Principios Básicos de la Termodinámica y Transformación de Energía

Fundamentos de la Termodinámica

La termodinámica estudia los procesos de transformación de trabajo en calor y viceversa, estableciendo las equivalencias entre ambos y las condiciones bajo las cuales puede obtenerse trabajo a partir de energía térmica.

Sistemas Termodinámicos

Un sistema termodinámico es una parte pequeña del universo separada de todo lo que la rodea por superficies reales o imaginarias, denominadas fronteras. Estos pueden clasificarse en:

• Homogéneos o heterogéneos.
• Abiertos, cerrados o aislados.

Estados del Sistema

El estado de un sistema se describe mediante:

• Variables microscópicas: Describen el comportamiento de las partículas individuales.
• Variables macroscópicas: Describen el comportamiento global de un número muy elevado de partículas.

Las variables térmicas principales son la presión, el volumen y la temperatura. Las funciones de estado dependen solamente del sistema y no de los procesos que este haya experimentado para alcanzar dicho estado.

Transformaciones

Los procesos de cambio se clasifican según la variable que permanece constante:

• Isócora: Volumen constante (V = cte).
• Isobara: Presión constante (P = cte).
• Isoterma: Temperatura constante (T = cte).
• Adiabática: Sin intercambio de calor (Q = 0).

Leyes de la Termodinámica

Primer Principio

Establece que la diferencia de energía interna (ΔU) es igual a Q - W. Por lo tanto, confirma la imposibilidad de que se verifiquen procesos que no cumplan la ley de conservación de la energía.

Segundo Principio

El trabajo puede convertirse íntegramente en calor, pero la transformación de calor en trabajo es mucho más compleja y depende del medio. En este proceso, Q es mayor que W.

Procesos Reversibles e Irreversibles

• Procesos reversibles: El sentido se puede invertir en cualquier momento modificando infinitesimalmente las condiciones externas, encontrándose el sistema siempre en equilibrio.
• Procesos irreversibles: Son aquellos en los que los estados intermedios del sistema no son de equilibrio.

Entropía y Degradación de la Energía

La entropía mide el grado de desorden de un sistema. Se cumple que, en los procesos irreversibles, la entropía del sistema aumenta, mientras que en los procesos reversibles dentro de un sistema aislado permanece constante. Es imposible que ocurran espontáneamente procesos que supongan una disminución de entropía.

Existe una diferencia cualitativa entre calor y trabajo; el rendimiento de una máquina térmica nunca será del 100%. El calor representa una forma degradada de la energía, ya que ha perdido capacidad para producir trabajo. Por tanto, el aumento de entropía mide la degradación de la energía.