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Una introducción a los conceptos básicos de termodinámica y energía, incluyendo la definición de termodinámica, las leyes de la termodinámica, los diferentes tipos de sistemas (abiertos, cerrados y aislados) y las propiedades extensivas e intensivas de los sistemas. Se explica cómo la energía puede transformarse de una forma a otra, y se destaca la importancia de la energía eléctrica en nuestra vida diaria. El documento también aborda la relevancia de estos conceptos en diversos campos, desde la física hasta la ingeniería. Con una descripción detallada y ejemplos ilustrativos, este texto proporciona una sólida base para comprender los principios fundamentales que rigen el comportamiento de la energía y la materia en sistemas físicos.
Tipo: Resúmenes
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1.1.1 Termodinámica Se llama termodinámica a la rama de la física que estudia las acciones mecánicas del calor y de otras formas semejantes de energía. Su estudio aborda los objetos como sistemas macroscópicos reales, mediante el método científico y razonamientos deductivos, prestando atención a variables extensivas como la entropía, la energía interna o el volumen; así como a variables no extensivas como la temperatura, la presión o el potencial químico, entre otros tipos de magnitudes. Sin embargo, la termodinámica no ofrece una interpretación de las magnitudes que estudia, y sus objetos de estudio son siempre sistemas en estado de equilibrio, es decir, aquellos cuyas características son determinables por elementos internos y no tanto por fuerzas externas que actúan sobre ellos. Por esa razón, considera que la energía solo puede intercambiarse de un sistema a otro a manera de calor o de trabajo. 1.1.1. 1 Sistema termodinámico Se entiende como sistema termodinámico a una parte del universo que, con fines de estudio, se aísla conceptualmente del resto y se intenta comprender de manera autónoma. Toma nota de los modos en que la energía cambia o se preserva y, al mismo tiempo, de sus intercambios de materia y/o energía con el entorno o con otros sistemas semejantes (de haberlos). Se trata, pues, de un método de estudio de la termodinámica. El criterio principal de clasificación de estos sistemas se basa en su grado de aislamiento del entorno, distinguiendo así entre:
❖ Sistemas abiertos. Aquellos que intercambian libremente energía y materia con su entorno, como hacen la mayoría de los sistemas conocidos en la cotidianidad. Por ejemplo: un auto. Uno le entrega combustible y éste devuelve al ambiente gases y calor. ❖ Sistemas cerrados. Aquellos que intercambian energía con su entorno, pero no materia. Es lo que ocurre con un envase cerrado, como una lata, cuyo contenido es invariable, pero pierde calor con el tiempo, disipándolo en el aire alrededor. ❖ Sistemas aislados. Aquellos que, hasta cierto punto, no intercambian energía ni materia con el entorno. No existen los sistemas perfectamente aislados, claro está, pero sí hasta cierto grado: un termo que contiene agua caliente preservará su temperatura durante un rato, lo suficiente como para conservarse aislado durante un rato. 1 .1.1. 2 Leyes de la termodinámica Las leyes de la termodinámica (o los principios de la termodinámica) describen el comportamiento de tres cantidades físicas fundamentales, la temperatura, la energía y la entropía, que caracterizan a los sistemas termodinámicos. ❖ Primera Ley de la Termodinámica La energía no puede crearse ni destruirse, solo transformarse. La primera ley se llama “Ley de la Conservación de la Energía” porque dicta que en cualquier sistema físico aislado de su entorno, la cantidad total de energía será siempre la misma, a pesar de que pueda transformarse de una forma de energía a otras diferentes. O, dicho en otras palabras: la energía no puede crearse ni destruirse, solo transformarse. De ese modo, al suministrar una cantidad determinada de calor (Q) a un sistema físico, su cantidad total de energía podrá calcularse como el calor suministrado menos el trabajo (W) efectuado por el sistema sobre sus alrededores. Expresado en una fórmula: ΔU = Q – W.
❖ Tercera Ley de la Termodinámica Al llegar al cero absoluto, los procesos de los sistemas físicos se detienen. La tercera ley plantea que la entropía de un sistema que sea llevado al cero absoluto, será una constante definida. Dicho en otras palabras: Al llegar al cero absoluto (cero en unidades de Kelvin), los procesos de los sistemas físicos se detienen. Al llegar al cero absoluto (cero en unidades de Kelvin ), la entropía posee un valor mínimo constante. Resulta difícil alcanzar cotidianamente el llamado cero absoluto (-273,15 ° C), pero podemos pensar esta ley analizando lo que ocurre en un congelador: los alimentos que depositemos allí se enfriarán tanto, que se ralentizarán o incluso detendrán los procesos bioquímicos en su interior. Por eso se retarda su descomposición y será apto su consumo durante mucho más tiempo. ❖ Ley “cero” de la Termodinámica La «ley cero» se expresa lógicamente así: si A = C y B = C, entonces A= B.
La “ley cero” se conoce con ese nombre, aunque fue la última en postularse. También conocida como Ley del Equilibrio Térmico, este principio dicta que: “Si dos sistemas están en equilibrio térmico de forma independiente con un tercer sistema, deben estar también en equilibrio térmico entre sí”. Puede expresarse lógicamente del siguiente modo: si A = C y B = C, entonces A= B. Esta ley nos permite comparar la energía térmica de tres cuerpos distintos A, B, y C. Si el cuerpo A se encuentra en equilibrio térmico con el cuerpo C (tienen la misma temperatura) y B también tiene la misma temperatura que C, entonces A y B poseen igual temperatura. Otra forma de enunciar este principio es argumentar que al poner en contacto dos cuerpos con distintas temperaturas, intercambian calor hasta que sus temperaturas se igualan. Los ejemplos cotidianos de esta ley son fáciles de hallar. Cuando nos metemos en agua fría o caliente, notaremos la diferencia de temperatura solo durante los primeros minutos ya que nuestro cuerpo luego entrará en equilibrio térmico con el agua y no notaremos más la diferencia. Lo mismo ocurre cuando entramos a una habitación calurosa o fría: notaremos la temperatura al principio, pero luego dejaremos de percibir la diferencia pues entraremos en equilibrio térmico con ella. 1.1.2 Energía Cuando observamos a nuestro alrededor, el mundo y, en concreto, nuestra vida diaria, podemos afirmar que tanto uno como la otra están basados en la energía. La energía eléctrica, por ejemplo, nos rodea en casi todo lo que hacemos o usamos. La energía eléctrica se convierte en diferentes tipos de energía que utilizamos a diario, como la energía lumínica para nuestra iluminación, la energía mecánica para nuestros electrodomésticos o la energía térmica para calentarnos. Pero veamos qué dice la física del concepto de energía. “La energía es la capacidad que tiene un cuerpo de realizar trabajo o de transformar o calentar”. El trabajo es una de las vías de transmisión de energía entre los cuerpos. Cuando se habla de trabajo en un vocabulario común, asociamos este concepto al esfuerzo. Desde el punto de vista de la física, el concepto de trabajo no es más que la fuerza resultante aplicada sobre un objeto (entendida como la fuerza total efectiva) y, además, este objeto debe realizar un determinado desplazamiento. Por ejemplo, cuando se dispone de un objeto que se está desplazando a una velocidad y este objeto choca con una pared donde está apoyado un clavo, cuando se produce el choque, el objeto invierte el trabajo que ha realizado en el desplazamiento con la energía necesaria para poder clavar el clavo en la pared. Por otro lado, la energía forma parte de un grupo de magnitudes que se denominan magnitudes extensivas. Estas magnitudes se caracterizan por ser aditivas. Si consideramos un sistema formado por dos partes, el valor total de una magnitud extensiva es la suma de los valores en cada una de las dos partes. Por ejemplo, la masa o el volumen de un cuerpo, o la energía de un sistema termodinámico son magnitudes extensivas.
Otro ejemplo es el caso de la energía térmica que se transfiere de unos objetos a otros y provoca que se calienten. Cuando calentamos agua en una cazuela, el calor del fuego genera que las moléculas de la cazuela empiecen a vibrar más deprisa. La consecuencia de esta vibración es que la cazuela se calienta. A su vez, el calor que adquiere la cazuela provoca que las moléculas de agua se muevan más deprisa y se calienten. Por tanto, cuando calentamos algo, lo que estamos haciendo es incrementar la velocidad de sus moléculas. Vemos, por tanto, que existen muchas formas de energía y que esta energía se puede transformar en otra forma de energía o calor. La energía eléctrica se transforma en energía térmica cuando usamos estufas eléctricas, calentadores o bombillas. También nuestros cuerpos convierten la energía química de los alimentos que comemos en calor. La luz del sol se transforma en calor y provoca que la superficie terrestre se caliente. 1.1.2.2 Temperatura “El concepto de temperatura se puede introducir como la medida del calor o de la energía térmica de las partículas de una sustancia”. Pero los átomos y las moléculas de una determinada sustancia no siempre se mueven a la misma velocidad. Eso significa que hay un rango de energía de movimiento dentro de las moléculas. Por ejemplo, en un gas, las moléculas se mueven aleatoriamente y a diferentes velocidades (unas se mueven más rápido y otras se mueven más lentamente). Como lo que medimos es su movimiento medio, la temperatura no depende del número de partículas en un objeto y, por tanto, no depende de su medida. Por ejemplo, la temperatura de un cazo de agua hirviendo es la misma que la temperatura de una olla de agua hirviendo, a pesar de que la olla sea mucho más grande y tenga más cantidad de moléculas de agua que el cazo. Es lo contrario a lo que sucede por ejemplo con la energía, la masa, la cantidad de movimiento y muchas otras magnitudes que se denominan magnitudes extensivas. La idea que se intenta transmitir de la temperatura es que se trata de una medida del promedio de la energía térmica de un cuerpo. Así, diremos que un cuerpo está caliente si tiene una temperatura elevada. Eso quiere decir que sus partículas, globalmente, tienen una velocidad elevada. Por otro lado, este cuerpo tendrá mucha energía térmica si, además de tener una elevada temperatura, tiene una gran cantidad de materia.
1.2.1 Sistema internacional El Sistema Internacional de Unidades (SI), surgió de la necesidad de unificar y dar coherencia a una gran variedad de subsistemas de unidades que dificultaban la transferencia de resultado de mediciones en la comunidad internacional. El Sistema Internacional se convirtió en un sistema que pudiera ser adoptado por todos los países en el campo de la ciencia, la tecnología, las relaciones comerciales, la producción, los servicios, la investigación y la docencia.
1.2.2 Sistema Inglés de Medidas El sistema inglés de unidades o sistema imperial es aún usado ampliamente en los Estados Unidos de América y, cada vez en menor medida, en algunos países con tradición británica. Debido a la intensa relación comercial que tiene nuestro país con los EUA, existen aún en México muchos productos fabricados con especificaciones en este sistema. Ejemplos de ello son los productos de madera, tornillería, cables conductores y perfiles metálicos. Algunos instrumentos como los medidores de presión para neumáticos automotrices y otros tipos de manómetros frecuentemente emplean escalas en el sistema inglés. El Sistema Inglés de unidades son las unidades no-métricas que se utilizan actualmente en los Estados Unidos y en muchos territorios de habla inglesa (como en el Reino Unido ), pero existen discrepancias entre los sistemas de Estados Unidos e Inglaterra. Este sistema se deriva de la evolución de las unidades locales a través de los siglos, y de los intentos de estandarización en Inglaterra. Las unidades mismas tienen sus orígenes en la antigua Roma. Hoy en día, estas unidades están siendo lentamente reemplazadas por el Sistema Internacional de Unidades , aunque en Estados Unidos la inercia del antiguo sistema y el alto costo de migración ha impedido en gran medida el cambio.
Los sistemas termodinámicos se clasifican en abiertos, cerrados o aislados. El sistema abierto es aquel donde energía y materia pueden entrar o salir del sistema. El sistema cerrado es aquel donde hay transferencia únicamente de energía. El sistema aislado no permite ni la entrada ni la salida de energía o materia. En termodinámica, un sistema es la parte o porción del Universo que está siendo estudiada. El sistema típicamente consiste en una cantidad específica de sustancia(s) química(s) o materia dentro de unos límites definidos. Todo lo que se encuentra fuera de los límites del sistema se clasifica como alrededores. Un sistema puede ser la Tierra o un recipiente con agua en la mesa de la cocina. 1.3.1 sistema abierto Un sistema abierto es un sistema termodinámico donde se produce la entrada y salida de materia y energía desde y hacia los alrededores. Por ejemplo, la Tierra es un sistema abierto pues entra energía radiante proveniente del Sol y material como meteoritos y gases, y salen de la Tierra satélites artificiales, gases y radiaciones. Intercambio de energía en un sistema abierto Un sistema abierto puede intercambiar energía con sus alrededores a través de dos formas: trabajo y calor. El trabajo viene dado por el movimiento de un objeto realizado por una fuerza. El calor viene dado por la transferencia de energía térmica. Ejemplos de sistema abierto
un ejemplo de sistema cerrado es el de los jardines sellados en vidrios. Podemos hacer crecer un minijardín dentro de un frasco sellado: las plantas autótrofas sólo requieren de la energía radiante para producir la fotosíntesis. El aire y el agua dentro del frasco no entran ni salen. De hecho, este tipo de sistema se usó con frecuencia en los largos viajes a través del mundo en la época de la colonización, para transportar plantas. 1.2.3 sistema aislado Un sistema aislado es un sistema termodinámico donde no se produce entrada y/o salida de materia y energía desde y hacia los alrededores. Esta en realidad es una condición idealizada, lo más cercano que conocemos de un sistema aislado es un termo cerrado o una jarra Dewar. Las paredes aislantes del termo mantienen las sustancias en su interior calientes o frías, por lo que el intercambio de energía con el exterior no se establece. Ejemplo de sistema aislado Las jarras Dewar se usan en los laboratorios para almacenar o realizar transporte de sustancias muy frías o calientes. Las jarras Dewar son fabricadas con la finalidad de mantener gases o líquidos muy fríos (por ejemplo, nitrógeno líquido o hielo seco) o muy calientes, por mayor cantidad de tiempo. Son lo más cercano a un sistema aislado en el laboratorio. Se caracterizan por tener una doble pared sellada al vacío, por lo que no hay aire intermedio que permita el flujo de calor.
Una propiedad termodinámica es una característica o una particularidad que permite los cambios de la sustancia de trabajo, es decir, cambios de energía. Las propiedades termodinámicas de un sistema pueden clasificarse en intensivas y extensivas. Son intensivas las que no dependen de la cantidad de materia del sistema (presión, temperatura, composición). Las extensivas dependen del tamaño del sistema (masa, volumen). 1.4.1 Propiedades termodinámicas intensivas Las propiedades intensivas no dependen de la masa, son propias del sistema y no dependen del tamaño del sistema. Si un sistema se divide en dos partes, una propiedad intensiva mantiene el mismo valor en cada parte. Por ejemplo, la densidad del agua es la misma si está concentrada en un litro que la que está concentrada en un depósito enorme. Dentro de este conjunto se incluyen todos los valores específicos como energía interna específica, entalpía específica, entropía específica, temperatura, presión, volumen específico, etc. Ejemplos de propiedades termodinámicas intensivas A continuación, una breve descripción de algunas de ellas:
En conclusión, los conceptos abordados en los temas Termodinámica y energía, Repaso de sistemas de unidades, Sistema abierto, cerrado y aislado, y Propiedades extensivas e intensivas de un sistema son fundamentales para comprender los principios básicos que rigen el comportamiento de la energía y la materia en sistemas físicos. La termodinámica, al analizar las transformaciones energéticas, proporciona un marco conceptual crucial para entender procesos naturales y tecnológicos. La revisión de sistemas de unidades destaca la importancia de expresar las magnitudes de manera consistente y universal. La clasificación de sistemas como abiertos, cerrados o aislados permite contextualizar el intercambio de energía y materia con el entorno, siendo esencial para el estudio de fenómenos en diversos campos, desde la física hasta la ingeniería. Además, la diferenciación entre propiedades extensivas e intensivas proporciona una perspectiva clave para caracterizar la materia en función de su cantidad y calidad, respectivamente. En conjunto, estos temas sientan las bases necesarias para explorar y comprender fenómenos termodinámicos, facilitando la interpretación de procesos naturales y el diseño de sistemas eficientes en diversos ámbitos científicos y tecnológicos. La integración de estos conocimientos es esencial para avanzar en el desarrollo de tecnologías sostenibles y la resolución de desafíos relacionados con la energía y el medio ambiente.
