Termodinámica, qué es y sus aplicaciones
La termodinámica es una ciencia basada en el estudio de la energía. Los procesos termodinámicos ocurren a diario en la vida cotidiana, en hogares, en la industria, con la transformación de energía, tales como en equipos de aire acondicionado, refrigeradores, autos, calderas, entre otros. De allí la importancia del estudio de la Termodinámica, basada en cuatro leyes básicas que plantean las relaciones entre la calidad y cantidad de la energía, y las propiedades termodinámicas.
Para entender las leyes de la Termodinámica, de forma fácil, se ha de partir de algunos conceptos básicos que se exponen a continuación, tales como la energía, el calor, la temperatura, entre otros.
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Termodinámica
Un poco de historia:
La Termodinámica estudia los intercambios y transformaciones de la energía en los procesos. Ya en los años 1600 Galileo comienza a realizar estudios en esta área, con la invención del termómetro de cristal, y la relación de la densidad de un fluido y su temperatura.
Con la revolución industrial se realizan estudios para conocer las relaciones entre el calor, el trabajo y la energía de los combustibles, así como para mejorar el rendimiento en las máquinas de vapor, surgiendo la Termodinámica como ciencia de estudio, a partir de 1697 con la máquina de vapor de Thomas Savery. La primera y segunda ley de la termodinámica se establecieron en 1850. Muchos científicos tales como Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell, entre otros, contribuyeron al desarrollo de esta ciencia, la “Termodinámica”.
¿Qué es la termodinámica?
La Termodinámica es una ciencia que estudia las transformaciones de energía. Ya que inicialmente se estudiaba cómo transformar el calor en potencia, en las máquinas de vapor, se utilizaron los vocablos griegos “thermos” y “dynamis” para nombrar a esta nueva ciencia, formando la palabra “termodinámica”. Ver figura 1.
Aplicaciones de la Termodinámica
El área de aplicación de la termodinámica es muy amplia. La transformación de energía se presenta en múltiples procesos desde el cuerpo humano, con la digestión de los alimentos, hasta en numerosos procesos industriales para la producción de productos. En los hogares también se encuentran artefactos donde se aplica la termodinámica en las planchas, calentador de agua, acondicionadores de aire, entre otros. En otra gran variedad de ámbitos también se aplican los principios de la termodinámica, tal como en las centrales eléctricas, en los automóviles y cohetes. Ver figura 2.
Conceptos básicos de la Termodinámica
Energía (E)
Propiedad de todo cuerpo o sistema material o no material que puede transformarse modificando su situación o estado. También se define como el potencial o la capacidad para mover la materia. En la figura 3 se pueden ver algunas fuentes de energía.
Formas de Energía
La energía se presenta en muchas formas, tales como la energía eólica, eléctrica, mecánica, nuclear, entre otras. En el estudio de la termodinámica se utiliza la energía cinética, la energía potencial y la energía interna de los cuerpos. La energía cinética (Ec) esta relacionada con la velocidad, la energía potencial (Ep) con la altura y la energía interna (U) con el movimiento de las moléculas internas. Ver figura 4.
Calor (Q):
Transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas. El calor se mide Joule, BTU, libras-pie, o en calorías.
Temperatura (T):
Es una medida de la energía cinética de los átomos o moléculas que constituyen un objeto material cualquiera. Mide el grado de agitación de las moléculas internas de un objeto, de su energía térmica. Mientras mayor movimiento presenten las moléculas, mayor es la temperatura. Se mide en grados Celsius, grados Kelvin, grados Rankine o grados Fahrenheit. En la figura 5 se presenta la equivalencia entre algunas escalas de temperatura.
Principios Termodinámicos
El estudio de las transformaciones de energía en la termodinámica se basa en cuatro leyes. La primera y la segunda ley están relacionadas con la calidad y cantidad de la energía; mientras que la tercera y cuarta ley se relaciona con propiedades termodinámicas (la temperatura y la entropía). Ver figuras 6 y 7.
Primera Ley de Termodinámica:
La primera ley establece el principio de conservación de la energía. La energía se puede transferir de un cuerpo a otro, o cambiar a otra forma de energía, pero siempre se conserva, así que la cantidad total de energía siempre permanece constante.
Una rampa de patinaje es un buen ejemplo de la Ley de la Conservación de la energía, donde se comprueba que la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma en otro tipo de energía. Para un patinador como el de la figura 8, cuando influye únicamente la fuerza gravitacional, se tiene que:
- Posición 1: Cuando el patinador se encuentra en lo alto de la rampa posee una energía interna y energía potencial debido a la altura en la que se encuentra, pero su energía cinética es nula ya que no se encuentra en movimiento (velocidad= 0 m/s).
- Posición 2: Al patinador comenzar a deslizarse por la rampa va disminuyendo la altura, disminuyendo la energía interna y la energía potencial, pero aumentando su energía cinética, ya que va aumentando su velocidad. La energía se va transformando en energía cinética. Cuando el patinador alcanza el punto más bajo de la rampa (posición 2), su energía potencial es cero (altura =0m), mientras que adquiere la mayor velocidad en su recorrido por la rampa.
- Posición 3: a medida que va subiendo la rampa el patinador pierde velocidad, disminuyendo su energía cinética, pero va aumentando la energía interna, y la energía potencial, ya que gana altura.
Segunda Ley de la Termodinámica:
La segunda ley se relaciona con la “calidad” de la energía, en la optimización de la conversión y/o transmisión de la energía. En esta ley se establece que en los procesos reales la calidad de la energía tiende a disminuir. Se introduce la definición de la propiedad termodinámica “entropía”. En los enunciados de la segunda ley se establece cuándo un proceso puede ocurrir y cuándo no, aunque se siga cumpliendo la primera ley. Ver figura 9.
Ley Cero:
La ley cero establece que si dos sistemas en equilibrio con un tercero están en equilibrio entre sí. Por ejemplo, para la figura 10, si A está en equilibrio térmico con C, y C está en equilibrio térmico con B, entonces A se encuentra en equilibrio térmico con B.
Otros conceptos de la Termodinámica
Sistema
Parte del universo que es de interés o estudio. Para la taza de café de la figura 11, el “sistema” es el contenido de la taza (café) donde se puede estudiar la transferencia de energía térmica. Ver figura 12. [4]
Entorno
Es el resto del universo externo al sistema en estudio. En la figura 12, la taza de café se considera la “frontera” que contiene el café (sistema) y lo que se encuentra fuera de la taza (frontera) es el “entorno” del sistema.
Equilibrio Termodinámico
Estado en el que las propiedades del sistema están bien definidas y no varían con el tiempo. Cuando un sistema presenta equilibrio térmico, equilibrio mecánico y equilibrio químico se encuentra en “equilibrio termodinámico”. En equilibrio un sistema no puede modificar su estado a menos que actúe sobre el un agente externo. Ver figura 13.
Pared
Ente que permite o impide las interacciones entre sistemas. Si la pared permite el paso de sustancia se dice que es una pared permeable. Una pared adiabática es aquella que no permite la transferencia de calor entre dos sistemas. Cuando la pared permite la transferencia de energía térmica se denomina pared diatérmica. Ver figura 14.
Conclusiones
La energía es la capacidad para mover la materia. Ésta puede transformarse modificando su situación o estado.
La Termodinámica es una ciencia que estudia los intercambios y transformaciones de la energía en los procesos. El estudio de las transformaciones de energía en la termodinámica se basa en cuatro leyes. La primera y la segunda ley están relacionadas con la calidad y cantidad de la energía; mientras que la tercera y cuarta ley se relaciona con propiedades termodinámicas (la temperatura y la entropía).
La temperatura es una medida del grado de agitación de las moléculas que constituyen un cuerpo, mientras que el calor es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas.
El equilibrio termodinámico existe cuando en el sistema se encuentran simultáneamente en equilibrio térmico, equilibrio mecánico y equilibrio químico.
Nota de agradecimiento: Para el desarrollo de este artículo hemos tenido el honor de contar con la asesoría de la Ing. Marisol Pino, Especialista en Instrumentación y Control Industrial.