Conceptos Fundamentales de Termodinámica: Energía, Calor, Trabajo y Potencia

Energía, Calor y Trabajo

Energía: Capacidad que poseen los cuerpos para poder efectuar un trabajo a causa de su constitución (energía interna), de su posición (energía potencial) o de su movimiento (energía cinética). La energía se expresa en dos procesos: calor y trabajo.

• Calor: Es la energía transferida a través de la frontera (pared) de un sistema a otro debido, en general, a una diferencia de temperatura entre ellos. Los cuerpos no almacenan calor sino energía interna. En un cambio de fase no se aumenta la temperatura, ya que la energía empleada para ello se traduce en dicho cambio.
• Trabajo: Es la cantidad de energía transferida de un sistema mediante una fuerza cuando se produce un desplazamiento. No es algo que se tenga o almacene. Se localiza en la frontera (pared) del sistema, es una entrada o salida por las paredes del sistema y no se refiere al interior de este.

Si el sistema es cerrado, la única forma que tiene la energía de traspasar la frontera es mediante calor o trabajo.

El trabajo realizado por unidad de tiempo es la potencia.

Primera Ley de la Termodinámica (Conservación de la Energía)

Establece una relación entre la energía interna del sistema y la energía que intercambia con el entorno en forma de calor o trabajo. Determina que la energía interna de un sistema aumenta cuando se le transfiere calor o se realiza un trabajo sobre él.

• Procesos adiabáticos: No hay transferencia de calor.
• Sistema Cerrado: No puede transferir masa, pero sí calor.
• Sistema Abierto: Permite transferencia de masa y calor.
• Sistema Aislado: No hay transferencia de energía ni materia.

Energía Total = Suma de energías (Cinética, Potencial, Interna)

La energía está dada por la suma o resta de calor y trabajo, dependiendo de lo que se realice:

• Donde el calor es positivo cuando absorbe y negativo cuando cede.
• Donde el trabajo es positivo cuando lo realiza el exterior y negativo cuando lo realiza el sistema.
• Si el volumen es constante, el trabajo es 0 (Energía interna = calor).
• Si la temperatura es constante, el calor es 0 (Energía interna = trabajo).

Variables Termodinámicas y Relaciones de Maxwell

Se hacen derivadas parciales para obtener valores de variables que no se pueden obtener mediante instrumentos, como la energía interna, entalpía y entropía.

• Volumen específico: Es el volumen ocupado por unidad de masa. Es la inversa de la densidad.
• Entalpía (H): Cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno.

H = U (energía interna) + PV (Presión x Volumen)

• Entropía (S) (Diversidad): Mide el grado de organización del sistema, o que es la razón de un incremento entre energía interna frente a un aumento de temperatura del sistema. Permite determinar la parte de la energía por unidad de temperatura que no puede utilizarse para producir trabajo. Si aparece un nuevo elemento, el salto es cuántico (miles).

Diversidad y volumen específico son necesarios para explicar la ecuación.

Se usa Maxwell para variables no medibles.

Se habla de que el proceso está en equilibrio cuando el cambio en entropía es 0 (es ley termodinámica).

Relaciones de Maxwell

Si se aumenta la temperatura o presión:

• Si se aumenta el volumen específico, se tiene que aumentar la entropía (a presión constante) (Lado derecho).
• Si se disminuye el volumen específico (se contrae), se tiene que disminuir la entropía (a presión constante).