Conceptos Fundamentales de Termodinámica
Temperatura: Es la medida de la energía cinética media de las partículas de un cuerpo.
Equilibrio térmico: Se produce cuando dos cuerpos alcanzan una temperatura en común.
Calor: Es el proceso de intercambio de energía entre cuerpos o sistemas como consecuencia de su distinta temperatura.
Formas de Transmisión del Calor
- Conducción: En este proceso no hay movimiento microscópico de masa. Se da principalmente en los sólidos, sobre todo en conductores del calor. Las partículas del sólido están muy unidas entre sí, por lo que, si se aplica calor a una, rápidamente se transmite al resto. Existen materiales conductores y aislantes.
- Convección: En este caso hay movimiento microscópico de masa. Se da en fluidos y gases. Al transmitir calor a la base de un objeto, la densidad cambia: las partículas menos densas ascienden y las más densas descienden.
- Brisa marina: Durante el día, la tierra se calienta antes que el mar, por lo que el aire caliente sobre la tierra asciende y, desde el mar, se desplaza aire a menor temperatura para ocupar ese espacio.
- Brisa terrestre: Por la noche el efecto es el contrario; la tierra se enfría antes que el mar, donde se produce el ascenso del aire caliente.
- Radiación: El calor se transmite mediante ondas electromagnéticas.
Propiedades y Cambios de Estado
Calor específico: Es la cantidad de calor que hay que comunicar a un kilogramo de una sustancia para que aumente su temperatura un grado Kelvin.
Cambios de estado: Se producen cuando se comunica calor a un cuerpo sólido o líquido y llega un momento en el que no puede seguir aumentando la energía cinética de sus partículas. En ese punto, el calor se utiliza para debilitar la atracción entre ellas. Estos cambios se originan a temperatura constante, ya que la energía cinética de las partículas no varía.
Dilatación de la Materia
Dilatación en Sólidos
Al subir la temperatura, incrementa la amplitud de la vibración de las partículas que lo forman, lo que provoca un aumento en sus dimensiones.
- Coeficiente de dilatación lineal: Es la variación de longitud que experimenta la unidad de longitud al aumentar la temperatura un grado Kelvin.
Dilatación en Líquidos
Generalmente aumentan su volumen al incrementar su temperatura, a excepción del agua, que al aumentar la temperatura disminuye su volumen (fenómeno conocido como dilatación anómala).
Dilatación en Gases
Sus partículas se mueven con total libertad y tienden a ocupar todo el volumen disponible. Si aumenta la temperatura, las partículas tienen una mayor movilidad, lo que se traduce en dos fenómenos:
- Aumento del volumen a presión constante: El aumento de volumen es mayor que en sólidos y líquidos debido a que las fuerzas de cohesión son más débiles.
- Aumento de la presión a volumen constante: No se considera dilatación propiamente dicha, ya que el volumen no varía.
Máquinas Térmicas
Son máquinas que obtienen trabajo a partir del calor. Constan de un foco caliente (del que obtienen energía), un mecanismo que transforma la energía en trabajo y un foco frío que recibe la energía no aprovechada. Utilizan combustible para elevar la temperatura y se clasifican según dónde ocurra la combustión:
- Combustión interna: Tiene lugar dentro de la propia máquina. Ejemplos de esto son los motores de 2 y 4 tiempos y el diésel. Los gases producidos en la combustión realizan el trabajo.
- Combustión externa: Tiene lugar fuera de la máquina; en el interior hay un gas que aprovecha este calor para expandirse.
Funcionamiento del Motor de 4 Tiempos
Desarrollado en el último cuarto del siglo XIX, fue vital para el avance de la industria. El motor está formado por cilindros con pistones que completan el ciclo en cuatro etapas, transmitiendo el movimiento a un cigüeñal.
- Admisión: Se abre la válvula de admisión y el pistón, al bajar, aspira la mezcla de combustible. El cigüeñal da media vuelta.
- Compresión: Con las válvulas cerradas, el pistón sube comprimiendo la mezcla a máxima presión. El cigüeñal completa otra media vuelta.
- Expansión: Se provoca la combustión de la mezcla. Los gases se expanden y obligan al pistón a bajar, obteniendo así el trabajo.
- Escape: El pistón asciende, se abre la válvula de escape y los gases se expulsan fuera del cilindro.
Rendimiento y Refrigeración
Rendimiento: Es la relación entre la energía transformada en trabajo y la energía total consumida.
El Frigorífico
Louis Abel Charles Tellier desarrolló el primero en 1858. Antes de su invención, los alimentos se conservaban en armarios aislados con paja o pizarra llenos de hielo. Su aparición fue un gran avance científico y sanitario.
Funcionamiento del Frigorífico
Trabaja entre dos focos y obliga al calor a salir del foco frío hacia el caliente mediante la aportación de trabajo. Este modelo se denomina bomba de calor. El proceso se realiza mediante un circuito de líquido refrigerante:
- Vaporización: El líquido pasa por una zona donde se expande repentinamente, disminuye su presión y se convierte en gas, absorbiendo el calor de los alimentos.
- Compresión: Para recuperar la sustancia, el gas pasa por un compresor que aumenta su presión.
- Condensación: El gas a alta presión pasa al condensador, donde se convierte en líquido y cede al medio el calor latente.
- Expansión: Finalmente, pasa por una válvula de expansión (tubo en forma de bobina) para disminuir la presión antes de reiniciar el ciclo en el evaporador.