Fundamentos de Termodinámica: Energía, Calor y Ciclos de Trabajo

Ciclos de Trabajo

Termodinámica y Trabajo

1 Introducción a la Termodinámica y sus Principios

Es la rama de la ciencia que estudia los procesos de cambio de energía en los que interviene el calor y trata de los efectos mecánicos debidos al mismo.

Según los intercambios que se den entre el sistema y el entorno, los sistemas se clasifican en:

• Sistemas Abiertos: Pueden intercambiar materia y energía con el entorno. Ejemplo: Un vaso de agua puede intercambiar energía (calentarse o enfriarse) y materia (evaporarse o condensarse).
• Sistemas Cerrados: Pueden intercambiar energía pero no materia. Ejemplo: El vaso cerrado solo puede intercambiar energía.
• Sistemas Aislados: No pueden intercambiar ni materia ni energía.

Un sistema se dice que está en equilibrio cuando a su vez se cumplen estos tres equilibrios:

• Equilibrio químico: Su composición química permanece constante en el tiempo.
• Equilibrio mecánico: No hay movimiento visible al ojo humano, pero sí que se mueven sus moléculas.
• Equilibrio térmico: La temperatura es la misma en cualquier punto del sistema.

En función del estado de equilibrio, las transformaciones termodinámicas pueden ser:

• Reversibles: Cuando la transformación desde un estado inicial a otro final ha sido a través de una serie continua de estados de equilibrio.
• Irreversibles: Cuando una sustancia pasa de un estado inicial a otro final a través de una transformación que en algún momento, o durante todo el proceso, no ha estado en equilibrio.

Principios de la Termodinámica:

1. Primer principio (Conservación de la Energía): Dice que la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma. Así se transforma el calor en trabajo.
2. Segundo principio (Degradación de la Energía / Entropía): Establece que no es posible transformar todo el calor en trabajo, ya que siempre es necesario ceder una parte del calor al foco frío.
3. Tercer principio (Cero Absoluto): Postula que no se puede alcanzar el cero absoluto de temperatura (0 Kelvin). Si se alcanzara, dicha sustancia llegaría a su mínima entropía.

2 Transformación del Calor en Trabajo

Si ponemos gas en un recipiente cerrado y lo calentamos, la presión en el interior aumentará. Como está cerrado, el volumen no varía; la temperatura aumenta y, para que la igualdad (relacionada con las leyes de los gases) se conserve, la presión variará. Si cambiamos una pared por un pistón móvil, la presión que está actuando sobre el pistón generará una fuerza que provocará que este se mueva, siempre que la presión en el otro extremo del pistón sea menor a la del interior del recipiente.