Conceptos Fundamentales de Termodinámica y Radiación en Sistemas Físicos

Este documento explora conceptos clave en la física de la termodinámica y la radiación, fundamentales para comprender el comportamiento de la energía y la materia en diversos sistemas.

Albedo

El Albedo es la capacidad de los diferentes tipos de superficie de reflejar energía solar hacia la atmósfera. Es una medida crucial en el estudio del balance energético terrestre.

Balance de Radiación

El balance de radiación describe los flujos de energía que convergen hacia una superficie. Los principales flujos son:

• K: Flujo de radiación solar (S + D + K?)
• L: Flujo de radiación terrestre (L? + L?)
• D: Flujo de calor sensible en la atmósfera
• H: Flujo de calor sensible en el suelo
• C: Flujo de calor latente

Flujo Radiativo desde la Superficie del Balance del Sistema Climático

Considerando una temperatura superficial (TS) de 288 K (15 °C), la energía emitida (EN) se calcula mediante la ley de Stefan-Boltzmann:

EN = σT⁴ = 0,817 x 10^-10 Ly min^-1 K^-4 (288 K)⁴

EN = 0,562 Ly min^-1 = 290 Kcal cm^-2 año^-1

Si la constante solar (S) es 1,94 Ly min^-1, la energía total que intercepta la superficie es SπR².

La energía total incidente por unidad de área (Q₀), que corresponde al 100%, es:

Q₀ = SπR² / 4πR² = S/4

Q₀ = 0,485 Ly min^-1 = 250 Kcal cm^-2 año^-1

Gas Ideal

Un gas ideal es un modelo teórico que describe un gas con las siguientes características:

• Está formado por partículas (moléculas) en movimiento aleatorio constante.
• El número total de moléculas es muy grande.
• El volumen de las moléculas es despreciable en relación con el volumen total del gas.
• No actúan fuerzas intermoleculares significativas sobre las moléculas.
• Los choques entre moléculas y con las paredes del recipiente son elásticos y de duración despreciable.

Leyes de los Gases

Ley de Boyle-Mariotte

Para una masa dada de gas, el volumen que ocupa es inversamente proporcional a la presión a la que está sometido, siempre que su temperatura se mantenga constante. Es decir:

P ∝ 1/V

Considerando dos estados, uno inicial y otro final, se observa experimentalmente que si en el estado inicial la presión es p₁ y el volumen es V₁ a la temperatura T, en el estado final, cuando p₂ = 2p₁ a la misma temperatura T, el volumen V₂ será:

V₂ = ½ V₁

Esto implica que:

p₂V₂ = (2p₁)(½V₁) = p₁V₁ = k

Donde k es una constante para cada masa de gas a una temperatura dada.

Ley de Gay-Lussac (a presión constante)

Si la presión se mantiene constante (p = cte), un gas sufre una dilatación por efecto del calor. La variación del volumen sigue la ley:

V = V₀ (1 + α_pt)

Donde α_p es el coeficiente de dilatación de los gases a presión constante. Para una temperatura inicial de 0 °C, α_p es constante y su valor para cualquier gas es:

α_p = 1 / 273,15 °C^-1

Reemplazando este valor en la ecuación, se tiene:

V / V₀ = 1 + t / 273,15 = (273,15 + t) / 273,15 = T / T₀

Es decir, V / V₀ = T / T₀. Donde T (K) = 273,15 + t (°C) y T₀ = 273,15 K = 0 °C.

Ley de Dalton (de las presiones parciales)

Al considerar una mezcla de gases, la presión total ejercida por ella es igual a la suma de las presiones parciales que ejerce cada uno de los gases que componen la mezcla. Es decir:

p = p₁ + p₂ + ... + p_n = Σ p_i

Calor y Calor Específico

Calor

El calor (Q) es la energía transferida debido a una diferencia de temperatura. Se calcula como:

Q = c · m · (T_f - T_i)

Donde Q representa el calor cedido o absorbido, m la masa del cuerpo, y T_f y T_i las temperaturas final e inicial, respectivamente.

• Q será positivo si la temperatura final es mayor que la inicial (T_f > T_i).
• Q será negativo en el caso contrario (T_f < T_i).

Unidades de Calor

• Caloría (cal): Es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14.5 °C a 15.5 °C.
• Kilocaloría (kcal): Es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un kilogramo de agua de 14.5 °C a 15.5 °C. Se observa que: 1 kcal = 1000 cal.
• Unidad Térmica Británica (BTU): Es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua de 63 °F a 64 °F. 1 BTU = 252 cal.

La relación entre la caloría y la unidad de energía mecánica, el Joule (J), se establece experimentalmente como:

1 cal = 4.186 J

Calor Específico

El calor específico (c) de una sustancia es la cantidad de calor que debe suministrarse a la unidad de masa de dicha sustancia para elevar su temperatura un grado. Se expresa como:

c = ΔQ / ΔT

Calor Específico a Volumen Constante (C_v)

Es la cantidad de calor necesaria para variar la temperatura manteniendo el volumen constante:

C_v = (dQ / dT)_v=cte

Calor Específico a Presión Constante (C_p)

Es la cantidad de calor necesaria para variar la temperatura manteniendo la presión constante:

C_p = (dQ / dT)_p=cte

Primer Principio de la Termodinámica

El Primer Principio de la Termodinámica, también conocido como la Ley de Conservación de la Energía, establece que la variación de la energía interna de un sistema (dU) es igual al calor añadido al sistema (dQ) menos el trabajo realizado por el sistema (dW):

dQ = dU + dW

Donde dW = p dV para un proceso reversible.

Proceso Adiabático

Un proceso adiabático es aquel en el que no hay transferencia de calor entre el sistema y su entorno (dQ = 0). Por lo tanto, el Primer Principio se simplifica a:

dU = -dW

Durante una expansión adiabática, el trabajo (dW) es realizado por el sistema sobre el entorno y es positivo. En consecuencia, la energía interna (dU) disminuye (es negativa), lo que implica una disminución de la temperatura (dT también será negativo). Así, durante una expansión adiabática, siempre habrá una disminución de la temperatura.