Conceptos Fundamentales de Termodinámica y Transferencia de Energía
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Aplicaciones de la Termodinámica
La termodinámica se encuentra en numerosos sistemas de ingeniería y otros aspectos de la vida cotidiana. Por ejemplo, el corazón bombea sangre constantemente a todo nuestro cuerpo, y en el hogar encontramos aplicaciones como el refrigerador o la olla de presión.
Propiedades de un Sistema Termodinámico
Algunas propiedades fundamentales de un sistema termodinámico incluyen la presión (P), la temperatura (T), el volumen (V) y la masa (m).
Densidad y Densidad Relativa
Densidad
La densidad (ρ) se define como la masa por unidad de volumen.
ρ = m / V (kg/m³)
Densidad Relativa
La densidad de una sustancia a menudo se expresa en relación con la densidad de una sustancia de referencia bien conocida (generalmente agua a 4°C). Esto se conoce como gravedad específica o densidad relativa (SG).
SG = ρ / ρH₂O
Ley Cero de la Termodinámica
La Ley Cero de la Termodinámica establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, entonces los dos primeros cuerpos también están en equilibrio térmico entre sí.
Escalas de Temperatura
Existen principalmente cuatro escalas de temperatura utilizadas:
- Escala Celsius (°C)
- Escala Fahrenheit (°F)
- Escala Kelvin (K)
- Escala Rankine (R)
Presión
Presión Absoluta
La presión absoluta es la presión real en una posición dada. Se mide relativa al vacío absoluto (presión cero absoluta). Es la suma de la presión manométrica y la presión atmosférica local.
Pabs = Pman + Patm
Presión Manométrica
La presión manométrica es la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica local. Mide la presión por encima de la atmosférica.
Pman = Pabs - Patm
Presión de Vacío
La presión de vacío se refiere a presiones por debajo de la presión atmosférica. Es una medida de cuánto la presión absoluta es menor que la presión atmosférica. A menudo se expresa como un valor positivo.
Pvac = Patm - Pabs (donde Pabs < Patm)
Se mide comúnmente en unidades como milímetros de mercurio (mmHg) o pascales (Pa) por debajo de la atmosférica.
Manómetro
Un manómetro es un instrumento de medición utilizado para medir la diferencia de presión, comúnmente la presión manométrica de fluidos (líquidos o gases) contenidos en recipientes cerrados.
Formas de Energía
La energía existe en diversas formas, incluyendo:
- Energía Térmica
- Energía Cinética
- Energía Potencial
- Energía Eléctrica
- Energía Magnética
- Energía Química
- Energía Nuclear
Energía Mecánica
La energía mecánica es la forma de energía que puede convertirse completamente en trabajo mecánico de modo directo mediante un dispositivo mecánico ideal, como una turbina. Es la suma de la energía cinética y potencial de un sistema macroscópico.
Transferencia de Energía
Calor
El calor (Q) es la forma de energía que se transfiere entre dos sistemas (o entre un sistema y sus alrededores) debido exclusivamente a una diferencia de temperatura.
Proceso Adiabático
Un proceso adiabático es aquel durante el cual no hay transferencia de calor (Q = 0) entre el sistema y sus alrededores.
Mecanismos de Transferencia de Calor
Conducción
La conducción es la transferencia de energía desde las partículas más energéticas de una sustancia hacia las adyacentes menos energéticas, como resultado de la interacción entre partículas. Ocurre principalmente en sólidos, pero también en líquidos y gases.
Convección
La convección es la transferencia de energía entre una superficie sólida y el fluido adyacente (líquido o gas) que se encuentra en movimiento. Implica los efectos combinados de la conducción y el movimiento del fluido.
Radiación
La radiación es la transferencia de energía debida a la emisión de ondas electromagnéticas (o fotones) como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. No requiere un medio para propagarse.
Primera Ley de la Termodinámica
La Primera Ley de la Termodinámica es una expresión del principio de conservación de la energía. Sostiene que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Afirma que durante una interacción entre un sistema y sus alrededores, la cantidad de energía ganada por el sistema debe ser exactamente igual a la cantidad de energía perdida por los alrededores, y viceversa. Establece que la energía es una propiedad termodinámica.
Trabajo como Transferencia de Energía
El trabajo (W) es otra forma importante de transferencia de energía (junto con el calor). Se define como la transferencia de energía asociada con una fuerza que actúa a lo largo de una distancia. A diferencia del calor, el trabajo es una transferencia de energía ordenada.