Termodinámica

La termodinámica es una rama de la física que estudia la relación entre trabajo, calor y energía. Al ser postulados basados en la experiencia, se obtienen de la observación de sistemas a gran escala (un gas, la atmósfera…). La raíz «termo» significa calor y «dinámica» se refiere al movimiento.

El concepto de Sistema:

Cuando hablamos de termodinámica, el elemento o elementos que estamos estudiando lo denominamos «Sistema«. Lo que rodea al sistema lo denominamos «Alrededores«. Y el conjunto de ambos lo denominamos «Universo«.

En la termodinámica hay tres tipos de sistemas:

• Sistema abierto: es aquel que puede intercambiar energía y materia con su entorno.
• Sistema cerrado: es aquel que solo puede intercambiar energía con sus alrededores, no materia.
• Sistema aislado: es aquel que no puede intercambiar ni materia ni energía con su entorno.

Para poder realizar un estudio termodinámico disponemos de:

• Las leyes de la termodinámica: que definen la forma en que la energía puede ser intercambiada entre sistemas físicos en forma de calor o trabajo.
• La entropía: que define el desorden en que se mueven las partículas internas que forman la materia, es decir, la energía cinética que tienen las partículas que componen un cuerpo, por lo que cualquier proceso, como una reacción química o un conjunto de reacciones conectadas, hará aumente la entropía total del universo.
• La entalpía. es una física definida que mide el máximo de energía de un sistema termodinámico teóricamente susceptible de ser eliminado de este en forma de calor o energía térmica.

Principios 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.

Primera ley de la termodinámica (Ley de la conservación de la energía):

Este principio indica que la cantidad de energía total que existe en el universo no cambia. Es decir, la Primera ley de la termondinámica dice que la energía no se puede crear ni destruir, solo puede cambiarse o transferirse de un objeto a otro.

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.

Segunda ley de la termodinámica:

Este segundo principio termodinámico indica que para cada transferencia o transformación de energía en el mundo real, cierta cantidad de energía se convierte en una forma que es inutilizable (incapaz de realizar trabajo), que en muchos casos es calor.

Esto quiere decir que, aunque el calor puede realizar un trabajo, esa conversión de energía nunca es del 100% eficiente y parte de esa transferencia de energía «se pierde», generalmente en calor que no realiza trabajo.

Tercer principio de la termodinámica
El tercer principio de las leyes de la termodinámica está estrechamente relacionado con el segundo. En este se plantea que la entropía de un sistema que sea llevado al cero absoluto, será una constante definida. Es decir:

• Si llevamos un sistema al cero absoluto (cero en unidades de Kelvin), los procesos de los sistemas físicos se detienen.
• Si llevamos un sistema al cero absoluto (cero en unidades de Kelvin ), la entropía posee un valor mínimo constante.

Energía térmica:

La energía térmica es la energía que tiene un material o dispositivo debido a su temperatura, es decir, la energía de las moléculas en movimiento o en vibración, tal como sucede con la energía solar térmica. La termodinámica implica la medición de esta energía, que puede ser «extremadamente complicada». En la termodinámica, los sistemas que estudiamos… consisten en un número muy grande de átomos o moléculas que interactúan de formas complicadas. Pero si estos sistemas siguen los requisitos correctos, que llamamos equilibrio, pueden ser representados con un número muy pequeño de medidas o números. Esto también se idealiza como la masa del sistema, la presión del sistema y el volumen del sistema.

Calor:

El calor es la energía que se transmite entre sustancias o estructuras debido a una diferencia de temperatura entre ellas. El calor se retiene como fuente de energía, es decir, no puede ser producido o destruido. Sin embargo, puede ser trasladado de un lugar a otro. También es posible transferir calor hacia y desde otras fuentes de energía. Por ejemplo, para hacer funcionar un generador que convierta la energía cinética en energía eléctrica, una turbina de vapor puede convertir el calor en energía cinética. Esta energía eléctrica puede ser transformada por una bombilla en radiación electromagnética (luz), que se convierte de nuevo en calor cuando es absorbida por una superficie.

Trabajo y Calor:

Por tanto, el primer concepto que debes asimilar es que el calor es una forma de energía que corresponde a una cantidad definida de trabajo mecánico realizado y viceversa.

Por ejemplo, si frotas dos trozos de hielo entre sí, aunque sea en un entorno frío, verás como las superficies en contacto se convierte en agua, ejemplo de transformación de trabajo en calor.

Por otro lado, cuando se evapora agua y este vapor se aprovecha en una turbina de vapor, esta puede producir electricidad o movimiento (como las antiguas máquinas de tren de vapor), ejemplo de transformación de calor en trabajo.

Temperatura:

La cantidad de calor transmitida por una sustancia depende de la velocidad y el número de átomos o moléculas en movimiento. Cuanto más rápido viajan los átomos o las moléculas, mayor es la temperatura y mayor la cantidad de calor que transfieren, más átomos o moléculas están en movimiento.

La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las partículas en una muestra de materia, expresada en términos de unidades o grados designados en una escala estándar.

Es el caso de la escala Celsius, que se basa en los puntos de congelación y ebullición del agua, es la escala de temperatura más utilizada, otorgando los correspondientes valores de cero grados – 0 ºC y cien grados – 100 ºC.

La escala de Fahrenheit también se basa en los puntos de congelación y ebullición del agua con valores dados de 32 F y 212 F, respectivamente.

Sin embargo, la escala de Kelvin (K sin el signo de grado), llamada así en honor a William Thomson, primer barón Kelvin, es utilizada por científicos de todo el mundo porque funciona en los cálculos. La escala Kelvin, comienza en el cero absoluto, la temperatura a la que se produce una pérdida completa de energía térmica y cesa todo movimiento molecular. Una temperatura igual a menos 459,67 F o menos 273,15 C es igual a 0 K. Para esta escala se utiliza el mismo incremento que la escala Celsius, es decir, un desplazamiento de la temperatura de 1 C equivale a 1 K.

Calor Específico:

La cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de una cierta masa de un material en una cierta cantidad de grados se llama calor específico, o potencia calorífica específica. Dicho de otro modo más concreto: es la energía necesaria para elevar en un 1 grado la temperatura de 1 kg de masa. Sus unidades en el Sistema Internacional son J/kg K.

Las calorías por gramo por kelvin son la unidad convencional para esto. Las calorías se clasifican como la cantidad de energía calórica necesaria para aumentar la temperatura de 1 gramo de agua en 1 grado a una temperatura de desde 14,5 ºC a 15,5 ºC.