Unidad 1. 1. Elementos de la termodinámica.

La terminología que se utiliza en cada uno de los elementos permite la comprensión de la termodinámica en este entorno, los elementos o conceptos que se manejan en esta unidad son la ley cero de la termodinámica (equilibrio térmico), sistema cerrado, sistema abierto, así como sus subdivisiones  a presión constante, a volumen constante, adiabático, isotérmico, estado de flujo estable, de flujo uniforme, Sistemas de Unidades Internacionales (MKS), sistema técnico (inglés) y sus conversiones y la aplicación en el cálculo para la resolución de problemas.

1.1.1. Evolución de la termodinámica.

El descubrimiento de cómo funcionan las cosas y las leyes de la termodinámica ha sido paulatino en función del desarrollo del hombre y la creación de la ciencia para sus comprobaciones. La construcción en Inglaterra de la primera máquina de vapor, y su operación con éxito por Thomas Sarvey en 1697 y Thomas Newcomen en 1712, dio origen a los principios de la termodinámica. Fue hasta la década de 1850 que los trabajos de William Rankine, Rudolph Clausius y Lord Kelvin, simultáneamente, postularon la Primera y Segunda Ley de la Termodinámica, estableciéndose de esta manera como una ciencia.

La termodinámica es una rama de la física que estudia las transformaciones de la energía mecánica, térmica, eléctrica, química, nuclear, eléctrica, eólica, geolica, etc. Así pues, esta ciencia es de interés de todas las ramas de la física, además de que se relaciona prácticamente con todas las ciencias y es fundamental en la formación profesional de un ingeniero.

Cualquier actividad de ingeniería implica una interacción entre energía y sistemas; muchos utensilios y aparatos domésticos se diseñan con principios termodinámicos, por ejemplo, en estufas de gas y eléctricas, sistemas de calefacción, aire acondicionado, refrigeradores, ollas de presión, calentador de agua, regaderas, planchas, videograbadoras, pero también en la industria, aeronáutica, generación de energía, automotriz, entre otras.

1.1.2. Sistemas termodinámicos.

Cuando se utiliza la termodinámica para estudiar un proceso, es importante delimitar lo que se estudia y su relación con todo lo demás. Un sistema termodinámico está formado por una parte del universo físico que se considera para su estudio. En el momento en que se aísla una parte de este universo aparece el concepto de frontera, es decir, la forma en que se separa del resto del universo. La frontera puede estar constituida por las paredes de un recipiente que contiene al sistema, las cuales pueden ser rígidas o flexibles, también puede ser una superficie exterior, además la frontera de un sistema puede ser una superficie abstracta que se representa con una condición matemática.

Es importante destacar que el momento que un observador determina la región del universo que debe estudiar, el sistema queda definido y, por lo tanto, también se establecen las fronteras.

Una vez que se ha definido el sistema, quedan establecidos también los alrededores del sistema. Esto es, la parte del universo que interactúa con el sistema. La interacción entre el sistema y sus alrededores estará caracterizada por los intercambios de energía.

Cuando se tenga un sistema contenido en un recipiente, lo cual es común en termodinámica, el grado de interacción con sus alrededores dependerá de la naturaleza de las paredes, estas pueden ser: aislantes, adiabáticas y diatérmicas.

a)   Paredes aislantes. Son las que no permiten interacción alguna entre el sistema y sus alrededores.

b)   Paredes adiabáticas. Son aquellas que no permiten intercambios térmicos (calor) entre el sistema y sus alrededores.

c)   Paredes diatérmicas. Son las que no son adiabáticas, es decir, que permiten el paso del calor.

Los sistemas termodinámicos pueden tener fronteras reales o imaginarias, las reales serian una taza de café, una bomba centrífuga, un generador de vapor, etc., y una frontera imaginaria sería un espacio delimitado en el entorno para su estudio, una porción delimitada en un océano.

Es necesario diferenciar las características del sistema, porque de ello depende la selección de principios teóricos aplicados para el cálculo y resolución de problemas. Los sistemas termodinámicos son cerrados y abiertos, y de acuerdo con sus aplicaciones los sistemas cerrados pueden ser a presión constante, a volumen constante y temperatura constante; los sistemas abiertos de acuerdo con su diseño pueden ser de estado de flujo estable y de estado de flujo uniforme, los sistemas aislados son aquellos en los cuales no hay transferencia de calor, llamados adiabáticos.

Ejemplos de sistemas cerrados son: un tanque con agua a presión, una olla de presión, un tanque de gas, un sistema pistón émbolo, una delimitación imaginaria del medio ambiente, etc. Estos sistemas pueden estar a presión constante, volumen constante, temperatura constante, y adiabáticos, que son procesos en los cuales no hay transferencia de calor.

Los sistemas abiertos se dividen en estados de flujo estable y en estados de flujo uniforme, el primero se caracteriza porque el flujo másico que entra al sistema es igual al que sale, ejemplo de ello sería una manguera que sirve para regar un jardín, un sistema de bombeo de un pozo profundo en donde el flujo másico de agua que se toma del pozo por la parte de succión es igual al flujo másico que sale por la parte de descarga, ejemplos comunes de equipos en la industria son una tobera, un compresor, una turbina, una caldera, etc. Los sistemas de estado de flujo que entra son diferentes al que sale, como es el tanque elevado de las casas de suministro de agua potable, hay veces que está lleno y no hay consumo, en otras ocasiones el consumo es mayor que lo que entra.

Una vez que se ha establecido el sistema y sus alrededores se requiere un lenguaje adecuado, mediante el cual se pueda describir la condición física del sistema, así como los cambios  que resultan como consecuencia de la interacción del sistema con sus alrededores. Es importante destacar que asociado a cada sistema existe un conjunto de propiedades macroscópicas que pueden medirse, tales como la presión, el volumen, la temperatura, etc. Debido a que estas propiedades son de naturaleza macroscópica, su definición es independiente de hipótesis relacionadas con la estructura atómica de la materia. Estas propiedades se llaman variables termodinámicas y como se ha mencionado es necesario medirlas.

1.1.3. Ley cero de la termodinámica.

La temperatura es una de las variables termodinámicas que se requiere medir, lo cual se hace por medio de los instrumentos conocidos como termómetros, cuyo funcionamiento se basa en el cambio de alguna propiedad física, como la longitud, el volumen, la resistencia eléctrica o el color.

Para construir un termómetro es necesario una sustancia termométrica y una propiedad termométrica de dicha sustancia. La escala de temperaturas puede definirse suponiendo que existe una relación continua y monótona entre la propiedad termométrica escogida y la temperatura medida. Por ejemplo, la sustancia puede ser el mercurio contenido en un tubo capilar de vidrio y la propiedad termométrica sería la longitud de la columna de mercurio.

Temperatura.

Para medir la temperatura se utilizan tres escalas termométricas: Celsius o centígrada, Fahrenheit y Kelvin. Para definir la escala Celsius y Fahrenheit se eligen dos temperaturas de referencia, llamados puntos fijos, y se asignan valores arbitrarios a dichas temperaturas, determinando así la posición del cero y el valor de la unidad.

Celsius asigna 0 grados a 100 grados respectivamente estos dos puntos fijos, mientras que Fahrenheit asocia 32 grados y 212 a esas mismas temperaturas. Una de estas temperaturas de referencia es el punto de fusión del hielo, es decir, la temperatura de una mezcla de agua y hielo a nivel del mar. La otra temperatura de referencia es el punto de ebullición del agua, también a nivel del mar.

Para determinar cualquier otra temperatura se utiliza un termómetro líquido, por lo general mercurio, en recipiente de vidrio. Se ponen marcas en los puntos hasta dónde llega la columna de mercurio, cuando el termómetro se coloca en un recipiente con hielo fundiéndose y agua hirviendo. La longitud de la columna de líquido entre dos puntos, Celsius la divide en 100 partes iguales y cada una de ellas es un grado Celsius (ºC); para esta misma longitud, Fahrenheit la divide en 180 partes iguales, cada una de las cuales es un grado Celsius (ºC), como se muestra en la figura 1.

Ilustración 1 Relación entre la escala Celsius y Fahrenheit.

Por último, la importancia de la escala Kelvin es que tiene un significado físico propio, pues no depende de puntos fijos arbitrarios, sino de la visión de la temperatura como expresión de la cinética molecular, y para obtener el valor 0 (cero) se extrapolo la temperatura a la cual teóricamente cesa el movimiento molecular. Este valor es igual a -273.15ºC. A este valor se denomina cero absolutos. La conversión de grados centígrados a grados Kelvin es:

Cualquier cuerpo tiene una temperatura igual o mayor que el cero absoluto y por lo tanto puede emitir energía térmica o calor (Salomón, 2010)

Cuando se toca un cuerpo, en sentido del tacto permite hacer una estimación de su temperatura. De manera que, si se pone en contacto térmico dos objetos, A y B, de manera que al tacto parezca que la temperatura del cuerpo B sea mayor que la del cuerpo A, después de cierto tiempo tanto A como B producen la misma sensación de temperatura. En esta situación se dice que A y B están en equilibrio térmico entre sí. La generalización de esta observación, usando un termómetro en vez del tacto, se conoce como la ley cero de la termodinámica, la cual se anuncia como sigue:

Si los cuerpos A y B están en equilibrio térmico con un tercer cuerpo C, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí.

Así pues, si se tienen dos cuerpos A y B, los cuales están en equilibrio térmico con otro cuerpo C, y posteriormente se ponen en contacto A con B, se observa que ni las propiedades de A ni las de B cambian, por lo que A y B también están en equilibrio térmico.

Es importante destacar que la ley cero de la termodinámica es una manera elegante de decir que la temperatura es una medida de lo caliente o frío que este un sistema. La parte importante de la ley cero es que explica que existe una variable termodinámica llamada temperatura.