Cambios de materia y energía en un sistema.
Termodinámica. Rama fundamental de la física que estudia las leyes que rigen las transformaciones de la energía y la materia. Esta se basa en dos conceptos centrales: energía y entropía, ambos regidos por las siguientes leyes:
- Ley cero.
Sienta las bases para medir y comparar la temperatura entre distintos cuerpos. Si dos sistemas están, de forma independiente, en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces están en equilibrio térmico entre sí. Cuando dos sistemas tienen la misma temperatura no habrá transferencia de energía térmica cuando estén en contacto directo.
- Ley de la conservación de la energía.
La energía no puede ser creada ni destruida, solo transformada de una forma a otra. La cantidad de total de energía en un sistema aislado permanece constante. Matemáticamente se expresa:
∆U = cambio de energía interna del sistema
Q = calor agregado al sistema
W = trabajo realizado por el sistema
El calor relacionado con la transferencia de energía se puede calcular utilizando la ecuación:
- Segunda ley de la termodinámica.
Introduce el término de entropía. En cualquier proceso aislado, la entropía total del sistema siempre tiende a aumentar. Se expresa matemáticamente:
∆S = cambio de entropía.
Q = calor transferido.
T = temperatura absoluta.
La entropía es una medida de la distribución de la energía en un sistema, en consecuencia, los sistemas tienden hacia estados cuya existencia tenga la mayor probabilidad. Cualquier sistema tiene solo un estado donde todas las partículas tienen la misma cantidad de energía, mientras que el número de estados del sistema donde la energía se encuentra distribuida de forma desigual (desordenada y de mayor entropía), es mucho mayor. Por tanto, es más probable que exista uno de estos estados desordenados que aquel que no presenta ese desorden.
- Tercera ley de la termodinámica (principio de Nerst).
A medida que la temperatura de un sistema se acerca al cero absoluto, su entropía también se acerca a cero. No es posible enfriar un sistema hasta el cero absoluto en un número finito de pasos, esto obedece a que sólo podría existir un estado físico posible para el sistema en el que su entropía es nula.
Flujos hacia, desde y dentro de un sistema.
- En un sistema cerrado, no se intercambia materia con su entorno pero sí permite el intercambio de energía en forma de calor o trabajo. Es usado en análisis termodinámicos para estudiar procesos en los que no hay transferencia de masa significativa.
Ejemplo: Una batería en un sistema cerrado no intercambia materia pero hay una transferencia de energía (eléctrica) durante su uso y carga.
- En un sistema abierto (sistema de flujo de materia), se permite la transferencia de energía como el intercambio de materia con su entorno.
Ejemplo: El cuerpo humano, constantemente intercambia energía y materia con el entorno a través de la alimentación, la respiración y otros procesos biológicos.
- En un sistema aislado, que no intercambia materia ni energía con su entorno.
Ejemplo: Las cámaras de vacío debido a que se mantiene un aislamiento completo respecto a las influencias externas.
Tipos de paredes en sistemas termodinámicos.
- Aislantes. Impiden toda interacción con el entorno, con la única excepción de la influencia de la gravedad.
- Adiabáticas. Bloquean la transferencia de calor con el entorno, aunque permiten el intercambio de trabajo y materia.
- Diatérmicas. Posibilitan el intercambio de calor y dependiendo de las condiciones, pueden permitir el intercambio de materia.
Máquina de vapor como ejemplo de un sistema.
- El flujo de energía hacia el sistema. El vapor de agua que entra a la cámara de vapor para empujar al pistón y hacer trabajo (imagen "a"), lleva energía térmica adquirida por el calor liberado por la combustión de un combustible.
- La conversión de energía dentro del sistema. En el interior del cilindro, el pistón es empujado por el vapor de alta presión. El movimiento (hacia la derecha en la figura "b" y hacia la izquierda en la figura "c"), es debido a la acción del vapor que entra y sale de forma alternada por los puertos controlados de la válvula deslizante. De esa forma, la energía térmica se convierte en energía mecánica que mueve el pistón.
- Flujo de energía desde el sistema. El vapor usado, que ha perdido una parte de su energía térmica, es expulsado por medio del puerto de escape. Este movimiento lineal del pistón se transforma en un movimiento rotacional mediante el cigüeñal y se transfiere al volante.
- Ciclo y regulación del sistema. El proceso se repite de forma cíclica, es regulado por la válvula deslizante y el mecanismo de la biela-manivela que producen el movimiento continuo del pistón. Una parte del vapor expulsado se condensa y es recirculado en el sistema.
🔍Sistemas termodinámicos (abiertos, cerrados, aislados)
