Calor y Temperatura en Termodinámica
Calor (Q)
El calor (Q), en el contexto de un sistema termodinámico, es una forma de energía que puede ser térmica o calórica. Esta energía puede transformarse en otros tipos de energía, como la energía mecánica (trabajo). La transmisión de calor se produce por conducción, convección o radiación. Las unidades de medida del calor son:
- Caloría (cal): Se define como la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar 1 °C la temperatura de un gramo de agua.
- BTU (British Thermal Unit): Se define como la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar 1 °F la temperatura de una libra de agua.
Equivalencias:
252 cal = 1 BTU = 1055.056 joules
Temperatura (T)
La temperatura (T) describe el estado térmico de la materia y es un parámetro perceptible por los sentidos humanos. Existen diferentes escalas para medir la temperatura:
- Celsius (°C) o escala centígrada: Es la escala más utilizada a nivel mundial.
- Fahrenheit (°F): Se utiliza principalmente en Estados Unidos y algunos países de habla inglesa.
- Kelvin (°K): Es la escala utilizada en el ámbito científico.
Principios de la Termodinámica
Principio Cero de la Termodinámica
Si dos sistemas, A y B, se encuentran en equilibrio térmico cada uno con un tercer sistema, C, entonces los sistemas A y B están en equilibrio térmico entre sí.
Este principio permite medir la temperatura de diferentes sistemas utilizando un sistema intermedio (termómetro), evitando la necesidad de contacto directo entre los sistemas a través de una pared diatérmica.
Ejemplo: A = Contenido del capilar, B = Fluido del entorno (aire), C = Vidrio del termómetro
Primer Principio de la Termodinámica
La variación de la energía interna entre dos estados de un sistema es independiente de la transformación que haya ocurrido entre ellos, y solo depende del estado inicial y final.
Ecuación: ΔU = Q – W
Donde:
- ΔU: Variación de la energía interna
- Q: Calor transferido al sistema
- W: Trabajo realizado por el sistema
La ecuación que describe la conservación de la energía, y por lo tanto la conservación de la energía interna, es:
Q = W + ΔU
Ley de Conservación de la Energía
La energía no se puede crear ni destruir, solo se puede transformar de una forma a otra.
Al aplicar el primer principio a un sistema aislado, se deduce que su energía total permanece constante. Solo pueden ocurrir cambios de una forma de energía a otra, y aunque las formas de energía sean diferentes, sus magnitudes deben ser equivalentes.
Se puede expresar la propiedad de un gas o mezcla de gases (X) como una función de su presión (p) y temperatura absoluta (T):
X = ƒ(p, T)
Segundo Principio de la Termodinámica: Entropía
El segundo principio establece que no toda la energía puede transformarse. Una parte mínima, que depende de la eficiencia del ciclo, se pierde y contribuye al aumento de la entropía del universo.
Leyes de los Gases
Ley de Boyle-Mariotte
Establece que, a temperatura constante, el volumen de una masa de gas es inversamente proporcional a su presión.
A temperatura (T) constante:
P1 / P2 = V2 / V1 o P . V = C (constante)
Ley de Charles-Gay Lussac
Establece que, a presión constante, el volumen de una masa de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta.
A presión (P) constante:
V1 / V2 = T1 / T2 = C (constante)
Ley de Avogadro
Establece que volúmenes iguales de diferentes gases, a la misma temperatura y presión, contienen el mismo número de moléculas.
El número de moléculas definido por Avogadro, o el número de átomos en un mol de un elemento, se conoce como Número de Avogadro y su valor es: 6.022212 x 10²³
Ecuación de Estado para Gases Ideales
p . V = n . R . T
Donde:
- p: Presión
- V: Volumen
- n: Número de moles
- R: Constante universal de los gases ideales
- T: Temperatura absoluta
Equivalente Mecánico del Calor
Establece la relación entre la energía mecánica y la energía térmica:
1 kcal = 427 kgm = 4.186 J → 1 J = 0.24 cal
Sistemas Termodinámicos
- Sistema cerrado: Permite el intercambio de energía con el entorno, pero no de materia.
- Sistema abierto: Permite el intercambio de energía y materia con el entorno.
- Sistema adiabático: No permite el intercambio de calor con el entorno, pero sí de trabajo.
- Sistema aislado: No permite el intercambio de energía ni materia con el entorno.
Ciclo Diésel
El ciclo diésel es un ciclo termodinámico de combustión interna que se utiliza en motores diésel. Consta de cuatro tiempos o movimientos:
1. Admisión (v.a.a. / v.e.c.)
Se aspira aire del exterior, llenando el cilindro.
2. Compresión (v.a.c. / v.e.c.)
El aire se comprime a una relación de compresión mucho mayor que en los motores de ciclo Otto. Esto se debe a que el fluido comprimido es aire.
3. Inyección y Combustión (v.a.c. / v.e.c.)
Debido a la alta temperatura del aire comprimido, la inyección de combustible se realiza con una bomba de inyección. El combustible se quema al entrar en la cámara de combustión, manteniendo la presión constante mientras el pistón desciende.
4. Expansión (v.a.c. / v.e.c.)
El pistón continúa su carrera descendente impulsado por la presión de la combustión, expandiendo los gases y transmitiendo la fuerza al cigüeñal a través de la biela.
5. Escape (v.a.c. / v.e.a.)
Al final de la expansión, se abre la válvula de escape, liberando los gases quemados al exterior.
6. Barrido de Gases (v.a.c. / v.e.a.)
El pistón asciende con la válvula de escape abierta, expulsando los gases residuales del cilindro.
Transformaciones Termodinámicas
Las transformaciones termodinámicas son procesos en los que una o más variables de estado de un sistema cambian, partiendo de un estado inicial de equilibrio termodinámico y llegando a otro estado final de equilibrio termodinámico.