Termodinámica Esencial: Conceptos Fundamentales y Aplicaciones Prácticas

Conceptos Fundamentales de Termodinámica

Definiciones Básicas

• Caloría (cal): Es la cantidad de calor necesaria para elevar, a presión normal, la temperatura de 1 gramo de agua desde 14,5 ºC hasta 15,5 ºC.
• Equivalencia Calor-Trabajo: El trabajo (W) y el calor (Q) son formas de energía y pueden ser interconvertibles. En ciertos contextos, W = Q.
• Calor Específico: Es la cantidad de calor que es preciso comunicar a 1 gramo de una sustancia para aumentar su temperatura en 1 ºC.
• Relación de Calores Específicos para Gases Ideales: Para gases ideales, la relación entre el calor específico a presión constante (C_p) y el calor específico a volumen constante (C_v) es: C_p = C_v + R, donde R es la constante de los gases ideales.
• Temperatura: Es una magnitud física que depende de la velocidad media de las partículas constituyentes de un cuerpo, siendo directamente proporcional al cuadrado de dicha velocidad.

Sistemas Termodinámicos y sus Clasificaciones

La Termodinámica estudia los procesos de transformación de trabajo en calor y viceversa. Los sistemas termodinámicos se clasifican según su interacción con el entorno:

• Sistemas Homogéneos: Aquellos cuya composición interna es uniforme, como un gas, una mezcla de gases, un líquido o un sólido puro.
• Sistemas Heterogéneos: Aquellos cuya composición interna no es uniforme, como, por ejemplo, un líquido en presencia de su vapor.
• Sistemas Abiertos: Permiten el intercambio de materia y energía con el exterior.
• Sistemas Cerrados: Solo permiten el intercambio de energía con el exterior, pero no de materia.
• Sistemas Aislados: No intercambian materia ni energía con el exterior. El Universo, en su conjunto, es el único sistema que se considera realmente aislado desde el punto de vista termodinámico.

Principios y Procesos Termodinámicos Clave

Procesos Termodinámicos Fundamentales

Los procesos termodinámicos describen los cambios de estado de un sistema bajo ciertas condiciones:

• Proceso Isocórico (V=cte): El volumen permanece constante. La relación es p = kT (Ley de Gay-Lussac).
• Proceso Isobárico (p=cte): La presión permanece constante. La relación es V = kT (Ley de Charles).
• Proceso Isotérmico (T=cte): La temperatura permanece constante. La relación es pV = cte (Ley de Boyle-Mariotte).
• Proceso Adiabático (Q=0): No hay intercambio de calor con el entorno.

Leyes de la Termodinámica

• Primer Principio de la Termodinámica: También conocido como la Ley de Conservación de la Energía, establece que la variación de la energía interna (ΔU) de un sistema es igual al calor (Q) añadido al sistema menos el trabajo (W) realizado por el sistema: ΔU = Q – W.
• Segundo Principio de la Termodinámica: Establece la imposibilidad del móvil perpetuo de segunda especie, es decir, una máquina que convierta íntegramente calor en trabajo sin ninguna otra consecuencia. Implica que la transformación inversa de calor en trabajo no puede realizarse de forma total, siendo necesario que parte del calor pase de un foco calorífico a temperatura alta (caldera) a otro de temperatura inferior (refrigerante).

Entropía y Desorden

La entropía (S) es una magnitud termodinámica que mide el grado de desorden o aleatoriedad de un sistema. Su unidad en el Sistema Internacional es el Julio por Kelvin (J/K).

• En los procesos reversibles que tienen lugar en un sistema aislado, la entropía permanece constante (ΔS = 0).
• Por el contrario, en los procesos irreversibles, la variación de entropía del sistema más el entorno siempre aumenta (ΔS_universo > 0). Para un proceso irreversible, la variación de entropía cumple con la relación: ΔS ≥ Q_irrev/T.

Máquinas Térmicas y Ciclo de Carnot

Rendimiento de Máquinas Térmicas

Una máquina térmica es un dispositivo que convierte calor en trabajo. El trabajo neto (W) realizado por una máquina térmica es la diferencia entre el calor absorbido del foco caliente (Q₁) y el calor cedido al foco frío (Q₂): W = |Q₁ – Q₂|.

El rendimiento (η) de una máquina térmica se define como la relación entre el trabajo realizado y el calor absorbido del foco caliente:

η = W / Q₁ = (Q₁ - Q₂) / Q₁ = 1 - (Q₂ / Q₁)

Coeficiente de Rendimiento de Refrigeradores

Un refrigerador es una máquina térmica que opera en sentido inverso, extrayendo calor de un foco frío y cediéndolo a un foco caliente mediante la aplicación de trabajo. El coeficiente de rendimiento (ε) de un refrigerador se define como la relación entre el calor extraído del foco frío y el trabajo invertido:

ε = Q₂ / W = Q₂ / (Q₁ - Q₂)

Ciclo de Carnot

El Ciclo de Carnot es un proceso cíclico ideal y reversible, compuesto por dos transformaciones isotermas y dos adiabáticas. Representa el ciclo más eficiente posible para una máquina térmica que opera entre dos temperaturas dadas.

El rendimiento de una máquina de Carnot (η_Carnot) se puede expresar en términos de las temperaturas absolutas de los focos caliente (T₁) y frío (T₂):

η_Carnot = (Q₁ - Q₂) / Q₁ = (T₁ - T₂) / T₁