Termodinámica
1. Cuestiones básicas
1.1 El Calor
El calor es una forma de transferencia de energía entre sistemas, uno más caliente que transfiere la energía al otro, más frío.
1.2 Formas de transferencia
Conducción: Es la transferencia de calor por contacto directo entre los dos cuerpos mediante choques y vibraciones, se produce sin movimientos macroscópicos de materia. Se utiliza en sartenes, radiadores, disipadores de calor,…
Convección: Es la transferencia de calor mediante el movimiento de fluidos. Las partes más calientes del fluido se vuelven menos densas y ascienden, por el contrario las partes más frías se vuelven más densas y descienden. Esto crea corrientes de convección. Existen dos tipos de convección:
Convección Natural: Sucede de forma natural a causa de diferencias de temperatura y densidad de los fluidos, como en el caso del vapor de agua.
Convección Forzada: Se provoca de forma artificial con ventiladores o bombas, como en el caso del aire acondicionado o la refrigeración líquida de un ordenador de sobremesa.
Radiación: Es la transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas, generalmente infrarrojas. No se necesita materia ni contacto para propagarse.
Todos los cuerpos con temperatura superior al cero absoluto emiten radiación térmica. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la energía radiada.
Las superficies oscuras y mates absorben y emiten mejor el calor, mientras que las claras y brillantes reflejan mejor la radiación.
1.3 Efectos del calor
Aumento de la temperatura: Cuando un cuerpo absorbe calor, adquiere más energía cinética y se mueve más rápido. Como consecuencia la temperatura del cuerpo aumenta. La relación entre calor y temperatura es:
Q = calor transferido, m = masa, c = calor específico, ΔT = variación de temperatura.
Q = m · c · ΔT
El calor específico es la cantidad de calor necesaria para aumentar 1 °C o un K la temperatura de un cuerpo. Cada material tiene un calor específico.
Cambios de estado: El calor puede producir cambios en el estado de un cuerpo, durante estos cambios la temperatura puede mantenerse constante a pesar de que el cuerpo siga absorbiendo calor. Distinguimos varios tipos principales:
Fusión: Pasa de estado sólido a líquido.
Vaporización: Pasa de estado líquido a gaseoso.
Solidificación: Pasa de estado líquido a sólido.
Condensación: Pasa de estado gaseoso a líquido.
Sublimación: Pasa de estado sólido a gaseoso.
La energía que se usa en el cambio de estado de una sustancia se denomina calor latente y su relación con el calor es:
Q = calor transferido, m = masa, L = calor latente
Q = m · L
Dilatación térmica: El calor puede producir un aumento de tamaño en el cuerpo, debido a que la temperatura aumenta las partículas vibran más y tienden a separarse ligeramente. En los sólidos existen tres tipos: la dilatación lineal, la superficial y la volumétrica.
1.4 Temperatura microscópica
La temperatura es una magnitud que mide la energía cinética media de un cuerpo en equilibrio termodinámico.
1.5 Cero absoluto
El cero absoluto es la temperatura mínima teóricamente posible. A esta temperatura, un sistema alcanza su mínima energía térmica.
La temperatura mínima teóricamente alcanzable es de 0 kelvins o -273,15 grados centígrados, a día de hoy pese a lograr poner un cuerpo a una temperatura muy cercana al cero absoluto, no se llegó a alcanzar, ya que esa temperatura en la práctica es inalcanzable ya que requeriría extraer toda la energía térmica del sistema en un número infinito de pasos, según el tercer principio de la termodinámica.
La escala Celsius es una escala definida a partir del punto de congelación del agua (0ºC) y del punto de ebullición del agua (100ºC).
La escala Kelvin (K) es la escala de temperatura absoluta del sistema internacional, está basada en una escala absoluta definida a partir del cero absoluto.
La relación entre ambas escalas es de:
T(K) = T(°C) + 273,15
1.6 Diferencia entre magnitudes fundamentales
La temperatura es una magnitud que mide el estado de agitación de las partículas de un cuerpo.
La energía térmica es la energía total del movimiento e interacción de las partículas de un cuerpo.
El calor no es una propiedad del cuerpo sino una forma de transferencia de energía.
1.7 Trabajo y calor
Tanto el trabajo como el calor son dos formas distintas de transferir energía entre sistemas, pero no son propiedades del sistema, sino de los procesos.
El calor es la transferencia de energía debida a la diferencia de temperatura entre dos cuerpos distintos.
James Prescott Joule demostró experimentalmente la equivalencia entre trabajo mecánico y calor.
Su experimento consistió en un sistema de palas movidas por un peso en caída agitaba el agua aumentando su temperatura. Demostrando que el trabajo mecánico se transforma en energía térmica, estableciendo la base del primer principio de la termodinámica.
2. Introducción a la termodinámica
2.1 Sistema termodinámico
Un sistema termodinámico es una parte del universo que se delimita para su estudio por una frontera real o imaginaria a través de la cual puede haber un intercambio de energía con el entorno.
2.2 Tipos de sistemas termodinámicos
Sistema abierto: Es un sistema que puede intercambiar materia y energía con su entorno.
Sistema cerrado: Es un sistema que puede intercambiar energía pero no materia con el entorno.
Sistema aislado: Es un sistema que no intercambia ni materia ni energía con el entorno, es un modelo ideal ya que en la práctica no existe perfectamente.
2.3 Variables termodinámicas
Son magnitudes físicas que describen el estado macroscópico de un sistema en equilibrio termodinámico.
Variables extensivas: Son aquellas que dependen de la cantidad de materia del sistema, es proporcional a la cantidad de materia del sistema.
Variables intensivas: Son aquellas que no dependen de la cantidad de materia, sino del estado del sistema.
Funciones de estado: Son aquellas que dependen únicamente del estado inicial y final del sistema.
2.4 Procesos termodinámicos
Proceso isobárico: Es un proceso en el cual la presión permanece constante durante todo el proceso.
Proceso isocórico: Es un proceso en el cual el volumen permanece constante durante todo el proceso.
Proceso isotérmico: Es un proceso en el cual la temperatura permanece constante durante todo el proceso.
Proceso adiabático: Es un proceso en el cual no hay ningún intercambio de calor con el entorno.
2.5 Criterio de signos
Existen dos convenciones para asignar el signo al trabajo y al calor, el criterio clásico de ingeniería y el criterio de la IUPAC.
El criterio clásico de ingeniería dice que el calor es positivo si entra energía al sistema y el trabajo es positivo si el sistema realiza trabajo sobre el entorno.
Según este criterio la variación de energía se expresa como:
ΔU = Q − W
El criterio de la IUPAC dice que el calor es positivo si entra al sistema y el trabajo es positivo si el entorno realiza trabajo sobre el sistema.
Según este criterio la variación de energía se expresa como:
ΔU = Q + W
3. Principio cero de la termodinámica
3.1 Temperatura macroscópica
Es una magnitud física que indica el estado térmico de un sistema y determina hacia donde se transfiere el calor entre dos cuerpos.
Como ya dije al ponerse en contacto dos cuerpos con distinta temperatura se produce un equilibrio térmico entre ellos. El equilibrio térmico se alcanza debido al intercambio continuo de energía térmica entre dos cuerpos.
3.2 Enunciado del principio cero de la termodinámica
El principio cero de la termodinámica establece que si dos sistemas se encuentran en equilibrio térmico con un tercer sistema, estos dos sistemas están en equilibrio térmico entre sí.
Este principio permite definir el concepto de la temperatura y fundamentos del funcionamiento del termómetro.
4. Primer principio de la termodinámica
4.1 Energía interna
Es una magnitud física que mide la energía microscópica total de un cuerpo, se debe al movimiento e interacción de sus partículas. Esto incluye la energía cinética y potencial de todas sus partículas. Según la IUPAC la variación de energía interna se representa como:
ΔU = Q + W
4.2 Enunciado del primer principio de la termodinámica
El primer principio de la termodinámica establece que la energía ni se crea ni se destruye, únicamente se transforma o transfiere.
Este principio representa la aplicación de la ley de conservación de la energía.
4.3 Entalpía
Es una magnitud física que mide la energía total de un sistema asociada a su energía interna y al producto de la presión y el volumen del sistema.
H = entalpía,U = energía interna,P =presión y V = volumen.
H = U + P · V
5. Segundo principio de la termodinámica
Es una magnitud física que mide el grado de desorden o dispersión de la energía en un sistema. Es la cantidad de energía que no puede transformarse en trabajo útil. La entropía del universo siempre tiende a aumentar.
dS = cambio infinitesimal de entropía
δQ₍rev₎ = calor intercambiado en un proceso reversible
T = temperatura absoluta
dS = δQ ₍rev₎ /T
5.2 Enunciado del segundo principio de la termodinámica
El enunciado del segundo principio se puede expresar de varias maneras, las más importantes son:
Enunciado de Kelvin y Planck: No es posible construir una máquina que convierta en ciclo todo el calor en trabajo sin producir ningún otro efecto.
Enunciado de Clausius: El calor no puede pasar de un cuerpo frío a otro caliente espontáneamente sin que se realice trabajo externo.
5.3 La entropía del universo
La entropía del universo es la suma de la entropía del sistema y la del entorno.
ΔSuniverso = ΔSsistema + ΔSentorno
En cambio en un proceso irreversible la diferencia de entropía del universo es cero.
ΔSuniverso > 0
En cambio en un proceso reversible la diferencia de entropía del universo es cero.
ΔSuniverso = 0
En un sistema aislado, los procesos espontáneos tienden a aumentar la entropía del universo. Existen tres tipos de proceso en relación con la entropía:
Procesos irreversibles: Son los procesos que aumentan la entropía.
Procesos reversibles: La entropía es constante, pero son procesos ideales.
Procesos naturales: Siempre son irreversibles en mayor o menor grado.
5.4 Máquinas térmicasUna máquina térmica es aquella que transforma el calor en trabajo útil, como el motor de un coche o una central térmica.
Como ya dije antes el segundo principio planteado por Kelvin y Planck dice que ninguna máquina térmica puede convertir todo el calor en energía térmica útil.
Por ello siempre hay pérdidas y el rendimiento nunca puede ser del 100%.
El rendimiento de una máquina térmica se define como:
η = rendimiento, W = Trabajo útil, Qh = Calor absorbido, Qc = Calor cedido
η = W / Qh = 1 − Qc / Qh
Qc = 0 y Qc > 0
La máquina de Carnot es una máquina ideal que es reversible y tiene un rendimiento máximo posible.
5.5 Energía libre de Gibbs
Es una magnitud física que mide la energía disponible para realizar trabajo útil a presión y temperatura constantes. Se define como:
G = energía libre de Gibbs, H = entalpía, T = temperatura absoluta, S = entropía
G = H − T ⋅ S
ΔG < 0 → proceso espontáneo
ΔG = 0 → equilibrio
ΔG > 0 → proceso no espontáneo
6. Tercer principio de la termodinámica
A medida que la temperatura de un sistema se aproxima al cero absoluto, la entropía tiende a su valor mínimo constante.
Según Plank la entropía de un cristal perfecto es cero cuando su temperatura es el cero absoluto.
Muy interesante
ResponderEliminar