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¿Qué es la termodinámica?

El calor es energía que se puede convertir de una forma a otra, o transferir de un objeto a otro. Por ejemplo, un quemador de estufa convierte la energía eléctrica en calor y conduce esa energía a través de la olla al agua. Esto aumenta la energía cinética delas moléculas de agua, lo que hace que se muevan más y más rápido. A una cierta temperatura el punto de ebullición, los átomos han ganado suficiente energía para liberarse de los enlaces moleculares del líquido y escapar como vapor.
Imagen: © Carolyn Franks | Shutterstock

La termodinámica es la rama de la física que se ocupa de las relaciones entre el calor y otras formas de energía. En particular, describe cómo la energía térmica se convierte hacia y desde otras formas de energía y cómo afecta a la materia.

La energía térmica es la energía que tiene una sustancia o sistema debido a su temperatura, es decir, la energía de moléculas en movimiento o vibración, según el sitio web de Educación Energética de la Agencia de Educación de Texas . La termodinámica implica medir esta energía, que puede ser "extremadamente complicada", según David McKee, profesor de física en la Universidad Estatal del Sur de Missouri. "Los sistemas que estudiamos en termodinámica ... consisten en una gran cantidad de átomos o moléculasinteractuar de formas complicadas. Pero, si estos sistemas cumplen los criterios correctos, que llamamos equilibrio, pueden describirse con un número muy pequeño de medidas o números. A menudo esto se idealiza como la masa del sistema, la presión del sistema, y el volumen del sistema, o algún otro conjunto equivalente de números. Tres números describen 10 26 o 10 30 variables independientes nominales. "

calor

La termodinámica, entonces, se ocupa de varias propiedades de la materia; la principal de ellas es el calor. El calor es energía transferida entre sustancias o sistemas debido a una diferencia de temperatura entre ellos, de acuerdo con Educación Energética. Como forma de energía, el calor se conservaes decir, no se puede crear ni destruir. Sin embargo, se puede transferir de un lugar a otro. El calor también se puede convertir hacia y desde otras formas de energía. Por ejemplo, una turbina de vapor puede convertir el calor en energía cinética para funcionarun generador que convierte la energía cinética en energía eléctrica. Una bombilla puede convertir esta energía eléctrica en radiación electromagnética luz, que, cuando es absorbida por una superficie, se convierte de nuevo en calor.

temperatura

La cantidad de calor transferido por una sustancia depende de la velocidad y el número de átomos o moléculas en movimiento, de acuerdo con Educación Energética. Cuanto más rápido se mueven los átomos o moléculas, mayor es la temperatura y más átomos o moléculas hay enmovimiento, mayor es la cantidad de calor que transfieren.

La temperatura es "una medida de la energía cinética promedio de las partículas en una muestra de materia, expresada en términos de unidades o grados designados en una escala estándar", de acuerdo con Diccionario de herencia estadounidense . La escala de temperatura más utilizada es Celsius, que se basa en los puntos de congelación y ebullición del agua, asignando valores respectivos de 0 grados C y 100 grados C. La escala Fahrenheit también se basa en los puntos de congelación y ebullición del agua.que han asignado valores de 32 F y 212 F, respectivamente.

Los científicos de todo el mundo, sin embargo, utilizan la escala Kelvin K sin signo de grado, que lleva su nombre William Thomson, primer barón Kelvin , porque funciona en los cálculos. Esta escala usa el mismo incremento que la escala Celsius, es decir, un cambio de temperatura de 1 C es igual a 1 K. Sin embargo, la escala Kelvin comienza en cero absoluto, la temperatura a la que hayuna ausencia total de energía térmica y todo movimiento molecular se detiene. Una temperatura de 0 K es igual a menos 459,67 F o menos 273,15 C.

calor específico

La cantidad de calor requerida para aumentar la temperatura de una cierta masa de una sustancia en una cierta cantidad se llama calor específico, o capacidad calorífica específica, según Investigación Wolfram . La unidad convencional para esto es calorías por gramo por kelvin. La caloría se define como la cantidad de energía térmica requerida para elevar la temperatura de 1 gramo de agua a 4 C en 1 grado

El calor específico de un metal depende casi por completo de la cantidad de átomos en la muestra, no de su masa. Por ejemplo, un kilogramo de aluminio puede absorber aproximadamente siete veces más calor que un kilogramo de plomo. Sin embargo, los átomos de plomo pueden absorbersólo alrededor de un 8 por ciento más calor que un número igual de átomos de aluminio. Sin embargo, una determinada masa de agua puede absorber casi cinco veces más calor que una masa igual de aluminio. El calor específico de un gas es más complejo y depende de sise mide a presión constante o volumen constante.

conductividad térmica

conductividad térmica k es "la velocidad a la que el calor pasa a través de un material específico, expresada como la cantidad de calor que fluye por unidad de tiempo a través de una unidad de área con un gradiente de temperatura de un grado por unidad de distancia", según el Diccionario Oxford.La unidad para k son vatios W por metro m por kelvin K. Valores de k para metales como el cobre y la plata son relativamente altos a 401 y 428 W / m · K, respectivamente. Esta propiedad hace que estos materiales sean útiles para radiadores de automóviles y aletas de enfriamiento para chips de computadora porque pueden llevar el calor rápidamente e intercambiarlo conel medio ambiente. El valor más alto de k para cualquier sustancia natural es el diamante a 2200 W / m · K.

Otros materiales son útiles porque son conductores de calor extremadamente pobres; esta propiedad se conoce como resistencia térmica, o R -valor, que describe la velocidad a la que se transmite el calor a través del material. Estos materiales, como lana de roca, plumón de ganso y espuma de poliestireno, se utilizan para aislar las paredes exteriores de edificios, abrigos de invierno y tazas térmicas para café. R -valor se da en unidades de pies cuadrados por grados Fahrenheit por horas por unidad térmica británica pies 2 · ° F · h / Btu para una losa de 1 pulgada de espesor.

Ley de enfriamiento de Newton

en 1701, Sir Isaac Newton declaró por primera vez su Ley del enfriamiento en un artículo corto titulado "Scala graduum Caloris" "Una escala de los grados de calor" en las Transacciones filosóficas de la Royal Society. La declaración de Newton de la ley se traduce del latín original como,"el exceso de los grados de calor ... estaban en progresión geométrica cuando los tiempos están en una progresión aritmética". El Instituto Politécnico de Worcester da una versión más moderna de la ley, ya que "la tasa de cambio de temperatura es proporcional a la diferenciaentre la temperatura del objeto y la del entorno circundante. "

Esto da como resultado un decaimiento exponencial en la diferencia de temperatura. Por ejemplo, si un objeto caliente se coloca en un baño frío, dentro de un cierto período de tiempo, la diferencia en sus temperaturas disminuirá a la mitad. Luego, en ese mismo período de tiempo, la diferencia restanteDisminuya nuevamente a la mitad. Esta reducción a la mitad repetida de la diferencia de temperatura continuará a intervalos de tiempo iguales hasta que sea demasiado pequeña para medirla.

transferencia de calor

El calor se puede transferir de un cuerpo a otro o entre un cuerpo y el medio ambiente por tres medios diferentes: conducción, convección y radiación. La conducción es la transferencia de energía hasta un material sólido. La conducción entre los cuerpos se produce cuando están en contacto directo y las moléculas transfieren su energía a través de la interfaz.

La convección es la transferencia de calor hacia o desde un medio fluido. Las moléculas en un gas o líquido en contacto con un cuerpo sólido transmiten o absorben calor hacia o desde ese cuerpo y luego se alejan, lo que permite que otras moléculas se muevan a su lugar y se repitanEl proceso. La eficiencia se puede mejorar aumentando el área de la superficie a calentar o enfriar, como con un radiador, y obligando al fluido a moverse sobre la superficie, como con un ventilador.

La radiación es la emisión de energía electromagnética EM , particularmente infrarrojos fotones que transportan energía térmica. Toda la materia emite y absorbe algo de radiación EM, cuya cantidad neta determina si esto causa una pérdida o ganancia de calor.

El ciclo de Carnot

en 1824, Nicolas Léonard Sadi Carnot propuso un modelo para un motor térmico basado en lo que se conoce como ciclo de Carnot . El ciclo explota las relaciones entre la presión, el volumen y la temperatura de los gases y cómo una entrada de energía puede cambiar de forma y funcionar fuera del sistema.

La compresión de un gas aumenta su temperatura por lo que se vuelve más caliente que su entorno. Luego, el calor puede eliminarse del gas caliente usando a intercambiador de calor . Entonces, permitir que se expanda hace que se enfríe. Este es el principio básico detrás de las bombas de calor utilizadas para calefacción, aire acondicionado y refrigeración.

A la inversa, calentar un gas aumenta su presión, lo que hace que se expanda. La presión expansiva se puede utilizar para impulsar un pistón, convirtiendo así la energía térmica en energía cinética. Este es el principio básico detrás de los motores térmicos.

Entropía

Todos los sistemas termodinámicos generan calor residual. Este desperdicio da como resultado un aumento de la entropía, que para un sistema cerrado es "una medida cuantitativa de la cantidad de energía térmica no disponible para realizar el trabajo", según Diccionario de herencia estadounidense . Entropía en cualquier sistema cerrado siempre aumenta; it nunca disminuye. Además, las piezas móviles producen calor residual debido a la fricción, y el calor radiativo se escapa inevitablemente del sistema.

Esto hace que las llamadas máquinas de movimiento perpetuo sean imposibles. Siabal Mitra, profesor de física en la Universidad Estatal de Missouri, explica: "No se puede construir un motor que sea 100% eficiente, lo que significa que no se puede construir una máquina de movimiento perpetuo. Sin embargo,hay mucha gente que todavía no lo cree, y hay gente que todavía está intentando construir máquinas de movimiento perpetuo ".

La entropía también se define como "una medida del desorden o aleatoriedad en un sistema cerrado", que también aumenta inexorablemente. Puede mezclar agua fría y caliente, pero debido a que una taza grande de agua tibia está más desordenada que dos tazas más pequeñas que contienenagua caliente y fría, nunca puedes volver a separarla en caliente y fría sin agregar energía al sistema. Dicho de otra manera, no puedes descifrar un huevo o quitar la crema de tu café. Si bien algunos procesos parecen ser completamente reversibles, enpráctica, ninguno lo es en realidad. La entropía, por lo tanto, nos proporciona una flecha del tiempo: adelante es la dirección de la entropía creciente.

Las cuatro leyes de la termodinámica

Los principios fundamentales de la termodinámica se expresaron originalmente en tres leyes. Posteriormente, se determinó que se había descuidado una ley más fundamental, aparentemente porque parecía tan obvia que no era necesario enunciarla explícitamente. Para formar un conjunto completode reglas, los científicos decidieron que era necesario incluir esta ley fundamental. Sin embargo, el problema era que las tres primeras leyes ya se habían establecido y eran bien conocidas por el número asignado. Cuando se enfrentaron a la perspectiva de volver a numerar las leyes existentes,causaría una confusión considerable, o colocaría la ley preeminente al final de la lista, lo que no tendría ningún sentido lógico, un físico británico Ralph H. Fowler , se le ocurrió una alternativa que resolvió el dilema: llamó a la nueva ley la "Ley Cero". En resumen, estas leyes son:

La ley cero establece que si dos cuerpos están en equilibrio térmico con algún tercer cuerpo, entonces también están en equilibrio entre sí. Esto establece la temperatura como una propiedad fundamental y medible de la materia.

La primera ley establece que el aumento total de la energía de un sistema es igual al aumento de la energía térmica más el trabajo realizado en el sistema. Esto establece que el calor es una forma de energía y, por lo tanto, está sujeto al principio de conservación.

La segunda ley establece que la energía térmica no se puede transferir de un cuerpo a una temperatura más baja a un cuerpo a una temperatura más alta sin la adición de energía. Es por eso que cuesta dinero hacer funcionar un aire acondicionado.

La tercera ley establece que la entropía de un cristal puro en el cero absoluto es cero. Como se explicó anteriormente, la entropía a veces se denomina "energía de desperdicio", es decir, energía que no puede hacer trabajo, y dado que no hay energía térmica de ningún tipo en el cero absoluto, no puede haber energía desperdiciada. La entropía es también una medida del desorden en un sistema, y ​​mientras que un cristal perfecto está por definición perfectamente ordenado, cualquier valor positivo de temperatura significa que hay movimiento dentro del cristal, lo que causa desorden.razones, no puede haber un sistema físico con menor entropía, por lo que la entropía siempre tiene un valor positivo.

La ciencia de la termodinámica se ha desarrollado durante siglos y sus principios se aplican a casi todos los dispositivos jamás inventados. No se puede subestimar su importancia en la tecnología moderna.

Recursos adicionales