Termodinámica, que é e as súas aplicacións
A termodinámica é unha ciencia baseada no estudo da enerxía. Os procesos termodinámicos prodúcense diariamente na vida cotiá, nos fogares, na industria, coa transformación da enerxía, como en equipos de aire acondicionado, frigoríficos, coches, caldeiras, entre outros. De aí a importancia do estudo da termodinámica, baseado en catro leis básicas que establecen as relacións entre a calidade e cantidade de enerxía e as propiedades termodinámicas.
Para comprender as leis da termodinámica, dun xeito sinxelo, hai que partir dalgúns conceptos básicos que se expoñen a continuación, como enerxía, calor, temperatura, entre outros.
Convidámoste a ver o artigo O poder da lei de Watt (Aplicacións - Exercicios)
Termodinámica
Un pouco de historia:
A termodinámica estuda os intercambios e transformacións de enerxía nos procesos. Xa no 1600 Galileo comezou a realizar estudos nesta área, coa invención do termómetro de vidro, e a relación da densidade dun fluído e a súa temperatura.
Coa revolución industrial realízanse estudos para coñecer as relacións entre a calor, o traballo e a enerxía dos combustibles, así como para mellorar o rendemento das máquinas de vapor, emerxendo a termodinámica como ciencia de estudo, a partir de 1697 coa máquina de vapor de Thomas Savery. A primeira e segunda leis da termodinámica establecéronse en 1850. Moitos científicos como Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell, entre outros, contribuíron ao desenvolvemento desta ciencia, a "Termodinámica".
Que é a termodinámica?
A termodinámica é unha ciencia que estuda as transformacións de enerxía. Dende que inicialmente estudouse como transformar a calor en enerxía, nas máquinas de vapor empregáronse as palabras gregas "thermos" e "dynamis" para denominar esta nova ciencia, formando a palabra "termodinámica". Vexa a figura 1.
Aplicacións termodinámicas
A área de aplicación da termodinámica é moi ampla. A transformación da enerxía prodúcese en múltiples procesos desde o corpo humano, coa dixestión dos alimentos, ata numerosos procesos industriais para a produción de produtos. Nos fogares tamén hai dispositivos onde a termodinámica se aplica a ferros, quentadores de auga, climatizadores, entre outros. Os principios da termodinámica tamén se aplican nunha ampla variedade de campos, como en centrais eléctricas, automóbiles e foguetes. Vexa a figura 2.
Conceptos básicos de Termodinámica
Enerxía (E)
Propiedade de calquera corpo ou sistema material ou non material que poida transformarse modificando a súa situación ou estado. Tamén se define como o potencial ou a capacidade para mover a materia. Na figura 3 podes ver algunhas fontes de enerxía.
Formas de enerxía
A enerxía ten moitas formas, como a eólica, a eléctrica, a mecánica e a nuclear, entre outras. No estudo da termodinámica utilízanse enerxía cinética, enerxía potencial e enerxía interna dos corpos. A enerxía cinética (Ec) está relacionada coa velocidade, a enerxía potencial (Ep) coa altura e a enerxía interna (U) co movemento das moléculas internas. Vexa a figura 4.
Calor (Q):
Transferencia de enerxía térmica entre dous corpos que están a diferentes temperaturas. A calor mídese en Joule, BTU, libras-pés ou en calorías.
Temperatura (T):
É unha medida da enerxía cinética dos átomos ou moléculas que compoñen calquera obxecto material. Mide o grao de axitación das moléculas internas dun obxecto, da súa enerxía térmica. Canto maior sexa o movemento das moléculas, maior será a temperatura. Mídese en graos centígrados, graos Kelvin, graos Rankina ou graos Fahrenheit. Na figura 5 preséntase a equivalencia entre algunhas escalas de temperatura.
Principios termodinámicos
O estudo das transformacións de enerxía en termodinámica baséase en catro leis. A primeira e segunda leis están relacionadas coa calidade e cantidade de enerxía; mentres que a terceira e cuarta leis están relacionadas coas propiedades termodinámicas (temperatura e entropía). Vexa as figuras 6 e 7.
Primeira lei da termodinámica:
A primeira lei establece o principio de conservación da enerxía. A enerxía pódese transferir dun corpo a outro ou cambiar a outra forma de enerxía, pero sempre se conserva, polo que a cantidade total de enerxía sempre se mantén constante.
Unha rampla de patinaxe é un bo exemplo da Lei de conservación da enerxía, onde se comproba que a enerxía non se crea nin se destrúe, senón que se transforma noutro tipo de enerxía. Para un patinador como o da figura 8, cando só inflúe a forza gravitatoria, temos que:
- Posición 1: Cando o patinador está na parte superior da rampla, ten enerxía interna e enerxía potencial debido á altura na que se atopa, pero a súa enerxía cinética é cero xa que non está en movemento (velocidade = 0 m / s).
- Posición 2: Cando o patinador comeza a desprazarse pola rampla, a altura diminúe, diminuíndo a enerxía interna e a enerxía potencial, pero aumentando a súa enerxía cinética a medida que aumenta a súa velocidade. A enerxía transfórmase en enerxía cinética. Cando o patinador alcanza o punto máis baixo da rampla (posición 2), a súa enerxía potencial é cero (altura = 0m), mentres que adquire a maior velocidade na súa viaxe pola rampla.
- Posición 3: A medida que a rampa vai subindo, o patinador perde velocidade, diminuíndo a súa enerxía cinética, pero a enerxía interna aumenta e a enerxía potencial a medida que vai gañando altura.
Segunda lei da termodinámica:
A segunda lei está relacionada coa "calidade" da enerxía, na optimización da conversión e / ou transmisión de enerxía. Esta lei establece que en procesos reais a calidade da enerxía tende a diminuír. Introdúcese a definición da propiedade termodinámica "entropía". Nas declaracións da segunda lei establécese cando pode producirse un proceso e cando non, aínda que a primeira lei siga cumpríndose. Vexa a figura 9.
Lei cero:
A lei cero establece que se dous sistemas en equilibrio cun terceiro están en equilibrio entre si. Por exemplo, para a Figura 10, se A está en equilibrio térmico con C e C está en equilibrio térmico con B, entón A está en equilibrio térmico con B.
Outros conceptos do TErmodinámica
Sistema
Parte do universo que interesa ou estuda. Para a cunca de café da Figura 11, o "sistema" é o contido da cunca (café) onde se pode estudar a transferencia de enerxía térmica. Ver figura 12. [4]
Medio ambiente
É o resto do universo externo ao sistema en estudo. Na Figura 12, a cunca de café considérase o "bordo" que contén o café (sistema) e o que está fóra da cunca (bordo) é o "ambiente" do sistema.
Equilibrio termodinámico
Estado no que as propiedades do sistema están ben definidas e non varían co paso do tempo. Cando un sistema presenta equilibrio térmico, equilibrio mecánico e equilibrio químico, está en "equilibrio termodinámico". En equilibrio, un sistema non pode modificar o seu estado a menos que un axente externo actúe sobre el. Vexa a figura 13.
Parede
Entidade que permite ou impide as interaccións entre sistemas. Se a parede permite o paso da substancia, dise que é unha parede permeable. Unha parede adiabática é aquela que non permite a transferencia de calor entre dous sistemas. Cando a parede permite a transferencia de enerxía térmica chámase parede diatermica. Vexa a figura 14.
Conclusións
A enerxía é a capacidade de mover a materia. Isto pódese transformar modificando a súa situación ou estado.
A termodinámica é unha ciencia que estuda os intercambios e transformacións de enerxía nos procesos. O estudo das transformacións de enerxía en termodinámica baséase en catro leis. A primeira e segunda leis están relacionadas coa calidade e cantidade de enerxía; mentres que a terceira e cuarta leis están relacionadas coas propiedades termodinámicas (temperatura e entropía).
A temperatura é unha medida do grao de axitación das moléculas que forman un corpo, mentres que a calor é a transferencia de enerxía térmica entre dous corpos que están a diferentes temperaturas.
O equilibrio termodinámico existe cando o sistema está simultaneamente en equilibrio térmico, equilibrio mecánico e equilibrio químico.
Nota de agradecemento: Para o desenvolvemento deste artigo tivemos a honra de contar co consello da Ing. Marisol Pino, especialista en instrumentación e control industriais.