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Termodinámica
1. CONCEPTO DE LA TERMODINÁMICA
La ENERGÍA, palabra griega que significa fuerza en acción, o capacidad para producir
trabajo, es el protagonista principal de la Termodinámica.
La TERMODINÁMICA es la Ciencia que estudia la conversión de unas formas de
energías en otras. En su sentido etimológico, podría decirse que trata del calor y del
trabajo, pero por extensión, de todas aquellas propiedades de las sustancias que guardan
relación con el calor y el trabajo.
La Termodinámica se desarrolla a partir de cuatro Principios o Leyes:
• Principio Cero: permite definir la temperatura como una propiedad.
• Primer Principio: define el concepto de energía como magnitud conservativa.
• Segundo Principio: define la entropía como magnitud no conservativa, una medida
de la dirección de los procesos.
• Tercer Principio: postula algunas propiedades en el cero absoluto de temperatura.
El desarrollo histórico de esta ciencia no ha sido ciertamente lineal.
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Que es la Termodinámica?
La Termodinámica es la rama de la Física que estudia a nivel macroscópico las transformaciones de la energía, y cómo esta energía puede convertirse en trabajo (movimiento). Históricamente, la Termodinámica nació en el siglo XIX de la necesidad de mejorar el rendimiento de las primeras máquinas térmicas fabricadas por el hombre durante la Revolución Industrial.
La Termodinámica clásica (que es la que se tratará en estas páginas) se desarrolló antes de que la estructura atómica fuera descubierta (a finales del siglo XIX), por lo que los resultados que arroja y los principios que trata son independientes de la estructura atómica y molecular de la materia.
El punto de partida de la mayor parte de consideraciones termodinámicas son las llamadas leyes o principios de la Termodinámica. En términos sencillos, estas leyes definen cómo tienen lugar las transformaciones de energía. Con el tiempo, han llegado a ser de las leyes más importantes de la ciencia.
Antes de entrar en el estudio de los principios de la termodinámica, es necesario introducir algunas nociones preliminares, como qué es un sistema termodinámico, cómo se describe, qué tipo de transformaciones puede experimentar, etc. Estos conceptos están resumidos en el siguiente cuadro:
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Primer Principio de la Termodinámica.
Un sistema termodinámico puede intercambiar energía con su entorno en forma detrabajo y de calor, y acumula energía en forma de energía interna. La relación entre estas tres magnitudes viene dada por el principio de conservación de la energía.
Para establecer el principio de conservación de la energía retomamos la ecuación estudiada en la página dedicada al estudio de sistemas de partículas que relaciona el trabajo de las fuerzas externas (Wext) y la variación de energía propia (ΔU) :
Nombramos igual a la energía propia que a la energía interna porque coinciden, ya que no estamos considerando la traslación del centro de masas del sistema (energía cinética orbital).
Por otra parte, el trabajo de las fuerzas externas es el mismo que el realizado por el gas pero cambiado de signo: si el gas se expande realiza un trabajo (W) positivo, en contra de las fuerzas externas, que realizan un trabajo negativo; y a la inversa en el caso de una compresión. Además, ahora tenemos otra forma de suministrar energía a un sistema que es en forma de calor (Q).
Luego la expresión final queda:
Este enunciado del principio de conservación de la energía aplicado a sistemas termodinámicos se conoce como Primer Principio de la Termodinámica.
Para aclarar estos conceptos consideremos el siguiente ejemplo: un recipiente provisto de un pistón contiene un gas ideal que se encuentra en un cierto estado A. Cuando desde el exterior se le suministra calor al gas (Q>0) su temperatura aumenta y según la Ley de Joule, su energía interna también (UB>UA). El gas se expande por lo que realiza un trabajo positivo. El primer principio nos da la relación que deben cumplir estas magnitudes:
Si el recipiente tuviera paredes fijas, el gas no podría realizar trabajo, por lo que el calor suministrado se invertiría íntegramente en aumentar la energía interna. Si el recipiente estuviera aislado térmicamente del exterior (Q=0) el gas al expandirse realizaría un trabajo a costa de su energía interna, y en consecuencia esta última disminuiría (el gas se enfriaría).
Forma diferencial del Primer Principio
Si el proceso realizado por el gas es reversible, todos los estados intermedios son de equilibrio por lo que las variables termodinámicas están bien definidas en cada instante a lo largo de la transformación. En esta situación podemos escribir el primer principio de la siguiente manera:
La diferencia de símbolos empleados para designar la diferencial del calor, del trabajo y de la energía interna representa que la energía interna es una función de estado, mientras que el calor y el trabajo dependen de la transformación que describe un sistema.
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Segunda Ley de la Termodinámica
La Segunda Ley de la Termodinámica, establece sentido con que se llevan a cabo los procesos espontáneos en el Universo.
Por otra parte, la Segunda Ley de la Termodinámica tiene gran aplicación dentro del campo de la ingeniería, para predecir la eficiencia máxima de las máquinas térmicas, tales como las máquinas de vapor, los motores de combustión de los automóviles, las turbinas de gas, etc.
Maquinas térmicas.
Eolípila de Herón
Las máquinas térmicas, son máquinas que transforman elcalor en trabajo. la primera máquina de este tipo fue unaturbina de vapor primitiva (eolípila) que se atribuye a Herón de Alejandría (siglo I). Este juguete ingenioso, consistía en una caldera de vapor de agua, conectada a una esfera hueca de metal provista de dos tubos acodados, de tal manera que al ser expelido el vapor, la esfera comenzaba a girar.
no tuvo ninguna aplicación práctica.
Pistón de Papin
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Reproducción del experimento de Joule para determinar el equivalente mecánico del calor:
1 caloría = 4.18 Julios.
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Se trata de una forma de generar energía térmica, para uso en calefacción, agua sanitaria y refrigeración, más eficiente que la energía solar térmica convencional. El principio de funcionamiento se base en el Ciclo de Carnot, según el cual, aplicando trabajo, se consigue catar calor de un foco frío y llevarlo a un foco caliente. Estos paneles pueden funcionar de día y de noche tanto en invierno como en verano; además la orientación de los paneles no es tan importante como en el caso de la energía solar térmica. Respecto a otras fuentes de generación de energía (gas natural, gas-oil, electricidad), se consigue ahorrar hasta un 80 % de energía en agua caliente sanitaria, y hasta un 65 % en calefacción. Los fabrica la empresa CAPSOLAR CST.----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Energía Solar Termodinámica.
La energía solar termodinámica es la fusión de dos tecnologías, las bombas de calor y la energía solar térmica.
La energía solar termodinámica esta teniendo mucha aceptación, ya que no aprovecha los rayos de la energía solar, sino más bien el calor ambiental, lo que le permite trabajar aún de noche, es por eso que también es conocida como la energía solar nocturna, o los paneles solares nocturnos.
Como toda nueva tecnología genera personas a favor y personas escépticas. Las personas a favor dicen que la tecnología termodinámica puede aprovechar el calor inclusive de la lluvia, y que se consigue agua caliente de una manera mucho más eficiente que si utilizaras cualquiera de las otras dos tecnologías por separado, mientras que los escépticos dicen que las empresas que venden estos sistemas exageran sus beneficios, que si bien si funcionan, o hay que dejarse llevar por las habladurías.
Las instalaciones solares termodinámicas cuentan con unos paneles solares térmicos especiales por los que circula un gas de refrigeración, de manera que captan el calor ambiental para calentar el agua doméstica, una piscina o para el sistema de calefacción, especialmente suelos radiantes y radiadores de aluminio. El sistema funciona siempre que la temperatura exterior esté por encima de cinco grados bajo cero.
Los paneles requieren un mantenimiento mínimo, y captan casi toda la radiación directa y difusa del sol durante el día, así como el calor del aire exterior por convección natural y por el efecto del viento y el calor de la lluvia durante 24 horas. Además, la orientación de estos paneles no es fundamental, ya que se obtienen resultados similares.
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