TERMODINAMICA
Corporacion Colegio
San Bonifacio
De Las Lanzas
¿Que es termodinamica?
El estudio del calor y su transformacion en energia mecanica se llama termodinamica (movimiento del calor).
La ciencia de la termodinamica se desarrolo a principios del siglo XIX, los modelos que emplearon recurrian nociones macroscopicas, como trabajo mecanico, presion y temperatura, asi como sus funciones en las transformaciones de energia.
La base de la termodinamica es la conservacion de la energia, y el hecho de que el calor fluye en forma espontanea de lo caliente a lo frio, y no a la inversa. La termodinamica ofrece la teoria basica de las maquinas termicas, desde las turbinas de vapor hasta los reactores nucleares, asi como la teoria basica de los refrigeradores y las bombas de calor.
Cero Absoluto
En principio, no hay limite superoir de temperatura. Conforme el movimiento termico aumenta, un objeto solido primero se funde, y despues se evapora; al incrementarse mas la temperatura, las moleculas se descomponen en atomos y estos pierden algunos o todos sus electrones, transformandose en una nube de particulas con carga electrica: un plasma.
Esta condicion existe en las estrellas, donde la temepratura es de muchos millones de grados Celsius.
En contraste, si hay un limite definido en el otro extremo de la escala de temperaturas, Asi, si un gas a 0'C se enfriara hasta 273'C bajo cero, de acuerdo con esta regla, se contraeria 273/273 partes de su volumen, es decir, su volumen se reducira a 0.
Cabe aclarar que en el cero absoluto, no se puede extraer mas energia de una sustancia, ni es posible bajar aun mas su temperatura.
La escala absoluta de la temperatura se llama escala Kelvin, en honot al fisico Escoces del siglo XIX Lord Kelvin, quien acuño la palabra termodinamica y fue el primero en sugerir esta escala termodinamica de temperaturas.
Primera Ley De Termodinamica
La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea, ni se destruye, sino que se conserva. Entonces esta ley expresa que, cuando un sistema es sometido a un ciclo termodinámico, el calor cedido por el sistema será igual al trabajo recibido por el mismo, y viceversa.
Es decir Q = W, en que Q es el calor suministrado por el sistema al medio ambiente y W el trabajo realizado por el medio ambiente al sistema durante el ciclo.
Un ejemplo sencillo seria: Al remover con un taladro el agua contenida en un recipiente, le estamos aplicando trabajo, que es igual al calor que este emite al medio ambiente al calentarse. En este caso, el sistema puede ser el agua, el medio sería el taladro, el aire circundante y todo lo que está fuera del sistema que no sea agua (pues lo que está afuera recibirá calor del sistema).
En este caso, el sistema podría ser el agua contenida en un recipiente, y el medio ambiente todo lo que rodea el recipiente, que serian desde la cocina en donde descansa el recipiente con agua hasta el quemador que le suministra calor, en fin, la atmósfera y todo lo que esté fuera del recipiente.
Supongamos que encima de este recipiente colocamos una tapa, únicamente usando su peso. Supongamos además que al recipiente se le suministra calor del quemador de la cocina que lo contiene. A medida que el agua empieza a hervir, la tapa empieza a moverse cada vez más rápidamente. El movimiento de la tapa es entonces el desplazamiento que representa el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente.
La primera ley expresa que el calor, suministrado por el medio ambiente (el quemador de la cocina) a un sistema (el agua contenida en el recipiente) es igual al cambio de la energía interna en el interior del liquido (agua en este caso) sumada al trabajo que el agua realiza cuando al hervir mueve la tapa contra el medio ambiente.
Por lo tanto: el calor cedido por el medio al sistema será igual a la variación de la energía interna en el interior del sistema (agua) más el trabajo realizado por el sistema sobre el medio.
La primera ley de la termodinámica es entonces la ley de conservación de la energía, que asegura que la energía no se crea, ni se destruye, sino que se conserva.
Esta ley ha sido confirmada en numerosos e interminables experimentos y hasta hoy no ha habido uno solo que la contradiga. Por esto cuando una persona como Stephen Hawking busca explicar un fenómeno físico, debe asegurarse de que sus conclusiones no violen la primera ley de la termodinámica.
Meteorologia y La Primera Ley
Los meteorologos utilizan la termodinamica para estudiar el clima. Expresaran la primera ley de la termodinamica en lla siguiente forma:
La temperatura del aire aumenta al agregarle calor o al aumentar su presion
La temperatura del aire puede cambiar agregandole o quitandole calor, cambiandol la presion del aire ( lo cual implica efectuar trabajo) o ambas cosas. El calor llega debido a la radiacion solar, a la radiacion terrestre de gran longitud de onda, a la condensacion de la humedad o al contacto con el suelo caliente. el resultado es un aumento de la temperatura del aire. La atmosfera puede perder calor por radiacion al espacio por evaporacion de la lluvia que cae por el aire seco, o por estar en contacto con superficies frias. El resultado es una disminuicion de la temperatura del aire.
La temperatura del aire sube o baja conforme se incrementa o disminuye la presion
SI algo de aire calienta que sube es mas denso que esa capa superior de aire caliente, ya no seguira ascendiendo.
Las montañas ayudan a mantener atrapado al aire. Las montañas que rondean Denver desempeñan una funcion semejante al atrapar el esmog bajo una inversion de temperatura.
El aire se enfria 10'C por cada kilometro que sube. Asi, si una masa de aire seco al nivel del suelo con una temperatura confortable de 25'C subiera 6 kilometros su temperatura serian frios -35'C.
Una masa de aire que sube se enfria al expandirse. Sin embargo, el aire de sus alrededores esta mas frio, tambien a altitudes mayores. La masa continuara subiendo mientras este mas caliente (y en consecuencia menos densa) que el aire que la rodea.
Una vez que una masa de material liquido calienta a gran profundidad en el manto comienza a subir, ¿seguira subiendo hasta llegar a la corteza? O bien, ¿su enfriamiento adiabatico disminuira su temoeratura y la hara mas densa que sus alredeores, y en ese instante se hundira? ¿La conveccion es perpetua?
Segunda Ley De Termodinamica
La segunda ley de la termodinámica es un principio general que impone restricciones a la dirección de la transferencia de calor, y a la eficiencia posible en los motores térmicos. De este modo, va más allá de las limitaciones impuestas por la primera ley de la termodinámica. Sus implicaciones se pueden visualizar en términos de la analogía con la cascada.
El calor nunca fluye por si mismo de un objeto frio a uno caliente.
En invierno, el calor pasa del interior de un hogar con calefaccion al aire frio del ecterior. En verano, el calor pasa del aire caliente del exterior al interior, que esta mas fresco. La direccion del flujo espontaneo de calor es de lo caliente a lo frio. Se puede hacer que tenga la direccion contraria, pero solo si se efectua trabajo sobre el sistema o si se agrega energia de otra fuente, que es lo que sucede en las bombas trmicas y en los acondicionadores de aire, que hacen que el calor vaya de los lugares mas frios hacia los mas calientes.
La inmensa cantidad de energia interna, sin hacer un esfuerzo externo. Por si misma, la energia no pasara del oceano a menor temperatura hacia el filamento mas caliente de la lampara. Sin ayuda externa, la direccion del flujo de calor es desde lo caliente hacia lo frio.
La aplicación más conocida es la de las máquinas térmicas, que obtienen trabajo mecánico mediante aporte de calor de una fuente o foco caliente, para ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero frío. La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo mecánico obtenido.
Maquinas Termicas
Resulta sencillo convertir totalemnte el trabajo en calor. Empuja una caja con rapidez constante por el piso. El trabajo que haces para superar la friccion se convierte totalmente en calor, que calienta la caja y el piso. Sin embargo, nunca ocurre el proceso inverso: cambiar totalemente el calor en trabajo mecanico. La primera maquina termica que logro lo anterior fue la maquina de vapor inventada hacer tres siglos.
Una maquina termica es cualquier dispositivo que transforme la eneria interna en trabajo mecanico. El concepto basico de una maquina termica, sea una maquina de vapor, un motor de combustion interna o un motor de reaccion, es que el trabajo mecanico solo se puede obtener cuando el flujo de calor pase de alta a baja temoeratura. En cualquier maquina termica solo se puede transformar algo del calor en trabajo.
Al describir las maquinas termicas de habla de depositos termicos o reservorios. El calor sale de un reservrio y llega a uno de baja temperatura.
La segunda ley indica que no hay maquina termica que convierta en energia macanica todo el calor que se le suministra. Solo algo de calor se puede transformar en trabajo y el resto se expulsa en el proceso. Aplicada a las maquinas la segunda ley se puede enunciar de la siguiente manera:
"Cuando una maquina efectua un trabajo al funcionar entre dos temperaturas, Tcaliente y Tfria, solo algo de calor que entra a Tcaliente se puede convertir en trabajo y el resto es expulsado a Tfria"
Cualquier maquina termica desperdicia algo de calor, lo cual es tanto una ventaja como una desventaja. Cuando el calor expulsado es indeseable, se llama contaminacion termica.
En 1824 Nicolas Leonerd Sadi Carnot analizo el funcionamiento de una maquina termica e hizo un descubrimiento fundamental. Demostro que la maxima fraccion de la energia consumida que se convierte en trabajo util, incluso en condiciones ideales, depende de la diferencia de temperaturas entre el reservorio caliente y el reservorio frio.
La eficiencia ideal solo depende de la difrenecia de temperatura entre la entrada y la salida. Siempre que intervienen relaciones de temperatura se debe emplearse la escala absoluta de temperarutas. Entonces Tcaliente y Tfria se expresan en Kelvins.
Sabemos que con el vapor confinado, la temperatura y la presion van de la mano: aumenta la temperatura y aumentaras la presion; disminuye la presion y disminuiras la temperatura. Asi, la diferencia de presion necesaria para la operacion de una maquina termica, se relaciona en forma directa con la difrencia de temperaturas entre la fuente y el radiador. Cuanto mayor sea la difrencia de temperaturas, mayor sera la eficiencia.
La ecuacion de Carnot establece el limite superior de la eficiencia en todas las maquinas termicasm ya sea un automovil ordinario, un buque con propulsion nuclear o un avion a reaccionar. En la practica, siempre hay friccion en todas las maquinas y su eficiencia siempre es menor que la ideal. Asi, mientras que la friccion es la unica responsable de las ineficiencias de muchos dispositivos, en el caso de las maquinas termicas el concepto basico es la seguna ley de la termodinamica.