Principios Fundamentales de la Termodinámica: Calor, Trabajo y Potencia

Conceptos Fundamentales: Energía, Trabajo y Calor

La energía es la capacidad que tienen los cuerpos para producir transformaciones. El trabajo y el calor son procesos mediante los cuales se intercambia energía. Tanto la energía como el trabajo y el calor se miden en las mismas unidades.

Definiciones Principales

• Trabajo: Es la energía que se transfiere a un objeto al aplicarle una fuerza neta que le causa un desplazamiento. La variación de energía de un sistema es igual al trabajo realizado.
• Calor: Consiste en la transferencia de energía que se produce desde un cuerpo a mayor temperatura (caliente) a otro a menor temperatura (frío) al ponerse en contacto.
• Equilibrio térmico: Ocurre cuando dos cuerpos en contacto alcanzan la misma temperatura, cesando la transferencia de calor entre ellos.

Propiedades y Medición del Calor

Para cuantificar la transferencia de calor y sus efectos, se utilizan los siguientes conceptos:

• Capacidad calorífica específica o calor específico: Es la energía necesaria para elevar en un grado (Celsius o Kelvin) la temperatura de 1 kg de masa de un cuerpo. Sus unidades son J/kg·°C o J/kg·K.
• Calor latente de cambio de estado: Es la cantidad de energía térmica que se transfiere a un kilogramo de masa de una sustancia pura para que cambie de estado, a una presión y temperatura determinadas.
• Calorímetros: Son los instrumentos que se utilizan para determinar la capacidad calorífica específica de las sustancias.

Trabajo, Potencia y sus Unidades

El trabajo y la rapidez con que se realiza son fundamentales en la física.

• Joule (J): Es la unidad de trabajo. Un joule es el trabajo realizado cuando se aplica una fuerza de un newton para producir un desplazamiento de un metro en la misma dirección de la fuerza.
• Potencia: Es la rapidez con la cual se realiza un trabajo.
• Vatio (W): Es la unidad de potencia. Un vatio es la potencia necesaria para realizar un trabajo de un joule en un segundo.
• Kilovatio-hora (kWh): Es una unidad de trabajo (energía) realizada por una máquina de 1 kW de potencia durante una hora. Equivale a 3,600,000 J.
• Caballo de vapor (CV): Es una unidad de potencia tradicional que equivale a 736 W.

Tipos de Energía Mecánica

La energía mecánica (Em) es la suma de la energía cinética (Ec) y la energía potencial (Ep) de un cuerpo.

Em = Ec + Ep

Energía Cinética (Ec)

Es la capacidad para efectuar un trabajo a través del movimiento. Depende de dos factores: la masa del cuerpo y su velocidad. La variación de la energía cinética es igual al trabajo realizado por la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo.

Energía Potencial (Ep)

Es la energía que posee un cuerpo según la posición que ocupa dentro de un campo de fuerzas.

• Energía potencial gravitatoria: Equivale al trabajo que se realiza para elevar un cuerpo hasta una altura determinada.
• Energía potencial elástica: Es aquella que posee un cuerpo elástico (como un resorte) que está comprimido o estirado.

Principio de Conservación de la Energía

En un sistema aislado y sin fuerzas no conservativas (como el rozamiento), la suma de la energía cinética y potencial (energía mecánica) permanece constante en cualquier punto de la trayectoria.