Física - Cedoc - Instituto Nacional de Formación Docente

proyecto de mejora para la formación inicial de profesores para el nivel secundario92• Calor• Leyes de la Termodinámica• Introducción a la Mecánica EstadísticaEstos bloques están pensados para desarrollarse en paralelo y simultaneo desdeel fenómeno (Mundo Natural) a su expresión científica (Mundo Físico) hasta suformulación o expresión precisa (Mundo Matemático), en un tránsito fluido ycontinuo entre las diferentes representaciones.TemperaturaHistóricamente aparece como primer objetivo la necesidad de hacer útil elconcepto de temperatura corporal (médico) como indicador (un índice) de unestado febril. Para esto fue necesario construir ad-hoc instrumentos de medición,reproducibles y de uso universal (objetivos), que den cuenta de ese índice demanera confiable. Apareció entonces la idea de termómetro, que explotandoel concepto básico de equilibrio térmico, induce la generación de modelosmatemáticos de fenómenos físicos que correlacionan con la “temperatura” quese define. Por ejemplo, la dilatación de las substancias.Al respecto es preciso reconocer que este procedimiento no da un resultadoúnico sino que se pueden tener diferentes escalas para un mismo fenómeno(raíces culturales) o por tratarse de diferentes fenómenos. Usualmente el fenómenoelegido junto con la construcción del termómetro da lugar a una escalalineal que lo caracteriza. Si cambiamos de fenómeno, o de instrumento, esto noes así en general. Esta construcción requiere del uso y conocimiento de puntosfijos, asociados comúnmente con las transformaciones de fase de las substancias.CalorEste bloque afronta el problema de medir la cantidad de calor que se desarrollacuando frotamos dos cuerpos entre sí.Para dar una respuesta a esta pregunta se debe “cuantificar” el calor, es decirhablar de una cantidad de calor, que a su vez podemos medir. Esto lleva nuevamentea plantear un modelo ad-hoc de la “cantidad de calor” y su medición.Para lo primero, por razones humanas y terráqueas (la “presencia” de agua enla Tierra) la respuesta a esta pregunta y otras equivalentes introduce dos cantidadesrelacionadas entre si por una única expresión, Q = m c Δt, que introduceel concepto de calor específico de una sustancia.Habiendo introducido la unidad de Q y el coeficiente c (calor específico) parael agua igual a la unidad, los calores específicos para otras substancias se puedenmedir mediante el uso de “calorímetros”, en los que se emplea que el calorintercambiado entre las partes de un sistema térmicamente aislado del entornocumple una ley de conservación. Esta ley es aproximada, aunque para la mayoríade las mediciones que se realizan de los calores específicos, las incertezas deorigen experimental enmascaran hasta cierto grado la aproximación de la ley.Leyes de la TermodinámicaPrimer Principio de la TermodinámicaEn 1843 Joule planteó un experimento crucial en el que mostró que existe unarelación constante entre una cierta cantidad de energía mecánica y la cantidadde calor en la que se transforma.Por otro lado, es posible calentar directamente el agua y su recipiente hasta alcanzarel mismo salto térmico final. Este estado final del agua y demás elementoses indistinguible del anterior logrado dejando caer el cuerpo.A partir de esto, es posible conjeturar que existe una función característica delagua y demás elementos, que depende de los parámetros (termodinámicos)del sistema (volúmenes, masa, presión, temperatura, etcétera), denominada energíainterna, U, tal que su variación ΔU entre el estado final y el estado inicialse puede lograr tanto realizando trabajo sobre el sistema, como entregándolecalor, es decir ΔU = Q + W, donde Q es el calor, medido calorimétricamente,entregado al sistema y W el trabajo realizado desde el exterior sobre el sistema.Esta es la expresión matemática del primer principio.Física