Antes de comenzar a estudiar las máquinas y los motores térmicos, vamos a repasar (o conocer) una
serie de cuestiones básicas sobre el tema.
Contenidos
- 1 Origen y relación trabajo-calor.
- 2 Escalas termométricas
- 3 Sistemas termodinámicos
- 4 Transformaciones termodinámicas de un sistema.
- 5 Primer Principio de la termodinámica
- 6 Criterio de signos termodinámico
- 7 Entropía.
- 8 Segundo principio de la termodinámica.
Origen y relación trabajo-calor.
Ya sabemos que “el calor” es una manifestación más de la energía y que, por lo tanto se puede medir
en sus unidades (julio, ergio, …); pero resulta más práctico expresar el calor en función del aumento
de temperatura de la sustancia en cuestión.
Según este criterio se define “caloría” como la cantidad de calor necesaria para elevar, a presión
atmosférica, la temperatura de 1 gr de agua de 14,5ºC a 15,5ºC.
Y midiendo la cantidad de trabajo necesario para obtener una determinada cantidad de calor, en 1840,
James Prescott Joule verificó que:
W/Q=cte=J
A esa constante se la denominó “equivalente mecánico del calor” y se calculó su valor en
J=4.1855 J/cal
De igual forma, se definió A como el “equivalente térmico del trabajo” y su valor es:
A=1/J=0.2389 cal/J
Escalas termométricas
Recordemos de forma breve cuales son las expresiones y escalas más importantes para expresar la
temperatura.
Las tres basan su gradación en función del
punto triple del agua, cuya temperatura es de 273,15 K.
En base a esta temperatura los valores de fusión del agua sólida y ebullición del agua en las distintas
escalas son:
Sistemas termodinámicos
Un sistema termodinámico es una parte del Universo que se aísla para su estudio.
Este aislamiento se puede llevar a cabo de una manera real, en el campo experimental, por ejemplo
una máquina térmica, o de una manera ideal como la máquina de Carnot, cuando se trata de abordar
un estudio teórico.
Los sistemas termodinámicos se clasifican según el grado de aislamiento que presentan con su entorno.
Aplicando este criterio pueden darse tres clases de sistemas:
Sistema aislado: Es aquel que no intercambia ni materia ni energía con su entorno, es decir se encuentra
en equilibrio termodinámico. Un ejemplo de esta clase podría ser un gas encerrado en un recipiente
de paredes rígidas lo suficientemente gruesas (paredes adiabáticas) como para considerar que los
intercambios de energía calorífica sean despreciables y que tampoco puede intercambiar energía en
forma de trabajo.
Sistema cerrado: Es el que puede intercambiar energía pero no materia con el exterior.
Multitud de sistemas se pueden englobar en esta clase.
El mismo planeta Tierra puede considerarse un sistema cerrado.
Una lata de sardinas también podría estar incluida en esta clasificación.
Sistema abierto: En esta clase se incluyen la mayoría de sistemas que pueden observarse en la vida
cotidiana. Por ejemplo, un vehículo motorizado es un sistema abierto, ya que intercambia materia con
el exterior cuando es cargado, o su conductor se introduce en su interior para conducirlo, o es
provisto de combustible al repostarse, o se consideran los gases que emite por su tubo de escape
pero, además, intercambia energía con el entorno.
Solo hay que comprobar el calor que desprende el motor y sus inmediaciones o el trabajo que puede
efectuar acarreando carga.
Transformaciones termodinámicas de un sistema.
Un sistema termodinámico evoluciona desde un punto inicial a otro final de distintas formas;
se representan en un diagrama p - V, y en el caso de los gases ideales rigen por la ecuación
correspondiente. Las más comunes son:
Primer Principio de la termodinámica
El primer principio de la termodinámica o primera ley de la termodinámica es
"La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma":
Según este principio, podríamos suponer que en cualquier transformación:
W=Qsuponiendo que todo el calor se transforma en trabajo.
Hablando con propiedad.
El calor y el trabajo son energías en tránsito y, por lo tanto, resulta incorrecto hablar
del calor o el trabajo que posee un cuerpo o sistema
Pero sabemos que esto no es así, ya que parte de ese calor no se transforma en trabajo sino que se
destina a modificar la energía del sistema y/o su entorno.
Se define entonces la energía interna, U, como una variable de estado cuya variación en un proceso
es el trabajo intercambiado por el sistema con su entorno:
Esta definición suele identificarse con la ley de la conservación de la energía y, a su vez, identifica el calor como una transferencia de energía. Es por ello que la ley de la conservación de la energía se utilice, fundamentalmente por simplicidad, como uno de los enunciados de la primera ley de la
termodinámica:
La variación de energía de un sistema termodinámico cerrado es igual a la diferencia entre la
cantidad de calor y la cantidad de trabajo intercambiados por el sistema con sus alrededores.
En su forma matemática más sencilla se puede escribir para cualquier sistema cerrado:
donde:
ΔU es la variación de energía del sistema,
Q es el calor intercambiado por el sistema a través de unas paredes bien definidas, y
W es el trabajo intercambiado por el sistema a sus alrededores.
Criterio de signos termodinámico
Uno de los criterios que se suele utilizar en termodinámica (y el que vamos a utilizar en nuestros
razonamientos) para evaluar los intercambios de energía entre un sistema y su entorno, en forma de
calor y trabajo, es el siguiente:
Positivo (+), para el trabajo que sale del sistema y el calor que entra al sistema.
Negativo (-), para el trabajo que entra al sistema y el calor que sale del sistema.
Entropía.
El primer principio de la termodinámica implica de por si que se cumpla el principio de conservación
de la energía.
Pero todos esos procesos “ideales” o sistemas, cuando son analizados en la naturaleza o en el
laboratorio se observa que solo se producen de forma espontánea en un sentido;
y para que se produzcan en sentido contrario es necesario un aporte de energía al sistema.
Es decir, mientras que el Trabajo se puede convertir en Calor prácticamente en su totalidad (W=Q),
el proceso contrario no se produce de igual forma, ya que siempre se producen transmisiones
de calor “destinadas” a aumentar la energía interna del sistema o ceden calor al ambiente
exterior o a otro sistema adyacente.
¿Calor = trabajo?
El calor y el trabajo son cualitativamente diferentes
Además, muchos fenómenos habituales en la naturaleza o en nuestras vidas, se producen de manera
espontánea sólo en un sentido, pero no en sentido contrario.
Cosas que pasan ;-)
El calor va de los cuerpos calientes a los fríos y no al revés; que un gas tiende a
expandirse ocupando todo el volumen posible, y no a contraerse; que por consecuencia
de la fricción los cuerpos se paran, no se aceleran
Esta “espontaneidad” que se dá en dichos fenómenos tiende siempre a hacerlo en el sentido
que implique más “desorden”.
Así, podemos deducir que “la naturaleza” tiende siempre a evolucionar a estados de mayor desorden.
Ojo
El grado de desorden de un sistema se denomina entropía (S) y se puede calcular por la expresión:
siendo Q, el calor absorbido por el sistema o Calor del proceso de 1 (inicial) a 2 (final) y T la
temperatura absoluta (en Kelvin).
Segundo principio de la termodinámica.
El enunciado de Clausius del Segundo Principio de la Termodinámica prohíbe la existencia
de refrigeradores ideales
"Es imposible un proceso que tenga como único
resultado el paso de calor de un foco frío a un foco caliente"
El enunciado de Clausius está formulado de manera negativa. Expresa un hecho empírico.
En términos llanos, el enunciado de Clausius nos dice que para enfriar algo por debajo de
la temperatura ambiente es necesario un trabajo adicional, esto es, que un frigorífico no funciona
si no se enchufa
El enunciado de Kelvin-Planck del Segundo Principio de la Termodinámica es el siguiente:
"Es imposible construir una máquina que, operando en un ciclo, produzca como único
efecto la extracción de calor de un foco y la realización de una cantidad equivalente de trabajo"
El enunciado de Kelvin-Planck afirma que es imposible construir una máquina que tenga un
rendimiento del 100%.
Siempre habrá calor de desecho que, en la mayoría de los casos equivale a más de la mitad del
calor absorbido.
Así, se define el rendimiento de una máquina térmica según el principio general de
"lo que obtenemos dividido por lo que nos cuesta".
En este caso, "lo que obtenemos" es el trabajo neto que sale de la máquina.
"Lo que nos cuesta" es el calor que entra procedente del reactor. Por tanto:
El funcionamiento de una máquina térmica real implica una serie de procesos que no son
de equilibrio y que obligan a calcular el rendimiento principalmente de forma empírica.
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