¿Qué es un proceso termodinámico?
¿Y cuáles son los tipos principales?
Un motor de automóvil es un tipo de motor térmico. Artur Azizkhanian/EyeEm/Getty Images
Un sistema sufre un proceso termodinámico cuando hay algún tipo de cambio energético dentro del sistema, generalmente asociado con cambios en presión, volumen, energía interna , temperatura o cualquier tipo de transferencia de calor .
Principales tipos de procesos termodinámicos
Hay varios tipos específicos de procesos termodinámicos que ocurren con tanta frecuencia (y en situaciones prácticas) que comúnmente se tratan en el estudio de la termodinámica. Cada uno tiene un rasgo único que lo identifica y que es útil para analizar los cambios de energía y trabajo relacionados con el proceso.
- Proceso adiabático - un proceso sin transferencia de calor dentro o fuera del sistema.
- Proceso isocórico - un proceso sin cambio de volumen, en cuyo caso el sistema no funciona.
- Proceso isobárico - un proceso sin cambio de presión.
- Proceso isotérmico - un proceso sin cambio de temperatura.
Es posible tener múltiples procesos dentro de un solo proceso. El ejemplo más obvio sería un caso en el que el volumen y la presión cambien, lo que resultaría en ningún cambio en la temperatura o la transferencia de calor; tal proceso sería tanto adiabático como isotérmico.
La primera ley de la termodinámica
En términos matemáticos, la primera ley de la termodinámica Se puede escribir como:
delta- EN = q - En o q = delta- EN + En
dónde
- delta- EN = cambio del sistema en la energía interna
- q = calor transferido dentro o fuera del sistema.
- En = trabajo realizado por o sobre el sistema.
Al analizar uno de los procesos termodinámicos especiales descritos anteriormente, con frecuencia (aunque no siempre) encontramos un resultado muy afortunado: una de estas cantidades reduce a cero !
Por ejemplo, en un proceso adiabático no hay transferencia de calor, por lo que q = 0, lo que resulta en una relación muy directa entre la energía interna y el trabajo: delta- q = - En . Consulte las definiciones individuales de estos procesos para obtener detalles más específicos sobre sus propiedades únicas.
Procesos reversibles
La mayoría de los procesos termodinámicos proceden naturalmente de una dirección a otra. En otras palabras, tienen una dirección preferida.
El calor fluye de un objeto más caliente a uno más frío. Los gases se expanden para llenar una habitación, pero no se contraen espontáneamente para llenar un espacio más pequeño. La energía mecánica se puede convertir por completo en calor, pero es prácticamente imposible convertir el calor por completo en energía mecánica.
Sin embargo, algunos sistemas pasan por un proceso reversible. Generalmente, esto sucede cuando el sistema está siempre cerca del equilibrio térmico, tanto dentro del propio sistema como con cualquier entorno. En este caso, cambios infinitesimales en las condiciones del sistema pueden hacer que el proceso vaya en sentido contrario. Como tal, un proceso reversible también se conoce como proceso de equilibrio .
Ejemplo 1: Dos metales (A y B) están en contacto térmico y equilibrio termal . El metal A se calienta una cantidad infinitesimal, de modo que el calor fluye desde él hacia el metal B. Este proceso se puede revertir enfriando A una cantidad infinitesimal, momento en el que el calor comenzará a fluir de B a A hasta que vuelvan a estar en equilibrio térmico. .
Ejemplo 2: Un gas se expande lenta y adiabáticamente en un proceso reversible. Al aumentar la presión en una cantidad infinitesimal, el mismo gas puede comprimirse lenta y adiabáticamente de regreso al estado inicial.
Cabe señalar que estos son ejemplos algo idealizados. A efectos prácticos, un sistema que está en equilibrio térmico deja de estarlo una vez que se introduce uno de estos cambios... por lo que el proceso no es completamente reversible. Es un modelo idealizado de cómo se produciría tal situación, aunque con un control cuidadoso de las condiciones experimentales se puede llevar a cabo un proceso que está muy cerca de ser completamente reversible.
Procesos irreversibles y la segunda ley de la termodinámica
La mayoría de los procesos, por supuesto, son procesos irreversibles (o procesos de no equilibrio ). Usar la fricción de los frenos para trabajar en su automóvil es un proceso irreversible. Dejar que el aire de un globo se libere en la habitación es un proceso irreversible. Colocar un bloque de hielo sobre una pasarela de cemento caliente es un proceso irreversible.
En general, estos procesos irreversibles son consecuencia de la segunda ley de la termodinámica, que con frecuencia se define en términos de la entropía , o desorden, de un sistema.
Hay varias formas de expresar la segunda ley de la termodinámica, pero básicamente limita la eficiencia de cualquier transferencia de calor. De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, siempre se perderá algo de calor en el proceso, por lo que no es posible tener un proceso completamente reversible en el mundo real.
Motores térmicos, bombas de calor y otros dispositivos
Llamamos a cualquier dispositivo que transforma calor parcialmente en trabajo o energía mecánica. motor térmico . Una máquina térmica hace esto transfiriendo calor de un lugar a otro, realizando algo de trabajo en el camino.
Usando la termodinámica, es posible analizar la eficiencia térmica de un motor térmico, y ese es un tema tratado en la mayoría de los cursos de física introductorios. Aquí hay algunos motores térmicos que se analizan con frecuencia en los cursos de física:
El ciclo de Carnot
En 1924, el ingeniero francés Sadi Carnot creó un motor hipotético idealizado que tenía la máxima eficiencia posible de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica. Llegó a la siguiente ecuación para su eficiencia, y Carnot:
y Carnot= ( T H- T C) / T H
T Hy T Cson las temperaturas de los depósitos caliente y frío, respectivamente. Con una diferencia de temperatura muy grande, se obtiene una alta eficiencia. Se produce una baja eficiencia si la diferencia de temperatura es baja. Solo obtiene una eficiencia de 1 (100% de eficiencia) si T C= 0 (es decir valor absoluto ) lo cual es imposible.