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 a 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 vibrantes, 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 consist consisten en un gran número de átomos o moléculas que interactúan de formas complicadas. Pero, si estos sistemas cumplen con los criterios correctos, que llamamos equilibrio, se pueden describir con un número muy pequeño de mediciones 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 1026 o 1030 variables independientes nominales.»
Calor
La termodinámica, entonces, se refiere a 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, según la Educación Energética. Como forma de energía, el calor se conserva, es decir, no se puede crear ni destruir. Sin embargo, puede transferirse de un lugar a otro. El calor también se puede convertir a y desde otras formas de energía. Por ejemplo, una turbina de vapor puede convertir calor en energía cinética para hacer funcionar un 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 la Educación Energética. Cuanto más rápido se muevan los átomos o moléculas, mayor será la temperatura, y cuantos más átomos o moléculas estén en movimiento, mayor será la cantidad de calor que transfieran.
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», según el American Heritage Dictionary. 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, a los que se les 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), llamada así en honor a William Thomson, primer barón Kelvin, porque funciona en los cálculos. Esta escala utiliza 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 el cero absoluto, la temperatura a la que hay una ausencia total de energía térmica y todo el 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 de calor específica, según Wolfram Research. La unidad convencional para esto es calorías por gramo por kelvin. La caloría se define como la cantidad de energía térmica necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua a 4 C por 1 grado.
El calor específico de un metal depende casi por completo del número de átomos de 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 absorber solo un 8 por ciento más de calor que un número igual de átomos de aluminio. Una masa dada de agua, sin embargo, 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 si se mide a presión constante o a volumen constante.
Conductividad térmica
La conductividad térmica (k) es «la velocidad a la que el calor pasa a través de un material especificado, 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 es vatios (W) por metro (m) por kelvin (K). Los valores de k para metales como el cobre y la plata son relativamente altos, con 401 y 428 W/m·K, respectivamente. Esta propiedad hace que estos materiales sean útiles para radiadores de automóviles y aletas de refrigeración para chips de computadora porque pueden transportar calor rápidamente e intercambiarlo con el medio ambiente. El valor más alto de k para cualquier sustancia natural es el diamante a 2,200 W/m·K.
Otros materiales son útiles porque son conductores de calor extremadamente pobres; esta propiedad se conoce como resistencia térmica, o valor R, 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 el aislamiento en paredes exteriores de edificios, abrigos de invierno y tazas de café térmicas. El valor R se da en unidades de pies cuadrados por grados Fahrenheit por horas por unidad térmica británica (ft2·°F·h/Btu) para una losa de 1 pulgada de grosor.
La Ley de Enfriamiento de Newton
En 1701, Sir Isaac Newton declaró por primera vez su Ley de Enfriamiento en un breve artículo titulado «Scala graduum Caloris» («Una Escala de los Grados de Calor») en las Transacciones Filosóficas de la Royal Society. La declaración de la ley de Newton se traduce del latín original como, » el exceso de los grados del 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 como » la tasa de cambio de temperatura es proporcional a la diferencia entre la temperatura del objeto y la del entorno circundante.»
Esto resulta en 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 restante disminuirá nuevamente a la mitad. Esta reducción repetida a la mitad 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 a través de un material sólido. La conducción entre cuerpos ocurre 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, permitiendo que otras moléculas se muevan en su lugar y repitan el proceso. La eficiencia se puede mejorar aumentando 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 fotones infrarrojos que transportan energía térmica. Toda la materia emite y absorbe algo de radiación electromagnética, 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 el 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.
Comprimir un gas aumenta su temperatura, por lo que se vuelve más caliente que su entorno. El calor se puede eliminar del gas caliente mediante un intercambiador de calor. Luego, 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.
Por el contrario, calentar un gas aumenta su presión, haciendo 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 resulta en un aumento de la entropía, que para un sistema cerrado es «una medida cuantitativa de la cantidad de energía térmica no disponible para hacer el trabajo», según el American Heritage Dictionary. La entropía en cualquier sistema cerrado siempre aumenta; 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 por ciento eficiente, lo que significa que no se puede construir una máquina de movimiento perpetuo. Sin embargo, hay muchas personas que todavía no lo creen, y hay personas que todavía están tratando de construir máquinas de movimiento perpetuo.»
La entropía también se define como «una medida del trastorno o aleatoriedad en un sistema cerrado», que también aumenta inexorablemente. Puede mezclar agua caliente y fría, pero debido a que una taza grande de agua tibia está más desordenada que dos tazas más pequeñas que contienen agua caliente y fría, nunca puede volver a separarla en caliente y fría sin agregar energía al sistema. Dicho de otra manera, no puedes descifrar un huevo ni quitar la crema de tu café. Si bien algunos procesos parecen ser completamente reversibles, en la práctica ninguno lo es. La entropía, por lo tanto, nos proporciona una flecha del tiempo: hacia adelante es la dirección de aumento de la entropía.
Las cuatro leyes de la termodinámica
Los principios fundamentales de la termodinámica se expresaron originalmente en tres leyes. Más tarde, se determinó que se había descuidado una ley más fundamental, aparentemente porque parecía tan evidente que no era necesario enunciarla explícitamente. Para formar un conjunto completo de reglas, los científicos decidieron que era necesario incluir esta ley fundamental. El problema, sin embargo, es que las tres primeras leyes ya se han establecido y son bien conocidas por sus números asignados. Cuando se enfrentó a la perspectiva de renumerar las leyes existentes, lo que causaría una confusión considerable, o colocar la ley preeminente al final de la lista, lo que no tendría sentido lógico, un físico británico, Ralph H. Fowler, ideó 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 puede transferirse de un cuerpo a una temperatura más baja a un cuerpo a una temperatura más alta sin la adición de energía. Por eso cuesta dinero hacer funcionar un aire acondicionado.
La Tercera Ley establece que la entropía de un cristal puro en cero absoluto es cero. Como se explicó anteriormente, la entropía a veces se denomina «energía residual», es decir, energía que no puede funcionar, y dado que no hay energía térmica en absoluto en el cero absoluto, no puede haber energía residual. 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 el desorden. Por estas 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 exagerar su importancia en la tecnología moderna.
Recursos adicionales
- Algunas de las mentes más grandes de la historia de la ciencia han contribuido al desarrollo de la termodinámica. Una lista de pioneros notables en el campo se puede encontrar en el sitio web de la Universidad de Waterloo.
- Educación energética es un suplemento curricular interactivo para estudiantes de ciencias de secundaria.
- El mundo de la Ciencia de Eric Weisstein contiene enciclopedias de astronomía, biografía científica, química y física.
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