El estudio de la relación entre energía y entropía es lo que estudia la termodinámica técnica. Abarca todo un conjunto de teorías que relacionan propiedades macroscópicas medibles (temperatura, presión y volumen) con la energía y su capacidad para realizar trabajo.
Introducción
Los conceptos de calor y temperatura son los más fundamentales para la termodinámica técnica. Puede llamarse la ciencia de todos los fenómenos que dependen de la temperatura y sus cambios. En la física estadística, de la que ahora forma parte, es una de las grandes teorías en las que se basa la comprensión actual de la materia. Un sistema termodinámico se define como una cantidad de materia de masa e identidad fijas. Todo lo externo a él es el entorno del que está separado por fronteras. Las aplicaciones de la termodinámica técnica incluyen construcciones como:
- aires acondicionados y refrigeradores;
- turbocompresores y sobrealimentadores en motores de automóviles;
- turbinas de vapor en centrales eléctricas;
- reactivomotores de aviones.
Calor y temperatura
Cada persona tiene un conocimiento intuitivo del concepto de temperatura. El cuerpo es caliente o frío, según que su temperatura sea más o menos alta. Pero la definición exacta es más difícil. En la termodinámica técnica clásica se definía la temperatura absoluta de un cuerpo. Condujo a la creación de la escala Kelvin. La temperatura mínima para todos los cuerpos es cero Kelvin (-273, 15°C). Este es el cero absoluto, cuyo concepto apareció por primera vez en 1702 gracias al físico francés Guillaume Amonton.
El calor es más difícil de definir. La termodinámica técnica lo interpreta como una transferencia aleatoria de energía del sistema al ambiente externo. Corresponde a la energía cinética de las moléculas en movimiento y sometidas a impactos aleatorios (movimiento browniano). La energía transmitida se llama desordenada a nivel microscópico, a diferencia de ordenada, realizada a través del trabajo a nivel macroscópico.
Estado de la materia
Un estado de la materia es una descripción del tipo de estructura física que exhibe una sustancia. Tiene propiedades que describen cómo un material mantiene su estructura. Hay cinco estados de la materia:
- gas;
- líquido;
- cuerpo sólido;
- plasma;
- superfluido (el más raro).
Muchas sustancias pueden moverse entre las fases gaseosa, líquida y sólida. El plasma es un estado especial de la materia.como un rayo.
Capacidad calorífica
La capacidad calorífica (C) es la relación entre el cambio de calor (ΔQ, donde el carácter griego Delta significa cantidad) y el cambio de temperatura (ΔT):
C=Δ Q / Δ T.
Ella muestra la facilidad con la que se calienta la sustancia. Un buen conductor térmico tiene una clasificación de capacitancia baja. Fuerte aislante térmico con alta capacidad calorífica.
Terminología
Cada ciencia tiene su propio vocabulario único. Los conceptos básicos de la termodinámica técnica incluyen:
- La transferencia de calor es el intercambio mutuo de temperaturas entre dos sustancias.
- Enfoque microscópico: el estudio del comportamiento de cada átomo y molécula (mecánica cuántica).
- Enfoque macroscópico: observación del comportamiento general de muchas partículas.
- El sistema termodinámico es la cantidad de sustancia o área en el espacio elegida para la investigación.
- Entorno: todos los sistemas externos.
- Conducción: el calor se transfiere a través de un cuerpo sólido calentado.
- Convección: las partículas calentadas devuelven el calor a otra sustancia.
- Radiación: el calor se transmite a través de ondas electromagnéticas, como las del sol.
- Entropía - en termodinámica es una cantidad física utilizada para caracterizar un proceso isotérmico.
Más sobre ciencia
La interpretación de la termodinámica como una disciplina separada de la física no es del todo correcta. Afecta a casi todo.áreas Sin la capacidad del sistema de utilizar energía interna para realizar trabajo, los físicos no tendrían nada que estudiar. También hay algunas áreas muy útiles de la termodinámica:
- Ingeniería térmica. Estudia dos posibilidades de transferencia de energía: trabajo y calor. Asociado con la evaluación de la transferencia de energía en la sustancia de trabajo de la máquina.
- Criofísica (criogenia) - la ciencia de las bajas temperaturas. Explora las propiedades físicas de las sustancias bajo condiciones experimentadas incluso en la región más fría de la Tierra. Un ejemplo de esto es el estudio de los superfluidos.
- La hidrodinámica es el estudio de las propiedades físicas de los líquidos.
- Física de altas presiones. Explora las propiedades físicas de las sustancias en sistemas de presión extremadamente alta relacionadas con la dinámica de fluidos.
- La meteorología es el estudio científico de la atmósfera que se centra en los procesos y pronósticos meteorológicos.
- Física del plasma: el estudio de la materia en estado de plasma.
Ley Cero
El tema y el método de la termodinámica técnica son observaciones experimentales escritas en forma de leyes. La ley cero de la termodinámica establece que cuando dos cuerpos tienen la misma temperatura que un tercero, estos a su vez tienen la misma temperatura entre sí. Por ejemplo: un bloque de cobre se pone en contacto con un termómetro hasta que la temperatura sea igual. Luego se elimina. El segundo bloque de cobre se pone en contacto con el mismo termómetro. Si no hay cambio en el nivel de mercurio, entonces podemos decir que ambos bloques están enequilibrio térmico con un termómetro.
Primera ley
Esta ley establece que cuando el sistema experimenta un cambio de estado, la energía puede cruzar la frontera como calor o como trabajo. Cada uno de ellos puede ser positivo o negativo. El cambio de energía neta de un sistema es siempre igual a la energía neta que cruza la frontera del sistema. Este último puede ser interno, cinético o potencial.
Segunda Ley
Se utiliza para determinar la dirección en la que puede tener lugar un determinado proceso térmico. Esta ley de la termodinámica establece que es imposible crear un dispositivo que funcione en un ciclo y que no produzca ningún efecto más que transferir calor de un cuerpo con una temperatura más baja a un cuerpo más caliente. A veces se le llama la ley de la entropía porque introduce esta importante propiedad. La entropía se puede considerar como una medida de qué tan cerca está un sistema del equilibrio o del desorden.
Proceso térmico
El sistema sufre un proceso termodinámico cuando se produce en él algún tipo de cambio de energía, generalmente asociado a la transformación de presión, volumen, temperatura. Hay varios tipos específicos con propiedades especiales:
- adiabática - sin intercambio de calor en el sistema;
- isocorico - sin cambio de volumen;
- isobarica - sin cambios en la presión;
- isotérmico: sin cambios de temperatura.
Reversibilidad
Un proceso reversible es aquel que, una vez que ha tenido lugar, puede sercancelado. No deja ningún cambio ni en el sistema ni en el entorno. Para ser reversible, el sistema debe estar en equilibrio. Hay factores que hacen que el proceso sea irreversible. Por ejemplo, fricción y expansión descontrolada.
Solicitud
Muchos aspectos de la vida de la humanidad moderna se construyen sobre los cimientos de la ingeniería térmica. Estos incluyen:
- Todos los vehículos (automóviles, motocicletas, carros, barcos, aviones, etc.) funcionan sobre la base de la segunda ley de la termodinámica y el ciclo de Carnot. Pueden usar un motor de gasolina o diesel, pero la ley sigue siendo la misma.
- Los compresores de aire y gas, sopladores y ventiladores funcionan en diferentes ciclos termodinámicos.
- El intercambio de calor se usa en evaporadores, condensadores, radiadores, enfriadores, calentadores.
- Refrigeradores, congeladores, sistemas de refrigeración industrial, todo tipo de sistemas de aire acondicionado y bombas de calor funcionan debido a la segunda ley.
La termodinámica técnica también incluye el estudio de varios tipos de centrales eléctricas: térmicas, nucleares, hidroeléctricas, basadas en fuentes de energía renovables (como solar, eólica, geotérmica), mareas, olas y otras.
