Termodinámica: Conceptos Básicos y Aplicaciones en Máquinas Térmicas y Frigoríficas

Termodinámica: Conceptos Fundamentales

La termodinámica es la rama de la física que estudia los fenómenos en los que interviene el calor, como las transformaciones de energía y las propiedades físicas de los cuerpos afectados.

Sistemas Termodinámicos

Un sistema termodinámico se define como la región del espacio en la que se realizan intercambios energéticos. Los alrededores son la región que interactúa con el sistema.

Existen tres tipos de sistemas:

• Sistema abierto: Permite el intercambio de energía y materia.
• Sistema cerrado: Permite el intercambio de energía, pero no de materia.
• Sistema aislado: No permite ningún tipo de intercambio.

Análisis Termodinámico

El análisis termodinámico consiste en determinar las propiedades físicas del sistema, como la presión, la temperatura (T°) y el volumen, de tal manera que se encuentre en equilibrio. Un sistema está en equilibrio si no presenta cambios en sus propiedades a lo largo del tiempo.

Calor y Temperatura

El calor es una forma de energía en tránsito que fluye de un cuerpo que está a mayor temperatura a otro de menor temperatura. El cuerpo que absorbe calor incrementa la energía de las partículas que lo constituyen. El calor es una de las formas en las que la energía se transfiere; la otra es el trabajo. El calor se puede medir en joules (J) o calorías (cal):

1 cal = 4,18 J y 1 J = 0,24 cal

Los cuerpos están constituidos por partículas en movimiento. Este movimiento se traduce en un estado energético, que es la energía interna.

La temperatura es una magnitud física que depende de la velocidad media de las partículas constituyentes del cuerpo. A mayor velocidad media de las partículas, mayor temperatura, medida en Kelvin (K).

Energía Interna

La energía interna es la suma de las energías que poseen las partículas del sistema. Está directamente relacionada con la temperatura: a mayor energía interna, mayor temperatura.

Procesos Termodinámicos

Existen diferentes formas de llevar un sistema de un estado inicial (i) a un estado final (f):

• Primer caso: Se mantiene el volumen constante y se comprime el gas. Luego, se mantiene constante la presión y aumenta el volumen.
• Segundo caso: Se disminuye la presión y el volumen al mismo tiempo, en un tramo directo.

El trabajo realizado en el segundo caso es mayor, pues equivale al área del diagrama situado bajo la curva.

Cuando el estado final e inicial coinciden, se dice que el proceso es cerrado. Cuando son diferentes, se dice que es abierto.

En una máquina, los procesos son cerrados, ya que se repite una serie de transformaciones para producir trabajo. La termodinámica también estudia los procesos de transformación de trabajo a calor.

Equilibrio Térmico

El equilibrio térmico se alcanza cuando la temperatura de dos cuerpos en contacto es la misma, cesando la transferencia de calor. En ese momento, el sistema está en equilibrio térmico.

La energía interna inicial y final no dependen del recorrido, es decir, la variación de energía interna solo depende de la posición del estado inicial y la posición del estado final.

Máquinas Térmicas y Frigoríficas

Foco Frío (Térmica)

Cuanto menor sea el intercambio de calor del foco caliente al frío, mayor cantidad de calor se transforma en trabajo. En una máquina ideal, el calor cedido se transformaría totalmente en trabajo (Q = W).

Q1 = W + Q2, donde Q1 es el calor del foco caliente y Q2 el del foco frío.

Se deduce: n = W / Q1, donde n es el rendimiento del motor térmico.

n = (Q1 - Q2) / Q1 = 1 - Q2 / Q1

Máquina Frigorífica

Las máquinas frigoríficas funcionan a la inversa de las máquinas térmicas: absorben una cantidad de calor del foco frío al foco caliente, consumiendo trabajo. Se define la eficiencia como la relación entre el calor absorbido y el trabajo necesario.

Eficiencia = Q2 / W = Q2 / (Q1 - Q2)

El ciclo de refrigeración ideal sería aquel que extrae la mayor cantidad de calor del foco frío con el mínimo de trabajo, o incluso sin trabajo.

Tipos de Procesos Termodinámicos

• Isométrico (o isocórico): Proceso a volumen constante.
• Isobárico: Proceso a presión constante.
• Isotérmico: Proceso a temperatura constante.
• Adiabático: No permite que fluya calor hacia o desde el sistema.