lo utilizamos para describir la transición entre una fase y otra. Dicho cambio es
posible por la intervención del calor latente (L). Por ejemplo, para producir un cambio de fase en una masa
m de material con un calor latente L se requiere una
cantidad de calor Q (transferencia de calor en un cambio de fase) dada por:
𝑄 = ±𝑚𝐿
La variación en los signos se relaciona con la adición
(+) o reducción (-) de calor durante el proceso.
En el cambio de fase de líquido a vapor se identifican los procesos de evaporación y ebullición. Así, cuando has
dejado secar al exterior una prenda mojada habrás
notado que al transcurrir un lapso de tiempo esa prenda se secó, es decir, el líquido se evaporó a temperatura
ambiente. Este fenómeno ocurre cuando aumenta la
temperatura y las moléculas que conforman al cuerpo adquieren la energía necesaria para vencer las fuerzas de
atracción entre las partículas y escapan pasando a integrar una fase gaseosa, que se pueden incorporar en
el ambiente, como en el caso del agua como vapor disperso en la atmósfera. Por otro lado, cuando la temperatura alcanza ciertos valores específicos a su
punto de ebullición se forma en toda la masa del líquido
burbujas que se elevan hacia la superficie, entonces el líquido entra en ebullición y cambia de fase. En ese
proceso de ebullición en algún momento habrás notado que el agua puede alcanzar en unos minutos la
temperatura de ebullición, pero tarda mucho más tiempo
en evaporarse completamente. Lo anterior sucede porque el calor latente de vaporización a presión
atmosférica es de 2.26 × 10$𝐽/𝑘𝑔 y para convertir 1.00
kg de agua líquida a 100 °C en 1.00 kg de vapor de agua
se requerirá una transferencia de calor de 𝑄 = 2.26 ×10$𝐽. Por el contrario, para elevar la temperatura de 1.00
kg de agua desde 0 °C hasta 100 °C, como lo que sucede en el proceso de ebullición, se requiere de 𝑄 =4.19 × 10&𝐽, el cual resulta ser menos de la quinta parte
del calor necesario para la vaporización a 100 °C; sin embargo, es la requerida para realizar el cambio de
temperatura y alcanzar la ebullición, por lo que se
requerirá entonces más tiempo para alcanzar la vaporización.
3 | Ciencias Naturales Guía de autoaprendizaje 1.er año de bachillerato
El proceso contrario al anterior corresponde a la condensación, donde se produce un cambio de fase
de vapor a líquido. Esto ocurre cuando las moléculas
que se encuentran en una fase gaseosa no logran mantenerse así debido a la poca energía que
mantienen, con lo que comienzan a formar gotas de
líquido hasta formar una masa líquida mayor.
El cambio de fase de sólido a líquido se conoce como fusión, en la cual, a medida que la temperatura de un
sólido aumenta hasta su punto de fusión, los átomos
incrementan su amplitud de vibración, con lo que la red cristalina tiende a desarmarse. Un ejemplo de ello
es el que observamos al agregar calor al hielo, el cual,
se funde para formar agua líquida. El proceso inverso se llama solidificación. Finalmente, el cambio directo de una fase sólida a vapor se conoce como
sublimación, como el que le sucede a la naftalina o al alcanfor, y sublimación inversa al cambio de una fase
gaseosa a sólida, como cuando se forma hielo, nieve o escarcha a partir del vapor de agua.
B. Ponte a prueba
1. Si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, entonces los dos primeros están en equilibrio térmico entre sí. A este postulado se llama: a. Primera ley de la termodinámica. b. Ley cero de la termodinámica.
c. Equilibrio térmico.
2. La transferencia de energía térmica como
consecuencia de una diferencia de temperatura se define como: a. Calor.
b. Energía interna. c. Temperatura.
3. A la medida del movimiento y del estado de vibración de las partículas que componen a todos los cuerpos de la naturaleza se le conoce como: a. Temperatura
b. Equilibrio térmico
c. Escala de temperatura
4. A la escala que resulta de dividir en cien intervalos iguales la distancia entre el nivel "0" y "100" del líquido de un termómetro a la temperatura de congelación y ebullición del agua se le denomina: a. Escala Celsius. b. Escala Fahrenheit.
c. Escala Kelvin.
5. Al proceso que involucra un cambio de fase de
líquido a gas se le llama: a. Evaporación
b. Condensación
c. Sublimación
C. Tareas de la semana
Resuelve de forma clara y ordenada cada uno de los siguientes problemas (100%): 1. Si se introduce un termómetro en una olla de agua
caliente y se registra la lectura de aquel, ¿qué
temperatura se registrará?
2. Ordene de mayor a menor las siguientes temperaturas: 0.00 °C, 0.00 °F, 260 K, 77.0 K, y -
180 °C.
3. En un recetario se indica que un pastel se debe hornear a 450 °F. ¿A cuántos grados Celsius debe
calentarse el horno? ¿Cuánto equivale en grados Kelvin?
4. El oro se funde a 1336 K. Expresa esta temperatura en grados Celsius y en Fahrenheit.
5. Si coloca un trozo de hielo en su boca y
transcurrido un tiempo toda el agua cambia de temperatura de 32.0 °F a la temperatura corporal
de 98.6 °F. Exprese estas temperaturas como °C y
K.
4 | Ciencias Naturales Guía de autoaprendizaje 1.er año de bachillerato
D. ¿Saber más?
Si deseas ahondar más sobre los temas antes desarrollados, puedes consultar en los siguientes enlaces:
• Temperatura: https://bit.ly/2M9qjFI
• La ley cero de la termodinámica: https://bit.ly/2NOZrvC • Cambios de fase y calor: https://bit.ly/3ckm1qd
E. Respuestas de la prueba
1: b
2: a
3: a 4: a
5: a
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