Termodinámica Estudia el Calor

Objetivos

Terminada la lección podrás:

• Explicar lo que es calor y su transformación en energía.
• Explicar las leyes y principios que explican las leyes de termodinámica.

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El calor y su transformación:

Al estudio del calor y su transformación en energía mecánica se le llama termodinámica.  La palabra es derivada de palabras griegas que significan “movimiento del calor”.  La base de la termodinámica es la conservación de la energía ya que esta fluye espontáneamente desde lo más caliente a lo frío y no a la inversa. Esta rama de la termodinámica se encarga de explicar lo que ocurre con el flujo o transferencia del calor y otras fuentes de energía. Este flujo de calor produce la fuerza motríz que se utiliza para realizar trabajo.

 Leyes y principios

La termodinámica proporciona las leyes y principios que sirven para la construcción de máquinas térmicas como lo son las turbinas de vapor, los refrigeradores y hasta la calefacción. La termodinámica estudia la transformación de la energía en calor. Un dato curioso es el uso del botijo para enfriar el agua.

La Termodinámica Estudia las Transformaciones

La termodinámica es la rama de la física que estudia las transformaciones de la energía, especialmente la energía calorífica, y cómo esta se relaciona con otras formas de energía, como el trabajo mecánico. Se centra en el análisis macroscópico de los sistemas, es decir, en las propiedades generales de la materia, como la temperatura, la presión y el volumen, sin considerar la estructura atómica o molecular.

Conceptos clave en termodinámica:

• Sistema: Es la porción del universo que se estudia. Puede ser un objeto, una cantidad de sustancia o una región del espacio.
• Entorno: Es todo lo que rodea al sistema y puede interactuar con él.
• Frontera: Es la superficie que separa el sistema del entorno.
• Variables termodinámicas: Son las propiedades macroscópicas que describen el estado de un sistema, como la temperatura (T), la presión (P), el volumen (V), la energía interna (U) y la entropía (S).
• Proceso termodinámico: Es cualquier cambio en el estado de un sistema, caracterizado por la variación de sus variables termodinámicas.
• Equilibrio termodinámico: Es el estado en el que un sistema no experimenta cambios en sus variables termodinámicas a lo largo del tiempo.

Leyes de la termodinámica:

La termodinámica se basa en cuatro leyes fundamentales, también conocidas como principios:

• Ley cero de la termodinámica: Si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces también están en equilibrio térmico entre sí. Esta ley establece el concepto de temperatura y permite la construcción de termómetros.
• Primer principio de la termodinámica (Ley de conservación de la energía): La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. ¹ En un sistema cerrado, la variación de la energía interna es igual al calor añadido al sistema menos el trabajo realizado por el sistema. Matemáticamente se expresa como: ΔU = Q – W, donde ΔU es el cambio en la energía interna, Q es el calor añadido al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.   1. slideplayer.es slideplayer.es
• Segundo principio de la termodinámica: La entropía de un sistema aislado tiende a aumentar con el tiempo. La entropía es una medida del desorden o la aleatoriedad de un sistema. Este principio implica que los procesos termodinámicos son irreversibles y que no toda la energía calorífica puede convertirse en trabajo útil.
• Tercer principio de la termodinámica: Al llegar al cero absoluto (0 Kelvin o -273.15 °C), la entropía de un sistema cristalino perfecto se aproxima a cero.

Aplicaciones de la termodinámica:

La termodinámica tiene una amplia gama de aplicaciones en diversas áreas de la ciencia y la tecnología, incluyendo:

• Ingeniería mecánica: Diseño de motores térmicos, turbinas, refrigeradores y sistemas de aire acondicionado.
• La Ingeniería química: Estudio de reacciones químicas, equilibrio químico y procesos de separación.
• Ingeniería de materiales: Comprensión de las propiedades térmicas de los materiales y diseño de nuevos materiales.
• Meteorología: Estudio de la atmósfera y los fenómenos climáticos.
• Cosmología: Estudio del origen y la evolución del universo.
• Biología: Estudio de los procesos energéticos en los seres vivos.

Resumen

En resumen, la termodinámica es una rama fundamental de la física que proporciona un marco teórico para comprender las transformaciones de la energía y su relación con las propiedades macroscópicas de la materia. Sus leyes y conceptos son esenciales en numerosas áreas de la ciencia y la tecnología.

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Simulaciones

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Enlaces externos para explorar

• Conceptos de Física: Hyperphysics
• Libros:
  • Física Moderna de Paul A. Tipler
  • Física Moderna – Raymond A. Serway
• NASA: Science Explorer Poster Series
• Physical Sciences Resource Center: PSRC
• Simulaciones: PhET
• Tutorial de Física en Inglés: Physics Classroom
• Wikipedia en Español: Wikipedia

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Vídeo

Las leyes de la termodinámica

Principios de la termodinámica

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