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¿Qué es la termodinámica?

La termodinámica es la parte de la física que se encarga de la relación entre el calor y el trabajo. Estudia los efectos de la variación de presión, temperatura y volumen de un sistema físico (entendemos por sistema físico un líquido, un material, un conjunto de cuerpos, etc.), a un nivel macroscópico, es decir, que se puede observar.

¿Qué es la termodinámica?

El nombre termodinamica proviene de la raíz termo, que significa calor y dinámica que se refiere al movimiento. El el movimiento del calor en un cuerpo.

La materia está compuesta por diferentes partículas que se mueven de manera desordenada (lo que se llama entropía). La termodinámica estudia este movimiento desordenado.

La termodinámica resulta de gran importancia puest que describe una gran cantidad de fenómenos físicos, entre ellos el funcionamiento de los motores térmicos.

¿Para qué sirve la termodinámica?

La termodinámica se puede aplicar a una amplia variedad de temas de ciencia e ingeniería, tales como motores, transiciones de fase, reacciones químicas, fenómenos de transporte, e incluso agujeros negros.

El estudio de la termodinámica resulta de gran importancia en los motores térmicos. El ciclo diésel, el ciclo Otto o la máquina de vapor o el motor Stirling tienen una estrecha relación con la termodinámica y sus leyes debido que en todos ellos existe un intercambio de calor.

Los resultados de la termodinámica son esenciales para otros campos de la física y la química, ingeniería química, ingeniería aeroespacial, ingeniería mecánica, biología celular, ingeniería biomédica, y la ciencia de materiales para nombrar algunos.

¿Cuáles son las leyes de la termodinámica?

Las tres leyes de la termodinámica son:

  1. Primera ley de la termodinámica: cuando la energía pasa, como trabajo, como calor o con materia, dentro o fuera de un sistema, la energía interna del sistema cambia de acuerdo con la ley de conservación de la energía.
  2. Segunda ley de la termodinámica: en un proceso termodinámico natural, aumenta la suma de las entropías de los sistemas termodinámicos que interactúan.
  3. Tercera ley de la termodinámica: la entropía de un sistema se acerca a un valor constante a medida que la temperatura se acerca al cero absoluto.

Además, convencionalmente se agrega una "ley cero", que define el equilibrio térmico :

Ley cero de la termodinámica : si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, están en equilibrio térmico entre sí. Esta ley ayuda a definir el concepto de temperatura.

¿Qué ley dice que la energía no se crea ni se destruye solo se transforma?

La ley de la conservación de la energía. Esta ley es una consecuencia de la primera ley de la termodinámica. La ley de conservación de la energía establece que la cantidad total de energía en un sistema aislado permanece constante en todo momento. Una consecuencia directa de esto es que la energía no puede ser creada o destruida, pero sólo se puede convertir de una forma a otra.

Un ejemplo de la aplicación de la ley de la conservación de la energía es la conversión de energía a partir de la energía química a energía cinética. Otra consecuencia de esta ley es que un dispositivo móvil perpetuo solo puede continuar moviéndose por sí solo si no proporciona energía a su entorno, en la práctica eso no es factible.

Según la teoría especial de la relatividad de Albert Einstein, la masa es una forma de energía, y la energía y la masa pueden fusionarse. Por lo tanto, hay poca distinción entre partículas de materia y partículas de energía, ya que pueden cambiar entre sí mediante, entre otras cosas, la aniquilación. Sin embargo, esto no afecta la cantidad total de energía en un sistema cerrado. Por lo tanto, la Ley de Conservación de Energía trata de preservar la cantidad total de energía en un sistema aislado, incluida la energía en masa en reposo y todas las demás formas de energía (cinética, química, térmica, etc.).

Estudio de la termodinámica

Los principales elementos que tenemos para estudiar la termodinámica son:

  • Las leyes de la termodinámica. Estas leyes de la termodinámica definen la forma en que la energía puede ser intercambiada entre sistemas físicos en forma de calor o trabajo. Existen 4 leyes de la termodinámica que se enumeran empezando por la ley zero de la termodinámica.
  • La entropía. La entropía define el desorden en que se mueven las partículas internas que forman la materia. La entropía es una magnitud que puede ser definida para cualquier sistema. 

En la termodinámica se estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas. Este estudio lleva a definir conceptos como sistema termodinámico y su contorno. Un sistema termodinámico se caracteriza por sus propiedades, relacionadas entre sí mediante las ecuaciones de estado. Estas se pueden combinar para expresar la energía interna y los potenciales termodinámicos, útiles para determinar las condiciones de equilibrio entre sistemas y los procesos espontáneos.

Con estas herramientas, la termodinámica describe cómo los sistemas responden a los cambios en su entorno.

Evolución histórica de la termodinámica

En un principio los desarrollos tecnológicos, como las llamadas máquinas de vapor o los termómetros, se llevaron a cabo de manera empírica. Pero nu fue hasta el siglo XIX cuando científicos como Carnot y Joule formalizaron sus resultados y determinaron las causas teóricas de su funcionamiento.

Inicialmente, la termodinámica se empezó a estudiar para poder aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor.

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Última revisión: 28 de febrero de 2020