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 en 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 las moléculas que se mueven o vibran, según el sitio web de Educación Energética de la Agencia de Educación de Texas. La termodinámica implica la medición de esta energía, que puede ser «excesivamente complicada», según David McKee, profesor de física de la Missouri Southern State University. «Los sistemas que estudiamos en termodinámica… están formados por un gran número de átomos o moléculas que interactúan de forma complicada. Pero, si estos sistemas cumplen los criterios adecuados, que llamamos equilibrio, pueden describirse con un número muy pequeño de medidas o números. A menudo se idealiza como la masa del sistema, la presión del sistema y el volumen del sistema, o algún otro conjunto de números equivalente. Tres números describen 1026 o 1030 variables nominales independientes».
Calor
La Termodinámica, por tanto, se ocupa de varias propiedades de la materia; la más importante es el calor. El calor es la energía que se transfiere entre sustancias o sistemas debido a una diferencia de temperatura entre ellos, según Energy Education. Como forma de energía, el calor se conserva, es decir, no puede crearse ni destruirse. Sin embargo, puede transferirse de un lugar a otro. El calor también puede convertirse en y desde otras formas de energía. Por ejemplo, una turbina de vapor puede convertir el 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, al ser absorbida por una superficie, se convierte de nuevo en calor.
Temperatura
La cantidad de calor que transfiere una sustancia depende de la velocidad y el número de átomos o moléculas en movimiento, según Energy Education. 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 media de las partículas de 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 la 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 tienen asignados 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 equivale 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 necesaria para aumentar la temperatura de una determinada masa de una sustancia en una cantidad determinada se llama calor específico, o capacidad calorífica 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 en 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 kilo de aluminio puede absorber unas siete veces más calor que un kilo de plomo. Sin embargo, los átomos de plomo sólo pueden absorber un 8% más de calor que un número igual de átomos de aluminio. Sin embargo, una masa determinada 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 si se mide a presión o volumen constantes.
Conductividad térmica
La 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 de k es el vatio (W) por metro (m) por kelvin (K). Los valores de k para metales como el cobre y la plata son relativamente altos: 401 y 428 W/m-K, respectivamente. Esta propiedad hace que estos materiales sean útiles para los radiadores de los automóviles y las aletas de refrigeración de los chips de los ordenadores, ya que pueden transportar el calor rápidamente e intercambiarlo con el entorno. El valor más alto de k para cualquier sustancia natural es el diamante, con 2.200 W/m-K.
Otros materiales son útiles porque son conductores extremadamente pobres del calor; esta propiedad se conoce como resistencia térmica, o valor R, que describe la velocidad a la que el calor se transmite a través del material. Estos materiales, como la lana de roca, el plumón de ganso y la espuma de poliestireno, se utilizan para aislar las paredes exteriores de los edificios, los abrigos de invierno y las 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.
Ley de enfriamiento de Newton
En 1701, Sir Isaac Newton expuso 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. El enunciado 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 progresión aritmética». El Instituto Politécnico de Worcester da una versión más moderna de la ley como «la tasa de cambio de la temperatura es proporcional a la diferencia entre la temperatura del objeto y la del entorno.»
Esto da lugar a un decaimiento exponencial de la diferencia de temperatura. Por ejemplo, si se coloca un objeto caliente en un baño frío, en un tiempo determinado, la diferencia de sus temperaturas disminuirá a la mitad. A continuación, en ese mismo periodo de tiempo, la diferencia restante volverá a disminuir a la mitad. Esta repetida reducción a la mitad de la diferencia de temperatura continuará en intervalos de tiempo iguales hasta que sea demasiado pequeña para medirla.
Transferencia de calor
El calor puede transferirse de un cuerpo a otro o entre un cuerpo y el entorno 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 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 de 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 a su lugar y repitan el proceso. La eficiencia puede mejorarse aumentando la superficie a calentar o enfriar, como en el caso de un radiador, y forzando el movimiento del fluido sobre la superficie, como en el caso de un ventilador.
La radiación es la emisión de energía electromagnética (EM), especialmente de fotones infrarrojos que transportan energía calorífica. Toda la materia emite y absorbe algo de radiación EM, cuya cantidad neta determina si ésta provoca una pérdida o ganancia de calor.
El ciclo de Carnot
En 1824, Nicolas Léonard Sadi Carnot propuso un modelo de motor térmico basado en lo que se conoce como el ciclo de Carnot. El ciclo aprovecha las relaciones entre la presión, el volumen y la temperatura de los gases y cómo una entrada de energía puede cambiar de forma y hacer trabajo fuera del sistema.
La compresión de un gas aumenta su temperatura para que se caliente más que su entorno. A continuación, se puede eliminar el calor del gas caliente mediante un intercambiador de calor. A continuación, permitir que se expanda hace que se enfríe. Este es el principio básico de las bombas de calor utilizadas para la calefacción, el aire acondicionado y la refrigeración.
A la inversa, calentar un gas aumenta su presión, haciendo que se expanda. La presión expansiva puede utilizarse entonces para impulsar un pistón, convirtiendo así la energía térmica en energía cinética. Este es el principio básico de los motores térmicos.
Entropía
Todos los sistemas termodinámicos generan calor residual. Este desperdicio se traduce en un aumento de la entropía, que para un sistema cerrado es «una medida cuantitativa de la cantidad de energía térmica no disponible para realizar 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 de 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 por ahí que todavía no lo cree, y hay gente que sigue intentando construir máquinas de movimiento perpetuo»
La entropía también se define como «una medida del desorden o la aleatoriedad en un sistema cerrado», que también aumenta inexorablemente. Puedes mezclar agua caliente y fría, pero como un gran vaso de agua tibia está más desordenado que dos vasos más pequeños que contienen agua caliente y fría, nunca podrás volver a separarla en caliente y fría sin añadir energía al sistema. Dicho de otro modo, no se puede desordenar un huevo o eliminar la nata del café. Aunque algunos procesos parecen ser completamente reversibles, en la práctica ninguno lo es. La entropía, por tanto, nos proporciona una flecha del tiempo: el avance es la dirección del 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 había parecido tan obvia que no era necesario enunciarla explícitamente. Para formar un conjunto completo de reglas, los científicos decidieron que era necesario incluir esta ley más fundamental. El problema, sin embargo, era que las tres primeras leyes ya se habían establecido y eran bien conocidas por los números que se les habían asignado. Ante la perspectiva de renumerar las leyes existentes, lo que causaría una considerable confusión, o colocar la ley preeminente al final de la lista, lo que no tendría ningún sentido lógico, un físico británico, Ralph H. Fowler, ideó una alternativa que resolvía el dilema: llamó a la nueva ley la «Ley Zeroth». En resumen, estas leyes son:
La Ley Zeroth 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 sobre 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 ser transferida 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 el cero absoluto es cero. Como se ha explicado anteriormente, la entropía se denomina a veces «energía de desecho», es decir, la energía que no es capaz de realizar un trabajo, y como no hay energía térmica alguna en el cero absoluto, no puede haber energía de desecho. La entropía es también una medida del desorden en un sistema, y aunque un cristal perfecto está por definición perfectamente ordenado, cualquier valor positivo de la temperatura significa que hay movimiento dentro del cristal, lo que provoca desorden. Por estas razones, no puede haber ningún sistema físico con una entropía menor, por lo que la entropía siempre tiene un valor positivo.
La ciencia de la termodinámica se ha desarrollado a lo largo de siglos, y sus principios se aplican a casi todos los dispositivos que se han inventado. Su importancia en la tecnología moderna no puede ser exagerada.
Recursos adicionales
- Algunas de las mentes más grandes de la historia de la ciencia han contribuido al desarrollo de la termodinámica. En el sitio web de la Universidad de Waterloo se puede encontrar una lista de pioneros notables en este campo.
- Energy Education 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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