Conceptos esenciales de termodinámica: sistemas, energía y transferencia de calor

Definición de sistema y tipos

Sistema: cualquier porción del universo que aislamos del resto para su estudio mediante paredes reales o imaginarias. Según el intercambio con el entorno, los sistemas pueden ser:

• Abiertos: intercambian con el entorno materia y energía.
• Cerrados: intercambian solo energía (no materia).
• Aislados: no intercambian ni materia ni energía.

Variables termodinámicas

Variables termodinámicas: magnitudes físicas que describen el estado del sistema. Entre las más comunes están p (presión), V (volumen) y T (temperatura); también se denominan variables de estado.

Ecuación de estado

Ecuación de estado: ley física en forma de expresión matemática que relaciona las variables de estado y, por tanto, describe el estado del sistema. Ejemplo para un gas ideal: PV = nRT.

Estados de la materia

Sólido

En un sólido las partículas ocupan los nodos de redes cristalinas y su movimiento es principalmente de vibración alrededor de dichos nodos; por ello tienen forma y volumen propios.

Líquido

En un líquido las partículas tienen mayor libertad de movimiento (movimientos de traslación). La separación relativa entre partículas difiere respecto a los sólidos; por eso los líquidos no tienen forma propia pero sí volumen definido (adoptan la forma del recipiente que los contiene).

Gas

En un gas las partículas se mueven en todas las direcciones y a distintas velocidades, tendiendo a ocupar el máximo volumen disponible. Por ello no tienen ni forma ni volumen propios y su densidad es mucho menor que la de líquidos y sólidos.

Energía interna

Energía interna (U): de un sistema es la suma de las energías cinética y potencial de las partículas que lo componen. Para muchos modelos (por ejemplo, gas ideal) la energía interna se puede expresar como U = f(T), es decir, depende principalmente de la temperatura.

Escalas termométricas

Conversiones entre escalas:

• T (K): T(°C) + 273,15 → T(K) = T(°C) + 273.15
• T (°C): T(°C) = (T(°F) − 32) × 5/9
• T (°F): T(°F) = T(°C) × 9/5 + 32

Principio Cero

Principio 0 de la termodinámica: si dos cuerpos A y B están en equilibrio térmico con un tercero C, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí.

Calor y capacidad calorífica

Calor (energía térmica): forma de energía que se transmite entre cuerpos debido a una diferencia de temperatura. Efectos: variación de temperatura. Fórmula práctica:

Q = m · c · ΔT

donde Q es el calor transferido, m la masa, c el calor específico y ΔT la variación de temperatura.

Cambios de estado

Cualquier sistema puro puede presentarse en los tres estados físicos dependiendo de la temperatura. Transiciones típicas:

• Sólido ↔ Líquido: fusión ↔ solidificación.
• Líquido ↔ Gas: vaporización ↔ condensación.

Para cambios de estado (sin variación de temperatura) se usa la expresión:

Q = m · L

donde L es el calor latente correspondiente (por ejemplo, L_v para vaporización).

Dilataciones

Dilatación lineal:

L = L₀ (1 + α ΔT)

Dilatación superficial:

S = S₀ (1 + 2α ΔT)

Dilatación cúbica (volumétrica):

V = V₀ (1 + 3α ΔT)

Propagación del calor

Existen tres mecanismos principales de transferencia de calor:

• Conducción: la energía térmica se transmite de unas partículas a otras debido a los choques entre ellas como consecuencia del contacto.
• Convección: ocurre principalmente en líquidos y gases; si en una zona la temperatura es mayor, la densidad del fluido disminuye y esa porción asciende, mientras el fluido más frío y de mayor densidad desciende, originando corrientes de convección.
• Radiación: cuerpos como el Sol emiten energía radiante que puede propagarse incluso en el vacío (sin necesidad de materia); esta radiación es absorbida por los cuerpos y produce aumento de temperatura.

Trabajo de expansión

Trabajo de expansión: si la presión es constante, el trabajo realizado por el sistema al expandirse es

W = p · ΔV

Además, una referencia de presión atmosférica: 1 atm = 101 325 Pa.

Primer principio de la termodinámica

Primer principio: es un principio de conservación de la energía que relaciona las formas de transferencia de energía con la variación de la energía interna del sistema. En forma diferencial: ΔU = Q − W, donde Q es el calor suministrado al sistema y W el trabajo realizado por el sistema.

Equivalencias y definiciones

Ecuación mecánico-calórica: 1 cal = 4,18 J y aproximadamente 1 J = 0,239 cal.

Caloría (cal): cantidad de calor que hay que comunicar a 1 gramo de agua para elevar su temperatura de 14,5 °C a 15,5 °C (un grado centígrado en ese intervalo).

Entropía

Entropía (S): es una magnitud termodinámica que representamos con una S. Es función de estado: su variación depende solo del estado inicial y final del sistema y es independiente del camino seguido. Intuitivamente, mide el grado de desorden del sistema; en general el orden relativo suele seguir sólidos > líquidos > gases.