Termodinàmica, què és i les seves aplicacions
La termodinàmica és una ciència basada en l'estudi de l'energia. Els processos termodinàmics tenen lloc cada dia a la vida quotidiana, en llars, a la indústria, amb la transformació d'energia, com ara en equips d'aire condicionat, refrigeradors, actuacions, calderes, entre d'altres. D'allí la importància de l'estudi de la Termodinàmica, basada en quatre lleis bàsiques que plantegen les relacions entre la qualitat i quantitat de l'energia, i les propietats termodinàmiques.
Per entendre les lleis de la termodinàmica, de forma fàcil, s'ha de partir d'alguns conceptes bàsics que s'exposen a continuació, com ara l'energia, la calor, la temperatura, entre d'altres.
Et convidem a veure l'article La Potència de la Llei de Watt (Aplicacions - Exercicis)
termodinàmica
Una mica d'història:
La Termodinàmica estudia els intercanvis i transformacions de l'energia en els processos. Ja en els anys 1600 Galileu comença a realitzar estudis en aquesta àrea, amb la invenció de el termòmetre de vidre, i la relació de la densitat d'un fluid i la seva temperatura.
Amb la revolució industrial es realitzen estudis per conèixer les relacions entre la calor, el treball i l'energia dels combustibles, així com per millorar el rendiment en les màquines de vapor, sorgint la termodinàmica com a ciència d'estudi, a partir de 1697 amb la màquina de vapor de Thomas Savery. La primera i segona llei de la termodinàmica es van establir en 1850. Molts científics com ara Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell, entre d'altres, van contribuir a el desenvolupament d'aquesta ciència, la "Termodinàmica".
Què és la termodinàmica?
La Termodinàmica és una ciència que estudia les transformacions d'energia. Ja que inicialment s'estudiava com transformar la calor en potència, en les màquines de vapor, es van utilitzar els vocables grecs "THERMOS" i "dynamis" per nomenar aquesta nova ciència, formant la paraula "termodinàmica". Veure figura 1.
Aplicacions de la Termodinàmica
L'àrea d'aplicació de la termodinàmica és molt àmplia. La transformació d'energia es presenta en múltiples processos des del cos humà, amb la digestió dels aliments, fins a nombrosos processos industrials per a la producció de productes. A les llars també es troben artefactes on s'aplica la termodinàmica a les planxes, escalfador d'aigua, condicionadors d'aire, entre d'altres. En una altra gran varietat d'àmbits també s'apliquen els principis de la termodinàmica, tal com en les centrals elèctriques, en els automòbils i coets. Veure figura 2.
Conceptes bàsics de la termodinàmica
Energia (I)
Propietat de tot cos o sistema material o no material que pot transformar-se modificant la seva situació o estat. També es defineix com el potencial o la capacitat per moure la matèria. A la figura 3 es poden veure algunes fonts d'energia.
Formes d'Energia
L'energia es presenta en moltes formes, com ara l'energia eòlica, elèctrica, mecànica, nuclear, entre d'altres. En l'estudi de la termodinàmica s'utilitza l'energia cinètica, l'energia potencial i l'energia interna dels cossos. L'energia cinètica (Ec) està relacionada amb la velocitat, l'energia potencial (Ep) amb l'altura i l'energia interna (U) amb el moviment de les molècules internes. Veure figura 4.
Calor (Q):
Transferència d'energia tèrmica entre dos cossos que estan a diferents temperatures. La calor es mesura Joule, BTU, lliures-peu, o en calories.
Temperatura (T):
És una mesura de l'energia cinètica dels àtoms o molècules que constitueixen un objecte material qualsevol. Mesura el grau d'agitació de les molècules internes d'un objecte, de la seva energia tèrmica. Mentre major moviment presentin les molècules, més gran és la temperatura. Es mesura en graus Celsius, graus Kelvin, graus Rankine o graus Fahrenheit. A la figura 5 es presenta l'equivalència entre algunes escales de temperatura.
principis termodinàmics
L'estudi de les transformacions d'energia en la termodinàmica es basa en quatre lleis. La primera i la segona llei estan relacionades amb la qualitat i quantitat de l'energia; mentre que la tercera i quarta llei es relaciona amb propietats termodinàmiques (la temperatura i l'entropia). Veure figures 6 i 7.
Primera Llei de Termodinàmica:
La primera llei estableix el principi de conservació de l'energia. L'energia es pot transferir d'un cos a un altre, o canviar a una altra forma d'energia, però sempre es conserva, així que la quantitat total d'energia sempre roman constant.
Una rampa de patinatge és un bon exemple de la Llei de la Conservació de l'energia, on es comprova que l'energia no es crea ni es destrueix, sinó que es transforma en un altre tipus d'energia. Per a un patinador com el de la figura 8, quan influeix únicament la força gravitacional, s'ha de:
- Posició 1: Quan el patinador es troba a la part alta de la rampa posseeix una energia interna i energia potencial a causa de l'altura en la qual es troba, però la seva energia cinètica és nul·la ja que no es troba en moviment (velocitat = 0 m / s).
- Posició 2: A l'patinador començar a lliscar per la rampa va disminuint l'altura, disminuint l'energia interna i l'energia potencial, però augmentant la seva energia cinètica, ja que va augmentant la seva velocitat. L'energia es va transformant en energia cinètica. Quan el patinador arriba al punt més baix de la rampa (posició 2), la seva energia potencial és zero (altura = 0m), mentre que adquireix la major velocitat en el seu recorregut per la rampa.
- Posició 3: a mesura que va pujant la rampa el patinador perd velocitat, disminuint la seva energia cinètica, però va augmentant l'energia interna, i l'energia potencial, ja que guanya alçada.
Segona Llei de la Termodinàmica:
La segona llei es relaciona amb la "qualitat" de l'energia, en l'optimització de la conversió i / o transmissió de l'energia. En aquesta llei s'estableix que en els processos reals la qualitat de l'energia tendeix a disminuir. S'introdueix la definició de la propietat termodinàmica "entropia". En els enunciats de la segona llei s'estableix quan un procés pot ocórrer i quan no, encara que se segueixi complint la primera llei. Veure figura 9.
Llei Zero:
La llei zero estableix que si dos sistemes en equilibri amb un tercer estan en equilibri entre si. Per exemple, per a la figura 10, si A està en equilibri tèrmic amb C, i C està en equilibri tèrmic amb B, llavors A es troba en equilibri tèrmic amb B.
Altres conceptes de la Termodinàmica
Sistema
Part de l'univers que és d'interès o estudi. Per a la tassa de cafè de la figura 11, el "sistema" és el contingut de la tassa (cafè) on es pot estudiar la transferència d'energia tèrmica. Veure figura 12. [4]
entorn
És la resta de l'univers extern a el sistema en estudi. A la figura 12, la tassa de cafè es considera la "frontera" que conté el cafè (sistema) i el que es troba fora de la tassa (frontera) és el "entorn" de el sistema.
equilibri termodinàmic
Estat en què les propietats de sistema estan ben definides i no varien amb el temps. Quan un sistema presenta equilibri tèrmic, equilibri mecànic i equilibri químic es troba en "equilibri termodinàmic". En equilibri un sistema no pot modificar el seu estat llevat que actuï sobre el un agent extern. Veure figura 13.
Paret
Ens que permet o impedeix les interaccions entre sistemes. Si la paret permet el pas de substància es diu que és una paret permeable. Una paret adiabàtica és aquella que no permet la transferència de calor entre dos sistemes. Quan la paret permet la transferència d'energia tèrmica s'anomena paret diatèrmica. Veure figura 14.
Conclusions
L'energia és la capacitat per moure la matèria. Aquesta pot transformar-se modificant la seva situació o estat.
La Termodinàmica és una ciència que estudia els intercanvis i transformacions de l'energia en els processos. L'estudi de les transformacions d'energia en la termodinàmica es basa en quatre lleis. La primera i la segona llei estan relacionades amb la qualitat i quantitat de l'energia; mentre que la tercera i quarta llei es relaciona amb propietats termodinàmiques (la temperatura i l'entropia).
La temperatura és una mesura de l'grau d'agitació de les molècules que constitueixen un cos, mentre que la calor és la transferència d'energia tèrmica entre dos cossos que estan a diferents temperatures.
L'equilibri termodinàmic existeix quan en el sistema es troben simultàniament en equilibri tèrmic, equilibri mecànic i equilibri químic.
Nota d'agraïment: Per al desenvolupament d'aquest article hem tingut l'honor de comptar amb l'assessoria de la Eng. Marisol Pi, especialista en Instrumentació i Control Industrial.