Termodinámica.
Transformación de la energía

Energía térmica i combustión.
Efectos de la termodinámica 

Entropía

Proceso isotérmico

Proceso isotérmico

En termodinámica, un proceso isotérmico es una transformación termodinámica a temperatura constante, es decir, una variación del estado de un sistema físico durante el cual la temperatura del sistema no cambia con el tiempo. Los dispositivos llamados termostatos pueden mantener un valor de temperatura constante.

La transformación isotérmica de un gas perfecto es descrita por la ley de Boyle que, en un diagrama de presión-volumen (o plano de Clapeyron), está representada por una rama de la hipérbola equilátera.

Isoterma de un gas perfecto

Cálculo de calor y trabajo intercambiado

Para las transformaciones isotérmicas del gas, la ley de Boyle-Mariotte es válida, según la cual la presión y el volumen son inversamente proporcionales; por lo tanto, el producto a una temperatura constante p·V Ves igual a una constante que, para los gases perfectos, coincide con el producto nRT.

La ley de Boyle está formulada matemáticamente a través de la relación:

P·V =  const.

En un diagrama de presión-volumen (es decir, en el plano de Clapeyron), está representado por una hipérbola equilátera.

Consideramos ahora una transformación isotérmica finita reversible de un gas perfecto entre dos estados A y B a temperatura constante. Siendo la energía interna una función del estado que depende solo de la temperatura tendrá dU = 0. Por lo tanto, el trabajo realizado por un gas perfecto durante una expansión isotérmica reversible se calcula fácilmente a partir de la primera ley de la termodinámica:

Cálculo del trabajo en un proceso isotérmico

Para la primera ley de la termodinámica, el calor que debe suministrarse al gas para mantener su temperatura constante es exactamente igual al trabajo, ya que la variación de la energía interna, que depende solo de la temperatura, es igual a 0.

Cálculo de entropía

De la definición de entropía:

Fórmula de la definición de la entropía

en el caso de una transformación isotérmica de un gas perfecto, obtenemos:

Fórmula del cálculo de la entropía en un proceso isotérmico

de lo cual se ve que la entropía de una isoterma aumenta para una expansión.

Ejemplos de proceso isotérmico

Los procesos isotérmicos pueden ocurrir en cualquier tipo de sistema que tenga algún medio para regular la temperatura, incluidas las máquinas altamente estructuradas e incluso las células vivas. Algunas partes de los ciclos de algunos motores térmicos se llevan a cabo isotérmicamente (por ejemplo, en el ciclo de Carnot).

En el análisis termodinámico de reacciones químicas, es habitual analizar primero lo que sucede bajo condiciones isotérmicas y luego considerar el efecto de la temperatura. Los cambios de fase, como la fusión o la evaporación, también son procesos isotérmicos cuando, como suele ser el caso, se producen a presión constante. Los procesos isotérmicos a menudo se usan y son un punto de partida para analizar procesos más complejos y no isotérmicos.

Los procesos isotérmicos son de especial interés para los gases ideales. Esto es una consecuencia de la segunda ley de Joule que establece que la energía interna de una cantidad fija de un gas ideal depende solo de su temperatura. Por lo tanto, en un proceso isotérmico, la energía interna de un gas ideal es constante. Esto es el resultado del hecho de que en un gas ideal no hay fuerzas intermoleculares. Tenga en cuenta que esto es cierto solo para los gases ideales; la energía interna depende de la presión, así como también de la temperatura de líquidos, sólidos y gases reales.

En la compresión isotérmica de un gas, se trabaja en el sistema para disminuir el volumen y aumentar la presión. Hacer trabajos en el gas aumenta la energía interna y tenderá a aumentar la temperatura. Para mantener la temperatura constante, la energía debe salir del sistema como calor y entrar al ambiente. Si el gas es ideal, la cantidad de energía que ingresa al ambiente es igual al trabajo realizado en el gas, porque la energía interna no cambia. Para detalles de los cálculos, vea el cálculo del trabajo.

Para un proceso adiabático, en el que no entra o sale calor del gas porque su contenedor está bien aislado, Q  = 0. Si tampoco se realiza ningún trabajo, es decir, una expansión libre, no hay cambio en la energía interna. Para un gas ideal, esto significa que el proceso también es isotérmico. Por lo tanto, especificar que un proceso es isotérmico no es suficiente para especificar un proceso único.

Representación de una transformación isotérmica

Se indica el nombre isoterma (o de forma más completa con el término isoterma de curva), en un gráfico en el que se representa un proceso térmico o transformaciones más térmicas en la sucesión, la parte de la gráfica que representa una transformación isotérmica, es decir, una transformación que se produce en temperatura constante

Comparación del trabajo entre el proceso isotérmico y el proceso adiabático

El proceso adiabático se toma como la referencia teórica "ideal", que muestra el comportamiento sin pérdida térmica, que se traduce numéricamente por una eficiencia energética de exactamente el 100%.

El trabajo requerido para la compresión isotérmica es mayor que el trabajo requerido para la misma compresión adiabática: el gas calentado por la compresión es más cálido que la temperatura ambiente, y en el caso isotérmico, el calor puede salir del sistema. El trabajo adicional observado para la compresión isotérmica corresponde a la energía térmica perdida por el sistema.

Por lo tanto, la eficiencia energética teórica de la compresión isotérmica es menor que la eficiencia energética de la misma compresión mediante un proceso adiabático, que es del 100%. Se deduce que la eficiencia energética teórica de una compresión isotérmica es inferior al 100%, lo que se encuentra, por ejemplo, en el estudio del ciclo de Carnot.

El trabajo resultante de una expansión isotérmica es mayor que el trabajo resultante de la misma expansión adiabática: el gas enfriado por la expansión es más frío que la temperatura ambiente, y en el caso isotérmico, el calor puede entrar al sistema. El trabajo adicional observado para la expansión isotérmica corresponde a la energía térmica obtenida por el sistema.

En consecuencia, la eficiencia energética teórica de una expansión isotérmica es mayor que la eficiencia energética de la misma expansión de acuerdo con un proceso adiabático, que es del 100%. Se deduce que la eficiencia energética teórica de una expansión isotérmica es superior al 100%, que se encuentra, por ejemplo, en el estudio de una máquina refrigeradora.

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Última revisión: 8 de marzo de 2018