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.
|