Termodinámica.
Transformación de la energía

Energía térmica i combustión.
Efectos de la termodinámica 

Entropía

Primera ley de la termodinámica

Julius Robert von Mayer

La primera ley de la termodinámica fue anunciada por Julius Robert von Mayer en 1841. Se trata del principio de la conservación de la energía.

Definición de la primera ley de la termodinámica: La energía total de un sistema aislado ni se crea ni se destruye, permanece constante. La energía sólo se transforma de un tipo a otro. Cuando desaparece una clase de energía debe producirse una cantidad equivalente de otra clase.

Un cuerpo puede tener cierta velocidad con lo que tiene energía cinética. Si pierde velocidad esta energía cinética que pierde se transforma en otro tipo de energía, ya sea energía potencial (si adquiere altura), energía calorífica (si existe algún tipo de rozamiento que provoca que se caliente), etc.

El mismo principio se aplica en la energía solar fotovoltaica y en la energía solar térmica. Los àtomos de las particulas que forman el Sol contienen energía, mediante una reacción nucelar esta energía se transforma en radiación. La radiación solar que llega a la Tierra es captada por los paneles solares fotovoltaicos o les colectores térmicos, que transforman esta energía en energía eléctrica (fotovoltaica) o energía calorífica (térmica).

Ahora bien, vamos a ver cómo se llegaron a tales conclusiones.

Máquinas de vapor

Máquina de vaporLas primeras máquinas de vapor o máquinas térmicas fueron desarrolladas por primera vez en la época de los romanos. Los romanos construyeron el primer dispositivo que utilizaba el vapor para funcionar. Esta máquina de vapor consistía en un globo hueco soportado por un pivote de manera que puediera girar alrededor de un par de muñones, uno de ellos hueco. Por dicho muñón se podía inyectar vapor de agua, el cual  escapaba del  globo hacia el exterior por dos tubos doblados y orientados tangencialmente en direcciones opuestas y  colocados en los extremos del diámetro perpendicular al eje del globo. Al ser expelido el vapor, el globo reaccionaba a esta fuerza y giraba alrededor de su eje.

A partir de ese momento se construyeron una gran cantidad de máquinas de vapor que eran utilizadas para diversos fines. Uno de los usos de las máquinas de vapor era el de bomba de agua para subir el agua a las casas y disribuirla por sus habitaciones, o bien para levantar pesos a través de un cilindro y un pistón. Poco a poco las máquinas de vapor se utilizaban para una mayor cantidad de usos al avez que su grado de eficiencia se incrementaban.

El desarrollo y perfeccionamiento continuó hasta que la máquina de vapor se transformó en la máquina habitual para la navegación marina y la transportación terrestre (locomotoras), lográndose alcanzar presiones de vapor muy altas y velocidades de pistón considerables. Tecnológicamente las máquinas de vapor mejoraron muchísimo aunque de momento científicamente no se contaba con una explicación completa de su funcionamiento físico.

La idea principal de las máquinas de vapor es convertir la máxima cantidad de energía calorífica en otro tipo de energía: trabajo mecánico. De momento no existía una explicación científica, pero entrando en el siglo XIX, a través de experimentación, empieza a entender su significado.

Experimentos de Rumford

Rumford,  en 1798 realiza un experimento que consistió de un cilindro de bronce usado a un taladro de acero filoso. Este taladro se forzaba en contra de la parte inferior del cilindro y al cilindro  se le hacía girar sobre su eje por medio de una máquina taladradora operada con caballos. El cilindro y el taladro se colocaban en una caja hermética llena de agua a temperatura ambiente. Después de operar el dispositivo cierto tiempo, el cilindro  y el agua se calentaron, este calentamiento continuó hasta lograr la ebullición del agua.

Esto implicaba que el agua se calentó sin utilizar fuego, sólo a través de trabajo (del cilindro).

Los estudios decisivos que condujeron a establecer la equivalencia entre el trabajo mecánico y el calor fueron realizados en 1840 por James Joule en la Gran Bretaña. Estos estudios estuvieron inspirados en los trabajos de Rumford.

Experimentos de Joule

James Prescott Joule

James Joule propuso un dispositivo que consistía de un eje rotatorio dotado de una serie de paletas girando entre cuatro conjuntos de paletas estacionarias. El propósito de estas paletas era agitar el líquido que se colocaba en el espacio libre entre ellas. El eje se conectaba mediante un sistema de poleas y cuerdas muy finas a un par de masas de peso conocido.

Experimento de Joule

El experimento consistía en enrollar la cuerda sujetando las masas sobre las poleas hasta colocarlas a una altura determinada del suelo. Al dejar caer las masas, el eje giraba lo cual a su vez generaba una rotación de los brazos revolventes agitando el líquido contenido en el recipiente. Este proceso se repetía veinte veces y se medía la temperatura final del líquido agitado. Las paredes del recipiente eran herméticas y estaban fabricadas de una madera muy gruesa para simular una pared adiabática.

Después de una repetición cuidadosa Joule concluyó que la cantidad de calor producida por la fricción entre los cuerpos, sean líquidos o sólidos siempre es proporcional a la cantidad de trabajo mecánico suministrado.

Sus experimentos fueron repetidos en diferentes sustancias, tabulando los valores obtenidos de fuerza mecánica (representada por la caída de una masa por una cierta distancia), para elevar la temperatura de un volumen conocido de sustancia.

Primera ley de la termodinámica

Los resultados obtenidos por Joule hacen ver que para sistemas aislados de su exterior, y a los que se les suministra la misma cantidad de energía mecánica de maneras diferentes, el cambio observado en el sistema es el mismo. En este experimento el cambio se registra por la variación de la temperatura del sistema.

Es importante observar que en estos experimentos el sistema no se mueve, su energía cinética es cero, no se desplaza con respecto al nivel del suelo, su energía potencial permanece constante y sin embargo, el sistema ha absorbido una cierta cantidad de energía. A esta energía la llamamos la energía interna del sistema. Estas experiencias sirven para extender esta observación a todo sistema termodinámico y postular que: si a cualquier sistema aislado, le suministramos una cierta cantidad de energía mecánica W, ésta sólo provoca un incremento en la energía interna del sistema U, por la cantidad U de manera que:

Ecuación 1

Esta igualdad que puntualiza que la energía se aplica al sistema aislado, constituye la definición de la energía interna U. La existencia de esta cantidad para cualquier sistema es el postulado conocido como la primera ley de la termodinámica.

Si los experimentos de Joule u otros similares sobre otros sistemas se llevaran a cabo sin tomar la precaución de aislar el sistema de sus alrededores, observaríamos que:

Ecuación 2

El ejemplo más simple es el que ocurre al calentar la misma cantidad de sustancia usada por Joule, pero poniéndola directamente al fuego hasta obtener la misma variación en la temperatura Tomando las precauciones para que ninguna otra de las propiedades cambien, concluimos que la misma energía suministrada por W en los experimentos de Joule, ahora fue suministrada por el fuego, esto es, una cantidad de energía calorífica Q. Es claro que la energía faltante en la ecuación anterior se debe a las pérdidas de calor provocadas por el flujo de calor del sistema al exterior, en virtud de sus diferencias de temperatura.

Entonces podemos escribir:

Ecuación 3

Esto es: la energía se conserva en todo proceso si se toma en cuenta el calor, entendiendo por proceso el mecanismo mediante el cual un sistema cambia sus variables o propiedades termodinámicas.

En resumen podemos decir, que la formulación matemática de la primera ley de la termodinámica, ecuación anterior, contiene tres ideas afines:

  • La existencia de una función de energía interna.
  • El principio de conservación de la energía,
  • La definición de calor como energía en tránsito
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Referencias

Última revisión: 25 de septiembre de 2016