Maquina Termica

Experimento de temperatura y calor.

El calor y el equilibrio térmico I Experimento

máquina térmica

Una máquina térmica es un dipositivo cuyo objetivo es convertir calor en trabajo. Para ello utiliza de una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire, gasolina) que realiza una serie de transformaciones termodinámicas de forma cíclica, para que la máquina pueda funcionar de forma continua. A través de dichas transformaciones la sustancia absorbe calor (normalmente, de un foco térmico) que transforma en trabajo.

El desarrollo de la Termodinámica y más en concreto del Segundo Principio vino motivado por la necesidad de aumentar la cantidad de trabajo producido para una determinada cantidad de calor absorbido. De forma empírica, se llega así al primer enunciado del Segundo Principio:

Enunciado de Kelvin-Planck

No es posible ninguna transformación cíclica que transforme íntegramente el calor absorbido en trabajo.

Este enunciado implica que la cantidad de energía que no ha podido ser transformada en trabajo debe cederse en forma de calor a otro foco térmico, es decir, una máquina debe trabajar al menos entre dos focos térmicos. El esquema más sencillo de funcionamiento es entonces el siguiente:

• Absorbe una cantidad de calor Q₁ de un foco caliente a una temperatura T₁
• Produce una cantidad de trabajo W
• Cede una cantidad de calor Q₂ a un foco frío a una temperatura T₂

Como la máquina debe trabajar en ciclos, la variación de energía interna es nula. Aplicando el Primer Principio el trabajo producido se puede expresar:

En general, se define Potencia (P) como el trabajo dividido por el tiempo, en caso de las máquinas corresponde entonces al trabajo producido en un segundo. En el S.I. de Unidades se mide en Watios (J/s)

Rendimiento (η)

El objetivo de una máquina es aumentar la relación entre el trabajo producido y el calor absorbido; se define pues el rendimiento como el cociente entre ambos. Si tenemos en cuenta la limitación impuesta por enunciado de Kelvin-Planck, el trabajo es siempre menor que el calor absorbido con lo que el rendimiento siempre será menor que uno:

Habitualmente se expresa el rendimiento en porcentaje, multiplicando el valor anterior por cien. Para las máquinas más comunes este rendimiento se encuentra en torno al 20%.

Usando la expresión anterior del trabajo, el rendimiento se puede calcular también como:

Equilibrio térmico

EQUILIBRIO TÉRMICO

Si en el universo se alcanzara el equilibrio y existiera en todos los lugares la misma temperatura eso supondría la muerte, la quietud, la falta de cambio.

Todos los cuerpos tienen una energía llamada energía interna. La cantidad de energía interna de un cuerpo es muy difícil de establecer ya que las partículas que forman un cuerpo tienen energías muy variadas. Tienen energías de tipo eléctrico, de rotación, de traslación y vibración debido a los movimientos que poseen, energías de enlace (que pueden dar posibles reacciones químicas) e incluso energía al desaparecer la materia y transformarse en energía DE=mc² ....

Lo más fácil de medir es la variación de energía en un proceso de transformación concreto y si el proceso es sólo físico mucho mejor. (Ejemplos: calentamiento, cambios de estado...).

Al poner en contacto dos cuerpos a distinta temperatura, el de mayor temperatura cede parte de su energía al de menos temperatura hasta que sus temperaturas se igualan. Se alcanza así lo que llamamos"equilibrio térmico".

La energía calorífica (calor) no pasa del cuerpo que tiene más energía al que tiene menos sino del que tiene mayor temperatura al que la tiene menor.

Con el siguiente ejemplo aclaramos la anterior afirmación:

Pulsa para ver foto ampliada del iceberg

Los mares (los océanos están intercomunicados) pueden ceder mucha más energía calorífica que mi cuerpo. El mar es capaz de fundir un iceberg y sus aguas apenas se enfrían unos grados. Yo, con el calor que puedo desprender en todos los días de mi vida (parte de las 2.100.000 calorías que consumo al día) fundiría muy pocas toneladas de iceberg. Puede ceder mucho más calor el mar que mi cuerpo. Pero si me sumerjo en el agua de mar el calor pasa de mi cuerpo al mar.

El calor fluye desde los cuerpos que están a más temperatura a los que están a temperatura menor.

Vamos a comprobarlo

Calentamos en un tubo de ensayo 25 ml H₂O (agua) hasta una temperatura alta. Lo introducimos centrado en un vaso de precipitados mas grande que contiene 100 ml de agua. Medimos las temperaturas de los dos a intervalos de un minuto.

Agitamos el tubo de ensayo para homogeneizar la temperatura dentro y fuera y mantenemos la sonda externa alejada del tubo de ensayo.

Registramos los datos, los anotamos en una tabla y registramos gráficamente las temperaturas de cada uno frente al tiempo.

En nuestro caso el registro lo hizo el aparato electrónico y la gráfica nos la dio el mismo aparato, pero disponiendo de dos termómetros podemos anotar los datos y luego hacer la gráfica.

Los recursos electrónicos nos permiten hacer más rápidas y más bonitas las gráficas, pero los conceptos que se descubren se pueden obtener igualmente aunque no dispongamos de tantos recursos.

¿Puedes saber la temperatura inicial del foco caliente viendo la gráfica? ¿Y del foco frío?. ¿Cuál fue la temperatura final?

¿Cuánto tardaron en igualarse las temperaturas?

En el punto en que se igualan las T el foco frío queda momentáneamente a una temperatura inferior debido a un error de lectura experimental. Una agitación continuada de los dos líquidos en contacto las igualará.

Si dejamos el sistema abandonado las temperaturas del agua del tubo y del vaso continuarán iguales y empezarán a descender al mismo tiempo, porque los alrededores están a menor temperatura.

Las pendientes de las curvas obtenidas en los registros de las temperaturas hacia el equilibrio dependen de las masa y de los calores específicos de las sustancias puestas en contacto.

Si la curva de enfriamiento y la de calentamiento tienen la misma pendiente (una creciente y la otra decreciente) ¿qué puedes deducir? ¿Estará relacionado con que la masa del líquido caliente es igual a la del frío y se trata de la mismas sustancia?

Cambios de estado

Son los procesos en los que un estado de la materia cambia a otro manteniendo una semejanza en su composición. A continuación se describen los diferentes cambios de estado o transformaciones de fase de la materia:

• Fusión: Es el paso de un sólido al estado líquido por medio del calor; durante este proceso endotérmico (proceso que absorbe energía para llevarse a cabo este cambio) hay un punto en que la temperatura permanece constante. El "punto de fusión" es la temperatura a la cual el sólido se funde, por lo que su valor es particular para cada sustancia. Dichas moléculas se moverán en una forma independiente, transformándose en un líquido. Un ejemplo podría ser un hielo derritiéndose, pues pasa de estado sólido al líquido.

• Solidificación: Es el paso de un líquido a sólido por medio del enfriamiento; el proceso es exotérmico. El "punto de solidificación" o de congelación es la temperatura a la cual el líquido se solidifica y permanece constante durante el cambio, y coincide con el punto de fusión si se realiza de forma lenta (reversible); su valor es también específico.

• Vaporización y ebullición: Son los procesos físicos en los que un líquido pasa a estado gaseoso. Si se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión continuar calentándose el líquido, éste absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión del agua en estado líquido en agua en estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura del gas.

• Condensación: Se denomina condensación al cambio de estado de la materia que se pasa de forma gaseosa a forma líquida. Es el proceso inverso a la vaporización. Si se produce un paso de estado gaseoso a estado sólido de manera directa, el proceso es llamado sublimación inversa. Si se produce un paso del estado líquido a sólido se denomina solidificación.

• Sublimación: Es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Un ejemplo clásico de sustancia capaz de sublimarse es el hielo seco.

• Sublimación inversa: Es el paso directo del estado gaseoso al estado sólido.

• Desionización: Es el cambio de un plasma a gas.

• Ionización: Es el cambio de un gas a un plasma.

Tipos de procesos termodinámicos

Procesos termodinámicos que se dan con frecuencia en situaciones prácticas, los cuales son:

          - Proceso Adiabático: Es uno en el que no entra ni sale calor del sistema; Q=0. Podemos evitar el flujo de calor ya sea rodeando el sistema con material térmicamente aislante o realizando el proceso con tal rapidez que no haya tiempo para un flujo de calor apreciable. Por la primera ley, para todo proceso adiabático,

Cuando un sistema se expande adiabáticamente, W es positivo (el sistema efectúa trabajo sobre su entorno), así que  es negativo y la energía interna disminuye, y cuando se comprime adiabáticamente es todo lo contrario. 

- Proceso Isocórico: Se efectúa a volumen constante. Si el volumen de un sistema termodinámico es constante, no se realiza trabajo sobre su entorno; W=0 y 

En un proceso isocórico, toda la energía agregada como calor permanece en el sistema como aumento de energía interna.

- Proceso Isobárico: Se efectúa a presión constante. En general, ninguna de las tres cantidades: es cero en un proceso isobárico, pero aun así es fácil calcular W, entonces se tiene

- Proceso Isotérmico: Se efectúa a temperatura constante. Para ello, todo intercambio de calor con el entorno debe efectuarse con tal lentitud para que se mantenga en equilibrio térmico. 

La energía interna de un sistema depende únicamente de su temperatura, no de su presión ni su volumen. El sistema mas conocido que posee esta propiedad especial es el gas ideal. En tales sistemas, si la temperatura es constante, la energía interna también lo es; ΔU=0 y Q=W. Es decir, toda la energía que entre en el sistema como calor Q debería salir como trabajo W efectuado por el sistema.