Un proceso isotérmico es una transformación termodinámica en la que la temperatura del sistema permanece constante durante todo el proceso. Es decir, aunque el estado del sistema pueda cambiar en términos de presión y volumen, la temperatura no varía.
Este tipo de procesos son especialmente relevantes en el estudio de los gases ideales, ya que, según la segunda ley de Joule, la energía interna de un gas ideal depende exclusivamente de su temperatura. Por lo tanto, si la temperatura es constante, la energía interna también lo será.
En un proceso isotérmico de un gas ideal, el calor intercambiado con el entorno (Q) es igual al trabajo realizado (W):
Esto significa que cualquier cantidad de calor absorbida por el sistema se convierte en trabajo sin provocar cambios en la energía interna.
Ejemplos de procesos isotérmicos
Los procesos isotérmicos ocurren en muchos sistemas naturales y tecnológicos. Algunos ejemplos destacados incluyen:
Cambios de fase: La fusión de un sólido o la evaporación de un líquido ocurren a temperatura constante. Por ejemplo, cuando el hielo se funde a 0 °C, absorbe calor sin que su temperatura cambie hasta que toda la sustancia haya pasado al estado líquido.- Ciclo de Carnot: Parte del ciclo de Carnot, un modelo teórico de máquina térmica ideal, involucra transformaciones isotérmicas. Durante estas fases, el sistema intercambia calor con el entorno mientras su temperatura permanece invariable.
- Refrigeradores y bombas de calor: En estos dispositivos, ciertos procesos termodinámicos, como la evaporación del refrigerante en el evaporador, se realizan a temperatura constante para extraer calor del interior del sistema y disiparlo al exterior.
- Procesos biológicos: En la biología celular, muchas reacciones metabólicas y procesos de intercambio de energía ocurren bajo condiciones isotérmicas, ya que las células mantienen su temperatura relativamente estable.
- Expansión de un globo de helio: Cuando un globo asciende en la atmósfera, su volumen se expande debido a la disminución de la presión externa. Si el proceso ocurre lentamente y el globo intercambia calor con el aire circundante, la temperatura del gas dentro del globo puede permanecer constante, aproximándose a un proceso isotérmico.
- Compresión lenta de un gas en un pistón con paredes conductoras: Si un gas se comprime lentamente en un cilindro con paredes altamente conductoras de calor, el sistema puede transferir el calor generado hacia el exterior, asegurando que la temperatura no cambie.
- Sistemas geotérmicos profundos: En algunas capas profundas de la Tierra, la temperatura se mantiene casi constante debido al equilibrio térmico con el entorno circundante. El intercambio de calor en estos sistemas ocurre sin variaciones significativas de temperatura, aproximándose a condiciones isotérmicas.
- Procesos industriales de licuefacción de gases: En la industria química, ciertos procesos de licuefacción y vaporización de gases como el oxígeno o el nitrógeno ocurren a temperatura constante, mediante la regulación precisa del calor intercambiado con el sistema.
- Evaporación en una olla abierta: Cuando el agua hierve a 100 °C a presión atmosférica, la energía suministrada se usa exclusivamente para cambiar el estado de líquido a vapor sin aumentar la temperatura, siendo un proceso isotérmico.
- Compresión de gases en cilindros de buceo: Cuando un gas se comprime lentamente en un cilindro de buceo, el calor generado por la compresión se disipa al entorno, permitiendo que la temperatura del gas permanezca constante. Este proceso se acerca a una transformación isotérmica si la compresión es lo suficientemente lenta como para que el sistema intercambie calor con el ambiente.
Regulación de la temperatura
Para mantener una temperatura constante durante un proceso isotérmico, es necesario que el sistema esté en contacto con un termostato o un foco térmico con una capacidad calorífica mucho mayor.
Este dispositivo garantiza que cualquier calor absorbido o liberado se compense de inmediato para evitar variaciones de temperatura.
Procesos isotérmicos en gases ideales
Los gases ideales proporcionan un marco teórico ideal para analizar los procesos isotérmicos. Durante la compresión o expansión isotérmica, el gas se mantiene en contacto con un sistema de gran capacidad calorífica que asegura que la temperatura no varíe.
Compresión isotérmica
Cuando un gas ideal se comprime isotérmicamente, su volumen disminuye y la presión aumenta. Para mantener la temperatura constante, el gas debe liberar calor al entorno en una cantidad exactamente igual al trabajo que se está realizando sobre él.
Expansión isotérmica
En una expansión isotérmica, el gas aumenta su volumen y disminuye su presión. En este caso, se requiere suministrar calor al sistema para compensar el trabajo que realiza el gas al expandirse.
Matemáticamente, el trabajo realizado por un gas ideal en una expansión o compresión isotérmica se expresa como:
donde:
- \(W \) es el trabajo realizado,
- \(n \) es el número de moles del gas,
- \(R \) es la constante de los gases ideales,
- \(T \) es la temperatura absoluta,
- \(V_f \) y \(V_i \) son los volúmenes final e inicial, respectivamente.