Fundamentos de Termodinámica y Transferencia de Calor

Conceptos Fundamentales de Energía Térmica

• Energía Térmica: Representa la energía interna total de un objeto, siendo la suma de sus energías moleculares (potencial y cinética).
• Calor: Es una energía en tránsito que fluye de cuerpos a mayor temperatura a los de menor temperatura. Es la transferencia de energía térmica por diferencia de temperatura.
• Temperatura: Magnitud física que indica qué tan caliente o fría es una sustancia respecto a un cuerpo que se toma como base o patrón.

Mecanismos de Propagación del Calor

El calor siempre se propaga de los cuerpos calientes a los fríos, de tres formas:

• Conducción: Propagación de calor en un sólido por choque entre moléculas.
• Convección: Propagación del calor que se da por el movimiento de la sustancia caliente.
• Radiación: Propagación de calor por ondas electromagnéticas esparcidas (incluso en el vacío), a una rapidez de 300,000 km/s.

Propiedades Térmicas de los Materiales

• Conductividad Térmica: Define la facilidad con la que los materiales transmiten calor. Se mide en el Sistema Internacional con la relación W/(m·K). El orden de conductividad es: 1. Metales, 2. Cerámicos, 3. Orgánicos y compuestos, 4. Polímeros.
• Resistividad Térmica: Determina la facilidad con la que los materiales aíslan el calor.
• Dilatación y Contracción: Cuando aumenta la temperatura de una sustancia, sus moléculas (átomos) se mueven con rapidez y se alejan entre sí, provocando la expansión o dilatación de la sustancia.
• Cambios de Fase: Determinan la temperatura e intervienen en el calor que absorben o pierden los cuerpos en los cambios de estado (ej. de sólido a líquido).
• Modificación de Estructura: Se aplica calor con calentamiento constante y se produce un cambio de estructura física a nivel molecular, afectando la elasticidad, dureza, ductilidad y tenacidad.
• Calor Específico: La cantidad de calor que necesita un gramo de una sustancia para elevar su temperatura un grado centígrado.

Medición y Mezclas

Cuando se realizan mezclas que permiten una óptima transmisión de calor, se pueden realizar estimaciones del cambio de temperatura al suponer una despreciable pérdida de calor hacia el entorno.

Calorímetro: Instrumento de aluminio para experimentos cuantitativos de intercambio de calor mediante mezclas, fabricado para evitar pérdidas de calor.

Termodinámica

Es la rama de la física encargada del estudio de las transformaciones del calor en trabajo y viceversa.

• Sistema Termodinámico: Porción de materia que se separa del resto del universo gracias a un límite para poder estudiarlo.
• Adiabático: Si el sistema no cede ni recibe calor; se realiza a calor constante con fronteras adiabáticas.
• No adiabático: Interacciona térmicamente con el alrededor; fluye con paredes determinadas y se produce un cambio en los alrededores.

Tipos de Procesos Termodinámicos

• Isobárico: Presión constante.
• Isocórico: Volumen constante.
• Isotérmico: Temperatura constante.

Leyes de la Termodinámica

• Ley 0: La temperatura es una propiedad que tiene cualquier sistema termodinámico y existirá equilibrio térmico entre dos sistemas. El calor se transmite solo de los calientes a los fríos.
• Ley 1: La energía no puede crearse o destruirse, solo transformarse. Cualquier proceso termodinámico absorbido por un sistema es igual a la suma del trabajo neto.
• Ley 2: Según Rudolph Clausius, el calor no puede, por sí mismo y sin la intervención de un agente externo, pasar de un cuerpo frío a un cuerpo caliente. Según William Thomson, es imposible construir una máquina que transforme en trabajo todo el calor que se suministra.
• Ley 3: Entropía, magnitud física utilizada por la termodinámica para medir el grado de desorden de la materia. La entropía de un sólido cristalino puro y perfecto puede tomarse como 0 a la temperatura del cero absoluto.

El cero absoluto es la temperatura a la cual las moléculas de las sustancias tienen su energía cinética mínima.