Fundamentos de Termodinámica: Leyes, Procesos y Transferencia de Calor

Principio Cero de la Termodinámica y Equilibrio Térmico

El Principio Cero establece que los sistemas termodinámicos, al ser puestos en contacto mediante paredes diatérmicas, modifican sus variables termodinámicas hasta alcanzar el estado de equilibrio.

El calor absorbido por un cuerpo es igual al calor cedido por el otro cuerpo a fin de llegar al equilibrio térmico. La expresión matemática es:

Q = m_c · c_P,c · (T_c - T_eq) = m_f · c_P,f · (T_eq - T_f)

Procesos de Cambio de Fase

• Solidificación (Soli): Paso de Líquido (L) a Sólido (S).
• Fusión (Fus): Paso de Sólido (S) a Líquido (L).
• Ebullición (Ebu): Paso de Líquido (L) a Gaseoso (G).
• Condensación (Conden): Paso de Gaseoso (G) a Líquido (L).
• Sublimación (Subli): Paso de Sólido (S) a Gaseoso (G).

En una sustancia pura, un cambio de fase a una presión (P) dada tiene lugar solo a una temperatura (Tº) determinada. La temperatura no cambia hasta que el cambio de fase se haya completado por completo. La fórmula asociada es:

Q_t = m · L_t

Principios Fundamentales de la Energía

Primer Principio de la Termodinámica

La variación de la energía interna (ΔU) de un sistema termodinámico es igual a la suma del calor (Q) absorbido o cedido por el sistema y el trabajo mecánico (W) realizado por él:

ΔU = Q + W

Segundo Principio de la Termodinámica

Este principio establece que la entropía o el desorden siempre aumenta; los procesos espontáneos contribuyen a este incremento.

• Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto neto sea la transferencia continua de energía de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energía en forma de trabajo.
• Enunciado de Kelvin-Planck: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto neto sea la absorción de calor desde un foco térmico y la realización de una cantidad equivalente de trabajo.

Dilatación Térmica y Propiedades de la Materia

Los cuerpos experimentan cambios dimensionales ante variaciones de temperatura:

• Dilatación lineal: ΔL = α · L · ΔT
• Dilatación superficial: ΔS = β · S · ΔT
• Dilatación volumétrica: ΔV = γ · V · ΔT (donde γ = α · β)

Entalpía y Ley de Henry

La Entalpía se define como el flujo de energía térmica de un proceso termodinámico a presión constante. Se utiliza en reacciones químicas como indicador del calor de la reacción, tales como la variación de entalpía estándar de formación, combustión o neutralización.

La Ley de Henry establece que, a temperatura constante, la cantidad de gas (G) disuelta en un líquido (L) es directamente proporcional a la presión parcial que ejerce ese gas sobre el líquido (aplicable a disoluciones diluidas):

c_a = H_cp · p

Mecanismos de Transferencia de Calor

1. Conducción (Ley de Fourier)

Es la transferencia de energía interna por colisiones microscópicas de partículas entre diferentes partes de un cuerpo, o entre dos cuerpos en contacto sin intercambio de materia:

Q / Δt = (k · A / l) · (T₁ - T₂)

2. Convección (Ley de Enfriamiento de Newton)

Consiste en el transporte de calor por el movimiento de un fluido debido a efectos de expansión térmica y flotabilidad. Involucra el transporte de calor y materia mediante la mezcla de porciones macroscópicas calientes y frías de gases o líquidos, incluyendo el intercambio de calor entre una superficie sólida y un fluido:

Q / Δt = h · A_s · (T_s - T_inf)

3. Radiación (Ley de Stefan-Boltzmann)

Es la radiación emitida por un cuerpo debido exclusivamente a su temperatura:

Q / Δt = ε · σ · A · T⁴