Fundamentos de la Termodinámica: Energía, Calor y Trabajo

Conceptos Fundamentales de la Termodinámica

Termodinámica: Es la rama de la física que se ocupa de la energía en forma de calor, de sus transformaciones en energía mecánica y de su capacidad para producir trabajo.

Sistema Termodinámico

Cualquier objeto, cantidad de materia o región del espacio que se selecciona y se delimita de forma imaginaria para estudiar los cambios o fenómenos energéticos que tienen lugar en él a escala macroscópica. Se clasifican en:

• Aislado: No intercambia materia ni energía con su entorno (un caso ideal, imposible en la práctica).
• Cerrado: Intercambia energía con su entorno, pero no materia. El intercambio de energía es en forma de calor y trabajo (ejemplo: un reloj de cuerda).
• Abierto: Puede intercambiar materia y energía con su entorno (ejemplo: un motor térmico).

Conceptos Clave

Calor: Es una forma de energía que fluye o se transfiere entre dos cuerpos o sistemas (ganancia o cesión) a causa de su diferencia de temperatura. En todo intercambio de calor hay dos focos: uno frío (menor temperatura) y uno caliente (mayor temperatura). El calor siempre fluye del foco caliente al frío. Para que fluya del frío al caliente, es necesario aplicar un trabajo. La mayoría de los cuerpos aumentan de volumen al calentarse y lo disminuyen al enfriarse.

Temperatura: Representa la medida de la energía cinética media de las moléculas de un sistema a escala microscópica.

Calor específico (c): Es la cantidad de calor que hay que suministrar a un gramo de masa de una sustancia para elevar su temperatura un grado.

Principios de la Termodinámica

Principio Cero de la Termodinámica

Establece que si dos sistemas están en equilibrio termodinámico con un tercero, tienen que estarlo entre sí. Es decir, si un sistema A y un sistema B están a diferente temperatura y los juntamos, al final tendrán la misma temperatura. Si un tercer sistema C entra en contacto con A y B, alcanzará la misma temperatura. Por tanto, A, B y C estarán a la misma temperatura.

Primer Principio de la Termodinámica

También conocido como el principio de conservación de la energía, establece que "la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma de una forma de energía a otra diferente". Según este principio, las formas en que un sistema puede intercambiar energía con el medio son a través del trabajo (W) y el calor (Q).

• Cuando el calor (Q) es positivo, aumenta la energía interna del sistema.
• Cuando el trabajo (W) es positivo (realizado por el sistema), disminuye la energía interna del sistema.

La energía interna es una función de estado, es decir, solo depende de las coordenadas inicial y final del proceso.

Entalpía: El incremento de la entalpía indica la cantidad de energía en forma de calor, absorbida o cedida por un sistema termodinámico desde o hacia su entorno a presión constante.

Tercer Principio de la Termodinámica

Afirma que el cero absoluto (0 Kelvin) no se puede alcanzar por ningún procedimiento que conste de un número finito de procesos físicos. Nos podemos acercar, pero nunca llegar a él.

Transformaciones y Ciclos Termodinámicos

Transformaciones Termodinámicas Básicas

• Isotérmica: Temperatura constante (T = cte).
• Isobárica: Presión constante (P = cte).
• Isocórica: Volumen constante (V = cte).
• Adiabática: No hay intercambio de calor (Q = 0).

Ciclos Termodinámicos

Ciclo termodinámico directo: Es un conjunto de transformaciones termodinámicas de un sistema que recupera sus condiciones iniciales después de haber realizado un trabajo sobre otros sistemas.

Ciclo termodinámico inverso: Se aporta trabajo externo al ciclo para conseguir que la transferencia de calor se produzca desde la fuente de calor más fría a la más caliente.

Máquinas Térmicas

Máquina Térmica Ideal de Carnot

Es un modelo teórico constituido por dos transformaciones isotérmicas (el sistema absorbe y cede calor a temperatura constante) y dos adiabáticas (el sistema intercambia trabajo sin intercambiar calor). Tiene cuatro etapas reversibles:

1. Expansión isotérmica (1-2): El gas absorbe una cantidad de calor (Q1) del foco caliente (T1), realiza un trabajo sobre el exterior y aumenta su volumen de V1 a V2.
2. Expansión adiabática (2-3): La temperatura desciende a T2, el sistema realiza un trabajo sobre el exterior y aumenta su volumen de nuevo a V3.
3. Compresión isotérmica (3-4): El gas cede calor (Q2) al foco frío (T2), recibe un trabajo del exterior y disminuye su volumen a V4.
4. Compresión adiabática (4-1): La temperatura aumenta de T2 a T1, el sistema recibe un trabajo del exterior y disminuye de nuevo su volumen de V4 a V1, cerrando así el ciclo.