Máquinas Térmicas, Dilatación y Cambios de Estado: Conceptos Fundamentales

Máquinas Térmicas

Se denomina máquina térmica a todo sistema que, funcionando periódicamente, transforma la energía térmica, transferida por medio de calor, en trabajo. Por ejemplo: el motor de un automóvil. Posee dos focos: uno se llama hogar o foco de calor, este cede una cantidad de calor Q1, y el otro se llama refrigerante o foco frío, este recibe una cantidad de calor Q2. La diferencia entre estas cantidades de calor es el trabajo producido. Solo una parte de la energía transferida se convierte en trabajo; a esta relación se le denomina rendimiento (insertar fórmula aquí). El rendimiento de las máquinas térmicas es pequeño; casi siempre resulta inferior al 35%.

Dilatación

El incremento de la temperatura de un cuerpo provoca dilatación, debido a la mayor movilidad de sus partículas y a la mayor separación entre ellas. El proceso inverso es la contracción. El agua tiene un comportamiento anómalo entre 0 y 4ºC. Al aumentar su temperatura desde 0ºC hasta 4ºC, su volumen disminuye; por tanto, el agua tiene su máxima densidad a 4ºC. A partir de esa temperatura, su volumen aumenta y su densidad disminuye.

Cambios de Estado

El calor latente es la energía intercambiada por 1 kg de sustancia al efectuar un cambio de estado, a la temperatura constante de ese cambio de estado. La unidad de calor latente en el SI es J/kg. Existen algunas sustancias que no presentan un punto de fusión perfectamente establecido, porque el paso de sólido a líquido se produce a lo largo de un intervalo de temperatura. Cuando se suministra energía a un sólido, aumenta la energía cinética de sus moléculas y su temperatura se eleva. Pero cuando esta alcanza cierto valor, distinto para cada sólido, este experimenta un cambio de estado (fusión) y comienza a transformarse en líquido.

La energía transferida sirve para separar las moléculas del sólido. El proceso inverso es la solidificación (el calor latente de solidificación es igual al de fusión). Terminada la fusión, la temperatura se incrementa. Mientras coexisten el líquido y el vapor, la temperatura se mantiene constante. La energía transferida aumenta la energía interna y permite separar moléculas, con lo que el líquido pasa al estado de vapor (vaporización). El proceso inverso es la condensación.

Tipos de Vaporización

La vaporización se puede realizar de dos formas:

• Ebullición: El cambio de estado se produce en toda la masa del líquido y a una presión y temperatura determinadas. Si aumenta la presión, se incrementa la temperatura de ebullición, y viceversa.
• Evaporación: El cambio de estado se produce a cualquier temperatura, pero solamente en la superficie del líquido. Algunas partículas de la superficie del líquido tienen suficiente velocidad para vencer las fuerzas que se oponen y pasan al aire en estado de vapor.