Procesos termodinámicos

Se denomina proceso termodinámico a la evolución de determinadas magnitudes (o propiedades) propiamente termodinámicas relativas a un determinado sistema físico. Desde el punto de vista de la termodinámica, estas transformaciones deben transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a otro final; es decir, que las magnitudes que sufren una variación al pasar de un estado a otro deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial y final. De esta forma los procesos termodinámicos pueden ser interpretados como el resultado de la interacción de un sistema con otro tras ser eliminada alguna ligadura entre ellos, de forma que finalmente los sistemas se encuentren en equilibrio (mecánico, térmico y/o material) entre sí.

Termodinámica

La termodinámica (movimiento del calor) es la rama de la física que se encarga del estudio de la transformación del calor en trabajo mecánico y viceversa. Su base principal es la conservación de la energía. Proporciona la teoría básica para entender y diseñar maquinas térmicas, como turbinas de vapor, refrigeradores, cohetes y maquinas de combustión interna. Esta ciencia se desarrollo a principios del siglo XIX.

Sistema termodinámico.

Un sistema termodinámico es una parte del Universo que se aísla para su estudio. Para ello se aísla delos alrededores a través de limites o fronteras, de tal manera que todo lo que se encuentra fuera de lo delimitado se denomina alrededores.

Un ejemplo , puede ser un recipiente cualquiera, en tal caso se aísla del resto del universo y podrá considerarse que tenga paredes que permiten el intercambio o no del calor.

Frontera

Es el limite que separa el sistema de los alrededores. Generalmente son paredes que pueden ser diatérmicas o adiabáticas.

Pared diatérmica

Una pared diatérmica es una buena conductora de calor. Permite el intercambio de calor entre el sistema y los alrededores y viceversa. Por ejemplo, en un sistema donde se calienta agua en un matraz utilizando un mechero de bunsen, con el tiempo hervirá debido a que el sistema (agua) interacciona térmicamente con los alrededores (flama y medio) y el vidrio actúa como pared diatérmica.

Pared adiabática

Una pared adiabática se caracteriza por no permitir la interacción térmica del sistema con los alrededores. Generalmente se construyen de materiales malos conductores del calor como porcelana o asbesto. 

Ejemplos de sistemas adiabáticos son tortilleros y termos, estos últimos construido por un recipiente de doble pared y con vació entre ellos, que permite contener agua hirviendo en su interior sin enfriarse.

Equilibrio termodinámico

El equilibrio termodinámico se alcanza cuando después de cierto tiempo de poner en contacto un sistema de baja temperatura  con otro sistema a mayor temperatura se igualan, por lo que ya no hay intercambio de calor. En este punto  las propiedades como presión, densidad, temperatura, ya no varían.

Energía interna

La energía interna (Ei) es la energía contenida en el interior de las sustancias. Se define como la suma de la energía cinética y potencial de las moléculas individuales que se forman. Generalmente se cumple que cuanto mayor sea la temperatura de un sistema también lo será su energía interna.

La energía interna (Ei) se hace presente en las sustancias combustibles como la gasolina, utilizada en motores de combustión interna de automóviles o en las sustancias usadas en la propulsión de las naves espaciales. Es proporcional la masa. Por ejemplo, en el caso de una jarra de un litro de agua a 20º C, su energía interna es mayor que la que posee una taza a 90º C, y una cafetera con un litro de agua hirviendo tendrá el doble de energía térmica que una que contenga medio litro. Debido a que no se puede determinar el valor absoluto de la energía interna, se cuantifica la variación que sufre, (ΔEi). En cuanto al signo, será negativo cuando disminuye dentro del sistema y positivo cuando aumenta.

Equivalente mecánico de calor

El equivalente mecánico del calor fue establecido por James Prescott Joul (1818-1889), físico ingles autor de importantes trabajos sobre la teoría mecánica del calor, a mediados del siglo XIX. Demostró que cierta variación de temperatura indica un cambio de energía interna y aparece que se pierde determinada cantidad de energía mecánica. Para ello, coloco agua en un recipiente aislado que evita perdidas de calor. Su finalidad era medir el incremento de temperatura, consecuencia de la agitación provocado por paletas giratorias movidas al descender pesas. En todos sus resultados encontró que 1J = 0.24cal o 1cal = 4.5J, por lo que concluyo que la energía mecánica y la energía que causaba la diferencia de temperatura del agua eran equivalentes.

El equivalente mecánico del calor es representado por las anteriores equivalencias, que indican la cantidad de energía mecánica que se trasforma o disipa en forma de calor; esto es, por cada Joule de trabajo se producen 0.24 calorías, y cuando una caloría de energía calorífica se trasforma se obtiene un trabajo de 4.2 J.

Primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica establece que la variación de la energía interna de un sistema es igual a la energía que transfieren o  reciben los alrededores en forma de calor y de trabajo, de forma tal que se cumple que la energía no se crea ni se destruye sino solamente se trasforma. El trabajo es negativo cuando los alrededores realizan trabajo sobre el sistema; por ejemplo, cuando el pistón del motor de automóvil comprime la gasolina (compresión del gas), y positivo, cuando el sistema realiza trabajo sobre los alrededores, como cuando la gasolina explota dentro del pistón haciéndolo que ascienda nuevamente (expansión de un gas).

Proceso termodinámico

Un gas experimenta un proceso termodinámico cuando varía su presión, volumen o temperatura. Los procesos termodinámicos se clasifican en: isotérmicos, isobáricos, isocóricos y adiabáticos.