Conceptos Esenciales de Termodinámica, Transferencia de Calor y Presión

Fundamentos de la Termodinámica y el Calor

Definiciones Fundamentales

¿Qué es la Temperatura?

La temperatura puede considerarse como una descripción del nivel de calor, mientras que el calor puede considerarse como la energía en la forma de moléculas en movimiento.

Caloría

Se define como la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de 1 gramo (gr) de agua en 1 °C.

Frigoría

Es la cantidad de calor que se le quita a un gramo de agua para bajar su temperatura en 1 °C.

Mecanismos de Transferencia de Calor

Conceptos Clave de la Transferencia Térmica

Transferencia de Calor por Conducción

La transferencia de calor por conducción puede explicarse como la transferencia de energía entre moléculas. A medida que una molécula se mueve más rápido, provoca que otras hagan lo mismo.

Aplicaciones de la Conducción

Se utiliza en muchas aplicaciones de transferencia de calor cotidianas. Por ejemplo, el calor se transfiere por conducción desde el quemador eléctrico caliente de la cocina al cazo que contiene el agua, y después se transfiere también por conducción al propio líquido.

Transferencia por Convección

Se emplea para mover el calor de un punto a otro. Cuando se mueve el calor, este es normalmente transferido a alguna sustancia que sea fácilmente desplazable, tal como aire o agua.

Transferencia por Radiación

Resulta sencilla de explicar utilizando el sol como ejemplo de fuente calórica. El sol está situado a unos 150 millones de km de la superficie de la Tierra, a pesar de lo cual podemos notar su intensidad. El calor transferido por radiación viaja a través del espacio sin calentarlo y es absorbido por los primeros objetos sólidos que encuentra.

Estados de la Materia y sus Propiedades

Tipos de Estados

Sólido

Las moléculas se arreglan en un enlace tridimensional que se repite por todo el sólido. Debido a las pequeñas distancias intermoleculares, las fuerzas de atracción entre las moléculas son muy grandes y las mantienen en posiciones fijas dentro del sólido.

Líquido

Es parecido al de la fase sólida, excepto en que las moléculas ya no mantienen posiciones fijas entre sí y pueden rotar y trasladarse libremente.

Gaseoso

Las moléculas están bastante apartadas unas de otras y no hay un orden molecular definido. Las fuerzas moleculares son muy pequeñas. Las moléculas en fase gaseosa tienen un nivel de energía considerablemente mayor que en la fase líquida o sólida.

Conceptos de Presión

Tipos de Presión

Presión Atmosférica

La presión atmosférica es el peso de la columna de aire que hay sobre cualquier punto o lugar de la Tierra y es, por tanto, el peso por unidad de superficie. Cuanto mayor es la altura, menor es la presión atmosférica; y cuanto menor es la altura y más se acerque al nivel del mar, mayor será la presión.

Presión Manométrica (o Presión Relativa)

Corresponde al valor que se puede leer directamente en un manómetro o en un transmisor de presión. También es denominada presión relativa porque la lectura que hace el manómetro parte de considerar como valor cero la presión atmosférica existente en el lugar de medición. Debido a esto, el valor que se ve en la pantalla o en la esfera del manómetro corresponde a la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica.

Presión Absoluta

El concepto de presión absoluta se aplica al valor de presión referido al cero absoluto o vacío. Este valor indica la presión total a la que está sometido un cuerpo o sistema, considerando el total de las presiones que actúan sobre él.

Leyes Fundamentales

Relación entre la Presión y la Temperatura

Esta relación establece la conexión entre la temperatura y la presión de un gas cuando el volumen es constante (Ley de Gay-Lussac). La presión del gas es directamente proporcional a su temperatura:

• Si aumentamos la temperatura, aumentará la presión.
• Si disminuimos la temperatura, disminuirá la presión.

Fundamentos de Refrigeración y Cambios de Fase

El Ciclo de Refrigeración

¿Qué es un Refrigerante?

Es una sustancia que actúa como agente de enfriamiento, con propiedades especiales de punto de evaporación y condensación. Mediante cambios de presión y temperatura, absorbe calor en un lugar y lo disipa en otro, a través de un cambio de líquido a gas y viceversa.

Temperatura de Saturación

Es la temperatura a la cual un fluido cambia de la fase líquida a la fase de vapor o, a la inversa, de la fase de vapor a la fase líquida.

Líquido Saturado

Cuando se eleva la temperatura de un líquido a tal punto que cualquier calor adicional que se le aplique hace que parte del líquido se convierta en vapor, se dice que el líquido está saturado. En estas condiciones, la temperatura del líquido se llama temperatura de saturación.

Vapor Saturado

Un vapor saturado puede definirse como un vapor a una temperatura tal que cualquier enfriamiento que se aplique hará que parte de este se condense y pase al estado líquido.