Fundamentos de Termodinámica: Energía, Calor, Temperatura y Sistemas

Introducción a la Termodinámica

¿Qué es la Termodinámica?

Termodinámica: ciencia en la que se estudia el almacenamiento, transformación y transferencia de energía.

Conversión de Unidades de Temperatura

Fórmulas para la conversión entre las principales escalas de temperatura:

• De Kelvin (°K) a Celsius (°C): °C = °K - 273
• De Fahrenheit (°F) a Celsius (°C): °C = (°F - 32) / 1.8
• De Fahrenheit (°F) a Kelvin (°K): °K = ((°F - 32) / 1.8) + 273
• De Celsius (°C) a Kelvin (°K): °K = °C + 273
• De Celsius (°C) a Fahrenheit (°F): °F = (1.8 × °C) + 32
• De Kelvin (°K) a Fahrenheit (°F): °F = 1.8 × (°K - 273) + 32

Temperatura y Calor: Conceptos Fundamentales

Diferencia entre Temperatura y Calor

La temperatura no es energía, sino una medida de ella; sin embargo, el calor sí es energía.

El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras que la temperatura es una medida de la energía molecular media.

Potencial Térmico

Es la potencia de arder de un material con relación a otro. Por ejemplo: la gasolina arde y desprende más energía térmica que un pedazo de carbón. Entonces, la energía desprendida al arder de un compuesto o material cualquiera es su potencial térmico.

Energía Térmica

Se conoce como energía térmica a aquella energía liberada en forma de calor; es decir, pasa de un cuerpo más caliente a otro que presenta una temperatura menor.

Dilatación Térmica

La dilatación térmica es el fenómeno por el cual las dimensiones de un cuerpo aumentan debido a un incremento en su temperatura.

Comportamiento según el Estado de la Materia

Dilatación en Sólidos

Dilatación en sólidos: El estado sólido es el que tiene las fuerzas de cohesión más fuertes, lo que influye en su expansión al calentarse.

Dilatación en Líquidos

La dilatación en los líquidos es más evidente que en los sólidos: al encontrarse sus moléculas con más libertad para moverse, el volumen que ocupa cada una aumenta más fácilmente con la temperatura.

Dilatación en Gases

La dilatación en los gases es la más evidente de todas. Los gases varían de forma clara su volumen tanto con la temperatura como con la presión, debido a que las fuerzas de cohesión entre las partículas son más débiles.

Tipos de Dilatación

Dilatación Lineal

La dilatación lineal se produce cuando predomina una dimensión (longitud) frente a las otras dos. Ejemplos de cuerpos que se dilatan linealmente son: varillas, alambres, barras.

Dilatación Superficial

La dilatación superficial se produce cuando predominan dos dimensiones (una superficie o área) frente a una tercera. Ejemplos de cuerpos que se dilatan superficialmente son: láminas, planchas.

Dilatación Volumétrica

La dilatación volumétrica se produce cuando las tres dimensiones del cuerpo son igualmente relevantes, resultando en un cambio de volumen. Este tipo de dilatación es aplicable a sólidos, líquidos y gases.

Mecanismos de Transferencia de Calor

Existen tres formas principales en las que se transfiere el calor:

• Conducción: Las moléculas que vibran transfieren su energía a otras moléculas adyacentes de menor energía.
• Convección: El movimiento del fluido (líquido o gas) causa corrientes que promueven la mezcla y distribución de la energía térmica.
• Radiación: Un cuerpo caliente transmite energía que puede actuar sobre otro sistema a través de ondas electromagnéticas.

Conceptos Termodinámicos Clave

Calor Específico y Capacidad Calorífica

Calor específico: Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una sustancia determinada.

Capacidad calorífica: Cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema y el cambio de temperatura que este experimenta.

Sistemas Termodinámicos

Un sistema termodinámico es una porción del universo que se aísla para su estudio, con el fin de analizar los intercambios de materia y/o energía que tiene con su entorno.

Tipos de Sistemas Termodinámicos

Sistema Abierto

Un sistema abierto intercambia materia y energía con sus alrededores. (Ejemplo: agua hirviendo en una olla sin tapa).

Sistema Cerrado

Un sistema cerrado intercambia energía pero no materia con sus alrededores; la masa permanece constante. (Ejemplo: una lata de refresco cerrada).

Sistema Aislado

Un sistema aislado no intercambia ni materia ni energía con su entorno. (Ejemplo: un termo idealmente cerrado que contiene agua).

Procesos Termodinámicos y Conceptos Relacionados

Proceso Adiabático

Un proceso adiabático es aquel en el que no hay transferencia de calor entre el sistema y su entorno (Q=0).

Equilibrio Térmico

El equilibrio térmico es el estado que se alcanza cuando el valor de las temperaturas de dos o más sistemas en contacto es el mismo, cesando la transferencia neta de calor entre ellos.

Máquina Térmica

Una máquina térmica es un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía, usualmente convirtiendo energía térmica en trabajo mecánico o viceversa.

Proceso Isobárico

Un proceso isobárico es un proceso termodinámico que ocurre a presión constante (ΔP = 0).

Proceso Isocórico (o Isovolumétrico)

Un proceso isocórico, también llamado isovolumétrico, es un proceso termodinámico en el que el volumen permanece constante (ΔV = 0).