2. Sistemas termodinámicos
Las máquinas térmicas están basadas en los principios fundamentales de la termodinámica . Esta es la parte de la física que se ocupa de la energía en forma de calor, de sus transformaciones en energía mecánica y de su capacidad para producir trabajo. Los sistemas que estudia la Termodinámica se llaman sistemas termodinámicos.
Parte del universo separada del resto por unas paredes (reales o imaginarias) donde se producen fenómenos energéticos, intercambiando materia y energía con su entorno.
Según la relación entre el sistema y el entorno, se distinguen los siguientes sistemas termodinámicos:
- Aislado: no hay intercambio de materia ni energía con el entorno (un fluido encerrado en un recipiente con paredes que no pueden moverse y aislado térmicamente del exterior).
-
Cerrado: hay intercambio de energía, pero no de materia. Ese intercambio de energía solo
puede producirse como calor y trabajo (etapa de expansión o de combustión en el motor de 4T).
-
Abierto: puede intercambiar materia y energía (motor térmico como el turbofan).
El estado termodinámico de un sistema macroscópico (un promedio del comportamiento de las partículas, ya que cada mol de una sustancia consta de 10²³ partículas y sería imposible estudiarlas) describe su situación interna y viene
representado por sus propiedades termodinámicas.
Desde el punto de vista termodinámico, en el estudio de los sistemas físicos solo interesan el estado inicial y el estado final, no el camino seguido para su transformación. Por esta razón las variables del sistema termodinámico se tratan como funciones de estado y pueden relacionarse mediante una ecuación de estado.
Por tanto, el "estado" es la fotografía interna del sistema en un momento dado. Aunque existen muchas variables (masa, densidad, etc.), nos centramos en el caso ideal en tres variables principales como son:
Presión (P), Volumen (V) y Temperatura (T)
Expresión matemática que determina las condiciones de equilibrio entre las variables que identifican el sistema.
Para un gas ideal obtenemos la siguiente ecuación en función de las tres variables P,V y T:
p · V = n · R · T
- p: presión en atm, bar o Pa
- V: volumen en L o en m³
- n: número de moles de la sustancia(átomos, moléculas, etc.). Nº de Avogadro: 6,022 · 10²³ partículas
- R: constante de los gases ideales
- T: temperatura se mide en Kelvin (K) ( T(ºC) + 273)
El valor de R depende de las unidades en que se mida P, V y T:
El valor de R depende de las unidades en que se mida P, V y T.
Recordatorio de conversiones que se usan en ejercicios:
1 atm = 1,013·105 Pa; 1 Pa = 1 N/m2; 1 bar = 105 Pa.
Energía térmica
Cuando tocamos un cuerpo, no “sentimos” su temperatura exacta ni el calor que posee; sentimos el flujo de calor (entrante o saliente) que depende de la diferencia entre su temperatura y la de nuestra mano.
- Si el cuerpo está a mayor temperatura que la mano, el calor pasa hacia la mano y lo percibimos como “caliente”.
- Si está a menor temperatura, el flujo va en sentido contrario y lo percibimos como “frío”.
El calor (Q) es una forma de energía que se transfiere entre dos cuerpos o sistemas por diferencia de temperatura. La transferencia se produce por:
- Conducción, entre sólido y sólido por contacto.
- Convección, entre una superficie y un fluido como aire o agua.
- Radiación, entre dos superficies separadas.
En todo intercambio de calor existen dos focos a distinta temperatura que los denominamos:
- Foco caliente: es el foco de mayor temperatura (Tc o T1).
- Foco frío: menor temperatura (Tf o T2).
El calor fluye espontáneamente del foco caliente al foco frío, elevando la temperatura del frío y disminuyendo la del caliente (de T1 a T2; de Tc a Tf).
En cambio, el fujo de calor desde un objeto a menor temperatura al de mayor temperatura no surge espontáneamente. Para que el calor pase del frío al caliente hace falta aportar trabajo desde el entorno sobre el sistema (por ejemplo, nevera o aire acondicionado).
La transferencia de calor se calcula con del más caliente al frio viene dada por la expresión:
- Q: calor cedido o ganado en cal o J
- m: masa en g o kg
- c: calor específico
- Tf, Ti: temperatura final e inicial en ºC o K
- L: calor de cambio de fase
Signo del calor:
- Si Ti > Tf, el sistema pierde calor → Q < 0
- Si Ti < Tf, el sistema gana calor → Q > 0
La transferencia de calor continúa hasta alcanzar la temperatura de equilibrio. En ese momento el calor perdido por un sistema es igual al calor ganado por el otro: Qc = − Qf.
El calor específico (c) de la formula anterior se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a 1 gr de masa de una sustancia para elevar su temperatura 1 ºC.
Cuando un gas se calienta, el calor necesario depende de si el gas puede expandirse o no. Además, no es lo mismo calentar un gas a volumen constante que a presión constante, el calor necesario cambia. Por ello se definen dos calores específicos distintos, a V constante y a P constante:
A. Calor específico a Volumen constante (Cv): Ocurre cuando el gas está encerrado en un recipiente rígido que no puede cambiar de tamaño. Todo el calor que entregamos se usa exclusivamente para aumentar la temperatura (energía interna)
Cv (V cte): Q = n · Cv · (Tf − Ti)
B. Calor específico a Presión Constante (Cp): Ocurre cuando el gas puede expandirse (como un pistón que sube) mientras lo calentamos para mantener la misma presión. Aquí necesitamos más calor, porque parte de esa energía se gasta en empujar las paredes para expandirse (realizar trabajo) y la otra parte en calentar el gas
Cp (P cte): Q = n · Cp · (Tf − Ti)
El cociente entre ambos tipos de calores se denomina coeficiente o índice adiabático de un gas ideal y nos indica qué tan "elástico" es el gas térmicamente:
γ = Cp / Cv.
Además la diferencia entre Cp y Cv coincide con el valor de la constante R de los gases perfectos o ideales: R = Cp − Cv.
Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando sus variables macroscópicas (P, V y T) y sus propiedades termodinámicas no cambian a lo largo del tiempo siempre que mantengamos sin cambios las condiciones ambientales y ni interactúe con otros sistemas.
Cuando el sistema macroscópico pasa de estado inicial de equilibrio a otro final también de equilibrio, se dice que tiene lugar un proceso termodinámico (el viaje de un estado a otro, como el gas cuando se calienta y expande) y el cambio de las variables del sistema a lo largo del tiempo se conoce como transformación. Los diferentes estados intermedios por los que pasa el sistema durante el proceso se llaman camino o trayectoria del proceso.