Fundamentos de Termodinámica: Energía, Sistemas y Principios Clave

Conceptos Fundamentales de la Termodinámica y sus Aplicaciones

La Termodinámica es una ciencia fundamental, construida sobre hechos experimentales, que estudia la relación entre el trabajo realizado y el calor intercambiado en cualquier proceso físico. Se enfoca en la interacción entre un cuerpo o sistema de cuerpos y el resto del universo, al que denominamos medio externo o alrededores del sistema.

Degradación y Transformación de la Energía

La degradación de la energía se refiere al hecho de que, tras cada transformación, la energía se vuelve progresivamente menos útil. Esto significa que la energía se conserva cuantitativamente (su valor numérico total permanece constante), pero no cualitativamente; es decir, después de una transformación, la energía se degrada en calidad.

La transformación de energía implica que un tipo de energía puede convertirse en otro diferente. Esta transformación se manifiesta mediante la realización de un trabajo (W) o la liberación de calor (Q). Por lo tanto, la medición del trabajo realizado y del calor intercambiado permite cuantificar la cantidad de una clase de energía que se ha transformado en una clase diferente.

El Trabajo en Termodinámica

El trabajo (W) se define como el mecanismo mediante el cual se transfiere energía a un cuerpo al aplicar una fuerza y provocar un desplazamiento. Su expresión fundamental es W = F * d. La unidad de trabajo en el Sistema Internacional es el Joule (J), aunque históricamente se ha utilizado el kilogramo-fuerza metro (kgf·m).

Sistemas y Procesos Termodinámicos

Un sistema físico es una porción del universo que se aísla, real o hipotéticamente, para su estudio. El sistema y el medio externo están separados por una frontera, cuyas características determinan el tipo de sistema.

Según el intercambio que realizan con el medio externo, los sistemas termodinámicos se clasifican en tres tipos:

1. Sistemas Abiertos: En estos sistemas, la frontera es permeable y existe intercambio de materia y energía con el medio externo. (Ver Figura 1)
2. Sistemas Cerrados: En este tipo de sistema, no hay intercambio de materia, pero sí de energía con el medio externo. (Ver Figura 2)
3. Sistemas Aislados: En estos sistemas, no hay intercambio de materia ni de energía con el medio externo. En esta situación, se dice que el sistema está en equilibrio termodinámico. (Ver Figura 3)

Equilibrio Termodinámico

Se denomina equilibrio termodinámico (EqT) a la condición en la que las variables intensivas que describen el estado de un sistema (como la temperatura y la presión) no varían a lo largo del tiempo. Cuando un sistema no está aislado, el EqT se define en relación con el medio externo. Un sistema cerrado en equilibrio debe estar simultáneamente en equilibrio térmico y mecánico.

• Equilibrio Térmico: La temperatura del sistema es la misma que la del medio externo.
• Equilibrio Mecánico: La presión del sistema es la misma que la del medio externo.

Primer Principio de la Termodinámica

El Primer Principio de la Termodinámica establece que, cualquiera que sea la transformación que experimente un sistema, la cantidad de calor (∆Q) que el sistema recibe se invierte, en parte, en realizar un trabajo externo (W) y el resto es absorbido por el sistema para aumentar su energía interna (∆U).

Relación entre ∆U, Q y W

Cuando un sistema sufre un cambio físico o químico, este es acompañado por una variación en su energía interna (∆U), que resulta de la variación de calor o de trabajo en el sistema.

El proceso de interacción de un sistema con su entorno puede describirse en fases:

1. El sistema está inicialmente en equilibrio; no hay intercambio de energía.
2. El sistema interactúa con el entorno, produciéndose intercambio de calor, trabajo, o ambos simultáneamente.
3. El proceso ha terminado y se restablece el equilibrio.

(Ver Figuras 4a, 4b, 4c)

Convenciones de Signos para el Trabajo

• Expansión del sistema: El trabajo es positivo (W > 0) si se realiza por el sistema sobre el entorno.
• Contracción del sistema: El trabajo es negativo (W < 0) si se realiza sobre el sistema por el entorno.

La ∆U es proporcional a la masa, por lo que es una propiedad extensiva. Además, la ∆U es una función de estado, lo que significa que su valor depende únicamente del estado inicial y final del sistema, y no del camino por el que se efectúa el cambio. En contraste, el trabajo (W) no es una función de estado, ya que sí depende del camino en que se realiza el proceso.

James Prescott Joule demostró que la energía interna (∆U) de los gases ideales depende principalmente de la temperatura.

Estado de Equilibrio y Ecuación de Estado

Denominamos estado de equilibrio de un sistema cuando las variables macroscópicas (presión P, volumen V y temperatura T) no cambian con el tiempo. El estado del sistema se representa por un punto en un diagrama gráfico de presión (P) en función del volumen (V).

Podemos llevar al sistema desde un estado inicial a otro final a través de una sucesión de estados de equilibrio. La relación entre la presión (P), el volumen (V) y la temperatura (T) se denomina ecuación de estado.

Transformaciones Termodinámicas Comunes

• Transformación Isocórica:

  (Ver Figura 5)

• Transformación Isobárica:

  (Ver Figura 6)

• Evolución Isotérmica:

  En esta evolución, la temperatura permanece constante y el gas pasa del estado 1 al estado 2, siguiendo una curva hiperbólica. Bajo esta condición, se le entrega calor al sistema y el gas se expande a medida que su presión disminuye. (Ver Figura 7)