La termodinámica para diversificado suele aparecer en física y también en química, y muchos estudiantes la sienten abstracta. En realidad está en todas partes: en la estufa, en el refrigerador, en el motor de un carro y hasta en el café que se enfría. En esta guía repasamos los conceptos clave, las leyes de la termodinámica y varios ejercicios resueltos con números reales para que llegues preparado a tu examen.
Qué es la termodinámica
La termodinámica estudia el calor, la temperatura, la energía y cómo se transforma una en otra. Responde preguntas como: ¿cuánta energía necesito para calentar agua?, ¿a qué temperatura queda una mezcla?, ¿por qué un motor no puede aprovechar el 100 % del combustible?
En diversificado se trabaja sobre todo con calorimetría (calor y temperatura), cambios de fase y las leyes de la termodinámica a nivel conceptual. Revisa el programa de tu establecimiento para confirmar qué temas entran en tu evaluación.
Conceptos clave: calor, temperatura y calor específico
- Temperatura: mide qué tan rápido se mueven, en promedio, las partículas de un cuerpo (su energía cinética promedio). Se mide en °C, K o °F. Para pasar a kelvin: K = °C + 273.15.
- Calor (Q): es la energía que se transfiere de un cuerpo caliente a uno frío. Se mide en joules (J) o calorías (1 cal ≈ 4.186 J).
- Calor específico (c): es la energía necesaria para subir 1 °C la temperatura de 1 kg de una sustancia. El agua tiene un calor específico alto: aproximadamente 4,186 J/kg·°C.
- Equilibrio térmico: cuando dos cuerpos en contacto llegan a la misma temperatura, deja de fluir calor entre ellos.
La fórmula central de la calorimetría es Q = m · c · ΔT, donde ΔT es la temperatura final menos la inicial. Si Q es positivo, el cuerpo ganó calor; si es negativo, lo perdió.
Un error típico es pensar que calor y temperatura son lo mismo. Una piscina a 25 °C tiene mucha más energía térmica total que una taza de café a 80 °C, aunque su temperatura sea menor, porque tiene muchísima más masa.
Las leyes de la termodinámica
- Ley cero: si A está en equilibrio térmico con B, y B con C, entonces A y C también lo están. Es la base de que un termómetro funcione.
- Primera ley: la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Para un sistema: ΔU = Q − W, donde ΔU es el cambio de energía interna, Q el calor que entra y W el trabajo que realiza el sistema.
- Segunda ley: el calor fluye de forma natural del cuerpo caliente al frío, y en cualquier proceso real la entropía total del universo aumenta. Por eso ninguna máquina térmica convierte todo el calor en trabajo.
- Tercera ley: es imposible llegar al cero absoluto (0 K, o −273.15 °C) mediante un número finito de pasos.
Ojo con los signos de la primera ley: algunos libros escriben ΔU = Q + W, tomando W como el trabajo hecho sobre el sistema. Ambas son correctas si respetas la convención; usa la de tu profesor.
Ejercicios resueltos de termodinámica
Ejercicio 1: calentar agua
Problema: ¿cuánto calor se necesita para calentar 500 g de agua de 20 °C a 100 °C?
Datos: m = 0.5 kg; c = 4,186 J/kg·°C; ΔT = 100 − 20 = 80 °C.
Solución: Q = 0.5 × 4,186 × 80 = 167,440 J ≈ 167.4 kJ.
Ejercicio 2: temperatura de una mezcla
Problema: mezclas 200 g de agua a 80 °C con 300 g de agua a 20 °C. ¿A qué temperatura queda la mezcla? (Sin pérdidas de calor.)
Principio: el calor que pierde el agua caliente es igual al que gana el agua fría. Como es la misma sustancia, c se cancela: 200(80 − T) = 300(T − 20).
Solución: 16,000 − 200T = 300T − 6,000 → 22,000 = 500T → T = 44 °C. Tiene sentido: queda más cerca de 20 °C porque hay más agua fría.
Ejercicio 3: primera ley
Problema: un gas absorbe 500 J de calor y realiza 200 J de trabajo al expandirse. ¿Cuánto cambia su energía interna?
Solución: ΔU = Q − W = 500 − 200 = 300 J. La energía interna aumenta, por lo que su temperatura sube.
Ejercicio 4: cambio de fase
Problema: ¿cuánto calor se necesita para derretir 200 g de hielo que ya está a 0 °C? El calor latente de fusión del hielo es aproximadamente 334,000 J/kg.
Solución: durante el cambio de fase la temperatura no cambia, así que se usa Q = m · L = 0.2 × 334,000 = 66,800 J ≈ 66.8 kJ.
Errores comunes en termodinámica
- No convertir gramos a kilogramos cuando c está en J/kg·°C. El resultado sale 1,000 veces mayor.
- Usar Q = m·c·ΔT durante un cambio de fase. Mientras el hielo se derrite, ΔT = 0; ahí se usa el calor latente.
- Restar las temperaturas al revés. ΔT es siempre final menos inicial.
- Confundir calor con temperatura. Uno es energía en tránsito; la otra, una medida del estado del cuerpo.
- Mezclar convenciones de signos en la primera ley.
Si te cuesta plantear este tipo de problemas, te servirá nuestro método para resolver problemas de física sin memorizar fórmulas.
Preguntas frecuentes
¿Por qué el agua tarda tanto en calentarse?
Porque su calor específico es alto: necesita mucha energía para subir cada grado. Por la misma razón, los cuerpos de agua grandes suavizan la temperatura de las zonas cercanas.
¿Qué es la entropía en palabras simples?
Es una medida de cuántas formas distintas pueden ordenarse las partículas de un sistema; de manera informal, se asocia con el “desorden” y con la energía que ya no puede aprovecharse para hacer trabajo.
¿Kelvin y Celsius miden igual los cambios?
Sí. Un cambio de 1 °C equivale a un cambio de 1 K, así que en ΔT puedes usar cualquiera de las dos. Solo las temperaturas absolutas difieren en 273.15.
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