Fundamentos de Termodinámica: Principios, Transformaciones y el Ciclo de Carnot
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Fundamentos de Termodinámica: Principios y Transformaciones
Los Principios Fundamentales de la Termodinámica
Primer Principio de la Termodinámica (Conservación de la Energía)
El Primer Principio de la termodinámica establece la relación entre el calor (Q) y el trabajo (W). No todo el calor aportado a un sistema se emplea en producir trabajo, sino que una parte se emplea en aumentar la energía interna (U) de las partículas constituyentes del sistema.
Segundo Principio de la Termodinámica (Dirección de los Procesos)
El Segundo Principio de la termodinámica puede tener varios enunciados equivalentes. Uno de ellos, el enunciado de Clausius, establece que no es posible ningún proceso físico cuyo único resultado sea el paso de calor de un recinto a otro de mayor temperatura.
Transformaciones Termodinámicas Clave
A continuación, se describen las principales transformaciones que puede experimentar un gas:
Transformación Isócora (Volumen Constante)
En este tipo de transformación, el gas evoluciona desde el estado inicial (1) hasta el estado final (2) sin variar de volumen (V = cte). Como no se produce expansión ni compresión del gas, no se realiza trabajo.Transformación Isóbara (Presión Constante)
En este tipo de transformación, el gas evoluciona desde el estado inicial hasta el final sin variar de presión (P = cte). Se produce una expansión del gas desde el estado inicial hasta el final, lo que implica la realización de trabajo.Transformación Isoterma (Temperatura Constante)
En este tipo de transformación, el gas evoluciona desde el estado inicial hasta el final sin modificar su temperatura (T = cte). Cuando un gas pasa del estado inicial al final, se expande y realiza un trabajo. Como la temperatura no ha variado, tampoco lo ha hecho la energía interna (ΔU = 0), por lo que, de acuerdo con el Primer Principio: Q = W.Transformación Adiabática (Sin Intercambio de Calor)
En este tipo de transformación, el sistema evoluciona desde el estado inicial hasta el final sin intercambio de calor (Q = 0).El Ciclo de Carnot: Rendimiento Máximo Teórico
El Ciclo de Carnot es un ciclo teórico, puesto que se supone reversible, pero los procesos reversibles no tienen lugar en la naturaleza. Este ciclo establece el rendimiento máximo que puede ofrecer un motor térmico operando entre dos focos de temperatura, T¹ y T².
El ciclo está formado por dos transformaciones isotérmicas y otras dos adiabáticas. Suponemos que el sistema está formado por un gas ideal.
Fases del Ciclo de Carnot (Gas Ideal)
- Expansión Isoterma (1-2): El gas en el punto 1 está a temperatura T¹, ocupa un volumen V¹, y está sometido a la presión P¹. Se expande aumentando su volumen hasta V², manteniendo su temperatura constante (T¹). Absorbe una cantidad de energía en forma de calor (Q¹) y realiza un trabajo contra el exterior.
- Expansión Adiabática (2-3): Desde el punto 2, el gas se expande adiabáticamente (es decir, sin intercambio de calor) desde el volumen V² hasta el volumen V³ y su temperatura disminuye desde T¹ hasta T².
- Compresión Isoterma (3-4): A continuación, el gas se comprime por la acción de un trabajo exterior hasta reducir su volumen a V⁴, manteniendo su temperatura constante (T²) y cediendo una cantidad de calor (Q²) al entorno.
- Compresión Adiabática (4-1): Finalmente, el gas recupera su posición inicial siguiendo una transformación adiabática en la que su volumen disminuye hasta V¹ y su temperatura pasa de T² a T¹.