Qué conecta esta familia
Una bebida que se enfría, un gas que cambia de volumen y una sustancia que se funde parecen casos distintos. Todos se entienden siguiendo temperatura, energía, trabajo y estado del sistema, y declarando qué permanece constante.
Mapa de aprendizaje
Ruta de Termodinámica, calor y gases
Avanza desde los fenómenos observables hasta los balances y modelos que permiten calcularlos.
Paso 1
Reconoce cómo se transfiere y cambia la energía
- Conducción de calorTasa de transferencia en una capa homogénea de espesor L, con temperaturas de sus caras aproximadamente constantes.
- ConvecciónTasa convectiva entre una superficie y un fluido alejado, usando un coeficiente apropiado al sistema.
- Radiación térmicaSuperficie gris pequeña frente a un entorno grande con factor geométrico aproximado a uno.
- Dilatación térmicaCambio de longitud de un sólido libre para un intervalo en que α puede aproximarse constante.
- Fusión (cambio de estado)Energía necesaria para fundir una masa m ya situada en su punto de fusión.
Paso 2
Comprende y calcula el comportamiento de los gases
- Teoría cinética de los gasesRapidez cuadrática media de un gas ideal con masa molar M.
- Gases ideales y realesRelaciona presión absoluta, volumen, cantidad y temperatura absoluta en el modelo ideal.
- Ley de BoyleRelación entre dos estados de una cantidad fija de gas ideal cuando temperatura y cantidad de gas permanezcan constantes.
- Ley de CharlesRelación entre dos estados de una cantidad fija de gas ideal cuando presión y cantidad de gas permanezcan constantes.
- Ley de Gay-LussacRelación entre dos estados de una cantidad fija de gas ideal cuando volumen y cantidad de gas permanezcan constantes.
- Ley general de los gasesRelación entre dos estados de una cantidad fija de gas ideal cuando la cantidad de gas permanezca constante entre dos estados de equilibrio.
Paso 3
Analiza estados, procesos y dirección del cambio
Comparación rápida: elige primero el modelo
La fórmula correcta depende de qué cambia, qué se conserva y qué tipo de transferencia ocurre.
| Situación | Pregunta clave | Relación inicial | Condición |
|---|---|---|---|
| Pared o barra | ¿Cuánta energía cruza el material? | P=kAΔT/L | Conducción estacionaria |
| Superficie y fluido | ¿Cómo interviene el movimiento del fluido? | P=hAΔT | h válido para el sistema |
| Gas entre dos estados | ¿Qué variable permanece constante? | P₁V₁/T₁=P₂V₂/T₂ | n constante; T en K |
| Balance energético | ¿Entran calor o trabajo? | ΔU=Q−W | Convención de signos declarada |
| Cambio de fase | ¿La muestra ya está en Tf? | Q=mLf | Presión y sustancia definidas |
10 ejemplos explicados paso a paso
Cada caso presenta problema, datos, principio, sustitución, cálculo, resultado e interpretación.
Pared de una habitación
P=600 W.
Problema: Una pared de 10 m², 0,20 m de espesor y k=0,80 W/(m·K) separa ambientes con 15 K de diferencia. Calcula la tasa de conducción.
- Datos: A=10 m²; L=0,20 m; k=0,80 W/(m·K); ΔT=15 K.
- Principio: En una pared plana, homogénea y en régimen estacionario: P=kAΔT/L.
- Sustitución: P=0,80×10×15/0,20.
- Cálculo o razonamiento: 0,80×10×15=120; 120/0,20=600.
- Resultado: P=600 W.
- Interpretación: Cada segundo atraviesan 600 J en el modelo; puentes térmicos y convección superficial no están incluidos.
Taza caliente
P=15 W.
Problema: Una taza ofrece 0,030 m², h=10 W/(m²·K), Ts=70 °C y aire a 20 °C.
- Datos: A=0,030; h=10; ΔT=50 K.
- Principio: P=hA(Ts−T∞).
- Sustitución: P=10×0,030×50.
- Cálculo o razonamiento: 10×0,030×50=15.
- Resultado: P=15 W.
- Interpretación: Es una estimación convectiva; radiación y evaporación pueden añadir pérdidas.
Riel de acero
ΔL=9,6 mm.
Problema: Un riel de 20 m, α=12×10⁻⁶ K⁻¹, aumenta 40 K.
- Datos: L₀=20 m; α=12×10⁻⁶; ΔT=40 K.
- Principio: ΔL=αL₀ΔT.
- Sustitución: ΔL=12×10⁻⁶×20×40.
- Cálculo o razonamiento: 12×20×40×10⁻⁶=0,0096.
- Resultado: ΔL=9,6 mm.
- Interpretación: Las juntas evitan esfuerzos excesivos cuando el riel se alarga.
Fundir hielo a 0 °C
Q=167 kJ.
Problema: ¿Cuánta energía funde 0,50 kg de hielo a 0 °C? Usa Lf=334 kJ/kg.
- Datos: m=0,50 kg; Lf=334 kJ/kg.
- Principio: Q=mLf.
- Sustitución: Q=0,50×334.
- Cálculo o razonamiento: =167.
- Resultado: Q=167 kJ.
- Interpretación: La energía cambia la fase; la temperatura permanece aproximadamente en el punto de fusión.
Energía media
Kprom≈6,21×10⁻²¹ J.
Problema: Calcula la energía cinética traslacional media por molécula a 300 K.
- Datos: kB=1,380649×10⁻²³ J/K; T=300 K.
- Principio: Kprom=3kBT/2.
- Sustitución: K=1,5×1,380649×10⁻²³×300.
- Cálculo o razonamiento: ≈6,21×10⁻²¹.
- Resultado: Kprom≈6,21×10⁻²¹ J.
- Interpretación: Es un promedio estadístico; las moléculas individuales tienen energías distintas.
Jeringa
V₂=40 mL.
Problema: 60 mL de aire a 1,0 atm se comprimen a 1,5 atm a temperatura constante.
- Datos: P₁=1,0 atm; V₁=60 mL; P₂=1,5 atm.
- Principio: P₁V₁=P₂V₂.
- Sustitución: V₂=1,0×60/1,5.
- Cálculo o razonamiento: 60/1,5=40.
- Resultado: V₂=40 mL.
- Interpretación: Al aumentar la presión 50 %, el volumen disminuye; la masa y la temperatura deben permanecer constantes.
Globo templado
V₂=2,20 L.
Problema: Un globo de 2,0 L a 300 K se calienta a 330 K a presión constante.
- Datos: V₁=2,0 L; T₁=300 K; T₂=330 K.
- Principio: V₁/T₁=V₂/T₂.
- Sustitución: V₂=2,0×330/300.
- Cálculo o razonamiento: =2,20.
- Resultado: V₂=2,20 L.
- Interpretación: El volumen aumenta 10 % porque la temperatura absoluta aumenta 10 %.
Lata rígida
P₂=110 kPa.
Problema: Un gas está a 100 kPa y 300 K; se calienta a 330 K sin cambiar volumen.
- Datos: P₁=100 kPa; T₁=300 K; T₂=330 K.
- Principio: P₁/T₁=P₂/T₂.
- Sustitución: P₂=100×330/300.
- Cálculo o razonamiento: =110.
- Resultado: P₂=110 kPa.
- Interpretación: Un aumento de 10 % en T absoluta produce 10 % en presión ideal.
Pistón a presión constante
W=1,0 kJ.
Problema: Un gas se expande de 0,020 a 0,030 m³ a 100 kPa. Halla el trabajo hecho por el gas.
- Datos: p=100000 Pa; ΔV=0,010 m³.
- Principio: En un proceso isobárico, W=pΔV.
- Sustitución: W=100000×0,010.
- Cálculo o razonamiento: =1000.
- Resultado: W=1,0 kJ.
- Interpretación: Con la convención W>0 para trabajo hecho por el sistema, la expansión da signo positivo.
Calor reversible
ΔS=2 J/K.
Problema: Un sistema absorbe reversiblemente 600 J a 300 K.
- Datos: Qrev=600 J; T=300 K.
- Principio: ΔS=Qrev/T para transferencia reversible isotérmica.
- Sustitución: ΔS=600/300.
- Cálculo o razonamiento: =2.
- Resultado: ΔS=2 J/K.
- Interpretación: Debe usarse temperatura absoluta; 300 °C no equivale a 300 K.
Errores frecuentes
Error: Usar grados Celsius en cocientes o potencias termodinámicas.
Corrección: Convierte a kelvin cuando la relación exige temperatura absoluta.
Error: Confundir calor con temperatura o con energía almacenada.
Corrección: El calor es energía en tránsito por una diferencia de temperatura.
Error: Aplicar una ley de gases sin identificar la variable constante.
Corrección: Declara sistema, estados, presión absoluta, temperatura y restricción antes de sustituir.
Pon a prueba lo aprendido
Pregunta 1 de 10
El calor es:
Pregunta 2 de 10
La temperatura en una razón de gases se expresa en:
Pregunta 3 de 10
Conducción y convección se distinguen porque:
Pregunta 4 de 10
En pV=nRT, p debe ser:
Pregunta 5 de 10
La ley de Boyle mantiene constante:
Pregunta 6 de 10
Un proceso adiabático cumple:
Pregunta 7 de 10
La entalpía se define como:
Pregunta 8 de 10
En un sistema aislado, la entropía total:
Pregunta 9 de 10
Durante una fusión ideal:
Pregunta 10 de 10
La radiación térmica:
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Preguntas frecuentes
¿Calor y temperatura son lo mismo?
No. La temperatura caracteriza el estado térmico; el calor es energía transferida debido a una diferencia de temperatura.
¿Por qué las leyes de los gases usan kelvin?
Porque relacionan magnitudes con temperatura absoluta. Cero grados Celsius no representa ausencia de energía térmica.
¿Un gas real puede tratarse como ideal?
Sí, como aproximación, sobre todo a baja densidad y lejos de la condensación; la precisión requerida decide si basta.
¿La termodinámica solo estudia gases?
No. También estudia líquidos, sólidos, mezclas y sistemas con cambios de fase.
¿Qué debo hacer antes de elegir una fórmula?
Define el sistema, los estados, la incógnita, las transferencias y las variables que permanecen constantes.
Fuentes y revisión editorial
Cómo citar este artículo
Editorial Ejemplode. (2026, 5 de agosto). Termodinámica, calor y gases: guía paso a paso. https://www.ejemplode.com/fisica/termodinamica-calor-y-gases/
Fuentes consultadas
- OpenStax University Physics Volume 2, 1.1: Temperature and Thermal EquilibriumTemperatura, equilibrio térmico y ley cero.
- OpenStax University Physics Volume 2, 1.6: Mechanisms of Heat TransferConducción, convección y radiación térmica.
- OpenStax University Physics Volume 2, 2.1: Molecular Model of an Ideal GasModelo ideal, ecuación de estado y desviaciones reales.
- OpenStax University Physics Volume 2, 3.3: First Law of ThermodynamicsPrimera ley, energía interna, calor y trabajo.
- OpenStax University Physics Volume 2, 4.6: EntropyEntropía, procesos reversibles y segunda ley.
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Editorial Ejemplode
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