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.
