La termodinámica es la base, la teoría sobre la que se apoyan los motores para funcionar, y también de otras muchas máquinas, como los frigoríficos, congeladores, etc. Sin embargo, la mayoría de usuarios de coches y motos, entre otros vehículos con motor y maquinaria, desconocen totalmente esta teoría. Así que, a modo de introducción fácil, vamos a adentrarnos a descubrir este mundo, y así poder comprender mejor otros artículos técnicos que necesiten de conocimientos de termodinámica.
Así que, vamos a ver los conceptos más importantes…
Conceptos elementales
Antes de comenzar con la termodinámica en sí, voy a hacer una breve introducción a algunos conceptos que es conveniente tener presentes para no perderte…
Energía
En termodinámica, la energía se define como la capacidad de un sistema para generar trabajo. Es una magnitud escalar que puede manifestarse en diferentes formas, como energía cinética, energía potencial, energía térmica, energía química, entre otras, y que se expresa en julios (J) como unidad del Sistema Internacional (SI).
Trabajo
El trabajo es la cantidad de energía transferida de un sistema a otro mediante una fuerza cuando se produce un desplazamiento o otro tipo de fenómeno. Dentro del trabajo, podemos encontrar tanto trabajo mecánico, cuando una fuerza mecánica desplaza un objeto, o también trabajo no mecánico, cuando fuerzas no mecánicas como la eléctrica o magnética producen esto mismo.
Potencia
En termodinámica, la potencia se define como la tasa de transferencia de energía entre un sistema y su entorno. Es una magnitud escalar que representa la cantidad de energía transferida por unidad de tiempo. La unidad de medida en el SI es el vatio (W), aunque como sabes existen otras como CV o caballos, etc.
Fórmula para la potencia:
P = W / t
Donde P es la potencia en vatios, W es el trabajo en julios, y t es el tiempo en segundos.
Calor y trabajo
El calor se define como la transferencia de energía entre dos sistemas que se produce debido a una diferencia de temperatura. Su signo depende de si el calor fluye hacia el sistema o desde el sistema, es decir, si enfría o calienta. La unidad de medida en el SI es el joule (J).
No hay que confundir calor y trabajo, ya que no son lo mismo. Mientras que el trabajo es una transferencia de energía debido a una fuerza, el calor es una transferencia de energía debido a una diferencia de temperatura. Además, el calor puede ser negativo o positivo, dependiendo de hacia donde fluye, mientras que el trabajo no.
Transformaciones termodinámicas
Las transformaciones termodinámicas representan los cambios de estado que experimentan los sistemas termodinámicos. Estos cambios pueden ser reversibles o irreversibles, y su estudio nos permite comprender el comportamiento de la energía y la materia en diferentes escenarios. Dicho de otro modo, el proceso por el que un sistema termodinámico pasa de un estado de equilibrio inicial a otro estado de equilibrio final. Durante este proceso, varían diferentes propiedades, como la temperatura, presión, volumen, o energía interna.
Las transformaciones termodinámicas se clasifican en dos, las reversibles cuando se puede regresar al estado inicial, y los irreversibles, cuando no se puede volver a ese estado inicial. Para más información te recomiendo leer estos artículos…
En termodinámica, los cambios de estado de un sistema se clasifican en función de la propiedad que se mantiene constante durante el proceso. Los prefijos «iso» significan «igual» y se utilizan para nombrar estos procesos termodinámicos especiales. Por ejemplo:
- Isotérmico: ocurre a temperatura constante (T). En este caso, no hay intercambio de calor entre el sistema y el entorno, o el intercambio de calor ocurre de manera que la temperatura se mantiene uniforme. Un ejemplo podría ser la compresión lenta de un gas ideal dentro de un cilindro con paredes conductoras de calor que permiten mantener la temperatura constante a lo largo del proceso.
- Isométrico o isocórico: ocurre a volumen constante (V). En este caso, no hay cambio en el volumen del sistema. Un ejemplo podría ser el calentamiento de un gas dentro de un recipiente rígido y sellado. Aunque la temperatura aumente, el volumen del gas no puede expandirse debido al recipiente rígido.
- Isobárico: ocurre a presión constante (P). En este caso, no hay cambio en la presión del sistema. Un ejemplo podría ser la ebullición del agua a presión atmosférica constante. Aunque la temperatura del agua aumenta, la presión se mantiene igual a la presión atmosférica.
- Isenthalpico: ocurre a entalpía constante (H), luego mostraré algo más sobre qué es esto…
- Adiabático: ocurre sin intercambio de calor (Q=0) entre el sistema y el entorno. En este caso, cualquier cambio de temperatura dentro del sistema se debe únicamente al trabajo realizado sobre él o por él. Un ejemplo podría ser la compresión rápida de un gas dentro de un cilindro aislado. La compresión rápida no permite la transferencia de calor hacia afuera, por lo que la temperatura del gas aumenta debido al trabajo realizado durante la compresión.
I principio de la termodinámica o Ley de Conservación de la Energía
Este principio establece que la energía total de un sistema aislado permanece constante. En otras palabras, la energía no se puede crear ni destruir, solo se puede transformar de una forma a otra. Matemáticamente, se expresa como:
ΔE = Q – W
Donde ΔE es la variación de energía interna del sistema expresada en julios, Q es el calor transferido también en julios, y W es el trabajo realizado por el sistema.
II principio de la termodinámica o Entropía y Dirección de los Procesos
Este principio introduce el concepto de entropía, una medida del desorden o aleatoriedad en un sistema. El segundo principio establece que la entropía total de un sistema aislado siempre aumenta con el tiempo. En otras palabras, los procesos naturales tienden a ir hacia un estado de mayor desorden.
Otros términos
Para finalizar, también sería interesante conocer estos otros conceptos de los que te he hablado anteriormente:
¿Qué es la entropía?
La entropía (S) es una medida del desorden o aleatoriedad en un sistema termodinámico. Un sistema con alta entropía tiene una distribución más probable de las partículas que lo componen, mientras que un sistema con baja entropía tiene una distribución más ordenada. Siempre aumenta en un sistema aislado que experimenta un proceso irreversible, como la mezcla de dos gases o la fricción. Esto se debe a que estos procesos aumentan el desorden a nivel microscópico del sistema.
¿Qué es la entalpía?
La entalpía (H) es una propiedad termodinámica que representa la energía total contenida en un sistema termodinámico. Se define como la suma de la energía interna (U) del sistema y el producto de su presión (P) y volumen (V):
H = U + PV
La entalpía es útil para analizar procesos termodinámicos que ocurren a presión constante (isobáricos). En estos casos, el cambio de entalpía (ΔH) es igual al calor transferido al sistema (Q) a presión constante:
ΔH = Q (a presión constante)
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