Conceptos Fundamentales de Termodinámica
Aunque la sustancia en su totalidad no se mueva, sus partículas describen movimientos imperceptibles de vibración, rotación y otros, tanto si se encuentra en estado sólido como líquido o gaseoso. Cada partícula en movimiento adquiere una minúscula cantidad de energía cinética. La energía interna de una sustancia está directamente relacionada con la agitación o energía cinética de las partículas que la componen.
Temperatura y Calor
La temperatura de una sustancia es una magnitud física, como la masa, el tiempo y el espacio, que mide el grado de agitación de sus partículas, es decir, la cantidad de energía interna que posee, y se mide con el termómetro. El calor es energía en tránsito, que solo se manifiesta cuando se transfiere desde un cuerpo caliente hasta otro más frío. La cantidad de energía transferida es el calor y se mide con el calorímetro. Puesto que el calor es una forma de energía que se transfiere, su unidad de medida también es el julio. Además, se suele utilizar otra unidad, la caloría, que se define como la cantidad de calor necesario para elevar un grado centígrado la temperatura de un gramo de agua.
Dilatación Térmica
El calor aumenta la energía interna y la temperatura de los cuerpos y, por tanto, también aumenta la agitación de sus partículas que cada vez se mueven más deprisa, se desplazan más lejos y ocupan más espacio. Cuando se calienta una sustancia, la cantidad total de materia no se altera, pues ni se añade ni se quita. Pero al aumentar su temperatura su estructura se expande, es decir, ocupa más volumen, se hace menos compacta y más esponjosa: se dilata (es un proceso de expansión térmica).
Escalas de Temperatura
- La escala Celsius utiliza dos puntos de referencia: la temperatura de congelación del agua (0 ºC) y la temperatura a la que hierve el agua (100 ºC). Se llama centígrada porque está graduada de 0 a 100.
- La escala Fahrenheit asigna el valor de 32 ºF a la temperatura de congelación del agua y 212 ºF a la de ebullición. La escala posee 180 divisiones, cada unidad es 1 ºF.
Cambios de Estado
Para que se produzca el cambio de estado debemos modificar la presión, la temperatura o ambas. Si mantenemos la presión constante, los cambios de estado se producen cuando el calor incrementa la energía cinética de las partículas de un cuerpo:
- Fusión: Al aumentar la temperatura, la estructura de un sólido cambia a líquido.
- Vaporización: Cuando seguimos calentando, las partículas del líquido escapan al estado gaseoso. Se denomina vaporización a cualquier temperatura y ebullición cuando las partículas del líquido pasan bruscamente a gaseoso.
- Condensación: Cuando el gas cede calor y se enfría, pasa de nuevo a líquido.
- Solidificación: Cuando el líquido cede calor y se enfría.
Propagación del Calor
La propagación del calor por conducción se realiza a través de todos los cuerpos, sólidos, líquidos o gaseosos. Cuando se calienta el extremo de un material, sus partículas vibran con más rapidez, chocan con sus vecinas, como si fueran bolas de billar, y les transmiten parte de su energía, de manera que el calor se propaga por conducción a través de las partículas del material como si se tratara del testigo en una carrera de relevos. Cuando el calor se propaga con facilidad a través de una sustancia, se dice que es un conductor térmico; por el contrario, si la sustancia ofrece resistencia a la propagación del calor, se dice que es un aislante térmico.
El calor se propaga por radiación cuando se transfiere mediante un tipo de ondas llamadas radiación infrarroja, que no necesitan de medios materiales para su propagación, pues viajan a través del vacío a la velocidad de la luz.
La convección es una forma de propagación del calor que solo se da en los fluidos (líquidos y gases) cuando están en movimiento. Cuando un foco de calor calienta un fluido, este se expande, aumenta de volumen y se hace menos denso, por lo que asciende. El fluido frío se desplaza y ocupa su lugar, hasta que se calienta y también asciende, creándose una circulación en el seno del fluido. Las corrientes de convección son responsables de importantes fenómenos como el vuelo de los planeadores, la formación de los vientos, las corrientes marinas y la tectónica de placas.
Motores de Combustión: Transformación de Calor en Movimiento
El motor de combustión es una máquina térmica que convierte el calor en energía mecánica capaz de generar movimiento. La energía que alimenta a estos motores procede de la energía química almacenada en los combustibles, como el carbón, gasolina, etc. Esta energía se libera mediante la reacción química de combustión que tiene lugar entre el combustible, que arde al combinarse con el oxígeno del aire, y se transforma en energía térmica en forma de calor.
Tipos de Motores de Combustión
Motor de Combustión Externa
Se denomina así porque el combustible se quema en una cámara exterior del motor. El calor se utiliza para calentar el agua del interior de una caldera, que se convierte en vapor de agua a presión capaz de generar movimiento dentro del motor.
Máquina de Vapor
El vapor a presión procedente de la caldera se introduce en el cilindro y desplaza al pistón, que es una pieza cilíndrica que se mueve en vaivén dentro del cilindro hacia arriba y abajo, y transmite su movimiento a otra pieza llamada biela. Esta, a su vez, lo transmite a la manivela, un dispositivo que transforma el movimiento lineal de la biela en el movimiento rotatorio que impulsa a las ruedas de la locomotora.
Turbina de Vapor
El vapor a presión impulsa las paletas rotatorias de la turbina que hacen girar un eje (el rotor), el cual puede estar conectado con un generador eléctrico capaz de producir energía eléctrica o con la hélice que mueve un barco de vapor.
Motor de Combustión Interna
Se llama así porque la mezcla de combustible y aire se inflama y explota en un recinto interno del motor, llamado cámara de combustión. El más común es el motor de gasolina, característico de muchos automóviles, en el que la cámara de combustión se encuentra en los cilindros. La mezcla de gasolina y aire se introduce dentro del cilindro, luego se comprime y a continuación se inflama y explota por acción de una chispa de la bujía. El calor que se libera provoca la expansión de los gases residuales que, mediante las bielas, el cigüeñal transforma el movimiento vertical de los pistones en movimiento circular, que impulsa a través de un eje el movimiento de las ruedas del automóvil.