Procesos termodinámicos.

Para comprender la forma en que un sistema interactúa con el entorno, es necesario graficar los cambios originados a partir de la alteración de alguna de sus variables físicas: volumen, presión o temperatura. En un proceso termodinámico se considera constante sólo una de estas magnitudes. Se hace esta consideración para establecer un análisis con las otras dos variables.

Proceso isotérmico.

En los procesos isotérmicos, la temperatura permanece constante. El intercambio de calor con el sistema es igual al trabajo realizado: 

Q = W

La energía interna del sistema permanece constante, aplicando la primera ley de la termodinámica se expresa:

∆U = 0

En la gráfica (P-V), la curva que va del punto A al punto B se llama isoterma, ya que cualquier punto (volumen, presión) sobre ella tiene la misma temperatura. El trabajo que realiza el sistema, al ir en este caso del punto A al punto B, es equivalente al área bajo la curva. Para un proceso isotérmico que involucre gases, podemos utilizar la ley de Boyle.

Ejemplo. 

Un gas que tiene un volumen de 4x10^-3 m³ a una presión de 1x10⁶ N/m² se expande a temperatura constante. Si el volumen al final es de 3x10^-2 m³ determina:

a) La presión final del sistema.

b) El trabajo efectuado por dicho gas.

Como se trata de un proceso isotérmico debido a que la temperatura permanece constante, podemos aplicar la ley de Boyle para el cálculo de la presión final.

Despejando P₁ de la ecuación de Boyle y sustituyendo los valores correspondientes:

Como se esperaba, la presión es menor.

El trabajo realizado en el proceso isotérmico se calcula:

El trabajo es positivo, lo que significa que el sistema realizó trabajo sobre el entorno. Por ser un proceso isotérmico, esta cifra también indica el calor agregado, que es exactamente igual al trabajo realizado por el sistema. 

Proceso isocórico.

Al proceso isocórico también se le llama proceso isométrico o isovolumétrico. En estos procesos, el volumen permanece constante y el sistema no realiza trabajo (W=0), por tanto, el calor agregado es igual al cambio de energía interna. La primer ley de la termodinámica queda: 

∆U = Q

En la gráfica (P-V), la línea que va del punto A al punto B se llama isócora, ya que cualquier punto sobre ella, el volumen es el mismo. En los procesos isocóricos que involucran gases se puede utilizar la ley de Gay-Lussac.

Ejemplo. 

Cierto volumen de nitrógeno en un tanque cerrado a 0°C de temperatura, tiene una masa de 20 g y está sometido a una presión de  1x10⁵ Pa. Si se le agrega calor hasta alcanzar 60°C 8el calor específico del nitrógeno es 0.250 cal/g°C) y durante el proceso el volumen del gas se mantiene constante, determina:

a) La presión final del gas confinado.

b) El cambio de energía interna.

En los procesos termodinámicos, la temperatura es la temperatura absoluta y, por tanto, debe expresarse siempre en unidades kelvin Por esta razón, hacemos la conversión de unidades termométricas:

Despejando la presión final de la ley de Gay-Lussac y sustituyendo valores, obtenemos:

El trabajo en un proceso a volumen constante, como en este caso, es cero. El cambio de la energía interna es igual al calor agregado.

∆U = Q

Calculando el calor:

Q = m C (T_f - T₀)

Convirtiendo las calorías a joules:

 El cambio de la energía interna:

∆U=1255.8J 

 

Proceso isobárico.

En los procesos isobáricos la presión permanece constante. Al agregar calor al sistema, comenzará a variar su volumen de manera proporcional, produciendo trabajo mecánico.

En la gráfica (P-V), se observa que el sistema realiza trabajo, al mantenerse la presión constante, se modifica la temperatura. La línea del punto A al punto B se llama isobara, ya que cualquier punto sobre esta tiene la misma presión. En estos procesos se puede utilizar la expresión para el trabajo en función del cambio de volumen y la ley de Charles, cuando se trata de gases.

Ejemplo. 

Un cubo de aluminio de 22°C mide 0.03 m en cada arista y se calienta hasta que alcanza una temperatura de 400°C. Si la masa del cubo es de 72.9 g y la presión atmosférica es de 1.013x10⁵ Pa, determina:

a) El trabajo que realiza el cubo en el momento en que se dilata.

b) El cambio de energía interna.

El cubo está sometido a la presión atmosférica que es constante, por tanto, se trata de un proceso isobárico.

Para obtener el volumen final del cubo se calcula el volumen inicial:

Se recurre a la expresión de la dilatación volumétrica:

El coeficiente de dilatación lineal del aluminio es:

Sustituyendo:

Utilizando la expresión para el trabajo, en función del cambio de volumen:

 

Para determinar el cambio de energía interna, utilizamos la primera ley de la termodinámica:

∆U = Q - W

Podemos calcular el calor agregado al sistema con la expresión:

Q = m C (T_f - T₀)

El calor específico del aluminio es de 0.215 cal/g°C, sustituyendo los valores:

 Convirtiendo las calorías a joules:

El cambio de la energía interna:

∆U=Q-W=24800.3J-0.07J=24800.23J 

Proceso adiabático.

En los procesos adiabáticos no hay intercambio de calor entre el sistema y el entorno. El sistema está rodeado por una pared aislante. Como resultado, el calor cedido o absorbido es cero:

Q = 0

La primera ley de la termodinámica queda:

∆U = -W

Las curvas del punto A al punto B se denominan adiabatas. En este proceso, ni la temperatura ni la presión ni el volumen, son constantes.

Si el entorno realiza trabajo sobre el sistema, el trabajo es negativo, en consecuencia, aumenta la energía interna del sistema y por tanto, su temperatura debido a que no puede transferir energía a su entorno.

Si el sistema realiza trabajo sobre el entorno, lo hace a expensas de su energía interna, por tanto, su temperatura disminuye. El trabajo es positivo.

La expresión matemática de la primera ley de la termodinámica queda:

-∆U = W

El signo negativo de la energía interna indica que ésta disminuye y el sistema disminuye su temperatura cuando el gas se expande.

Cambios de materia energía en un sistema.

 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.

Las paredes termodinámicas son interfaces o límites que separan diferentes partes de un sistema físico y que permiten o restringen la transferencia de energía y materia. Estas paredes son esenciales para comprender la forma en que la energía térmica se distribuye y se transforma dentro de un sistema y su entorno. Las paredes se clasifican en:

• 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.

En una máquina de vapor con un diseño de válvula deslizante se puede observar:

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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) 

Sistemas

Sistemas cerrados.

Como vimos previamente, la primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea ni se destruye, sino que sólo se transforma de una forma a otra. En un sistema cerrado, donde no hay intercambio de materia con el entorno, la cantidad total de energía y materia permanece constante, aunque la energía puede transformarse de un tipo a otro, por ejemplo, la energía cinética puede transformarse en energía térmica.

El principio se relaciona con la ley de la conservación de la masa enunciada por el químico francés Antoine Laurent de Lavoisier, que afirma que en una reacción química la masa total de la materia involucrada, se mantiene constante. El concepto es fundamental en diversos campos de la ciencia como la física, la química, la ingeniería y la termodinámica; también tiene varias aplicaciones prácticas como el diseño de sistemas energéticos, el estudio de reacciones químicas y el entendimiento de los ciclos naturales en la ecología.

🔍Sistemas termodinámicos (abiertos, cerrados, aislados) 

Sistemas adiabáticos.

"Adiabático" proviene del griego "adiabatos" que significa "impenetrable".

En termodinámica, un proceso o sistema adiabático es aquel en el que no hay transferencia de calor entre el sistema y su entorno. Cualquier cambio en la energía interna del sistema se debe únicamente al trabajo realizado sobre el o por el mismo sistema, sin interacción térmica con el exterior. Estos sistemas solo pueden existir en forma ideal pues no existen barreras física que impidan, de forma absoluta, el intercambio de energía en forma de calor con el medio.

Un proceso no adiabático permite la transferencia de calor con el ambiente, los cambios de energía interna del sistema pueden deberse tanto al trabajo realizado como al calor transferido. Por ejemplo: cuando alguien usa un horno de microondas, la energía radiante que emite (trabajo realizado sobre el sistema), se convierte en calor dentro del alimento. Al final, hay transferencia de calor con el ambiente al abrir la puerta del horno.

 Formas de energía.

Cuando un clavo es golpeado por un martillo, la energía se transforma de energía potencial a energía cinética para convertirse en trabajo. El martillo tiene energía potencial debido a su posición y al trabajo que se ha realizado para levantarlo. La energía se transformará cuando se deje caer el martillo.

La energía puede provenir de diferentes fuentes como el Sol, el manto de la Tierra, el viento, el agua, entre otras, de las que es importante conocer sus características particulares, para así, elegir la que mejor se ajuste a la necesidad que hay que satisfacer.

Entre las distintas formas de energía se encuentran:

• Mecánica.
• Térmica.
• Química.
• Eléctrica.
• Nuclear.
• Radiante.

Energía cinética y potencial.

La energía mecánica es aquella que permite que todo el universo se mueva y se conforma por la energía cinética y la energía potencial. Estas energías están relacionadas al movimiento y a la posición de los cuerpos dentro de un campo de fuerzas.

Para desplazar un cuerpo una distancia determinada es necesario ejercer una fuerza, cuya magnitud dependerá de la masa del cuerpo y de la aceleración deseada, esta fuerza provocará que el cuerpo cambie de velocidad y se desplace (se mueva). Al final, se habrá realizado un trabajo sobre el cuerpo, proporcional a la energía transferida sobre él, es decir, la energía aplicada se transforma en energía cinética para que el cuerpo se mueva.

🔍¿Qué es la energía cinética? 

La energía cinética de un cuerpo que se mueve a una velocidad constante se expresa matemáticamente:

Cuanto más grande sea un cuerpo y más rápido se esté moviendo, mayor será su energía cinética.

🔍¿Qué es la energía potencial gravitacional?

La energía potencial de un cuerpo se refiere a la energía vinculada a su posición dentro de un campo. Esta forma de energía puede transformarse de manera inmediata en otras, como la energía cinética y se categoriza según su origen en gravitatoria, elástica, química, entre otras.

La energía potencial gravitatoria se expresa matemáticamente:

🔍¿Qué es la energía mecánica?

La suma de las energías cinética y potencial, dan como resultado la energía mecánica y se expresa matemáticamente:

Por tanto, un cuerpo que se encuentra estático, a cierta altura sobre e piso, tendrá una cantidad de energía mecánica, compuesta sólo por energía potencial pues su energía cinética es cero. En el momento que e cuerpo deja de estar estático porque comienza a caer, su energía potencial se comienza a transformar en energía cinética.

A cada instante, debido a la aceleración del campo gravitatorio, más energía potencial se habrá convertido en energía cinética. La velocidad del cuerpo aumentará continuamente hasta que toda la energía potencial del cuerpo se haya transformado en energía cinética. En ese momento, la energía mecánica del cuerpo seguirá siendo la misma, pero estará compuesta solamente por su energía cinética, pues su energía potencial al haber llegado al piso y su altura es cero con respecto al suelo, será también cero. Esto sucede debido a que la energía se conserva de acuerdo a la ley de la conservación de la energía y es congruente con la primera ley de la termodinámica.

Ejercicios:

a) Un ciclista y su bicicleta tienen una masa combinada de 80 kg. Si el ciclista se desplaza a una velocidad de 10 m/s, ¿qué valor tiene su energía cinética?

b) Una manzana de 0.2 kg se encuentra en una rama de un árbol, a 3 metros del suelo. Calcula su energía potencial gravitatoria.

Fuentes de energía.

Las fuentes de energía son recursos o procesos que proporcionan la energía necesaria para realizar trabajo. Se pueden clasificar depende de su origen y características, en base a la sostenibilidad, las fuentes de energía se clasifican en renovables y no renovables.

Fuentes de energía renovables:

• Solar. Se obtiene del sol y puede aprovecharse mediante paneles solares para generar electricidad a través del efecto fotoeléctrico (fenómeno en el que un material libera electrones al recibir una radiación electromagnética, los electrones liberados producen corriente eléctrica) o para sistemas térmicos. 
• Eólica. Utilizan la energía cinética del viento para transformarla en energía mecánica por el movimiento que provoca al chocar contra las hélices del aerogenerador, posteriormente esta energía mecánica se convierte en energía eléctrica gracias a un generador.
• Hidroeléctrica. Se deriva de aprovechar la energía cinética del agua en movimiento. Se inicia con la construcción de una presa para almacenar agua hasta una altura determinada, el agua fluye desde la presa hacia las turbinas ubicadas en su base haciéndolas girar, transformando la energía cinética en mecánica y luego en electricidad.
• Geotérmica. Aprovecha el calor del interior de la Tierra. Debido a que la temperatura del agua que se encuentra a grandes profundidades bajo el subsuelo es más elevada que la del agua en la superficie terrestre, se crean pozos geotérmicos; el vapor caliente que se extrae de esos pozos se utiliza para mover las turbinas conectadas a generadores eléctricos.
• Biomasa. Energía contenida en los estos orgánicos de plantas y animales, se obtiene a través de la quema directa de éstos para obtenerla o bien a través de la producción de biogas a partir de la descomposición anaeróbica.

Fuentes de energía no renovables:

• Energías obtenidas a partir de la quema de combustibles fósiles.
• Combustibles derivados del petróleo. Como gasolina, diesel o productos petroquímicos. La combustión de los combustibles derivados del petróleo, libera energía térmica que se utiliza en la mayoría de los sistemas de transporte y en la generación de electricidad en las centrales termoeléctricas.
• Gas natural. Compuesto principalmente por metano que se transporta a plantas generadoras mediante gasoductos para quemarse en turbinas de gas, esta combustión impulsa la turbina generando energía mecánica que hace girar un generador eléctrico para producir electricidad.
• Carbón (mineral y orgánico). Proviene de seres vivos, se quema para generar electricidad en las centrales termoeléctricas.
• Energía nuclear. Esta energía se libera durante la fisión o fusión nuclear. En la fisión se utilizan isótopos de uranio y plutonio, y en la fusión, deuterio y tritio. Esta energía tiene aplicaciones en la generación de electricidad y en la medicina, sin embargo, tiene graves problemas en la gestión de residuos radiactivos.