Leyes de la Termodinámica - Máquinas Térmicas.

COMO AFECTA EL CALOR A LOS CUERPOS

Como hemos visto en otras páginas, el calor es la energía transferida debido a una diferencia de temperatura. Se utilizará el símbolo Q para el calor, su unidad son los Joules (J). El calor específico de un material es la cantidad de energía necesaria para incrementar su temperatura en una unidad, teniendo una unidad de masa. En el Sistema Internacional de Unidades (SI) las unidades del calor específico (C) son J/(kg. * K). el calor específico se utiliza para determinar la cantidad de calor (Q) que debe transferirse para cambiar la temperatura de una masa determinada.

El calor que es ganado o perdido por un cuerpo cuando cambia su temperatura depende del calor específico de la sustancia, su masa y su cambio de temperatura, matemáticamente se escribe:

ΔQ = m * C * ΔT ( m= masa, C = calor específico, ΔT = diferencia de temperaturas )

La energía térmica de un sistema puede aumentar añadiéndole calor o realizando un trabajo sobre el sistema. Por lo tanto, el aumento total de la energía térmica de un sistema es la suma del trabajo realizado sobre él y el calor proporcionado al sistema. Este enunciado es mejor conocido como la primera ley de la termodinámica. La termodinámica estudia los cambios de las propiedades térmicas de la materia y la primera ley de la termodinámica es sólo una redefinición de la ley de la conservación de la energía. Como vemos, es fácil convertir energía mecánica en energía térmica, pero el proceso contrario (conversión de energía térmica a energía mecánica) es más difícil. El dispositivo o aparato capaz de transformar de una manera continua la energía térmica en energía mecánica recibe el nombre de máquina térmica. Las máquinas térmicas necesitan una fuente a alta temperatura de la cual toma la energía térmica y un depósito a baja temperatura al cual le entrega la energía térmica.

Un ejemplo de máquina térmica es el motor de un auto. Una mezcla de aire y vapor de gasolina se enciende produciendo una chispa de temperatura muy alta. El calor fluye de la chispa al aire del cilindro; el aire caliente se expande y empuja un pistón convirtiendo la energía térmica en energía mecánica. Para obtener energía mecánica de manera continua, el motor debe volver a su condición inicial. Para esto expulsa el aire caliente y lo reemplaza por aire nuevo, y el pistón regresa a la parte superior del cilindro. Todo estos pasos es un ciclo completo, el cual se repite muchas veces. El calor producido por la combustión de la gasolina se convierte en energía mecánica, que puede utilizarse para mover el coche. No toda la energía térmica que produce la chispa de alta temperatura se convierte en energía mecánica.

Los gases expulsados y las partes del motor se calientan y transfieren calor al aire exterior y al radiador, respectivamente. El calor que es transferido al exterior, y que no se puede convertir en trabajo mecánico, se le llama calor liberado. De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, el cambio en la energía total del sistema motor-aire es cero, por lo tanto, la energía térmica es igual a la suma de la energía mecánica producida más el calor liberado.

Como ya se sabe el calor fluye de un cuerpo caliente a un cuerpo frío. Pero también es posible transferir energía térmica de un cuerpo frío a otro caliente. Para poder realizar esto se necesita una fuente externa de energía, por lo general de energía mecánica. El refrigerador es el ejemplo más común de este tipo de dispositivos. La electricidad impulsa un motor que realiza trabajo sobre un gas como el freón. Los alimentos que están en el refrigerador transfieren calor al gas, haciendo que éste se caliente y los alimentos se enfríen. En la parte exterior del refrigerador, el gas transfiere calor al ambiente y regresa a su estado inicial. El cambio total en la energía térmica del gas es cero. Por lo que, de acuerdo con la primera ley de la termodinámica, la suma del calor transferido por los alimentos y el trabajo realizado por el motor es igual al calor liberado al exterior por el gas.

En el siglo XIX el ingeniero francés Sadi Carnot estudió la capacidad de las máquinas para convertir energía térmica en energía mecánica. Desarrolló una prueba lógica para mostrar que aún una máquina ideal (perfecta) produce cierta cantidad de calor liberado. Las máquinas reales producen una cantidad mayor de calor liberado. Los resultados de Carnot se describen mejor en términos de una cantidad llamada entropía. Si aumenta el calor de un cuerpo, aumenta su entropía; si disminuye el calor, la entropía es menor. Pero, si un cuerpo realiza un trabajo sin cambio de temperatura, la entropía no cambia, si se desprecia la fricción. En el ámbito microscópico, la entropía se describe como el desorden en un sistema. Cuando se incrementa el calor a un cuerpo, sus partículas se mueven de manera aleatoria, algunas se mueven muy rápido, otras lo hacen más lento. Cuanto mayor sea el rango de velocidades de las partículas, mayor será el desorden, y a mayor desorden la entropía será mayor.

La segunda ley de la termodinámica establece que: los procesos naturales ocurren en la dirección en la cual aumenta la entropía total del universo. Esta ley, junto con la entropía se pueden interpretar como la manifestación de la probabilidad de que un evento suceda. La segunda ley predice que el calor fluye espontáneamente sólo de un cuerpo caliente a un cuerpo frío. Consideremos una barra caliente de hierro y una taza de agua fría. En promedio, las partículas en el hierro se mueven muy rápidamente, mientras que las partículas en el agua se mueven más lento. La barra la tomamos y la sumergimos en el agua. Cuando se alcanza el equilibrio térmico, la energía cinética de las partículas en el hierro y en el agua será igual. El estado final es menos ordenado que el del principio. Las partículas rápidas ya no están solamente en el hierro y las lentas dentro del agua, sino que las energías cinéticas de las partículas están distribuidas de manera uniforme tanto en el agua como en el hierro. La segunda ley de la termodinámica y la entropía dan sentido a lo que nombramos “crisis energética”. Cuando utilizamos el gas para calentar la casa, no se gasta toda la energía del gas. La energía potencial contenida en las moléculas del gas se convierte en energía térmica de la llama, la cual transfiere energía al aire de la casa. Si el aire caliente se escapa al exterior, la energía no se pierde. La energía no ha sido consumida en su totalidad, pero la entropía se ha incrementado. Aunque matemáticamente es posible restablecer el orden original, la probabilidad de que esto ocurra es casi nula. Por esto, la entropía se utiliza comúnmente como una medida de la no-disponibilidad de energía.

MÁQUINAS TÉRMICAS

¿Qué es una máquina térmica? Es un dispositivo que convierte energía térmica en otras formas útiles. En un proceso común para producir electricidad en una central eléctrica, por ejemplo, se quema carbón o algún otro combustible y la energía térmica producida se utiliza para convertir agua en vapor. Este vapor se dirige a las paletas de una turbina, haciéndola girar. Por último, la energía mecánica asociada con esta rotación se usa para accionar un generador eléctrico.