Termodinámica

Se identifica con el nombre de termodinámica a la rama de la física que hace foco

en el estudio de los vínculos existentes entre el calor y las demás variedades de

energía. Analiza, por lo tanto, los efectos que poseen a nivel macroscópico las

modificaciones de temperatura, presión, densidad, masa y volumen en cada

sistema.

es la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico.

La termodinámica ofrece un aparato formal aplicable únicamente a estados de

equilibrio, definidos como aquel estado hacia «el que todo sistema tiende a

evolucionar y caracterizado porque en el mismo todas las propiedades del sistema

quedan determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas

previamente aplicadas».

Procesos Termodinámicos

Se denomina proceso termodinámico a la evolución de determinadas magnitudes

(o propiedades) propiamente termodinámicas relativas a un determinado sistema

termodinámico. Desde el punto de vista de la termodinámica, estas

transformaciones deben transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a otro

final; es decir, que las magnitudes que sufren una variación al pasar de un estado

a otro deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial y final. De

esta forma los procesos termodinámicos pueden ser interpretados como el

resultado de la interacción de un sistema con otro tras ser eliminada alguna

ligadura entre ellos, de forma que finalmente los sistemas se encuentren en

equilibrio (mecánico, térmico y/o material) entre sí.

Los procesos termodinámicos comprenden el comportamiento y relación que se

da entre las temperaturas, presión y el volumen es importante en diversos

procesos industriales.

Ley cero de termodinámica

La ley cero, conocida con el nombre de la ley del equilibrio térmico fue enunciada

en un principio por Maxwel y llevada a ley por Fowler y dice:

“Dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico

entre sí”.

El equilibrio térmico debe entenderse como el estado en el cual los sistemas

equilibrados tienen la misma temperatura. Esta ley es de gran importancia porque

permitió definir a la temperatura como una propiedad termodinámica y no en

función de las propiedades de una sustancia. La aplicación de la ley cero

constituye un método para medir la temperatura de cualquier sistema escogiendo

una propiedad del mismo que varíe con la temperatura con suficiente rapidez y

que sea de fácil medición.

La ley cero de la termodinámica establece que si un cuerpo A se encuentra a la

misma temperatura que un cuerpo B y este tiene la misma temperatura que un

tercer cuerpo C, entonces, el cuerpo A tendrá la misma temperatura que el cuerpo

C. Por lo cual estaremos seguros de que tanto el cuerpo A, como el B y C, estarán

los tres, en equilibrio térmico. Es decir: los cuerpos A, B y C, tendrán igual

temperatura.

Primer ley de termodinámica

El primer principio es una ley de conservación de la energía y, a su vez, una

definición precisa del calor. Afirma que, como la energía no puede crearse ni

destruirse (dejando a un lado las posteriores ramificaciones de la equivalencia

entre masa y energía) la cantidad de energía transferida a un sistema en forma de

calor más la cantidad de energía transferida en forma de trabajo sobre el sistema

debe ser igual al aumento de la energía interna (U) del sistema. El calor y el

trabajo son mecanismos por los que los sistemas intercambian energía entre sí.

ó más precisamente:

Q + L = U (1)

ΔQ + ΔL = ΔU (2)

Cuando un sistema se pone en contacto con otro de menor nivel energético que

él, tiene lugar un proceso de igualación de los niveles energéticos de ambos. El

primer principio de la termodinámica identifica el calor, como una forma de

energía. Puede convertirse en trabajo mecánico y almacenarse.

Experimentalmente se demostró que el calor, que originalmente se medía en

unidades llamadas calorías, y el trabajo o energía, medidos en joules, eran

completamente equivalentes.

La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea, ni se

destruye, sino que se conserva. Entonces esta ley expresa que, cuando un

sistema es sometido a un ciclo termodinámico, el calor cedido por el sistema será

igual al trabajo recibido por el mismo, y viceversa.

Es decir Q = W, en que Q es el calor suministrado por el sistema al medio

ambiente y W el trabajo realizado por el medio ambiente al sistema durante el

ciclo.

Segunda ley de termodinámica:

De la segunda ley se deriva que, en un proceso natural, el calor se transfiere

siempre de un cuerpo con mayor temperatura a uno con menor temperatura y

nunca al contrario. Si quisiéramos realizar lo contrario sería mediante un proceso

artificial, con la intervención de un trabajo.

En la primera ley, no eran tomadas en cuenta las pérdidas de energía que tienen

lugar en los procesos termodinámicos. Tal pérdida es el resultado de la ley cero de

la termodinámica y de los tres tipos de transferencia de calor que existen

(conducción, convección o radiación). Primeramente, sean dos o más cuerpos a

diferentes temperatura, puestos en contacto o a cierta distancia, pasado cierto

tiempo, alcanzan el equilibrio térmico, ya sea por conducción, convección o

radiación.

Esta ley, en combinación con la primera ley de la termodinámica, pronostica la

dirección que siguen los procesos naturales y las situaciones de equilibrio. A partir

de la segunda ley de la termodinámica se establece la imposibilidad de convertir

totalmente una cantidad de calor (energía de baja calidad) en trabajo (energía de

máxima calidad). Lo anterior puede resumirse así: “la calidad de la energía se

destruye en los procesos con flujo de calor, lo cual está en concordancia con el

principio del aumento de entropía del universo.

En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es una magnitud física que,

mediante cálculo, permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse

para producir trabajo.

Proceso Adiabático:

En termodinámica se designa como proceso adiabático a aquél en el cual el

sistema (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con

su entorno.

El término adiabático hace referencia a elementos que impiden la transferencia de

calor con el entorno. Una pared aislada se aproxima bastante a un límite

adiabático. Otro ejemplo es la temperatura adiabática de llama, que es la

temperatura que podría alcanzar una llama si no hubiera pérdida de calor hacia el

entorno. En climatización los procesos de humectación (aporte de vapor de agua)

son adiabáticos, puesto que no hay transferencia de calor, a pesar que se consiga

variar la temperatura del aire y su humedad relativa.

Proceso Isocórico:

Un proceso isocórico, también llamado proceso isométrico o isovolumétrico es un

proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante; \Delta V = 0 .

Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen, ya que éste se

define como:

Delta W = P Delta V ,

Dónde: P es la presión (el trabajo es positivo, ya que es ejercido por el sistema).

Proceso Diatérmico:

Diatérmico quiere decir que deja pasar el calor fácilmente.

Una interacción térmica es cualquier otro tipo de intercambio de energía. En este

caso la pared se denomina diatérmica.

Diatérmico también puede entenderse por isotérmico, significa que no hay cambio

de temperatura debido a una pared diatérmica que aísla el sistema del medio

ambiente

En cuanto a diatérmico se refieren a que el sistema tiene un intercambio de

energía con los alrededores, un ejemplo, nosotros, los seres humanos, somos

sistemas diatérmicos, ya que estamos intercambiando energía con nuestro

ambiente.

Una pared diatérmica es aquella que permite la transferencia de energía térmica

(calor) pero, sin que haya transferencia de masa.

Cualquier superficie real es una superficie diatérmica, por ejemplo, un vaso, los

muros de una casa, etc., todos en mayor o menor grado permiten la transferencia

de calor.

Proceso Isobárico:

Un proceso isobárico es un proceso termodinámico que ocurre a presión

constante. La Primera Ley de la Termodinámica, para este caso, queda expresada

como sigue:

Dónde:

Q = Calor transferido.

U = Energía interna.

P = Presión.

V = Volumen.

Si la presión no cambia durante un proceso, se dice que éste es isobárico. Un

ejemplo de un proceso isobárico es la ebullición del agua en un recipiente abierto.

Como el contenedor está abierto, el proceso se efectúa a presión atmosférica

constante.

Proceso Isotérmico:

Se denomina proceso isotérmico o proceso isotermo al cambio reversible en un

sistema termodinámico, siendo dicho cambio a temperatura constante en todo el

sistema.

Es un proceso en el cual la temperatura permanece constante durante la

operación. La energía interna de un gas es función de la temperatura

exclusivamente.

Es un proceso a temperatura constante. En general, ninguna de las cantidades, Q

y W son nulas.

Recordemos que en un proceso isotérmico, la temperatura se mantiene constante.

La energía interna depende de la temperatura. Por lo tanto, si un gas ideal es

sometido a un proceso isotérmico, la variación de energía interna es igual a cero.

Por lo tanto, la expresión de la 1ª Ley de la Termodinámica

Se convierte en: q = - w

De tal manera que en un proceso isotérmico el calor entregado al sistema es igual

al trabajo realizado por el sistema hacia los alrededores.

ISO:

Elemento prefijal que entra en la formación de palabras con el significado de 'igual'

Calor y Trabajo:

El “calor” al igual que el “trabajo” son modos de transferencia de energía, no

formas de energía y no son funciones de estado del sistema. La energía puede ser

intercambiada entre un sistema cerrado y sus alrededores haciendo trabajo o por

transferencia de calor.

Trabajo Termodinámico:

“El trabajo es una transferencia de energía a través de la frontera de un sistema

asociada a un cambio en las variables macroscópicas.”

Trabajo de Compresión:

El trabajo es el intercambio de energía cuando el sistema realiza un cambio de

volumen, este tipo de intercambio de energía es muy importante en aquellos

sistemas fácilmente compresibles, es el caso de los gases que pueden cambiar su

volumen con pequeñas diferencias de presión.