Frank Lafontaine #7 EE-A 6to

0 Calor
Se denomina calor a la energía en tránsito que se reconoce solo cuando se cruza la frontera de un
sistema termodinámico. Una vez dentro del sistema, o en los alrededores, si la transferencia es de
adentro hacia afuera, el calor transferido se vuelve parte de la energía interna del sistema o de los
alrededores, según su caso. El término calor, por tanto, se debe de entender como transferencia de
calor y solo ocurre cuando hay diferencia de temperatura y en dirección de mayor a menor. De ello se
deduce que no hay transferencia de calor entre dos sistemas que se encuentran a la misma
temperatura.

El calor es una forma de energía que se transfiere de manera espontánea entre distintas zonas de un
cuerpo o desde un cuerpo hacia otro.

En termodinámica, “calor” significa “transferencia de energía”. Esta transferencia siempre tiene una
dirección definida por la diferencia de temperatura entre los cuerpos. El calor fluye del cuerpo más
caliente al más frío, de manera de llegar a una temperatura de equilibrio.

El calor se puede transmitir de tres formas diferentes:

Radiación térmica. El calor se propaga a través de ondas electromagnéticas. Todos los cuerpos emiten
calor de esta forma, a menos que estén a una temperatura igual al cero absoluto, 0 Kelvin.

Conducción térmica. El calor se transmite por la agitación de las moléculas, lo que provoca que la
temperatura incremente, que los líquidos se evaporen, que los sólidos se fundan y que los cuerpos se
dilaten.

Convección térmica. El calor se transfiere por medio del movimiento de un fluido, como puede ser un
gas y un líquido. Por ejemplo, al calentar agua en una cacerola, la porción que está en contacto con su
base asciende al calentarse, mientras que el agua de la superficie desciende por los lados al enfriarse y
ocupa el lugar que dejó la porción caliente.

1. Temperatura
La temperatura de un gas ideal monoatómico es una medida relacionada con la energía cinética
promedio de sus moléculas al moverse. En esta animación, se muestra a escala la relación entre el
tamaño de los átomos de helio respecto a su espaciado bajo una presión de 1958 atmósferas. Estos
átomos, a temperatura ambiente, muestran una velocidad media que en esta animación se ha reducido
dos billones de veces. De todas maneras, en un instante determinado, un átomo particular de helio
puede moverse mucho más rápido que esa velocidad media mientras que otro puede permanecer
prácticamente inmóvil.

La temperatura es una magnitud referida a la noción de calor medible mediante un termómetro. En

física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema
termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está
relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como energía cinética, que es la
energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional,
rotacional, o en forma de vibraciones. A medida que sea mayor la energía cinética de un sistema, se
observa que este se encuentra más «caliente»; es decir, que su temperatura es mayor.

2. Diferencia entre calor y temperatura

El calor es una forma de energía y se mide en el Sistema Internacional de Unidades en Julio, aunque
también se usa con frecuencia la caloría o kilocaloría. La temperatura es una unidad intrínseca del
estado térmico de una sustancia, independiente de su tamaño, y se mide en ºC, ºF, ºK, etc... Cuando
medimos la temperatura en una garita meteorológica no se hace referencia al aparato de medida.

El calor se puede asimilar a la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras
temperatura es una medida de la energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las
partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, ni del número o del
tipo. Las temperaturas más altas tienen lugar cuando las moléculas se están moviendo, vibrando y
rotando con mayor energía.

3. Caloría
Caloría es una unidad que no pertenece al Sistema Internacional de Unidades. Su función es expresar la
energía térmica, señalando la cantidad de calor que se necesita, con presión normal, para incrementar la
temperatura de 1 gramo de H2O en 1ºC (de 14,5 a 15,5°C).

En el Sistema Internacional, la caloría debe ser reemplazada por el julio (una caloría equivale a 4,1855
julios), aunque su uso se conserva ya que se ha popularizado para expresar el poder energético que
poseen los alimentos.

Es posible diferenciar entre dos clases específicas de calorías: la caloría-gramo (también conocida como
caloría pequeña) es aquella energía calorífica que es necesaria para subir en 1º Celsius la temperatura
de 1 gramo de H2O; la caloría-kilogramo (o caloría grande), por otra parte, es la energía calorífica
requerida para que la temperatura de 1 kilogramo de H20 aumente en 1º Celsius. Dicha distinción, sin
embargo, ha caído en desuso en los últimos años.

La noción de caloría resulta importante para explicar el funcionamiento del proceso alimenticio. Los
seres vivos necesitan de energía para subsistir; esta energía se obtiene a partir de la comida. La
alimentación, por lo tanto, es la fuente de energía más relevante para los organismos vivos.

La energía obtenida a partir de los nutrientes que se encuentran en los alimentos se convierte en
calorías o, con mayor precisión, en kilocalorías (es decir, en miles de calorías). El cuerpo emplea las
calorías en enfermedades, situaciones de estrés y procesos del metabolismo.

4. Como está graduada la escala Celsius

El grado Celsius (en símbolo en °C), es la unidad de una escala de medición de temperatura, lleva el
nombre del astrónomo sueco Anders Celsius (1701 – 1744), quien lo propuso por primera vez en 1742.
La escala Celsius es una escala para indicar la temperatura en la que los intervalos de temperatura son
grados Celsius.
La escala Celsius fija el punto de fusión del hielo en una mezcla de agua saturada con aire a 0°C y el
punto de ebullición a 99.974°C en condiciones de presión estándar (1 bar, un poco menos que una
atmósfera, presión en el que el agua hierve a 100 grados Celsius).

Originalmente concebido por el Celsius escala tenido el punto de ebullición del agua a 0°C, y el punto de
congelación de 100ºC. Después de su muerte, sin embargo, la escala fue invertida en 1745 por Linneo,
transformándola en la que ahora se usa comúnmente.

La definición oficial actual de la escala Celsius coloca a 0.01 ° C como el punto triple del agua y un grado
como 1 / 273.16 de la diferencia de temperatura entre el punto triple del agua y el cero absoluto. Esta
definición de grados Celsius asegura que la diferencia de temperatura de un grado Celsius representa la
misma diferencia de temperatura de un kelvin.

5. Transmisión del calor por conducción

La conducción de calor o transferencia de energía en forma de calor por conducción es un proceso de
transmisión de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos, sin intercambio de materia,
porque el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que está en
contacto con el primero. La propiedad física de los materiales que determina su capacidad para conducir
el calor es la conductividad térmica. La propiedad inversa de la conductividad térmica es la resistividad
térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

La transmisión de calor por conducción, entre dos cuerpos o entre diferentes partes de un cuerpo, es el
intercambio de energía interna, que es una combinación de la energía cinética y energía potencial de sus
partículas microscópicas: moléculas, átomos y electrones. La conductividad térmica de la materia
depende de su estructura microscópica: en un fluido se debe principalmente a colisiones aleatorias de
las moléculas; en un sólido depende del intercambio de electrones libres (principalmente en metales) o
de los modos de vibración de sus partículas microscópicas (dominante en los materiales no metálicos).3

Para el caso simplificado de flujo de calor estacionario en una sola dirección, el calor transmitido es
proporcional al área perpendicular al flujo de calor, a la conductividad del material y a la diferencia de
temperatura, y es inversamente proporcional al espesor:

6. Transmisión del calor por convección

La convección es una de las tres formas de transferencia de calor (conducción, convección y radiación)
que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente
por medio de materiales, la evaporación del agua o fluidos. La convección en sí es el transporte de calor
por medio del movimiento del fluido. Por ejemplo, al calentar el agua en una cacerola, el agua que entra
en contacto con la base de la cacerola asciende al calentarse, mientras que el agua de la superficie
desciende por los lados al enfriarse, y ocupa el lugar que dejó la porción caliente. Del mismo modo que
en la conducción, requiere un material para la transferencia. A diferencia de la radiación, no necesita un
medio para que ocurra la transferencia.

La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos

macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Incluye también el intercambio de
energía entre una superficie sólida y un fluido o por medio de una bomba, un ventilador u otro
dispositivo mecánico (convección mecánica, forzada o asistida). Esta se caracteriza a través del número
de Nusselt que es función del Reynolds y el Prandtl.

La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del enfriamiento de Newton:
El coeficiente convectivo La constante para la conducción es la conductividad térmica. Este depende de
las propiedades de fluido, geometría del sistema, velocidad de flujo, distribución de temperatura y
variación de la temperatura. El análisis dimensional permite determinar una ecuación que relaciona el
coeficiente de convección con otras variables las cuales se pueden cuantificar, esto ocurre para
convección forzada como para convección libre.

7. Transmisión del calor por radiación

La transmisión de calor por radiación se caracteriza porque la energía se transporta en forma de ondas
electromagnéticas, que se propagan a la velocidad de la luz. El transporte de energía por radiación
puede verificarse entre superficies separadas por el vacío. El sol, por ejemplo, transmite energía a la
Tierra enteramente por radiación a través de millones de kilómetros de espacio vacío.

Un cuerpo negro se define como aquel que emite y absorbe la máxima cantidad de energía a una
temperatura determinada.

Los cuerpos reales reflejan radiación térmica en la misma forma en que la absorben y la transmiten. Los
metales muy pulidos son buenos reflectores de la radiación térmica.

Reflectividad: r Es la fracción de calor incidente sobre el cuerpo que se refleja.

Absortividad: a Es la fracción que se absorbe.

Transmisividad: t Es la fracción de energía incidente transmitida a través del cuerpo.

Emisividad: e Es la efectividad del cuerpo como un radiador térmico a una temperatura. Es la relación
de la emisión de calor a una temperatura dada a la emisión de calor desde un cuerpo negro a la misma
temperatura.

8. Fusión
Derretimiento, o fusión, es un proceso físico que resulta en la transición de fase de una sustancia de un
sólido a un líquido. Esto ocurre cuando aumenta la energía interna de los sólidos, típicamente por la
aplicación de calor o presión, el cual aumenta la temperatura de la sustancia al punto de fusión. En el
punto de fusión, el orden de iones o moléculas en los sólidos se devienen a un estado menos ordenado,
y el sólido se convierte en un líquido.

Las sustancias en el estado fundido generalmente reducen su viscosidad con el aumento de

temperatura. Una excepción a este principio es el azufre, cuyos aumentos de viscosidad son debidos a la
polimerización, disminuyendo a temperaturas más altas en su estado fundido.

Algunos compuestos orgánicos funden a través de mesofases, estados de orden parcial entre sólido y
líquido.

9. Vaporización
La vaporización es el principal proceso mediante el cual una sustancia cambia de estado líquido a estado
gaseoso.

Se denomina ebullición cuando el cambio de estado ocurre por aumento de la temperatura en el

interior del líquido; el punto de ebullición es la temperatura a la cual un líquido determinado hierve a
una presión dada y permanece constante mientras dure el proceso de cambio de estado.

Se le denomina evaporación cuando el estado líquido cambia lentamente a estado gaseoso, tras haber
adquirido suficiente energía para vencer la tensión superficial. A diferencia de la ebullición, la
evaporación se produce a cualquier temperatura, siendo más rápida cuanto más elevada está.

En el campo terapéutico, la vaporización denomina el uso medicinal de vapores, en especial en

contextos relacionados con aguas termales.

La vaporización, por lo tanto, es el cambio de estado de un líquido a un gas. Este proceso puede llevarse
a cabo de dos maneras: cuando el paso de líquido a gaseoso se desarrolla en la totalidad de la masa de
la sustancia, se habla de ebullición. Se llama punto de ebullición, en este contexto, a la temperatura que
hace que un líquido, a una cierta presión, hierva y empiece a atravesar el mencionado cambio de
estado; si este último solo se lleva a cabo en la superficie del líquido, el fenómeno se conoce como
evaporación.

10.Sublimación progresiva
La sublimación progresiva es un proceso termodinámico en el que ocurre un cambio de estado
endotérmico directamente de un sólido a un gas, sin la formación previa del líquido. El comportamiento
del sólido en condiciones normales es el de calentarse y derretirse; es decir, fundirse. Mientras, en la
sublimación el sólido comienza a humear directamente, sin la previa aparición de gotas indicativas de su
fundición.

11.Solidificación
la solidificación es un proceso similar en el que un líquido (agua) se convierte en un sólido (hielo), no al
disminuir su temperatura, sino al aumentar la presión a la que se encuentra sometido. A pesar de esta
distinción técnica, los dos procesos son muy similares y los dos términos se usan indistintamente.

La mayoría de los líquidos se congelan por cristalización, formando un sólido cristalino a partir del
líquido uniforme. Esta es una transición de fase termodinámica de primer orden, lo que significa que,
mientras coexistan el sólido y el líquido, la temperatura de todo el sistema permanece casi igual al punto
de fusión debido a la eliminación lenta del calor cuando entra en contacto con el aire, que es un mal
conductor del calor. Debido al calor latente de fusión, la congelación se ralentiza en gran medida y la
temperatura ya no bajará una vez que comience la congelación, pero continuará disminuyendo una vez
que finalice. La cristalización consiste en dos eventos principales, la nucleación y el crecimiento de
cristales.

La congelación es casi siempre un proceso exotérmico, lo que significa que a medida que el líquido
cambia a sólido, se libera calor y presión. Esto se ve a menudo como contraintuitivo, ya que la
temperatura del material no se eleva durante la congelación, excepto si el líquido se enfrió en exceso.
Pero esto se puede entender, ya que el calor debe eliminarse continuamente del líquido de congelación
o el proceso de congelación se detendrá. La energía liberada al congelarse es un calor latente, y se
conoce como entalpía de fusión y es exactamente la misma que la energía requerida para fundir la
misma cantidad de sólido.

12.Condensación
La condensación es el cambio de estado de la materia que se encuentra en forma gaseosa
(generalmente en vapores) y pasa a forma líquida. Es el proceso inverso a la vaporización, si se produce
un paso de estado gaseoso a estado sólido de manera directa, el proceso es denominado sublimación
inversa o deposición. Si se produce un paso del estado líquido a sólido se denomina solidificación.

Aunque el paso del gas a líquido depende, entre otros factores, de la presión y de la temperatura,
generalmente se llama condensación al tránsito que se produce a presiones cercanas a la ambiental.
Cuando se usa una sobrepresión elevada para forzar esta transición, el proceso se denomina
licuefacción.

El proceso de condensación suele tener lugar cuando un gas es enfriado hasta su punto de rocío, sin
embargo, este punto también puede ser alcanzado variando la presión del gas. El equipo industrial o de
laboratorio necesario para realizar este proceso de manera artificial se llama condensador.

La ciencia que estudia las propiedades termodinámicas del aire húmedo y los efectos que tiene la
variación de la humedad atmosférica sobre los materiales y el ser humano se denomina psicrometría.
Las interrelaciones entre los parámetros que determinan la condición del aire húmedo se representan
en los diagramas psicrométricos. La condensación es un proceso regido con los factores en competición
de energía y entropía. Mientras que el estado líquido es más favorable desde el punto de vista
energético, el estado gas es el más entrópico.

13.Sublimación regresiva
Deposición es un proceso termodinámico en el cual un gas se transforma en un sólido, también
conocido como desublimación o sublimación inversa. El proceso inverso de la deposición es la
sublimación.

Un ejemplo de deposición es el proceso por el que, el aire sub-congelado, el vapor de agua cambia
directamente a hielo sin convertirse primero en un líquido. Así es como se forma la nieve en las nubes o
la escarcha en el suelo.
Otro ejemplo de deposición física es el proceso artificial de deposición física de vapor, usado para
depositar películas delgadas de varios materiales sobre varias superficies.

La deposición libera energía y es un cambio de fase exotérmico.

14.Átomos
El átomo es la unidad constituyente más pequeña de la materia que tiene las propiedades de un
elemento químico. Cada sólido, líquido, gas y plasma se compone de átomos neutros o ionizados. Los
átomos son microscópicos; los tamaños típicos son alrededor de 100 pm (cien mil millonésima parte de
un metro). No obstante, los átomos no tienen límites bien definidos y hay diferentes formas de definir
su tamaño que dan valores diferentes pero cercanos. Los átomos son lo suficientemente pequeños para
que la física clásica dé resultados notablemente incorrectos. A través del desarrollo de la física, los
modelos atómicos han incorporado principios cuánticos para explicar y predecir mejor su
comportamiento.

Cada átomo se compone de un núcleo y uno o más electrones unidos al núcleo. El núcleo está
compuesto de uno o más protones y típicamente un número similar de neutrones. Los protones y los
neutrones son llamados nucleones. Más del 99,94 % de la masa del átomo está en el núcleo. Los
protones tienen una carga eléctrica positiva, los electrones tienen una carga eléctrica negativa y los
neutrones no tienen carga eléctrica. Si el número de protones y electrones son iguales, ese átomo es
eléctricamente neutro. Si un átomo tiene más o menos electrones que protones, entonces tiene una
carga global negativa o positiva, respectivamente, y se denomina ion (anión si es negativa y catión si es
positiva).

15.Teoría cinética de los gases

La teoría cinética de los gases es una teoría física y química que explica el comportamiento y
propiedades macroscópicas de los gases (ley de los gases ideales), a partir de una descripción estadística
de los procesos moleculares microscópicos. La teoría cinética se desarrolló con base de los estudios de
físicos como Daniel Bernoulli en el siglo XVIII, Ludwig Boltzmann y James Clerk Maxwell a finales del siglo
XIX.

Esta rama de la física describe las propiedades térmicas de los gases. Estos sistemas contienen números
enormes de átomos o moléculas, y la única forma razonable de comprender sus propiedades térmicas
con base en la mecánica molecular, es encontrar determinadas cantidades dinámicas de tipo promedio y
relacionar las propiedades físicas observadas del sistema con estas propiedades dinámicas moleculares
en promedio. Las técnicas para relacionar el comportamiento macroscópico global de los sistemas
materiales con el comportamiento promedio de sus componentes moleculares constituyen la mecánica
estadística.

Los principales postulados de la teoría cinética son los siguientes:

 El número de moléculas es grande y la separación media entre ellas es grande comparada con
sus dimensiones. Por lo tanto, ocupan un volumen despreciable en comparación con el volumen
del envase y se consideran masas puntuales.
  Las moléculas obedecen las leyes de Newton, pero individualmente se mueven en forma
aleatoria, con diferentes velocidades cada una, pero con una velocidad promedio que no cambia
con el tiempo.
 Las moléculas realizan choques elásticos entre sí, por lo tanto, se conserva tanto el momento
lineal como la energía cinética de las moléculas.
 Las fuerzas entre moléculas son despreciables, excepto durante el choque. Se considera que las
fuerzas eléctricas o nucleares entre las moléculas son de corto alcance, por lo tanto, solo se
consideran las fuerzas impulsivas que surgen durante el choque.
 El gas es considerado puro, es decir todas las moléculas son idénticas.
 El gas se encuentra en equilibrio térmico con las paredes del envase.

16.Ley de Boyle
Fue descubierta por Robert Boyle en 1662. Edme Mariotte también llegó a la misma conclusión que
Boyle, pero no publicó sus trabajos hasta 1676. Esta es la razón por la que en muchos libros
encontramos esta ley con el nombre de Ley de Boyle y Mariotte.

La ley de Boyle establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente

proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante.

El volumen es inversamente proporcional a la

presión:

Si la presión aumenta, el volumen disminuye.

Si la presión disminuye, el volumen aumenta.

¿Por qué ocurre esto?

Al aumentar el volumen, las partículas (átomos o moléculas) del gas tardan más en llegar a las paredes
del recipiente y por lo tanto chocan menos veces por unidad de tiempo contra ellas. Esto significa que la
presión será menor ya que ésta representa la frecuencia de choques del gas contra las paredes.

Cuando disminuye el volumen la distancia que tienen que recorrer las partículas es menor y por tanto se
producen más choques en cada unidad de tiempo: aumenta la presión.

Lo que Boyle descubrió es que, si la cantidad de gas y la temperatura permanecen constantes, el

producto de la presión por el volumen siempre tiene el mismo valor.

Como hemos visto, la expresión matemática de esta ley es:

P⋅V=k

(el producto de la presión por el volumen es constante)

Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V1 que se encuentra a una presión P1 al comienzo
del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V2, entonces la presión cambiará a
P2, y se cumplirá:
 P1 ⋅ V1 = P2 ⋅ V2

que es otra manera de expresar la ley de Boyle.

17.Primera ley de Gay – Lussac

La primera ley dice que: “a presión constante, los volúmenes ocupados por una misma masa gaseosa al
variar la temperatura son directamente proporcionales a las temperaturas absolutas”.

Cuando la experiencia se realiza a volumen constante, es decir, en condiciones tales que el volumen
ocupado por la masa gaseosa no pueda variar se cumple una relación matemática análoga:

Donde P y P´ son las presiones soportadas por el gas a las temperaturas absolutas T y T´
respectivamente.

18.Segunda ley de Gay – Lussac

La segunda ley enuncia que: “A volumen constante, las presiones soportadas por una misma masa
gaseosa son directamente proporcionales a las temperaturas absolutas”

Ejemplo:

1. A 27°C y l atmósfera de presión, un gas ocupa un volumen de 10 litros. ¿Cuánto valdrá el volumen en
condiciones normales?

Recordando que condiciones normales significa 0°C y 1 atm; por tanto, la temperatura es variable y la
presión constante, por lo tanto, se aplica la primera ley de Charles- Gay Lussac:

V= volumen inicial = 10 litros;

V´= volumen buscado;

T, T´= temperaturas absolutas inicial y final, respectivamente.

Sustituyendo valores:

19.Primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica establece una relación entre la energía interna del sistema y la
energía que intercambia con el entorno en forma de calor o trabajo.

La primera ley de la termodinámica determina que la energía interna de un sistema aumenta cuando se
le transfiere calor o se realiza un trabajo sobre él. Su expresión depende del criterio de signos para
sistemas termodinámicos elegido.

Donde:

∆U : Incremento de energía interna del sistema ( ∆U = Ufinal - Uinicial ). Su unidad de medida en el

Sistema Internacional es el julio ( J )

Q : Calor intercambiado por el sistema con el entorno. Su unidad de medida en el Sistema Internacional
es el julio ( J ), aunque también se suele usar la caloría ( cal ). 1 cal = 4.184 J

W : Trabajo intercambiado por el sistema con el entorno. Su unidad de medida en el Sistema

Internacional es el julio ( J )

Al igual que todos los principios de la termodinámica, el primer principio se basa en sistemas en
equilibrio.

Por otro lado, es probable que hayas oído más de una vez que la energía ni se crea ni se destruye, solo
se transforma. Se trata del principio general de conservación de la energía. Pues bien, la primera ley de
la termodinámica es la aplicación a procesos térmicos de este principio. En un sistema aislado, en el que
no se intercambia energía con el exterior, nos queda:

ΔU=0

El universo en su totalidad se podría considerar un sistema aislado, y por tanto, su energía total
permanece constante.

20.Segunda ley de la termodinámica

Al igual que ocurren con otras leyes de termodinámica, el segundo principio es de tipo empírico,
llegamos a él a través de la experimentación. La termodinámica no se preocupa de demostrar por qué
las cosas son así, y no de otra forma.

La segunda ley de la termodinámica se expresa en varias formulaciones equivalentes:

 Enunciado de Kelvin - Planck

No es posible un proceso que convierta todo el calor absorbido en trabajo.

 Enunciado de Clausiois

No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un cuerpo frío a otro
más caliente.

Observa que esta segunda ley no dice que no sea posible la extracción de calor de un foco frío a otro
más caliente. Simplemente dice que dicho proceso nunca será espontáneo.

21.Dilatación y tipos
Dilatación es la acción y efecto de dilatar o dilatarse. El verbo dilatar, por su parte, refiere a hacer
mayor, extender o alargar algo; a propagar; o a diferir la concreción de una acción.

En el ámbito de la física, la dilatación es el aumento de la longitud, la superficie o el volumen de un

cuerpo a causa de la separación de sus moléculas por la disminución de su densidad. La dilatación
térmica, en este sentido, se produce ante el aumento de temperatura de un cuerpo, como cuando se
expanden las vías de un ferrocarril.

En relación al último término, tendríamos que exponer que existe lo que se conoce como coeficiente de
dilatación. Este es un vocablo que se emplea para medir el cambio relativo que experimenta un líquido o
un sólido dentro de un receptáculo, en cuanto a longitud o volumen, al cambiar de temperatura y
producirse su dilatación térmica.

Tipos

 Dilatación lineal
La dilatación lineal en física, se produce cuando un material aumenta su dimensión longitudinal, es decir
su longitud; esto se produce por la forma geométrica predominante que posee el material en cuestión.
Por ejemplo, la dilatación lineal será más notorio en un alambre de cualquier material, cuando este es
sometido al calor o aumento de temperatura.
También podemos considerar que la dilatación lineal se produce cuando un material aumenta sus
dimensiones en una dimensión.

Fórmulas de dilatación lineal

 ΔL: variación de longitud.

 L0: longitud inicial.
 LF: Longitud final.
 α: coeficiente de dilatación lineal.
 ΔT: variación de temperatura.
 T0: temperatura inicial.
 TF: temperatura final.

La ecuación general del cual se parte para encontrar el valor de longitud final, tomando en cuenta el tipo
de material, la longitud inicial y variación de temperatura, dice que: La variación de longitud es igual a la
longitud inicial, multiplicada por el coeficiente de dilatación del material y la variación de temperatura
experimentada.

Incremento porcentual longitudinal

Un material sometido a cambios de temperatura, sufre una variación porcentual de su dimensión, en

este caso estamos hablando del incremento en su longitud. Para calcular el incremento porcentual
empleamos la fórmula que expresa:
El incremento porcentual de longitud es igual al cociente entre la variación de longitud que sufre el
material, dividido entre la longitud inicial del material, todo ello multiplicado por 100%.

 Dilatación superficial
Una dilatación superficial es el fenómeno térmico que se produce cuando un cuerpo o material
experimenta un cambio en las dimensiones de su área superficial, es decir aumenta el tamaño de en dos
dimensiones. La dilatación superficial es más notable en cuerpos cuya forma geométrica predomínate es
plana y el aumento de dimensión se nota más a los lados.

Ejemplos de materiales con formas geométricas pueden ser: una plancha cuadrada de acero, una chapa
circular de aluminio, o cualquier material plano.

Fórmula de dilatación superficial

Donde:

 ΔS: variación de superficie.

 S0: superficie inicial.
 SF: Superficie final.
 β: coeficiente de dilatación superficial.
 ΔT: variación de temperatura.
 T0: temperatura inicial.
 TF: temperatura final.

Variación o incremento porcentual de área superficial

Cundo un cuerpo es sometido a cambios de temperatura, experimenta variación de su área superficial,

dicha variación también se puede expresar en términos porcentuales, para calcular ese incremento,
podemos emplear la fórmula:
Incremento porcentual de área superficial

Quiere decir que la variación de área superficial, expresado en porcentaje (%) es igual a división del valor
de dicha variación superficial entre el valor del área superficie inicial, todo ello multiplicado por 100%.

 Dilatación volumétrica
La dilatación volumétrica se presenta con mayor notoriedad en materiales que por su forma geométrica,
resaltan más su volumen, es decir cuerpos tridimensionales que resaltan su capacidad volumétrica. Se
considera que la dilatación volumétrica se produce en tres dimensiones, es decir un material aumenta
sus dimensiones en tres dimensiones, su altura, ancho y espesor.

Ejemplos claros de materiales con formas geométricas que resaltan su volumen son: un cubo de cobre,
un cilindro de hierro, una esfera de cualquier material y así podríamos mencionar una interminable lista
de estos.

Fórmula de dilatación volumétrica

Donde:

 ΔV: variación volumétrica.

 V0: Volumen inicial.
 VF: volumen final.
 γ: coeficiente de dilatación volumétrica.
 ΔT: variación de temperatura.
  T0: temperatura inicial.
 TF: temperatura final.

Variación porcentual de volumen

La variación de volumen expresado en porcentajes podemos calcular de manera similar que en casos
anteriores. Resulta de dividir el valor de la variación de volumen y multiplicar el resultado con el 100%,
el resultado representa en cuanto por ciento ha cambiado el volumen.

22. Maquinas térmicas

Una máquina térmica es un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía,
generalmente a través de un eje, mediante la variación de energía de un fluido que varía su densidad
significativamente al atravesar la máquina. Se trata de una máquina de fluido en la que varía el volumen
específico del fluido en tal magnitud que los efectos mecánicos y los efectos térmicos son
interdependientes.

En una máquina térmica, la compresibilidad del fluido no es despreciable y es necesario considerar su

influencia en la transformación de energía.

En un principio se podría definir a una máquina térmica como un dispositivo, equipo o una instalación
destinada a la producción de trabajo en virtud de un aporte calórico. Aunque en algunas definiciones se
identifican como sinónimos los términos «máquina térmica motora» y «motor térmico», en otras se
diferencian ambos conceptos. Al diferenciarlos, se considera que un motor térmico es un conjunto de
elementos mecánicos que permite obtener energía mecánica a partir de la energía térmica obtenida
mediante una reacción de combustión o una reacción nuclear. Un motor térmico dispone de lo
necesario para obtener energía térmica, mientras que una máquina térmica motora necesita energía
térmica para funcionar, mediante un fluido que dispone de más energía a la entrada que a la salida.

23.Descripción de los tipos de motores

Dividiremos todos los tipos de motores según sus clases

 Tipos de motor según su fuente de energía

Los tipos de motores existentes pueden clasificarse de diferentes maneras, a continuación, se hablará
un poco según la fuente de energía que los mueve.

 De energía térmica:

Los tipos de motores térmicos son en pocas palabras aquellos que transforman la energía térmica, es
decir calor en energía mecánica, la forma de la energía térmica puede variar sin embargo el principio se
mantiene, el cual es mover objetos. El principio de funcionamiento de este tipo de motores es detallado
a través de un esquema termodinámico simple como el que se muestra a continuación.
  De energía eléctrica:

Este tipo de motores tienen el principio de conversión de energía similar, ellos transforman la energía
eléctrica en mecánica, esto sucede gracias a la acción de los campos magnéticos que se crean en las
bobinas que los componen.

La energía eléctrica hace que los campos magnéticos desplacen fuerzas que dan como resultado el
desplazamiento del rotor, que, al estar fijado al estator, se desplaza en un movimiento giratorio.

Precisamente ese principio donde el efecto del magnetismo genera el giro entre el rotor y el estator es
aquel que luego se transmite a otros mecanismos que son movidos por éste.

 Híbridos

Se denomina así a los modelos que combinan dos tipos de impulsores, normalmente uno de combustión
y otro eléctrico. Los sistemas híbridos se dividen en dos grupos: en Serie y Paralelos, los primeros
utilizan el motor de combustión para alimentar las baterías y el eléctrico para mover las ruedas.

En los paralelos es el motor de combustión quien lleva el empuje mientras que el eléctrico apoya en
determinados momentos como aceleración. Un ejemplo del primer sistema es el Chevrolet Volt, un auto
100% eléctrico, pero que cuenta con un motor de combustión que trabaja como generador de
electricidad. Este generador puede ser un motor convencional, naftero o diésel, pero también se ha
probado con mini turbinas y motores rotativos.

En términos generales, se habla de motores híbridos aquellos que cumplen con la capacidad de tener un
sistema eléctrico de auto recarga propia, la forma de auto recarga puede ser a través de un motor
convencional, turbocompresores, entre otros.

 Tipos de motores Según el combustible que usan

Continuando con los tipos de motores ahora hablaremos un poco de ellos haciendo la distinción por el
combustible utilizado, es de resaltar que para este foco estaremos hablando solo de aquellos que son
movidos por energías térmicas, y serán divididos según el tipo de combustible.

 Motores a vapor

Los motores a vapor, son motores de combustión externa, que utilizan la energía térmica del agua,
proporcionada por la quema de un combustible (carbón, hulla, madera), transformándola en energía
mecánica capaz de ser utilizada para accionar aparatos.

En un principio de la historia de los motores estos fueron los que se adueñaron de los caminos, las
locomotoras de los primeros años de la revolución industrial fueron movidos por el esquema de la
quema de carbón e hicieron posible el transporte de maquinaria pesada.

El que es considerado el primer vehículo de la historia “El Fardier” inventado por el francés Joseph
Cugnot en 1769 consistió en un vehículo con una caldera de gran tamaño que quemaba carbón y por
esta acción el agua caliente hacia mover sus mecanismos internos, lo que finalmente era capaz de
generar movimiento al vehículo primitivo.

 Motores diésel
Por lo general, los motores diésel son principalmente empleados en medios de transporte que requieren
una dosis extra de potencia y que están pensados para una mayor carga diaria de trabajo, como
vehículos industriales, de carga, maquinaria, medios aeronáuticos, etc.

No obstante, desde que este tipo de motores naciera de la mano de Rudolf Diésel en 1893, la tecnología
se ha extendido también hacia medios de transporte particulares. Ha sido tanto el crecimiento que en
algunos países de Europa como España se dice que el número de vehículos que usan diésel es superior a
los que usan gasolina.

 Motores a gasolina

Así como los motores diésel, los motores a gasolina obtienen su energía a través de la quema de
combustible, obviamente el combustible es diferente. La diferencia entre el motor a gasolina y el diésel
está el proceso de combustión que sucede dentro del motor.

En los motores de gasolina, una mezcla de aire y combustible se comprime durante la carrera de
compresión, mientras que las relaciones de compresión están limitadas por el comienzo del
autoencendido o el golpeteo del motor. En los diéseles, solamente el aire se comprime durante la
carrera de compresión, eliminando la posibilidad de autoencendido.

Por lo tanto, los motores diesel pueden ser diseñados para operar a relaciones de compresión mucho
más altas, generalmente entre 12 y 24. No tener el problema del autoencendido conlleva otro beneficio:
muchos de los exigentes requerimientos impuestos a la gasolina pueden ser eliminados, de manera que
los combustibles menos refinados (y por lo tanto menos costosos) pueden utilizarse en los motores
diésel.

 Motores a gas

Los vehículos que funcionan con combustibles alternativos como el GLP (gas licuado del petróleo) o el
GNC (gas natural comprimido), van ganando terreno en la industria automovilística, y cada vez son más
los fabricantes que apuestan por comercializar versiones de algunos de sus modelos, propulsados por
este tipo de combustibles.

Cualquiera de las dos opciones, GLP o GNC, favorecen el aumento de la vida útil del motor, ya que no
generan tanto desgaste en los cilindros y se depositan menos residuos en el sistema.

Por otro lado, es importante tomar en cuenta que el efecto de limpieza al ambiente es superior, debido
a que la quema del gas es mucho menos dañina que la quema de gasolina o diésel.

El único inconveniente que todavía resalta para este tipo de combustible es que las prestaciones del
motor al usar este tipo de combustible son inferiores comparadas a los motores a gasolina y diésel.

El porqué de ello es debido la cantidad de octanos en sí del combustible que, dentro del proceso de
quema de él producen una menor cantidad de energía calorífica y, por ende, una reducción del poder
del combustible en comparación a los dos antes nombrados.

 Motor wankel:
Un motor rotativo o Wankel es un motor de combustión interna que tiene un sistema de
funcionamiento totalmente diferente al motor de combustión interna tradicional que usa pistones.

El motor wankel es un motor rotativo de 4 tiempos, pero en zonas distintas del estator o bloque, con el
pistón moviéndose sin detenciones de un tiempo a otro.

Más concretamente, la envolvente es una cavidad con forma de 8, dentro de la cual se encuentra un
rotor triangular o triángulo-lobular que realiza un giro de centro variable (rotor excéntrico).

Este pistón transmite su movimiento rotatorio a un eje cigüeñal que se encuentra en su interior, y que
gira ya con un centro único.

Al igual que un motor de pistones, el rotativo utiliza la presión producida por la combustión de la mezcla
aire-combustible.

 Tipos de motores Eléctricos

Siguiendo el mismo orden de ideas continuaremos hablando acerca de los diferentes tipos de motores,
en este punto hablaremos acerca de los diferentes tipos de motores eléctricos, a continuación, un poco
de ellos.

Los motores eléctricos son propulsores que no necesitan de una combustión interna para proporcionar
la energía, sino que ésta viene a través de la fuerza que producen el estator y el rotor. Estos sistemas
pueden funcionar tanto a través de baterías como conectados a una red eléctrica.

Dentro de los motores eléctricos podemos encontrar una clasificación principal que los distingue en tres
tipologías:

 De corriente continua

Tienen un diseño bastante complicado y permiten modificar la velocidad simplemente ajustando la

tensión. Son más caros de fabricar y sus aplicaciones todavía son limitadas.

 De corriente alterna

Están diseñados para funcionar a velocidades fijas. Son sencillos, baratos y muy usados tanto a nivel
industrial como doméstico.

 Universales

Pueden funcionar tanto con corriente continua como con corriente alterna, y son ampliamente
utilizados tanto a nivel profesional o industrial, como a nivel doméstico para dotar de potencia a
diversos electrodomésticos cotidianos.

 Tipo de motor Según el tiempo

Otra clasificación para los tipos de motores radica en su principio de funcionamiento, para este punto
específico hablaremos acerca de los tiempos que cumplen cada uno de los motores para poder convertir
la energía térmica en mecánica.
  Cuatro Tiempos

El funcionamiento del motor de 4 tiempos está comprendido por 4 etapas, éstas son las de Admisión,
Compresión, Expansión o Explosión y Escape.

Para la etapa de la admisión la válvula de admisión se abre, esto permite la entrada de aire que proviene
del exterior y se genera el descenso del pistón, así como el movimiento de la biela y el cigüeñal. La etapa
de compresión mantiene las válvulas de admisión y escape cerradas mientras el cigüeñal gira y
ascienden la biela y el pistón, al final de la carrera de compresión se produce la chispa. En la etapa de
expansión el pistón comienza a descender, ya que, el combustible entra en ignición producto la chispa
generada en la etapa anterior, generándose así una explosión dentro de la recamara de combustión.

Finalmente, en la etapa de escape el cigüeñal gira a la derecha, moviendo así a la biela para que el
pistón pueda elevarse mientras la válvula de escape se abre y deja que el gas de combustión sea
liberado a través de ella.

Es importante destacar que, de todo el proceso el único que resulta efectivo, es decir, aprovechable
mecánicamente hablando, es el suscitado durante la etapa de expansión, ya que, es allí donde se genera
la energía necesaria para mantener las otras 3 etapas en constante movimiento.

 Dos Tiempos

El principal cambio que hay entre estos dos tipos de motores radica en cómo se completa los procesos
en los motores, es decir, mientras el motor de 4 tiempos utiliza 4 movimientos lineales de la biela y dos
movimientos completos del cigüeñal el motor de 2 tiempos utiliza dos movimientos lineales de la biela y
un movimiento completo del cigüeñal.

Esto permite una mayor potencia en cada cilindrada, ya que hace una explosión en cada revolución. El
rendimiento del motor de 2 tiempos es menor al de 4 tiempos debido a que tiene un rendimiento
volumétrico menor, es decir, una menor capacidad de entrada de combustible y, por ende, un escape de
gas menos eficaz.

 Tipos de motores Según la disposición de los cilindros

Para este apartado clasificatorio de los tipos de motores, hablaremos de la disposición de los cilindros
en los motores de combustión interna, clasificándolos de la siguiente manera.

 Motores en línea

Todos los cilindros se sitúan uno a continuación del otro en un solo bloque. Esta es la disposición más
común en automóviles, siendo el número de cilindros más normal de 4 a 6.

El principal inconveniente de este tipo de motores es que el cigüeñal será más largo que el de otras
disposiciones teniendo que soportar mayores torsiones.

 Motores en V

Los cilindros van dispuestos en dos bloques, que unidos forman una uve. Se utiliza normalmente
motores a partir de 6 cilindros, en automóviles, pudiendo ser de menor número en motocicletas. Al
tener un mayor número de cilindros y un cigüeñal más corto la suavidad de estos motores es
considerable.

 Motores de cilindros opuestos

Los cilindros van dispuestos en dos bloques unidos de forma opuesta. Estos motores presentan las
mismas ventajas que los motores en uve, llegando a ser algo más equilibrados, utilizado en aviación.

Así los pistones se acercan unos a otros y se vuelven a alejar. De ahí el nombre de motor bóxer, porque
parece como si los pistones estuvieran boxeando unos contra otros.

 Tipos de motores Según la posición en el coche

Estos son:

 Delantera

La posición del motor más habitual es al frente, lo que se conoce como motor delantero. Esta posición
aprovecha mejor el espacio para pasajeros, ya que el giro de las ruedas restaría espacio si el maletero
estuviese delante. Además, permite una mejor refrigeración del motor, porque puede recibir el viento
cuando avanza.

 En forma longitudinal

Es utilizada principalmente en vehículos con propulsión trasera. Es muy común en vehículos de alta
cilindrada y gran potencia, al obtener un buen reparto de masas.

 En forma transversal

Es sin lugar a dudas la disposición más común entre todos los vehículos desde hace unos años. Es
utilizada en todo tipo de vehículos, utilitarios, berlinas, familiares e incluso vehículos de gran potencia.

Esta disposición permite transmitir la fuerza del motor, tracción, a las ruedas delanteras. Con esto el
conductor tendrá mayor control del vehículo al tener la tracción y la dirección en un mismo eje.

 Trasera

Los motores traseros se utilizan en automóviles deportivos como los Porsche 911(excepto en los
populares Volkswagen Escarabajo o en los Fiat 500, Cinquecento...), ya que la tracción mejora al cargar
más peso sobre las ruedas motrices. Habitualmente hay que incorporar aberturas laterales para la
refrigeración del motor.

En la actualidad tan solo algún modelo incorpora el motor por detrás del eje trasero, en los años 60 se
utilizaba con frecuencia. Esta disposición tiene el gran inconveniente de dificultar la refrigeración y
tampoco poseen una buena estabilidad.

 Central
Si el motor está entre los ejes delantero y trasero, su posición es central. Más precisamente, un motor
central delantero se ubica por detrás del eje delantero y adelante del habitáculo, y un motor central
trasero está detrás del habitáculo y por delante del eje trasero.

La disposición central del motor permite un reparto más equilibrado de masa entre los dos ejes, lo que
requiere menor inercia para empezar y dejar de girar. Por eso se utiliza especialmente en automóviles
de carreras.

La disposición central no es absolutamente central; lo que se intenta es que el motor esté entre los ejes,
alargando el morro en los central-delanteros, o colocando el motor delante del eje trasero en los
central-traseros.