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Termodinámica.
Transformación de la energía

Energía térmica i combustión.
Efectos de la termodinámica 

Entropía

Termodinámica

Termodinámica

La termodinámica es la rama de la física que estudia los efectos de los cambios de temperatura, presión y volumen de un sistema físico (un material, un líquido, un conjunto de cuerpos, etc.), a un nivel macroscópico. La raíz "termo" significa calor y dinámica se refiere al movimiento, por lo que la termodinámica estudia el movimiento del calor en un cuerpo. La materia está compuesta por diferentes partículas que se mueven de manera desordenada. La termodinámica estudia este movimiento desordenado.

La importancia práctica radica fundamentalmente en la diversidad de fenómenos físicos que describe. En consecuencia, el conocimiento de esta diversidad ha derivado haca una enorme productividad tecnológica.

¿Qué estudia la la termodinámica?

En la termodinámica se estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas termodinámicos.

Un sistema termodinámico se caracteriza por sus propiedades, relacionadas entre sí mediante las ecuaciones de estado. Estas se pueden combinar para expresar la energía interna y los potenciales termodinámicos, útiles para determinar las condiciones de equilibrio entre sistemas, los procesos espontáneos y el intercambio de energía con su entorno.

Los principales elementos que tenemos para su estudio son:

Con estas herramientas, la termodinámica describe cómo los sistemas responden a los cambios en su entorno. A menudo, este estudio se aplica a los gases. En este caso, a menudo se habla de los gases ideales.

¿Qué es un gas ideal?

Un gas ideal es un gas teórico compuesto de un conjunto de partículas puntuales con desplazamiento aleatorio, que no interactúan entre sí, es decir, las partículas que lo componen no intercambian energía.

El concepto de gas ideal es útil porque el mismo se comporta según la ley de los gases ideales, una ecuación de estado simplificada, y que puede ser analizada mediante la mecánica estadística.

En condiciones normales tales como condiciones normales de presión y temperatura, la mayoría de los gases reales se comporta en forma cualitativa como un gas ideal.

¿Cuáles son las leyes de la termodinámica?

Los principios de la termodinámica se enunciaron durante el siglo XIX, los cuales regulan las transformaciones termodinámicas, su progreso, sus límites. Realmente, son axiomas reales basados ​​en la experiencia en la que se basa toda la teoría.

En concreto, se pueden distinguir tres principios básicos, más un principio de "cero" que define la temperatura y que está implícito en los otros tres.

Principio cero de la termodinámica

La ley cero de la termodinámica afirma que cuando dos sistemas que interactúan están en equilibrio térmico, comparten algunas propiedades, que pueden medirse dándoles un valor numérico preciso. En consecuencia, cuando dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio entre sí y la propiedad compartida es la temperatura.

Primer principio termodinámico

La primera ley de la termodinámica afirma que cuando un cuerpo se pone en contacto con otro cuerpo relativamente más frío, se produce una transformación que conduce a un estado de equilibrio en el que las temperaturas de los dos cuerpos son iguales.

El primer principio es, por lo tanto, un principio de conservación de la energía. En cada máquina térmica, una cierta cantidad de energía se transforma en trabajo: no puede existir una máquina que produzca trabajo sin consumir energía.

En definitiva, el primer principio termodinámico se afirma tradicionalmente como: La variación de la energía interna de un sistema termodinámico cerrado es igual a la diferencia entre el calor suministrado al sistema y el trabajo realizado por el sistema en el medio ambiente.

Segundo principio termodinámico

Hay varias declaraciones de la segunda ley de la termodinámica, todas equivalentes, y cada una de las formulaciones enfatiza un aspecto particular. En primer lugar, afirma que "es imposible realizar una máquina cíclica que tenga el único resultado de transferir calor de un cuerpo frío a un cuerpo cálido" (declaración de Clausius). Por lo tanto, la transferencia de calor siempre va del cuerpo caliente al cuerpo frío.

Por otra parte, también se puede afirmar, de manera equivalente, que “es imposible llevar a cabo una transformación cuyo resultado sea solo el de convierte el calor tomado de una sola fuente en trabajo mecánico” (declaración de Kelvin).

Tercer principio de la termodinámica

El tercer principio de las leyes de la termodinámica está estrechamente relacionado con este último, y en algunos casos se considera como consecuencia de este último. En este sentido, puede afirmarse diciendo que "es imposible alcanzar el cero absoluto con un número finito de transformaciones" y proporciona una definición precisa de la magnitud llamada entropía.

Adicionalmente, la tercera ley de la termodinámica también establece que la entropía para un sólido perfectamente cristalino, a la temperatura de 0 kelvin es igual a 0.

Conceptos relacionados

En el estudio de la termodinámica aparecen deferentes conceptos que conviene conocer:

¿Qué es un sistema termodinámico?

Un sistema termodinámico se refiere a un área limitada utilizada para en la investigación termodinámica, y es el objeto de la investigación. El espacio exterior del sistema termodinámico se denomina entorno de este sistema.

Los límites de un sistema separan el sistema de su exterior. Este límite puede ser real o imaginario, pero el sistema debe limitarse a un espacio limitado. El sistema y su entorno pueden transferir materia, trabajo, calor u otras formas de energía en el límite.

¿Qué es un ciclo termodinámico?

Un ciclo termodinámico es un circuito de transformaciones termodinámicas realizadas en uno o más dispositivos destinados a la obtención de trabajo a partir de dos fuentes de calor a distinta temperatura, o de manera inversa, a producir mediante la aportación de trabajo el paso de calor de la fuente de menor temperatura a mayor temperatura.

El objetivo de un ciclo termodinámico es la obtención de trabajo a partir de dos fuentes térmicas a distinta temperatura, por ejemplo, en una instalación de energía solar térmica. El trabajo obtenido generalmente se emplea para producir movimiento o para generar electricidad.

El rendimiento es el principal parámetro que caracteriza a un ciclo termodinámico. El rendimiento térmico de un ciclo termodinámico se define como el trabajo obtenido dividido por el calor gastada en el proceso.

¿Qué son las propiedades termodinámicas?

Las propiedades termodinámicas son las propiedades que definen e intervienen en el estado termodinámico de un sistema. La termodinámica es caracterizada por tener un estado de equilibrio en el cual la presión, el volumen, la temperatura y la composición están presentes.

Estas propiedades se pueden clasificar como extensivas o intensivas. Entre estas propiedades encontramos la energía interna, la entropía, la entalpía, el calor, la temperatura, la presión, el volumen, etc.

¿Qué significa rendimiento térmico?

El rendimiento térmico o eficiencia de una máquina térmica es un coeficiente o ratio adimensional calculado como el cociente de la energía producida (en un ciclo de funcionamiento) y la energía suministrada a la máquina (para que logre completar el ciclo termodinámico). Se designa con la letra griega η

Dependiendo del tipo de máquina térmica, la transferencia de estas energías se realizará en forma de calor, Q, o de trabajo, W.

El 1824, el físico francés Sadi Carnot derivó la eficiencia térmica para una máquina térmica ideal como una función de la temperatura de sus reservorios fríos y calientes:

Termodinámica

donde:

Th es la temperatura del reservorio caliente;
Tc es la temperatura del reservorio frío.

En conclusión, la ecuación del rendimiento térmico plantea que se obtienen mayores niveles de eficiencia con un mayor gradiente de temperatura entre los fluidos calientes y fríos. En la práctica, cuanto más caliente sea el fluido, mayor será la eficiencia del motor.

¿Para qué sirve la termodinámica?

La termodinámica se puede aplicar a una amplia variedad de temas de ciencia e ingeniería, tales como motores, transiciones de fase, reacciones químicas, fenómenos de transporte, e incluso agujeros negros.

A continuación enumeramos algunos ejemplos de algunas de sus aplicaciones:

  • Alimentación. La cocina el caliente es un constante ejemplo de transformaciones químicas a través de procesos termodinámicos.
  • Ciencia de los materiales. En este caso se utilizan procesos térmicos para obtener nuevos tipos de materiales que posean propiedades químicas y físicas bien definidas.
  • Aplicaciones industriales. En el mundo industrial existen muchos procesos que transforman materias primas en productos acabados utilizando maquinaria y energía. Un ejemplo es la industria cerámica donde unos largos hornos túnel cuecen ladrilllos a temperaturas superiores a los 800 grados Celsius.
  • Arquitectura. En el campo de la construcción es muy importante tener en cuenta las transferencias térmicas entre el exterior y el interior de la vivienda. En la arquitectura bioclimática la termidinámica juega un papel fundamental, por lo que se estudian en detalle todos los aspectos de la energía solar pasiva.
  • Generación de electricidad. En todas las centrales térmicas (combustibles fósiles, energía nuclear o centrales solares) se utilizan estos conceptos para conseguir accionar turbinas de vapor y generadores electricos.

El estudio termodinámico resulta de gran importancia en el caso de la energía solar térmica debido a que este tipo de instalaciones solares se basan en el intercambio de calor.

En definitiva, los resultados termodinámicos son esenciales para otros campos de la física y la química, ingeniería química, ingeniería aeroespacial, ingeniería mecánica, biología celular, ingeniería biomédica, y la ciencia de materiales para nombrar algunos.

¿Qué es la energía solar termodinámica?

Esta aplicación de la energía solar es un sistema tecnológico que aprovecha la diferencia entre temperatura del líquido que hay en los paneles solares (en este caso paneles termodinámicos) y la temperatura ambiente.

En la energía solar termodinámica, los paneles solares llevan un líquido refrigerante a una temperatura muy baja. El líquido refrigerante, en contacto con la temperatura ambiente, experimenta un proceso termodinámico de intercambio de calor siempre y cuando la temperatura exterior no sea más baja que la del líquido refrigerante.

La ventaja de este sistema es que también se puede generar energía térmica en horario nocturno, en condiciones climatológicas adversas, lluvia, viento, etc.

Referencias

Autor:

Fecha publicación: 15 de junio de 2016
Última revisión: 18 de abril de 2020