Historia
Como un nombre común, inglés calor o calor (como chaleur francés , alemán Wärme , latín calor , griego θάλπος, etc.) se refiere a (la percepción humana de ) energía térmica o temperatura . La especulación sobre la energía térmica o el "calor" como una forma separada de materia tiene una larga historia, ver teoría calórica , flogisto y fuego (elemento clásico) .
La comprensión moderna de la energía térmica se origina con la teoría mecánica del calor de Thompson de 1798 ( una investigación experimental sobre la fuente del calor que es excitada por la fricción ), postulando un equivalente mecánico del calor . Una colaboración entre Nicolas Clément y Sadi Carnot ( Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego ) en la década de 1820 tuvo algún pensamiento relacionado cercano a las mismas líneas. [28] En 1845, Joule publicó un artículo titulado El equivalente mecánico del calor., en el que especificó un valor numérico para la cantidad de trabajo mecánico requerido para "producir una unidad de calor". La teoría de la termodinámica clásica maduró en los años 1850 a 1860. El calor considerado por John Tyndall como modo de movimiento (1863) fue fundamental para popularizar la idea del calor como movimiento al público angloparlante. La teoría fue desarrollada en publicaciones académicas en francés, inglés y alemán. Desde el principio, el término técnico francés chaleur utilizado por Carnot se tomó como equivalente al calor inglés y al alemán Wärme(lit. "calor", el equivalente al calor sería el alemán Hitze ).
La función de proceso Q fue introducida por Rudolf Clausius en 1850. Clausius la describió con el compuesto alemán Wärmemenge , traducido como "cantidad de calor". [14]
James Clerk Maxwell en su Teoría del calor de 1871 describe cuatro estipulaciones para la definición de calor:
- Es algo que puede ser transferido de un cuerpo a otro , de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica .
- Es una cantidad medible y, por lo tanto, se puede tratar matemáticamente.
- No puede tratarse como una sustancia material , porque puede transformarse en algo que no es una sustancia material, por ejemplo, trabajo mecánico .
- El calor es una de las formas de la energía . [29]
La función de proceso Q se conoce como Wärmemenge por Clausius, o como "cantidad de calor" en la traducción. El uso del "calor" como un resumen del concepto específico de "cantidad de calor que se transfiere" dio lugar a cierta confusión terminológica a principios del siglo XX. El significado genérico de "calor", incluso en la termodinámica clásica, es simplemente "energía térmica". [30] Desde la década de 1920, se ha recomendado la práctica de usar entalpia para referirse al "contenido de calor a volumen constante", y a la energía térmicacuando se pretende "calor" en el sentido general, mientras que "calor" Se reserva para el contexto muy específico de la transferencia de energía térmica entre dos sistemas. Leonard benedict loeben su Teoría cinética de los gases (1927) se refiere al uso de "cantidad de calor" o "cantidad de calor" cuando se hace referencia a Q : [31]
- Después de la perfección de la [...] termometría, el siguiente gran avance en el campo del calor fue la definición de un término que se llama la cantidad de calor. [... después del abandono de la teoría calórica ,] Aún queda por interpretar este concepto muy definido, la cantidad de calor, en términos de una teoría que atribuye todo el calor a la cinética de las moléculas de gas.
Carathéodory (1909)
Una definición frecuente de calor se basa en el trabajo de Carathéodory (1909), que se refiere a los procesos en un sistema cerrado. [33] [34] [35] [36] [37] [38]
La energía interna U X de un cuerpo en un estado arbitrario X se puede determinar por cantidades de trabajo adiabáticamente realizado por el cuerpo en sus alrededores cuando se parte de un estado de referencia O. Tal trabajo se evalúa a través de cantidades definidas en el entorno del cuerpo. Se supone que tal trabajo puede evaluarse con precisión, sin error debido a la fricción en el entorno; La fricción en el cuerpo no está excluida por esta definición. El desempeño adiabático del trabajo se define en términos de paredes adiabáticas, que permiten la transferencia de energía como trabajo, pero no otra transferencia, de energía o materia. En particular no permiten el paso de la energía como calor. De acuerdo con esta definición, el trabajo realizado adiabáticamente se acompaña en general de fricción dentro del sistema o cuerpo termodinámico. Por otro lado, según Carathéodory (1909), también existen paredes diaterérmicas no adiabáticas , que se postulan como permeables solo al calor.
Para la definición de la cantidad de energía transferida como calor, se suele prever que se llegue a un estado de interés arbitrario Y desde el estado O mediante un proceso con dos componentes, uno adiabático y otro no adiabático. Por conveniencia, se puede decir que el componente adiabático fue la suma del trabajo realizado por el cuerpo a través del cambio de volumen a través del movimiento de las paredes, mientras que el muro no adiabático se convirtió temporalmente en adiabático, y del trabajo adiabático isocórico. Luego, el componente no adiabático es un proceso de transferencia de energía a través de la pared que solo pasa calor, recientemente accesible para el propósito de esta transferencia, desde el entorno hasta el cuerpo. El cambio en la energía interna para alcanzar el estado Y desde el estado O Es la diferencia de las dos cantidades de energía transferida.
Aunque el propio Carathéodory no estableció una definición de este tipo, siguiendo su trabajo, es costumbre en los estudios teóricos definir el calor, Q , de su entorno, en el proceso combinado de cambio al estado Y desde el estado O , como el cambio en energía interna, Δ T Y , menos la cantidad de trabajo, W , realizado por el cuerpo en su rodea por el proceso adiabático, de modo que Q = Δ T Y - W .
En esta definición, en aras del rigor conceptual, la cantidad de energía transferida como calor no se especifica directamente en términos del proceso no adiabático. Se define a través del conocimiento de exactamente dos variables, el cambio de energía interna y la cantidad de trabajo adiabático hecho, para el proceso combinado de cambio desde el estado de referencia O al estado arbitrario Y . Es importante que esto no implique explícitamente la cantidad de energía transferida en el componente no adiabático del proceso combinado. Aquí se supone que la cantidad de energía requerida para pasar del estado O al estado Y, el cambio de energía interna, se conoce, independientemente del proceso combinado, por una determinación a través de un proceso puramente adiabático, como el de la determinación de la energía interna del estado Xencima. El rigor que se valora en esta definición es que hay un solo tipo de transferencia de energía admitido como fundamental: la energía transferida como trabajo. La transferencia de energía como calor se considera como una cantidad derivada. Se considera que la singularidad del trabajo en este esquema garantiza el rigor y la pureza de la concepción. La pureza conceptual de esta definición, basada en el concepto de energía transferida como trabajo como una noción ideal, se basa en la idea de que algunos procesos de transferencia de energía sin fricción y de otro modo no disipativos pueden realizarse en la realidad física. La segunda ley de la termodinámica, por otro lado, nos asegura que tales procesos no se encuentran en la naturaleza.
Antes de la rigurosa definición matemática de calor basada en el artículo de Carathéodory de 1909, históricamente, el calor, la temperatura y el equilibrio térmico se presentaban en los libros de texto de termodinámica como nociones conjuntas primitivas . [39]Carathéodory presentó su artículo de 1909 así: "La proposición de que la disciplina de la termodinámica puede justificarse sin recurrir a ninguna hipótesis que no pueda verificarse experimentalmente debe considerarse como uno de los resultados más notables de la investigación en termodinámica que se realizó durante el siglo pasado. . " Refiriéndose al "punto de vista adoptado por la mayoría de los autores que estuvieron activos en los últimos cincuenta años", Carathéodory escribió: "Existe una cantidad física llamada calor que no es idéntica a las cantidades mecánicas (masa, fuerza, presión, etc.) y cuyas variaciones pueden ser determinadas por medidas calorimétricas ". James Serrin presenta una explicación de la teoría de la termodinámica: "En la siguiente sección,El trabajo , y el calor como elementos primitivos, ... Ese calor es un primitivo apropiado y natural para la termodinámica que ya fue aceptado por Carnot. Su validez continua como un elemento primitivo de la estructura termodinámica se debe al hecho de que sintetiza un concepto físico esencial, así como a su uso exitoso en trabajos recientes para unificar diferentes teorías constitutivas ". [40] [41]Este tipo tradicional de presentación de la base de la termodinámica incluye ideas que pueden resumirse por la afirmación de que la transferencia de calor se debe únicamente a la falta de uniformidad espacial de la temperatura, y es por conducción y radiación, de cuerpos más calientes a más fríos. A veces se propone que este tipo de presentación tradicional necesariamente se basa en el "razonamiento circular"; En contra de esta propuesta, se encuentra el desarrollo matemático rigurosamente lógico de la teoría presentada por Truesdell y Bharatha (1977). [42]
Este enfoque alternativo a la definición de la cantidad de energía transferida como calor difiere en la estructura lógica de la de Carathéodory, como se explica anteriormente.
Este enfoque alternativo admite la calorimetría como una forma primaria o directa para medir la cantidad de energía transferida como calor. Se basa en la temperatura como uno de sus conceptos primitivos, y se utiliza en la calorimetría. [43] Se presupone que existen suficientes procesos físicos para permitir la medición de las diferencias en las energías internas. Tales procesos no están restringidos a las transferencias adiabáticas de energía como trabajo. Incluyen la calorimetría, que es la forma práctica más común de encontrar diferencias internas de energía. [44] La temperatura necesaria puede ser empírica o termodinámica absoluta.
Por el contrario, el método Carathéodory descrito anteriormente no utiliza la calorimetría o la temperatura en su definición primaria de la cantidad de energía transferida como calor. La forma de Carathéodory considera la calorimetría solo como una forma secundaria o indirecta de medir la cantidad de energía transferida como calor. Como se explica con más detalle justo arriba, la manera de Carathéodory se refiere a la cantidad de energía transferida como calor en un proceso como se define principal o directamente como una cantidad residual. Se calcula a partir de la diferencia de las energías internas de los estados inicial y final del sistema, y del trabajo real realizado por el sistema durante el proceso. Se supone que esa diferencia de energía interna se ha medido por adelantado a través de procesos de transferencia de energía puramente adiabática como trabajo, procesos que llevan al sistema entre los estados inicial y final. Por la manera de Carathéodory se presupone, como se sabe por el experimento, que en realidad existen tales procesos adiabáticos, de manera que no es necesario recurrir a la calorimetría para medir la cantidad de energía transferida como calor. Esta presuposición es esencial pero está explícitamente etiquetada ni como una ley de la termodinámica ni como un axioma de la manera de Carathéodory. De hecho, la existencia física real de tales procesos adiabáticos es, en realidad, en su mayor parte suposición, y en la mayoría de los casos, dichos procesos supuestos no han sido verificados empíricamente para existir. Esta presuposición es esencial pero está explícitamente etiquetada ni como una ley de la termodinámica ni como un axioma de la manera de Carathéodory. De hecho, la existencia física real de tales procesos adiabáticos es, en realidad, en su mayor parte suposición, y en la mayoría de los casos, dichos procesos supuestos no han sido verificados empíricamente para existir. Esta presuposición es esencial pero está explícitamente etiquetada ni como una ley de la termodinámica ni como un axioma de la manera de Carathéodory. De hecho, la existencia física real de tales procesos adiabáticos es, en realidad, en su mayor parte suposición, y en la mayoría de los casos, dichos procesos supuestos no han sido verificados empíricamente para existir.[45]
Transferencia de calor
Transferencia de calor entre dos cuerpos.
Refiriéndose a la conducción, Partington escribe: "Si un cuerpo caliente entra en contacto con un cuerpo frío, la temperatura del cuerpo caliente desciende y la del cuerpo frío aumenta, y se dice que ha pasado una cantidad de calor del Cuerpo caliente al cuerpo frío ". [46]
Refiriéndose a la radiación, Maxwell escribe: "En la radiación, el cuerpo más caliente pierde calor, y el cuerpo más frío recibe calor por medio de un proceso que ocurre en algún medio intermedio que por lo tanto no se calienta". [47]
Maxwell escribe que la convección como tal "no es un fenómeno puramente térmico". [48] En termodinámica, la convección en general se considera como transporte de energía interna . Sin embargo, si la convección es cerrada y circulatoria, entonces puede considerarse como un intermediario que transfiere energía en forma de calor entre los cuerpos de origen y destino, ya que solo transfiere energía y no importa desde el origen al cuerpo de destino. [10]
De acuerdo con la primera ley para sistemas cerrados, la energía transferida únicamente a medida que el calor abandona un cuerpo y entra en otro, cambiando las energías internas de cada uno. La transferencia, entre cuerpos, de energía como trabajo es una forma complementaria de cambiar las energías internas. Aunque no es lógicamente riguroso desde el punto de vista de los conceptos físicos estrictos, una forma común de palabras que expresa esto es decir que el calor y el trabajo son interconvertibles.
Los motores de funcionamiento cíclico, que utilizan solo transferencias de calor y trabajo, tienen dos depósitos térmicos, uno caliente y otro frío. Pueden clasificarse por el rango de temperaturas de operación del cuerpo de trabajo, en relación con esos reservorios. En un motor térmico, el cuerpo de trabajo está en todo momento más frío que el depósito caliente y más caliente que el depósito frío. En cierto sentido, utiliza la transferencia de calor para producir trabajo. En una bomba de calor, el cuerpo de trabajo, en las etapas del ciclo, se calienta más que el depósito caliente, y más frío que el depósito frío. En cierto sentido, utiliza el trabajo para producir la transferencia de calor.
Motor térmico
En la termodinámica clásica, un modelo comúnmente considerado es el motor térmico.. Consta de cuatro cuerpos: el cuerpo de trabajo, el reservorio caliente, el reservorio frío y el reservorio de trabajo. Un proceso cíclico deja al cuerpo de trabajo en un estado sin cambios, y se prevé que se repita indefinidamente a menudo. Las transferencias de trabajo entre el cuerpo de trabajo y el reservorio de trabajo se consideran reversibles y, por lo tanto, solo se necesita un reservorio de trabajo. Pero se necesitan dos depósitos térmicos, porque la transferencia de energía como calor es irreversible. Un solo ciclo ve la energía tomada por el cuerpo de trabajo desde el reservorio caliente y enviada a los otros dos reservorios, el reservorio de trabajo y el reservorio de frío. El depósito caliente siempre y solo suministra energía y el depósito frío siempre y solo recibe energía. La segunda ley de la termodinámica requiere que no se produzca ningún ciclo en el que el depósito de frío no reciba energía.
Bomba de calor o nevera
Otro modelo comúnmente considerado es la bomba de calor o el refrigerador. Nuevamente hay cuatro cuerpos: el cuerpo de trabajo, el reservorio caliente, el reservorio frío y el reservorio de trabajo. Un solo ciclo comienza con el cuerpo de trabajo más frío que el depósito de frío, y luego el cuerpo de trabajo ingresa energía en forma de calor desde el depósito de trabajo. Luego, el depósito de trabajo funciona en el cuerpo de trabajo, agregando más energía interna, lo que lo calienta más que el depósito de calor. El cuerpo de trabajo caliente pasa calor al depósito caliente, pero aún permanece más caliente que el depósito frío. Luego, al permitir que se expanda sin hacer trabajo en otro cuerpo y sin pasar el calor a otro cuerpo, el cuerpo de trabajo se enfría más que el depósito de frío. Ahora puede aceptar la transferencia de calor desde el depósito frío para iniciar otro ciclo.
El dispositivo ha transportado energía de un reservorio más frío a uno más caliente, pero esto no se considera como una agencia inanimada; más bien, se considera como el aprovechamiento del trabajo. Esto se debe a que el trabajo se suministra desde el depósito de trabajo, no solo mediante un proceso termodinámico simple, sino por un ciclo de operaciones y procesos termodinámicos , que pueden considerarse como dirigidos por una agencia animada o de aprovechamiento. En consecuencia, el ciclo todavía está de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica. La eficiencia de una bomba de calor es mejor cuando la diferencia de temperatura entre los depósitos de agua caliente y fría es mínima.
Funcionalmente, tales motores se utilizan de dos maneras, distinguiendo un reservorio objetivo y un recurso o reservorio circundante. Una bomba de calor transfiere calor, al reservorio caliente como objetivo, desde el recurso o el reservorio circundante. Un refrigerador transfiere calor, desde el depósito frío como objetivo, al recurso o depósito circundante. Se puede considerar que el reservorio objetivo tiene fugas: cuando el objetivo filtra calor a los alrededores, se utiliza el bombeo de calor; cuando el objetivo pierde la frialdad en el entorno, se utiliza la refrigeración. Los motores aprovechan el trabajo para superar las fugas.
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