Fundamentos de Termodinámica Aplicada y el Efecto Peltier en la Industria
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Transformaciones Termodinámicas Fundamentales
Transformación Isobárica
La transformación isobárica consiste en un proceso en el que se mantiene la presión constante. En el circuito refrigerador de aire existen dos zonas de presión: alta presión (16 bares) y baja presión (3 bares). Dentro de cada zona, todos los procesos que ocurren son isobáricos. Si el proceso se desplaza de 1 a 2, se considera una expansión; si el proceso va de 2 a 1, se trata de una compresión.
Transformación Isocórica
La transformación isocórica consiste en un proceso en el que se mantiene el volumen constante. Debido a que el volumen no varía en los procesos isocóricos, solo se produce un intercambio de calor y no existe trabajo. Si el proceso isocórico va de 1 a 3, se produce un enfriamiento, mientras que de 3 a 1 se genera un calentamiento.
Transformación Isotérmica
La transformación isotérmica consiste en un proceso termodinámico en el que se mantiene la temperatura constante. Las transformaciones isotermas deben realizarse a muy baja velocidad para permitir que, en todo instante, se iguale la temperatura del sistema con la de una fuente de referencia (normalmente en el exterior). Sin embargo, en el ámbito del automóvil, no se suelen dar transformaciones isotermas de referencia, ya que tanto el motor de combustión interna como los compresores funcionan a muy alta velocidad.
Transformación Adiabática
La transformación adiabática es un proceso termodinámico en el que el sistema no intercambia energía térmica con el exterior. Realizar una transformación completamente adiabática es prácticamente imposible en la realidad; no obstante, al realizar un proceso de compresión o expansión con mucha rapidez, el resultado se aproxima significativamente a un proceso adiabático. Por esta razón, la compresión de aire que se realiza en el cilindro de un motor de explosión se considera, técnicamente, un proceso adiabático.
El Efecto Peltier y su Aplicación Técnica
El efecto Peltier consiste en un proceso físico por el cual, cuando se establece un circuito eléctrico en el que intervienen diferentes materiales (con coeficientes de conducción eléctrica distintos), se produce un intercambio de calor con el medio en los puntos de unión entre dichos materiales.
- Cuando la corriente eléctrica pasa de un material con mayor conductividad eléctrica a otro de menor conductividad, se produce un desprendimiento de calor.
- Cuando la corriente eléctrica pasa de un material de menor conductividad a otro de mayor conductividad, se produce la absorción de calor o enfriamiento.
Para la construcción de un sistema de intercambio térmico basado en el efecto Peltier, se puede emplear una gran cantidad de materiales, aunque en la actualidad se utilizan principalmente semiconductores con dopado tipo P y tipo N. Las cápsulas de material semiconductor tipo P y tipo N se encuentran intercaladas, de modo que las cápsulas no están fusionadas físicamente entre sí, como ocurre en los semiconductores activos.
Leyes Fundamentales de la Termodinámica
1ª Ley o Principio de Conservación de la Energía
Todo sistema termodinámico en estado de equilibrio posee una variable de estado llamada energía interna (U), cuyo valor es independiente del proceso o cambio por el cual se ha llegado a dicho estado. La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. También se define como la diferencia entre dos estados de energía interna (final e inicial), la cual es igual a la suma del intercambio de calor y el trabajo realizado contra o por el sistema:
Uf - Ui = Q + W
2ª Ley de la Termodinámica
En cualquier proceso termodinámico, la entropía total del universo siempre aumenta. Es imposible transformar íntegramente en trabajo el calor contenido en un solo sistema.
La primera parte del enunciado explica que el grado de organización global del universo va disminuyendo (es decir, la entropía aumenta) en cualquier proceso termodinámico. No obstante, se pueden realizar procesos que disminuyan la entropía de un sistema local (aumentando su grado de organización), como ocurre al comprimir un gas o enfriar un fluido, a costa de aumentar la entropía del entorno.
3ª Ley de la Termodinámica
La temperatura de 0 K (cero absoluto) es inaccesible y, por supuesto, no se pueden alcanzar valores negativos. A una temperatura de 0 K, la entropía es cero.
Conceptos Avanzados: Entalpía y Funciones de Estado
La entalpía (H) mide el contenido energético de un sistema. Es una función de estado, lo que significa que su valor solo depende del estado inicial y final del sistema. Se expresa en unidades de energía por unidad de masa (J/kg). Físicamente, la entalpía se define como:
H = U + P · V
Siendo su variación diferencial: dH = TdS + VdP. La entalpía se utiliza frecuentemente en el estudio de circuitos frigoríficos, ya que en ella queda reflejado tanto el trabajo aportado por el compresor como el intercambio de calor que se produce en el condensador y el evaporador. Otras funciones de estado relevantes en termodinámica son el potencial de Gibbs y el potencial de Helmholtz.