El concepto de proceso de la termodinámica

Objetivo:

El alumno determinara con los datos obtenidos en el laboratorio el trabajo desarrollado en un proceso termodinámico.

Marco Teórico:

Antes de entrar a conocer a fondo en el significado de la palabra que ahora nos ocupa, termodinámica, es importante resaltar que el origen etimológico de la misma se encuentra en el latín.

Más concretamente podemos subrayar el hecho de que está conformada por la unión de tres partes claramente diferenciadas:

El vocablo thermos que viene a definirse como caliente, el sustantivo dinamos que es equivalente a fuerza o a poder, y el sufijo –ico que puede determinarse que significa relativo a.

Se identifica con el nombre de termodinámica a la rama de la química que hace foco en el estudio de los vínculos existentes entre el calor y las demás variedades de energía.

Analiza, por lo tanto, los efectos que poseen a nivel macroscópico las modificaciones de temperatura, presión, densidad, masa y volumen en cada sistema.

Es importante subrayar que existe una serie de conceptos básicos que es fundamental conocer previamente a entender cómo es el proceso de la termodinámica.

En este sentido uno de ellos es el que se da en llamar estado de equilibrio que puede definirse como aquel proceso dinámico que tiene lugar en un sistema cuando tanto lo que es el volumen como la temperatura y la presión no cambian.

De la misma forma está lo que se conoce por el nombre de energía interna del sistema. Esta se entiende como la suma de lo que son las energías de todas y cada una de las partículas que conforman aquel.

En este caso, es importante subrayar que dichas energías sólo dependen de lo que es la temperatura.

El tercer concepto que es fundamental que conozcamos antes de conocer cómo es el proceso de la termodinámica es el de ecuación de estado. Una terminología con la que viene a expresarse la relación que existe entre lo que es la presión, la temperatura y el volumen.

La base de la termodinámica es todo aquello que tiene relación con el paso de la energía, un fenómeno capaz de provocar movimiento en diversos cuerpos.

Primera Ley de la Termodinámica:

El principio del balance se puede expresar de una manera más sencilla como:

Todo lo que ingresa + Lo que se genera = Lo que sale + Lo que se acumula.

Si se aplica para la materia en un sistema, se habla de la bien conocida ley de la conservación de la masa, que no se considera una ley de la termodinámica, pero es en todo caso de obligatorio cumplimiento.

Cuando se aplica a la energía en un sistema, se habla de la conservación de la energía, el balance energético, o bien del primer principio o primera ley de la termodinámica. Incluso, si se asimila como filosofía de vida puede aplicarse con éxito en llevar con orden las finanzas personales.

Con la primera ley, se puede entender algo de enorme importancia para la tradición de la tecnología: una máquina térmica en la forma de un ciclo de vapor de agua. Es mucho más que una aplicación trivial, pues fue esa idea la que permitió la invención de la máquina de vapor durante la revolución industrial, lo cual condujo históricamente a que se sentaran las bases de la termodinámica como la conocemos hoy.

El estudio de esa máquina térmica consiste básicamente en conocer lo que le ocurre al vapor de agua cuando pasa por una caldera, una turbina, una bomba, un enfriador y una válvula, junto con el significado de todos esos términos.

Adicionalmente, se trata de un rito de iniciación en el que los ojos del o la aprendiz de ingeniero o químico ven por primera vez la luz de un proceso industrial de transformación con materia y energía interactuando.

Segunda Ley de la Termodinámica:

Si se aplica apropiadamente el principio del balance a una magnitud física a la que todo mundo llama entropía, se entra en los terrenos del segundo principio o segunda ley de la termodinámica. Hasta aquí evité emplear la palabra entropía, pero mencionada la segunda ley ya no hay remedio.

Ésta establece que la primera no es criterio suficiente para decidir qué proceso es posible y qué proceso no lo es. Así, se convierte en la expresión de las restricciones que impone la naturaleza: no todo es posible y lo que es posible, tiene un límite y tiene un costo.

Si bien la energía se conserva a lo largo de una transformación tras otra, no siempre estará disponible para que nos podamos valer de ella; eventualmente llegará un momento en que, habiendo la misma energía que en un principio, se tendrá que ya no es energía útil.

En esa condición, sacarle partido a esa energía “muerta” no resulta posible. Esa degradación paulatina de la que es objeto la energía, es en realidad una pérdida, un potencial que se tuvo pero se consumió; es un precio que hubo que pagar. La implicación es que no es posible usar energía sin que una porción se pierda, y el costo consiste en renovar lo perdido.

Una interpretación de la segunda ley, particularmente útil para la ingeniería química, está en el hecho de que todo proceso de transformación tiene una condición extrema de máximo rendimiento, mínima degradación y máxima disponibilidad de la energía, que solo es posible de alcanzar en teoría.

Se trata de aquel límite que tiene todo aquello que es posible. Tal proceso imaginario, será lo más cercano a algo perfecto sin violar ni la primera ni la segunda leyes.

En el caso de la máquina térmica, la que cuenta con esas características tan particulares, se le estudia como el Ciclo de Carnot en honor al ingeniero francés así llamado, quien por vez primera concluyó que una máquina de vapor real podría tener en sus más atrevidos sueños un aprovechamiento energético máximo bastante inferior al 100%. Cualquier esfuerzo adicional

...