Fundamentos de Termodinámica: Trabajo, Calor y Transferencia de Energía

Trabajo Termodinámico (W)

Es aquel que se encuentra relacionado y asociado a los cambios o variaciones de volumen que experimenta un sistema o un fluido que se encuentra contenido en un recinto de forma variable.

Procesos Termodinámicos

a) Proceso Isobárico

Es un proceso termodinámico que ocurre a presión constante. La expansión isobárica es un proceso en el cual un gas se expande (o contrae) mientras que la presión del mismo no varía. P₁ = P₂.

b) Proceso Isotérmico

Es el cambio de temperatura reversible en un sistema termodinámico, siendo ese cambio de temperatura constante en todo el sistema. Se conoce como expansión isotérmica al proceso en el cual un gas se expande (o contrae), manteniendo la temperatura constante durante dicho proceso. T₁ = T₂.

c) Proceso Isométrico

Es aquel proceso que se lleva a cabo a volumen constante, en donde la variación de volumen en una gráfica de P/V no existe trabajo, por lo tanto V₁ = V₂ = 0, (P x (V₂-V₁) = 0).

Calor (Q)

Es el flujo de energía existente entre un sistema y su ambiente, producto de una diferencia de temperatura. Su unidad de medida es la caloría, que se define como la cantidad de energía para que 1 gramo de masa varíe 1 grado Celsius.

Equivalente Mecánico de Calor

Es aquella donde se expresa la unidad energética de calor en una unidad de energía mecánica, que equivale a 1 caloría (cal) = 4,186 joules (J).

Capacidad Calorífica (C)

Es la cantidad de energía que un sistema puede absorber debido a un cambio de temperatura.

Calor Específico (c)

Es la cantidad de energía absorbida por un sistema, producto de un cambio de temperatura por unidad de masa.

Tipos de Calor

a) Calor Sensible

Energía que cede o absorbe un sistema producto de un cambio de temperatura.

b) Calor Latente

Es la energía necesaria para completar un proceso sin variación de su temperatura.

Tipos de Calores Latentes

a) Calor de Fusión (L_f)

Calor necesario para que una sustancia sólida se transforme en una sustancia líquida, liberando energía que es absorbida, y que se denomina calor latente de fusión.

b) Calor de Solidificación (L_s)

Es el paso de un estado líquido a un estado sólido, a una determinada temperatura llamada punto de solidificación, en donde la temperatura permanece constante.

c) Calor de Evaporización (L_v)

Es la cantidad de energía necesaria para que la unidad de masa (kilogramo, mol, etc.) de una sustancia que se encuentre en equilibrio con su propio vapor a una presión de una atmósfera pase completamente del estado líquido al estado gaseoso.

d) Calor de Condensación (L_c)

Calor que es liberado por la masa de un gas que se encuentra en su punto de ebullición al condensarse en un fluido.

Formas de Transferencia de Calor

a) Conducción

Transferencia de energía entre moléculas de alta energía a unas de menor energía, que son parte de un sistema. Se produce esta transferencia entre sólidos, líquidos o gases, siendo más efectiva en sólidos por poseer una estructura cristalina más homogénea.

b) Convección

Es la transferencia de energía entre una superficie sólida y un fluido adyacente que está en movimiento, y que implica efectos combinados de conducción y movimiento de fluido.

Tipos de Convección

i) Convección Natural

Es aquella transferencia de energía producida por cambios en la densidad del fluido.

ii) Convección Forzada

Producida por agentes externos al fluido que obligan al fluido a moverse en una dirección determinada.

Nota: el flujo de calor por convección es proporcional a la sección de impacto, al tiempo y a la temperatura que se genera, igualdad que se expresa en una constante convectiva (h).

c) Radiación

Es la energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas, como resultado de las configuraciones de los electrones o átomos y que no requiere de un medio físico para propagarse como lo hacen la convección y la conducción; se desplaza en el vacío.

d) Emisividad

Es un factor que indica el porcentaje de la emisión de radiación de un cuerpo negro (sistema que es capaz de radiar toda la energía que es absorbida).