Fundamentos de Termodinámica: Temperatura, Calor, Cambios de Estado y Motores Térmicos

Fundamentos de Termodinámica: Conceptos Clave y Aplicaciones

1. Temperatura y Energía Térmica

• Temperatura: Es la medida de la agitación térmica de las partículas que forman un cuerpo.
• Energía Térmica: Se debe al movimiento de las partículas de un cuerpo.

2. Escalas Termométricas

Las escalas termométricas permiten cuantificar la temperatura:

• Celsius (ºC): Asigna el valor 0 a la temperatura de fusión del agua y el valor 100 a la temperatura de ebullición del agua a presión atmosférica normal.
• Fahrenheit (ºF): Asigna el valor 32 a la temperatura de fusión del agua y el valor 212 a la de ebullición.
• Kelvin (K): Es la unidad de temperatura del Sistema Internacional. Se corresponde con 273 K para la fusión del agua y 373 K para la ebullición. La relación es K = ºC + 273.

3. Tipos de Termómetros

Existen diversos termómetros adaptados a diferentes rangos y usos:

• Clínico: Utilizado en hospitales, con un rango típico de 34°C a 42°C.
• Medioambiental: Para ecosistemas, con rangos amplios como -70°C a 75°C.
• Industrial: Empleado en procesos como la fermentación, con rangos como 15°C a 80°C.
• Digital: Usado en competiciones olímpicas de agua, con rangos específicos como 20°C a 27°C.
• Atómico: Para medir temperaturas extremas en astros, con rangos como -15°C y -180°C.

4. Calor y su Transmisión

• Calor: Es una forma de transmisión de la energía que se produce cuando existe una diferencia de temperatura entre dos cuerpos o entre diferentes partes de un mismo cuerpo.

4.1. Formas de Transmisión del Calor

El calor puede transmitirse de tres maneras principales:

• Conducción: Ocurre principalmente en sólidos. Es la transferencia de calor a través del contacto directo, donde la energía se propaga de partícula a partícula.
• Convección: Se da en fluidos (líquidos y gases). Implica el movimiento de masas de fluido que distribuyen el calor por todo el volumen.
• Radiación: No necesita un medio material para realizarse. Todos los cuerpos emiten calor por radiación en forma de ondas electromagnéticas.

Cambios de Estado y Propiedades de la Materia

5. Cambios Físicos y Químicos

• Cambios Físicos: Son aquellos en los que las sustancias no se transforman en otras diferentes, solo cambian su estado o apariencia.
• Cambios Químicos: Son aquellos en los que las sustancias se transforman en otras nuevas con propiedades distintas.

6. Fenómenos de Vaporización

• Ebullición: Es una forma rápida de vaporización que provoca la formación de burbujas de vapor en el interior del líquido a una temperatura específica (punto de ebullición).
• Evaporación: La vaporización que tiene lugar en la superficie del líquido a cualquier temperatura por debajo del punto de ebullición.

7. Ciclo de Cambios de Estado

Los estados de la materia (sólido, líquido y gaseoso) pueden interconvertirse:

SÓLIDO → FUSIÓN → LÍQUIDO → VAPORIZACIÓN → GASEOSO → CONDENSACIÓN → LÍQUIDO → SOLIDIFICACIÓN → SÓLIDO

8. Dilatación

• Dilatación: Es el aumento de volumen de un material debido a un incremento de temperatura.

Aplicaciones y Impacto de la Energía Térmica

9. Motores Térmicos

• Aplicaciones de la Energía Térmica: Los motores térmicos o de combustión aprovechan la energía térmica liberada por un combustible y la transforman en energía mecánica.

9.1. Tipos de Motores Térmicos

• Motor de combustión externa.
• Motor de combustión interna.

10. Eficiencia Energética

• Máquina Ideal: Aquella que pudiese transformar toda la energía recibida en trabajo útil con un rendimiento del 100%.
• Rendimiento: Es la cantidad de energía que se transforma en energía útil en un proceso o máquina.

11. Impacto Ambiental de los Motores de Combustión

11.1. Gases Perjudiciales Liberados por Motores de Combustión

La combustión de combustibles fósiles libera gases con efectos nocivos para la atmósfera:

• Dióxido de carbono (CO₂): Principal causante del efecto invernadero y el calentamiento global.
• Óxidos de nitrógeno (NOx) y azufre (SOx): Producen la lluvia ácida, que contamina suelos y aguas, y daña la vegetación y las estructuras.