Introducción a la Termodinámica: Principios y Procesos
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Formas de Transferencia de Calor
La transferencia de calor es el proceso por el cual la energía térmica se mueve de un sistema a otro. Cuando una sustancia absorbe o pierde calor, este proceso se puede dar de las siguientes formas:
Conducción
La conducción ocurre cuando hay contacto directo entre dos cuerpos o dentro de un mismo material a diferentes temperaturas. La transferencia de calor se produce de molécula a molécula. El mejor conductor del calor es la plata, pero debido a su costo, se utiliza más comúnmente el cobre.
Convección
La convección es el proceso que transfiere calor mediante el movimiento real de la masa en un fluido (líquido o gas). Las corrientes de convección son fundamentales en sistemas de calefacción y refrigeración. Este proceso se basa en las diferencias de densidad: al aumentar la temperatura, la densidad disminuye. Cuando se calienta una sustancia, las partículas en la superficie (más frías) descienden debido a su mayor densidad, mientras que las partículas cercanas a la fuente de calor ascienden porque su densidad disminuye con el aumento de temperatura. Ejemplos comunes incluyen las corrientes marítimas, los calentadores de agua y los refrigeradores.
Radiación
La radiación se refiere a la transferencia de energía a través de ondas electromagnéticas. Así es como el calor del Sol llega a la Tierra. La luz visible y otras formas de radiación electromagnética se denominan comúnmente energía radiante.
Conceptos Clave de la Termodinámica
Cuerpo Negro
Un cuerpo negro es un objeto ideal que absorbe toda la radiación incidente y emite la máxima cantidad de radiación posible para su temperatura. Su concepto se utiliza para comparar la emisividad de diversas superficies, aplicando la ley de Stefan-Boltzmann.
Proceso Termodinámico
Un proceso termodinámico se define como el cambio que ocurre en un sistema.
Termodinámica
La termodinámica es la rama de la física que estudia la acción mecánica del calor y otras formas de energía.
Ley Cero de la Termodinámica
La ley cero de la termodinámica establece que si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces están en equilibrio térmico entre sí. Esto significa que si tienen la misma temperatura.
Primera Ley de la Termodinámica
La primera ley de la termodinámica, también conocida como el principio de conservación de la energía, establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.
Segunda Ley de la Termodinámica
La segunda ley de la termodinámica establece que el calor siempre fluye espontáneamente de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura.
Procesos Termodinámicos
- Isotérmico: Proceso en el que la temperatura permanece constante (se relaciona con la ley de Boyle). Toda la energía absorbida por el sistema se convierte en trabajo de salida.
- Isocórico (o Isovolumétrico): Proceso en el que el volumen del sistema permanece constante. Toda la energía térmica absorbida incrementa la energía interna del sistema, aumentando su temperatura.
- Adiabático: Proceso en el que no hay intercambio de calor (ΔQ = 0) entre el sistema y sus alrededores. El trabajo se realiza a expensas de la energía interna, y generalmente se acompaña de un descenso de la temperatura.
- Isobárico: Es aquella que se efectúa cuando se mantiene constante a la presión y la representa la ley de Gay-Lussac.
Leyes de los Gases
Ley de Boyle
La ley de Boyle establece que, a temperatura constante, el volumen de una masa fija de gas es inversamente proporcional a la presión que soporta.
Ley de Avogadro
La ley de Avogadro afirma que volúmenes iguales de diferentes gases, a la misma temperatura y presión, contienen el mismo número de moléculas. Este número es conocido como el número de Avogadro (N ≈ 6.022 x 1023).
Gas Ideal
Un gas ideal es un modelo teórico de gas que obedece las leyes de los gases (Boyle, Charles, Gay-Lussac y Avogadro). Los gases reales se comportan como gases ideales a bajas presiones y altas temperaturas.