Introducción a la termodinámica

La termodinámica es la parte de la física que estudia los estados de los sistemas materiales macroscópicos y los cambios que pueden darse entre esos estados, en particular, en lo que respecta a temperatura, calor y energía.

En este trabajo trataremos de ver la termodinámica como parte de la carrera de ingeniería eléctrica.

Es importante desde el principio definir nuestro sistema, que es una porción definida de material que elegir para su estudio, se separa de todo lo demás por una superficie o frontera conceptual. Existen varios tipos de sistemas, aislados, cerrados, abiertos, descritos más abajo, pero con ellos podremos definir la muestra que se está analizando y comprender hacia dónde va la energía del sistema.

Algunos ejemplos de lugares donde se encuentra la termodinámica

- en las máquinas de vapor

- destilación

- un cerillo encendido

- motor de gasolina

- Transformador

A continuación una lista de conceptos que van a ser útiles para enunciar las leyes de la termodinámica.

Conceptos

Calor: El calor en termodinámica se considera como la energía que fluye al entrar en contacto 2 sustancias que se encuentran a diferente temperatura. El calor siempre fluye del cuerpo caliente al cuerpo frío. Por convención el calor que sale de un sistema tiene signo negativo; mientras que el calor que ingresa a un sistema tiene signo positivo.

Energía: El concepto de energía es la capacidad de generar movimiento (trabajo) o lograr la transformación de algo.

Presión: Es una magnitud física escalar que mide la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una superficie. En el Sistema Internacional la presión se mide en una unidad derivada que se denomina pascal (Pa) que es equivalente a una fuerza total de un newton actuando uniformemente en un metro cuadrado. En el Sistema Inglés la presión se mide en libra por pulgada

cuadrada (pound per square inch) PSI que es equivalente a una fuerza total de una libra actuando en una pulgada cuadrada.

Trabajo: Es la energía necesaria para desplazar un cuerpo. Se representa por W y la formula es W = F · d El trabajo en termodinámica siempre representa un intercambio de energía entre un sistema y su entorno. Por convención el trabajo que realiza el entorno sobre el sistema tiene signo positivo; mientras que si el sistema el que realiza trabajo sobre el entorno tiene signo negativo.

Temperatura: La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio, frío que puede ser medida, específicamente, con un termómetro. Se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como «energía cinética», que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida de que sea mayor la energía cinética de un sistema, se observa que éste se encuentra más «caliente»; es decir, que su temperatura es mayor.

Propiedades Extensivas: Son las que dependen de la cantidad de sustancias del sistema, y son recíprocamente equivalentes a las intensivas. Una propiedad extensiva depende por tanto del “tamaño” del sistema. Una propiedad extensiva tiene la propiedad de ser aditiva en el sentido de que si se divide el sistema en dos o más partes, el valor de la magnitud extensiva para el sistema completo es la suma de los valores de dicha magnitud para cada una de las partes.

Ejemplos: La masa, el volumen, el peso, cantidad de sustancia, energía, entropía y entalpía.

Propiedades Intensivas: Son aquellas que no dependen de la cantidad de sustancia o del tamaño de un sistema, por lo que el valor permanece inalterable al subdividir el sistema inicial en varios subsistemas, por este motivo no son propiedades aditivas.

Ejemplos: La temperatura, la presión, la velocidad, el volumen específico (volumen ocupado por la unidad de masa), el punto de ebullición, el punto de fusión, la densidad, viscosidad, dureza, concentración y solubilidad.

2.1 Formas de la energía utilizadas.

La energía nunca desaparece, muchos científicos la han estudiado y elaboraron la Ley de la Conservación de la Energía: "la energía no se crea ni se destruye, pero si se transforma en otro tipo de energía". Se necesita energía para realizar cualquier actividad. Según la fuente de energía, se tienen diferentes tipos de energía. Es importante conocer los conceptos relacionados con los tipos de energías. Se conocen dos clases de energía: La energía potencial y energía cinética.

Energía potencial Es la energía que se encuentra almacenada en un cuerpo. Por ejemplo la que contienen los alimentos, el petróleo, el agua en reposo, entre otros.

Energía cinética Es la que se origina con el movimiento de un cuerpo. La energía potencial con el movimiento se transforma en energía cinética, por eso se reconoce como energía del movimiento. Por ejemplo cuando se corre o camina, la energía potencial almacenada en los músculos se transforma en energía cinética, en un carro la energía de la gasolina al hacer combustión se transforma en movimiento.

Tipos de Energías

Energía química: Es la energía acumulada en los alimentos y en los combustibles. Se produce por la transformación de sustancias químicas que contienen los alimentos o elementos, posibilita mover objetos o generar otro tipo de energía.

Energía térmica o calórica: Es una forma de energía que proviene de otros tipos de energía. Todo lo que hay en el ambiente están compuestos por partículas muy pequeñas llamadas moléculas, que siempre están en movimiento y no se perciben a simple vista. Al moverse, las moléculas chocan entre sí generando calor. Por lo tanto, el calor está directamente relacionado con el movimiento, es decir, el movimiento genera calor. Un organismo viviente puede generar energía térmica al realizar algún movimiento y energía química al ingerir alimentos y transforma estos para crear la suficiente energía que necesita el cuerpo.

Energía hidráulica: Es la transformación de la energía del movimiento del agua, generando la electricidad llamada también energía hidroeléctrica. Esta energía se logra pasando una corriente de agua a través de una turbina o motor. La cantidad de energía hidroeléctrica depende de la cantidad y velocidad del agua que circula por la turbina.

Energía nuclear: Es la energía más novedosa, fue descubierta en el siglo pasado. Se origina del tratamiento químico o físico de los elementos naturales que poseen radioactividad como el uranio, el plutonio. Sus átomos son mezclados con algunas sustancias químicas que le provocan una reacción química, llamada reacción nuclear y liberan gran cantidad de energía. Es muy peligrosa, con ella se construyen las bombas termonucleares. Debe ser manejada con mucha cautela pues su mala utilización podría destruir la vida terrestre, tal como ocurrió en Japón al finalizar la segunda guerra mundial. Donde se lanzó la primera bomba nuclear en Hiroshima, sus resultados fueron devastadores sobre el cuerpo humano y el ambiente. Pero también es muy útil, pues es empleada en medicina para destruir las células cancerosas.

Energía luminosa: Es la energía que contiene la luz, está muy relacionada con otros tipos de energía como la calórica y la química. Por ejemplo, el sol es una fuente de energía luminosa, pero no la única. También la electricidad, las luciérnagas y los cocuyos iluminan al transformar la energía química de sus cuerpos en energía luminosa, así mismo los rayos y otros.

2.2 Energía, Entropía y Equilibrio

La energía no se crea ni se destruye, esto es lo que enuncia la ley de la conservación de la energía. La energía también es una magnitud física que se presenta bajo diversas formas, está involucrada en todos los procesos de cambio de estado físico, se transforma y se transmite, depende del sistema de referencia y fijado éste se conserva. Por lo tanto, todo cuerpo es capaz de poseer energía en función de su movimiento, posición, temperatura, masa, composición química, y otras propiedades. En las diversas disciplinas de la física y la ciencia, se dan varias definiciones de energía, todas coherentes y complementarias entre sí, y todas ellas siempre relacionadas con el concepto de trabajo.

La energía térmica: o calorífica es la parte de 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.

Foto térmica del calentamiento de un trasformador.

Entropía: En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es una magnitud física que, mediante cálculo, permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos. La palabra entropía procede del griego (ἐντροπία) y significa evolución o transformación. Fue Rudolf Clausius quien le dio nombre y la desarrolló durante la década de 1850.

Una clara representación de la entropía en sistemas eléctricos es el efecto joule que se presenta en transformadores.

Cuando circula corriente eléctrica por un conductor parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor y eleva la temperatura de este. Con lo que se origina el fenómeno de conocido como Efecto joule. El enunciado de la Ley de Joule dice “El Calor que produce una corriente eléctrica a circular oír un conductor es directamente propia al cuadrado de la intensidad, a la resistencia y al tiempo que dura por ella”.

2.3 Sistema Termodinámico.

Sistema termodinámico: Un sistema termodinámico es una parte del Universo que se aísla para su estudio. Este aislamiento se puede llevar a cabo de una manera real, en el campo experimental, por ejemplo una máquina térmica, o de una manera ideal como la máquina de Carnot, cuando se trata de abordar un estudio teórico.

Clasificación: Los sistemas termodinámicos se clasifican según el grado de aislamiento que presentan con su entorno.

Aplicando este criterio pueden darse tres clases de sistemas:

Sistema aislado: Es aquel que no intercambia ni materia ni energía con su entorno, es decir se encuentra en equilibrio termodinámico. Un ejemplo de esta clase podría ser un gas encerrado en un recipiente de paredes rígidas lo suficientemente gruesas (paredes [adiabáticas]) como para considerar que los intercambios de energía calorífica sean despreciables y que tampoco puede intercambiar energía en forma de trabajo.

Sistema cerrado: Es el que puede intercambiar energía pero no materia con el exterior. Multitud de sistemas se pueden englobar en esta clase. El mismo planeta Tierra puede considerarse un sistema cerrado. Una lata de sardinas también podría estar incluida en esta clasificación.

Sistema abierto: En esta clase se incluyen la mayoría de sistemas que pueden observarse en la vida cotidiana. Por ejemplo, un vehículo motorizado es un sistema abierto, ya que intercambia materia con el exterior cuando es cargado, o su conductor se introduce en su interior para conducirlo, o es provisto de combustible al repostarse, o se consideran los gases que emite por su tubo de escape pero, además, intercambia energía con el entorno. Solo hay que comprobar el calor que desprende el motor y sus inmediaciones o el trabajo que puede efectuar acarreando carga.

Existen otros criterios para la clasificación de sistemas. La homogeneidad que pueda presentar un sistema es uno de ellos. De esta manera se habla de sistemas:

Homogéneos, si las propiedades macroscópicas de cualquier parte del sistema son iguales en cualquier parte o porción del mismo. El estado de agregación en el que puede presentarse el sistema puede ser cualquiera. Por ejemplo, una sustancia sólida, pura, que se encuentra cristalizada formando un monocristal es un sistema homogéneo, pero también lo puede ser una cierta porción de agua pura o una disolución, o un gas retenido en un recipiente cerrado.

Heterogéneos, cuando no ocurre lo anterior

Para sistemas termodinámicos tenemos como ejemplo un sistema de un trasformador en donde la interacción de las fuerzas magnéticas entre las bobinas no interactúa con el exterior del sistema

Conclusión:

La termodinámica aplica en todos los sentidos de nuestras vidas porque es parte esencial de las mismas, es parte del universo, y en eléctrica podemos ver claros ejemplos de aplicación termodinámica manejando las leyes de la termodinámica. Puesto que la conversión de diferentes tipos de energías vienen enlazadas con estas leyes. Así como en un trasformador podemos observar que el 100% de la energía a transformar no pasa a la siguiente bobina, si no que parte de esta se convierte en calor debido al efecto joule (Entropía) así podemos ver que hasta la transformación de la energía viene de la mano con las restricciones que las leyes de la termodinámica impone sobre la conversión de la energía. También en el trabajo de motores, ya sean bifásicos o trifásicos. Puesto que nunca podremos aprovechar en 100% de la energía de un sistema ya sea aislado o no.