Estudioteca » Fundamentos de la Termodinámica: Energía, Calor y Sistemas

¿Qué es la Termodinámica?

La termodinámica (del griego thermos, «calor», y dynamis, que significa «fuerza») es una rama de la física que estudia los cambios de temperatura, presión y volumen de los sistemas físicos a un nivel macroscópico. Aproximadamente, calor significa ‘energía en tránsito’ y dinámica se refiere al ‘movimiento’, por lo que, en esencia, la termodinámica estudia la circulación de la energía y cómo esta infunde movimiento. Históricamente, la termodinámica se desarrolló a partir de la necesidad de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor.

Dimensiones y Unidades en Física

Cualquier medida física tiene dimensiones y debe ser expresada en las unidades correspondientes a estas, de acuerdo con un sistema de unidades particular.

Dimensión: Es el nombre que se le da a las cantidades físicas, como longitud, masa, tiempo, etc.
Unidad: Es la medida de la dimensión. Por ejemplo, pie, metro y milla son unidades de la dimensión longitud.

Equilibrio Termodinámico y Energía Interna

Equilibrio Termodinámico

El estado local de un sistema termodinámico en equilibrio queda determinado por los valores de sus cantidades y sus parámetros intensivos, como son la temperatura, la presión, etc. El equilibrio termodinámico se caracteriza por tener un valor mínimo en sus potenciales termodinámicos, tales como la energía de Helmholtz (en sistemas con temperatura y volumen constantes) o la energía libre de Gibbs (en sistemas con presión y temperatura constantes): G = H - TS.

Se dice que un sistema ha llegado al equilibrio termodinámico cuando no experimenta cambios al haber sido aislado de su entorno. Para ello, ha de encontrarse simultáneamente en equilibrio mecánico (el valor de sus presiones es el mismo) y en equilibrio químico (el valor de sus potenciales químicos es el mismo).

Energía Interna

La energía interna es el resultado de la contribución de la energía cinética de las moléculas o átomos que constituyen un sistema, de sus energías de rotación, traslación y vibración, además de la energía potencial intermolecular debida a las fuerzas de tipo gravitatorio, electromagnético y nuclear.

Sistemas y Procesos Termodinámicos

Tipos de Sistemas Termodinámicos

Sistemas Abiertos

Son los sistemas que presentan relaciones de intercambio con el ambiente a través de entradas y salidas. Los sistemas abiertos intercambian materia y energía regularmente con el medio ambiente.

Ejemplo: Un coche. Le echamos combustible (materia) y él desprende diferentes gases (materia) y calor (energía).

Sistemas Cerrados

Son aquellos que pueden intercambiar energía (calor y trabajo) con el exterior, pero no materia. La masa del sistema permanece constante.

Ejemplo: Un reloj de cuerda. No introducimos ni sacamos materia de él. Solo precisa un aporte de energía que emplea para medir el tiempo.

Sistemas Aislados

Son los que no presentan intercambio ni de materia ni de energía con el medio ambiente que los rodea; son herméticos a cualquier influencia ambiental.

Ejemplo: ¿Cómo encontrarlo si no podemos interactuar con él? Sin embargo, un termo lleno de comida caliente es una buena aproximación, ya que el envase no permite el intercambio de materia e intenta impedir que la energía (calor) salga de él.

Tipos de Procesos Termodinámicos

Procesos Isotérmicos: Son procesos en los que la temperatura no cambia.
Procesos Isobáricos: Son procesos en los cuales la presión no varía.
Procesos Isocóricos: Son procesos en los que el volumen permanece constante.
Procesos Adiabáticos: Son los procesos en los que no hay transferencia de calor alguna.

Leyes y Principios Fundamentales

Primera Ley de la Termodinámica o Ley de la Conservación de la Energía

La ley de la conservación de la energía constituye el primer principio de la termodinámica y establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Como consecuencia de ello, un aumento del contenido de energía de un sistema requiere de una correspondiente disminución en el contenido de energía de algún otro sistema.

El Calor (Q)

El calor (representado con la letra Q) es la energía transferida de un sistema a otro (o de un sistema a sus alrededores) debido, en general, a una diferencia de temperatura entre ellos. El calor que absorbe o cede un sistema termodinámico depende normalmente del tipo de transformación que ha experimentado dicho sistema.

Superficie y Diagrama PVT

El diagrama PVT es la representación en el espacio tridimensional Presión – Volumen específico – Temperatura de los estados posibles de un compuesto químico.

Estos estados configuran en el espacio PVT una superficie discontinua. Las discontinuidades se deben a los cambios de estado que sufre el compuesto al variarse las condiciones de presión y temperatura, que son las variables que suelen adoptarse como independientes en los estudios y cálculos termodinámicos, principalmente por la relativa sencillez de su medida.

Ecuación del Gas Ideal

La ecuación que describe normalmente la relación entre la presión, el volumen, la temperatura y la cantidad (en moles) de un gas ideal es:

P · V = n · R · T

Donde:

P = Presión
V = Volumen
n = Moles de gas.
R = Constante universal de los gases ideales (8,314472 J/mol·K) o (0,0821 atm·L/mol·K)
T = Temperatura en Kelvin.

Transferencia de Calor y Magnitudes Termodinámicas

Mecanismos de Transferencia de Calor

El calor es la energía en tránsito desde un sistema con alta temperatura a otro con más baja temperatura. Se asocia con la energía interna cinética y potencial de un sistema (movimiento molecular aparentemente desorganizado).

El calor siempre fluye desde una región con temperatura más alta hacia otra con temperatura más baja. La transferencia o dispersión del calor puede ocurrir a través de tres mecanismos posibles:

Conducción: Flujo de calor a través de medios sólidos por la vibración interna de las moléculas y de los electrones libres, y por choques entre ellas.
Convección: Es el flujo de calor mediante corrientes dentro de un fluido (líquido o gaseoso). La convección es el desplazamiento de masas de algún líquido o gas.
Radiación: Es la transferencia de calor por medio de ondas electromagnéticas.

Calor Específico y Energía Interna

Calor Específico (c)

El calor específico o capacidad calorífica específica (c) de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para aumentar su temperatura en una unidad por unidad de masa, sin cambio de estado:

c = Q / (m · ΔT)

Donde c es el calor específico, Q es la cantidad de calor, m la masa y ΔT la diferencia entre las temperaturas inicial y final. Su unidad en el Sistema Internacional (SI) es el julio por kilogramo y kelvin: J/(kg·K).

Energía Interna (U)

En física, la energía interna (U) de un sistema intenta ser un reflejo de la energía a escala microscópica. Más concretamente, es la suma de:

La energía cinética interna, es decir, la suma de las energías cinéticas de las partículas que lo forman respecto al centro de masas del sistema.
La energía potencial interna, que es la energía potencial asociada a las interacciones entre estas partículas.

Entalpía (H)

Entalpía (del prefijo en- y del griego thalpein, ‘calentar’) es un término acuñado en 1850 por el físico alemán Rudolf Clausius. La entalpía es una magnitud de la termodinámica, simbolizada con la letra H. La variación de entalpía expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico; es decir, la cantidad de energía que tal sistema puede intercambiar con su entorno.

La entalpía se define mediante la siguiente fórmula:

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