Conceptos Fundamentales de Termodinámica y Mecánica de Fluidos

Termodinámica: Conceptos Esenciales

Conductividad Térmica (K)

Es la medida de la capacidad de un material para conducir el calor.

La tasa de transferencia de calor (Q/T) se relaciona con la conductividad térmica (K), el área (A), la diferencia de temperatura (Δt) y la longitud (L) a través de la cual fluye el calor, mediante la fórmula:

Q/T = K * A * Δt / L

Despejando la conductividad térmica (K):

K = (Q * L) / (T * A * Δt)

Convección

Es el proceso de transferencia de calor que ocurre en fluidos (líquidos o gases) debido al movimiento macroscópico del propio fluido. Las partes más calientes y menos densas del fluido tienden a ascender, mientras que las más frías y densas descienden, creando corrientes de convección que transportan energía térmica.

Ley Cero de la Termodinámica

Establece que si dos objetos (A y B) están, por separado, en equilibrio térmico con un tercer objeto (C), entonces los objetos A y B también están en equilibrio térmico entre sí.

Importancia de la Ley Cero

Su importancia radica en que fundamenta el concepto de temperatura y permite su medición de manera consistente.

Primera Ley de la Termodinámica (Conservación de la Energía)

Establece que, en cualquier proceso termodinámico, el calor neto (ΔQ) absorbido por un sistema es igual a la suma del trabajo neto (ΔW) realizado por el sistema sobre su entorno y el cambio en su energía interna (ΔU).

ΔQ = ΔW + ΔU

Nota: Esta ley es una manifestación del principio de conservación de la energía aplicado a procesos que involucran transferencia de calor y trabajo.

Segunda Ley de la Termodinámica

Tiene varias formulaciones equivalentes que describen la dirección natural de los procesos térmicos y la imposibilidad de ciertos fenómenos. Una de ellas (enunciado de Kelvin-Planck) establece que es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, convierta íntegramente el calor extraído de una única fuente térmica en trabajo mecánico. Esto implica que ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia del 100%.

Máquina Térmica Ideal (Máquina de Carnot)

Se define como aquella máquina teórica que opera según el ciclo reversible de Carnot entre dos focos térmicos a temperaturas T_caliente y T_fría. Esta máquina alcanza la máxima eficiencia posible para cualquier máquina que opere entre esas dos temperaturas límite.

Eficiencia Térmica (η)

Es la razón adimensional entre el trabajo útil neto (W) realizado por una máquina térmica en un ciclo y el calor (Q_suministrado) que absorbe de la fuente caliente durante ese ciclo.

η = W / Qsuministrado

Funcionamiento Básico de un Refrigerador

Un refrigerador doméstico opera mediante un ciclo de refrigeración por compresión de vapor, utilizando un fluido refrigerante que cambia de fase:

1. Evaporador: El refrigerante líquido a baja presión y baja temperatura (ej. -20°C) circula por serpentines dentro del compartimento del refrigerador. Absorbe calor del interior (enfriándolo) y se vaporiza.
2. Compresor: El vapor refrigerante a baja presión es succionado y comprimido mecánicamente, lo que aumenta significativamente su presión y temperatura.
3. Condensador: El vapor caliente y a alta presión circula por serpentines en la parte exterior del refrigerador (generalmente atrás o abajo). Aquí cede calor al ambiente, se enfría y se condensa, volviendo al estado líquido (aún a alta presión).
4. Válvula de Expansión: El líquido refrigerante a alta presión pasa a través de un dispositivo de expansión (tubo capilar o válvula) que reduce drásticamente su presión y, como consecuencia, su temperatura, dejándolo listo para volver al evaporador y reiniciar el ciclo.

Mecánica de Fluidos: Propiedades y Principios

Propiedades de Líquidos y Gases (Fluidos)

• Líquidos: Son fluidos prácticamente incompresibles. Tienen un volumen definido pero adoptan la forma de la parte inferior del recipiente que los contiene. Sus partículas están relativamente juntas pero pueden moverse unas respecto a otras.
• Gases: Son fluidos altamente compresibles. No tienen forma ni volumen definidos; se expanden hasta llenar completamente el recipiente que los contiene. Sus partículas están muy separadas, con fuerzas de atracción débiles, y se mueven constantemente de forma aleatoria.

Ambos, líquidos y gases, se clasifican como fluidos debido a su capacidad de fluir y adaptarse a la forma de su contenedor.

Densidad (ρ)

Es la propiedad intensiva de la materia que relaciona la masa (m) de una sustancia u objeto con el volumen (V) que ocupa.

ρ = m / V

Peso Específico (γ o P_e)

Es la relación entre el peso (W) de una sustancia y el volumen (V) que ocupa.

γ = W / V

También se puede expresar como el producto de la densidad (ρ) de la sustancia y la aceleración debida a la gravedad (g):

γ = ρ * g

Densidad Relativa (DR) o Gravedad Específica (GE)

Es la relación adimensional entre la densidad (ρ_sustancia) de una sustancia y la densidad de una sustancia de referencia, comúnmente el agua (ρ_agua) a una temperatura específica (usualmente 4 °C).

DR = ρsustancia / ρagua

Presión (P)

Es la magnitud física que mide la fuerza (F) ejercida perpendicularmente por unidad de área (A) sobre una superficie.

P = F⊥ / A

La unidad en el Sistema Internacional (SI) es el Pascal (Pa), que equivale a 1 Newton por metro cuadrado (N/m²).

Presión Atmosférica (P_atm)

Es la presión ejercida por el peso de la columna de aire de la atmósfera terrestre sobre la superficie del planeta. Su valor varía con la altitud y las condiciones meteorológicas. A nivel del mar, su valor estándar es aproximadamente 101,325 Pascales (Pa), también conocido como 1 atmósfera (atm).

Presión Hidrostática (P_h)

Es la presión ejercida por un fluido en reposo debido a su propio peso. En un punto dentro del fluido, esta presión depende de la densidad del fluido (ρ), la aceleración debida a la gravedad (g) y la profundidad (h) del punto respecto a la superficie libre del fluido.

Ph = ρ * g * h

Principio de Arquímedes

Establece que todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido en reposo experimenta una fuerza vertical ascendente, llamada fuerza de empuje (E) o flotación, cuya magnitud es igual al peso del volumen de fluido desalojado por el cuerpo.

E = Pesofluido desalojado = mfluido desalojado * g = ρfluido * Vsumergido * g

Principio de Pascal

Establece que cualquier cambio de presión aplicado a un fluido incompresible y confinado (en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables) se transmite íntegramente, sin disminución, a todos los puntos del fluido y a las paredes del recipiente que lo contiene.

Este principio es fundamental para el funcionamiento de sistemas hidráulicos como prensas, frenos, gatos y elevadores.