La termodinámica estudia los cambios de energía en los sistemas físicos y cómo estos cambios afectan las propiedades de la materia.
A continuación, mostraremos 4 ejemplos que muestran cómo se manifiestan los procesos termodinámicos en nuestro día a día: motores de combustión interna, sistemas naturales, plantas de energía solar térmica y climatización con aerotermia.
Motores de combustión interna
Los motores de combustión interna, como los que se encuentran en automóviles y motocicletas, son excelentes ejemplos de la aplicación de los principios termodinámicos. Estos motores funcionan en ciclos, siendo los más comunes el ciclo Otto y el ciclo Diesel.
Ciclo de Otto
El ciclo Otto es mediante el cual trabajan los motores de gasolina. El encendido del combustible se produce mediante una chispa y se divide en 4 etapas.
En primer lugar existe la fase de admisión, en la que el pistón se mueve hacia abajo, permitiendo la entrada de una mezcla de aire y combustible en el cilindro. Este proceso puede considerarse aproximadamente isobárico.
A continuación se produce la fase de compresión, en la que el pistón del motor se mueve hacia arriba, comprimiendo la mezcla. Este es un proceso adiabático, donde la presión y la temperatura aumentan.
Posteriormente, la mezcla se enciende en la fase de combustión, generando una explosión que fuerza al pistón hacia abajo. En esta etapa, la presión aumenta inicialmente, y luego se mantiene constante en un proceso isobárico.
Finalmente el pistón expulsa los gases quemados en la denominada etapa de escape. Esta expulsión también se realiza en un proceso aproximadamente isobárico.
Ciclo Diesel
El ciclo Diesel se diferencia principalmente en que el encendido del combustible se produce por compresión, lo que implica algunas diferencias en los procesos termodinámicos que intervienen. En este caso, también consta de 4 etapas:
En la primera etapa, el aire ingresa al cilindro en la etapa de admisión, en un proceso isobárico.
A continuación, en la fase de compresión, el aire se comprime adiabáticamente, aumentando su temperatura. Después se produce la combustión: el combustible se inyecta en el aire caliente, quemándose y manteniendo la presión constante en un proceso isobárico.
Finalmente los gases quemados se expulsan, en otro proceso isobárico durante la etapa de escape.
Sistemas naturales
Existen numerosos fenómenos naturales que se producen debido a procesos termodinámicos.
Un ejemplo prominente es el ciclo del agua, que involucra procesos como la evaporación, condensación y precipitación.
- Evaporación: El agua de los océanos, ríos y lagos se evapora debido al calor del sol. Este proceso puede considerarse un proceso isocórico (volumen constante) porque el agua cambia de estado líquido a vapor sin cambiar su volumen significativamente.
- Condensación: El vapor de agua en la atmósfera se enfría y se condensa en gotas de agua, formando nubes. Este proceso libera calor, siendo un proceso exotérmico.
- Precipitación: El agua condensada en las nubes cae a la tierra como lluvia, nieve o granizo. La energía potencial del agua en las nubes se convierte en energía cinética al caer.
Centrales de energía solar térmica
Las plantas de energía solar térmica utilizan la energía del sol para generar electricidad. Este proceso implica varios pasos termodinámicos:
- Absorción de calor: Los colectores solares capturan la radiación solar y la convierten en calor. Este calor se utiliza para calentar un fluido de trabajo, a menudo aceite térmico o agua.
- Transferencia de calor: El fluido caliente transfiere su energía a un generador de vapor. En este proceso, el fluido caliente cede calor al agua, transformándola en vapor.
- Generación de electricidad: El vapor a alta presión impulsa una turbina conectada a un generador eléctrico. La expansión del vapor en la turbina es un proceso adiabático que convierte la energía térmica en energía mecánica y luego en energía eléctrica.
- Condensación: El vapor se condensa de nuevo en agua y se recircula al sistema, completando el ciclo.
Climatización con aerotermia
La aerotermia es una tecnología eficiente para la climatización de edificios, utilizando la energía térmica del aire exterior para calentar o enfriar espacios interiores.
Los sistemas de aerotermia son ejemplos perfectos para nuestro propósito ya que funcionan basándose en principios termodinámicos.
- Extracción de calor: En modo de calefacción, la bomba de calor extrae energía térmica del aire exterior, incluso en temperaturas bajas. Este proceso involucra la evaporación de un refrigerante dentro del sistema, un proceso que absorbe calor del ambiente.
- Compresión: El refrigerante gaseoso se comprime, elevando su temperatura y presión en un proceso adiabático.
- Condensación: El refrigerante caliente se condensa dentro de un intercambiador de calor, transfiriendo energía térmica al sistema de calefacción del edificio mediante un proceso exotérmico.
- Expansión: El refrigerante pasa por una válvula de expansión, reduciendo su presión y temperatura antes de iniciar nuevamente el ciclo.