Que es la termodinamica

La termodinámica (del griego termo , que significa " calor " y dinámico , que significa "fuerza") es una rama de la física que estudia los fenómenos relacionados con el calor.



Motor de combustión interna: transferencia de energía.

Específicamente, la termodinámica se ocupa de las propiedades macroscópicas (grandes, en oposición a lo microscópico o pequeño) de la materia, especialmente las que son afectadas por el calor y la temperatura, así como de la transformación de unas formas de energía en otras.

Estudia los intercambios de energía térmica entre sistemas y los fenómenos mecánicos y químicos que implican tales intercambios. En particular, estudia los fenómenos en los que existe transformación de energía mecánica en térmica o viceversa.

Cuando la energía (mecánica, térmica, eléctrica, química…) se transforma de una forma a otra, siempre hay una cantidad que se convierte en calor.

Aproximadamente, calor significa "energía en tránsito" y dinámica se refiere al "movimiento", por lo que, en esencia, la termodinámica estudia la circulación de la energía y cómo la energía infunde movimiento.

Históricamente, la termodinámica se desarrolló a partir de la necesidad de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor.

Es importante saber que la termodinámica estudia los sistemas que se encuentran en equilibrio. Esto significa que las propiedades del sistema —típicamente la presión, la temperatura, el volumen y la masa, que se conocen como variables termodinámicas— son constantes.

Además, la termodinámica nos ayuda a comprender por qué los motores no pueden ser nunca totalmente eficientes y por qué es imposible enfriar nada hasta el cero absoluto, una temperatura a la que las sustancias no tienen energía calórica.

Los principios de la termodinámica se pueden aplicar al diseño de motores, al cálculo de la energía liberada en reacciones o a estimar la edad del Universo.

Intercambio de energía.
El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinámicas son las leyes de la termodinámica, que postulan que la energía puede ser intercambiada entre sistemas físicos en forma de calor o trabajo. También se postula la existencia de una magnitud llamada entropía , que puede ser definida para cualquier sistema.

Efectos del calor

El calor que se comunica a un cuerpo además de aumentar su energía interna produce tres tipos de efectos físicos: variación de la temperatura, dilatación o contracción y cambio de estado.

VARIACION DE LA TEMPERATURA

El efecto más inmediato del intercambio de calor entre dos cuerpos es la variación de la temperatura.

• Si un cuerpo recibe energía en forma de calor aumenta su temperatura. El aporte de calor se considera positivo.
• Si un cuerpo pierde energía en forma de calor, disminuye su temperatura. La pérdida de calor se considera negativa.

Si calentamos de igual forma dos sustancias diferentes (la misma cantidad de agua y aceite por ejemplo), comprobamos que el aceite alcanza primero mayores temperaturas. Esta propiedad es la  capacidad calorífica  o  calor específico  de un cuerpo y mide su facilidad para enfriarse o calentarse.

1. La capacidad calorífica es la cantidad de energía en forma de calor que debemos aportar a una sustancia para aumentar en un grado la temperatura de un kilogramo de su masa.

La cantidad de energía transferida  en forma de calor (Q) por un cuerpo es directamente proporcional a la masa (m), a su calor específico (Ce) y a la variación de temperatura  (Tf - Ti ) que experimenta:

• Q = m . ce. (Tf-Ti)

La Ce es constante para cada sustancia y se expresa  en el SI en Julio /kg . K ; la masa se expresa en kg ; la temperatura en grados Kelvin (K).

DILATACION Y CONTRACCION

Tanto los sólidos como los líquidos y los gases se dilatan y se contraen.

• la  dilatación  es el aumento de volumen que experimentan los cuerpos al aumentar su temperatura.
• la  contracción  es la disminución de volumen que experimentan los cuerpos al disminuir su temperatura.

El agua es una sustancia especial, pues al contario que la mayoría de las sustancias  aumenta su volumen (se dilata) cuando se enfria por debajo de los 4ºC.

CAMBIOS DE ESTADO


El esquema reproduce los cambios de estado posibles.
La energía en forma de calor necesaria para el cambio de estado recibe el nombre de  calor latente . Así se habla de calor latente de fusión (qf)o calor latente de vaporización (qv). el valor de estos calores latentes es propio y característico de cada sustancia y viene expresado  en el SI en Julios/kilogramo (J/kg).

Los principios de la termodinamica

PRIMER PRINCIPIO

El primer principio de la termodinámica o primera ley de la termodinámica es un principio que refleja la conservación de la energía en el contexto de la termodinámica. Más específicamente el principio se puede formular como:

En un sistema cerrado adiabático (que no hay intercambio de calor con otros sistemas o su entorno, como si estuviera aislado) que evoluciona de un estado inicial A a otro estado final B, el trabajo realizado no depende ni del tipo de trabajo ni del proceso seguido 

El trabajo de la conexión adiabática entre dos estados de equilibrio de un sistema cerrado depende exclusivamente de ambos estados conectados.

Este enunciado supone formalmente definido el concepto de trabajo termodinámico, y sabido que los sistemas termodinámicos sólo pueden interaccionar de tres formas diferentes (interacción másica, interacción mecánica e interacción térmica). En general, el trabajo es una magnitud física que no es una variable de estado del sistema, dado que depende del proceso seguido por dicho sistema. Este hecho experimental, por el contrario, muestra que para los sistemas cerrados adiabáticos, el trabajo no va a depender del proceso, sino tan solo de los estados inicial y final. En consecuencia, podrá ser identificado con la variación de una nueva variable de estado de dichos sistemas, definida como energía interna. Se define entonces la energía interna, U, como una variable de estado cuya variación en un proceso adiabático es el trabajo intercambiado por el sistema con su entorno

SEGUNDO PRINCIPIO

El segundo principio de la termodinámica o segunda ley de la termodinámica,expresa que:

La cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse en el tiempo.

Es una de las leyes más importantes de la física; aún pudiéndose formular de muchas maneras todas llevan a la explicación del concepto de irreversibilidad y al de entropía. Este último concepto, cuando es tratado por otras ramas de la física, sobre todo por la mecánica estadística y la teoría de la información, queda ligado al grado de desorden de la materia y la energía de un sistema. La termodinámica, por su parte, no ofrece una explicación física de la entropía, que queda asociada a la cantidad de energía no utilizable de un sistema. Sin embargo, esta interpretación meramente fenomenológica de la entropía es totalmente consistente con sus interpretaciones estadísticas. Así, tendrá más entropía el agua en estado gaseoso con sus moléculas dispersas y alejadas unas de las otras que la misma en estado líquido con sus moléculas más juntas y más ordenadas.

Suponiendo estados iniciales y finales de equilibrio, el principio establece que los sistemas físicos saltan de un estado con cierto orden a un estado menos ordenado, aumentando su entropía. El proceso inverso es imposible de forma espontánea.

Energia termica

La energía térmica es la parte de la energía interna de un sistema termodinámico en equilibrio que es proporcional a su temperatura absoluta y se incrementa o disminuye por transferencia de energía, generalmente en forma de calor o trabajo, en procesos termodinámicos. A nivel microscópico y en el marco de la Teoría cinética, es el total de la energía cinética media presente como el resultado de los movimientos aleatorios de átomos y moléculas o agitación térmica, que desaparecen en el cero absoluto.

Los cambios de estado

En física y química se denomina cambio de estado a la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición. Los tres estados más estudiados y comunes en la Tierra son el sólido, el líquido y el gaseoso; no obstante, el estado de agregación más común en el Universo es el plasma, material del que están compuestas las estrellas (si se descarta la materia oscura).

CAMBIOS DE ESTADO DE AGREGACION DE LA MATERIA

Fusión: Es el paso de un sólido al estado líquido por medio del calor; durante este proceso endotérmico (proceso que absorbe energía para llevarse a cabo este cambio) hay un punto en que la temperatura permanece constante. El "punto de fusión" es la temperatura a la cual el sólido se funde, por lo que su valor es particular para cada sustancia. Dichas moléculas se moverán en una forma independiente, transformándose en un líquido. Un ejemplo podría ser un hielo derritiéndose, pues pasa de estado sólido al líquido.

Solidificación: Es el paso de un líquido a sólido por medio del enfriamiento; el proceso es exotérmico. El "punto de solidificación" o de congelación es la temperatura a la cual el líquido se solidifica y permanece constante durante el cambio, y coincide con el punto de fusión si se realiza de forma lenta (reversible); su valor es también específico.

Vaporización y ebullición: Son los procesos físicos en los que un líquido pasa a estado gaseoso. Si se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión continuar calentándose el líquido, éste absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión del agua en estado líquido en agua en estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura del gas.

Condensación: Se denomina condensación al cambio de estado de la materia que se pasa de forma gaseosa a forma líquida. Es el proceso inverso a la vaporización. Si se produce un paso de estado gaseoso a estado sólido de manera directa, el proceso es llamado sublimación inversa. Si se produce un paso del estado líquido a sólido se denomina solidificación.

Sublimación: Es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Al proceso inverso se le denomina Sublimación inversa; es decir, el paso directo del estado gaseoso al estado sólido. Un ejemplo clásico de sustancia capaz de sublimarse es el hielo seco.

Desionización: Es el cambio de un plasma a gas.

Ionización: Es el cambio de un gas a un plasma.

Animación de cómo el hielo pasa a estado líquido en un vaso. Los 50 minutos transcurridos se concentran en 5 segundos.