Termodinámica: principios, leyes y procesos fundamentales de la energía térmica

Termodinámica

La termodinámica estudia las transformaciones de energía que involucran calor y trabajo. Se aborda desde dos niveles complementarios: macroscópico y microscópico:

• Macroscópica: variables extensivas e intensivas observables (p, V, T) — termodinámica clásica.
• Microscópica: nivel molecular y análisis estadístico — física estadística.

Sistema termodinámico

Un sistema termodinámico es la parte del universo que se aísla para su estudio. Clasificación según la frontera:

• Aislado: no intercambia materia ni energía.
• Cerrado: no intercambia materia, pero sí energía.
• Abierto: intercambia materia y energía.

Propiedades de un sistema: pueden ser:

• Extensivas: dependen de la cantidad de masa (p. ej., masa m, volumen V).
• Intensivas: no dependen de la masa (p. ej., presión p, temperatura T).

Un sistema está en equilibrio termodinámico si es incapaz de experimentar un cambio de estado de forma espontánea.

Temperatura y equilibrio térmico

La temperatura es una magnitud relacionada con la energía interna de los cuerpos. Si se ponen en contacto dos cuerpos con diferente temperatura, intercambiarán energía hasta alcanzar la misma temperatura; entonces se dice que están en equilibrio térmico.

Principio cero de la termodinámica

Existe una determinada propiedad denominada temperatura empírica que es común para todos los estados de equilibrio que se encuentran en equilibrio mutuo con uno dado.

Termómetros y escalas de temperatura

Los termómetros se basan en cambios en las propiedades del sistema. Ejemplos:

• a) Volumen de un líquido.
• b) Dimensiones de un sólido.
• c) Volumen de un gas a presión constante.
• d) Presión de un gas a volumen constante.
• e) Resistencia eléctrica.

Calor

Calor es la transferencia de energía entre dos cuerpos de diferente temperatura. La transferencia de calor se produce desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el de menor temperatura.

Capacidad calorífica y calor específico

Capacidad calorífica: cantidad de energía necesaria para aumentar 1 °C la temperatura de un cuerpo.

Calor específico: cantidad de calor necesaria para aumentar 1 °C la temperatura de 1 kilogramo de una sustancia.

Calores latentes

Calor latente de fusión: calor necesario para fundir una sustancia de masa m sin que su temperatura cambie.

Calor latente de vaporización: calor necesario para evaporar una sustancia de masa m sin cambiar su temperatura.

Primera ley de la termodinámica

También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o éste intercambia calor con su entorno, la energía interna del sistema cambiará en consecuencia. En forma general: el aumento de la energía interna es igual al calor añadido al sistema menos el trabajo realizado por el sistema.

Experimento de Joule

En el experimento de Joule se determinó el equivalente mecánico del calor; es decir, la relación entre la unidad de energía (joule, J) y la unidad de calor (caloría).

Segunda ley de la termodinámica

La segunda ley marca la dirección en la que deben producirse los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran espontáneamente en sentido contrario. También establece la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo a otro sin pérdidas (degradación de la energía disponible).

Propagación del calor

El calor se transmite por tres mecanismos principales:

• Conducción: forma de transmisión de calor que se produce principalmente en sólidos. La energía térmica (en forma de energía cinética de las moléculas) se propaga por vibración y choques de molécula a molécula.
• Convección: ocurre en fluidos (líquidos y gases). Implica transporte real de partículas y suele deberse a diferencias de densidad y presión entre zonas.
• Radiación: todos los cuerpos irradian energía en forma de ondas electromagnéticas. El calor por radiación se propaga a la velocidad de la luz, aproximadamente 3 × 10⁸ m/s en el vacío, y no necesita un medio material.

Enunciado de Kelvin–Planck

Es imposible que una máquina térmica, funcionando cíclicamente, produzca otro efecto que la absorción de calor de un foco caliente y la realización de una cantidad de trabajo igual al calor absorbido. En otras palabras, no existe una máquina térmica que convierta íntegramente en trabajo todo el calor absorbido de una única fuente térmica.

Máquina térmica

Una máquina térmica es un dispositivo que toma energía en forma de calor de una fuente de alta temperatura y, al funcionar en un proceso cíclico, transforma una fracción de ese calor en trabajo.

Enunciado de Clausius

Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea transferir calor de un cuerpo a otro que se encuentre a una temperatura más elevada sin realizar trabajo. Esto implica que el calor no puede transferirse de forma espontánea de un cuerpo frío a uno más caliente.

Ciclo de Carnot

El ciclo de Carnot es el ciclo reversible de máximo rendimiento teórico para una máquina térmica que intercambia calor entre dos focos (caliente y frío). Su rendimiento es el máximo posible para dos temperaturas dadas del foco caliente y del foco frío, y cumple que el rendimiento está acotado por 0 ≤ η ≤ 1.

Conceptos clave

• Equilibrio térmico: mismo valor de temperatura entre sistemas en contacto.
• Primera ley: conservación de la energía (energía interna, calor y trabajo).
• Segunda ley: dirección preferente de los procesos y límite al rendimiento de conversión de energía.
• Mecanismos de transferencia: conducción, convección y radiación.

Observación final

Los principios y conceptos anteriores constituyen la base para el estudio y la aplicación de la termodinámica en física, ingeniería y otras disciplinas. Comprender las leyes y los mecanismos de transferencia facilita el análisis de procesos reales y el diseño de dispositivos térmicos eficientes.