Termodinámica F1

Hasta principios del XIX no se comenzó a pensar en que el calor era Energía (∑). Se consideraba como un fluido sin peso, que se denominaba calórico, y que pasaba de unos cuerpos a otros comunicando temperatura a la materia.

Julius Robert Mayer (1814-1879) publicó en 1842 lo que se llamó El Primer Principio de la Termodinámica [El calor es una forma de Energía], y a partir de ese momento se impuso este nuevo concepto para estudiar el calor.

Hay que decir que cincuenta años antes, Benjamín Thomson (1753-1814) ya había avisado de que a menos que el calor fuese una energía, en su contemplación existía una grave contradicción con El Principio de Conservación de Energía; y Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832), en sus primeros pasos hacia la argumentación de El Segundo Principio de la Termodinámica, ya había llegado a esa misma conclusión de que el calor era Energía, aunque sus trabajos, anteriores en el tiempo a los de Mayer, no se conocieron hasta cuarenta y seis años después de su muerte, cuando en 1878 fueron publicados por su hermano.

En 1850, Rudolf Julius Emmanuel Clausius y William Thomson Kelvin, llegaron más lejos separando conceptos que con anterioridad se consideraban inseparables, lo que llevó a la conclusión de que el calor es Energía aunque está compuesto por dos tipos de Energía.

Quiere esto decir que para cuantificar y valorar el calor que interviene en un proceso termodinámico, necesitamos previamente medir dos tipos de Variación (∆) en el sistema que estamos estudiando:

1.- Lo que varia la energía interna del sistema,

2.- el trabajo realizado por el sistema durante el proceso termodinámico.

Esto supone El Primer Principio de la Termodinámica o Principio de la Conservación de Energía, tal y como lo conocemos en la actualidad.

∆U= Q - W

Donde U es la energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema. O lo que viene a ser lo mismo: la variación de la energía interna (U) de un monoplaza, es igual a la cantidad de calor útil que produce (Q), menos el trabajo que realiza con él (W).

Este fundamento nos lleva a pensar que puesto que el calor se puede transformar durante el trabajo realizado por el sistema (en este caso el coche), de hecho siempre lo hace, solo habrá que ver cómo aprovechar esa propiedad para beneficio propio.

Ahora el calor se concibe como energía en tránsito. Al poner en contacto a distintas temperaturas dos cuerpos o dos medios, o un medio y un cuerpo, inevitablemente se trasvasa energía de uno a otro, y mientras exista un flujo de energía entre ellos podremos hablar de calor, que pasa a formar parte de la energía interna del cuerpo o medio que lo recibe y a su vez disminuye la energía interna del cuerpo o medio que lo cede.

Llegados a este punto solo se puede pensar en El Principio de Degradación de la Energía o Segundo Principio de la Termodinámica (irreversibilidad de todos los procesos espontáneos, de manera que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico), que nos permitirá cuantificar la cantidad de energía que se degrada en cualquier proceso termodinámico (derrames, etcétera).

Por tanto, el calor y la energía internos están formados por una suma de Energía Disponible, que es transformable en trabajo (energía eléctrica, cinética o potencial), y Energía No Disponible, que se convierte en inservible y pasa al medio ambiente o tumba de las energías que han perdido su disponibilidad.

Cuando leamos que Newey juega con el calor, estamos en condiciones de preguntarnos ¿con qué calor. De dónde procede ese calor?

Si viene del rozamiento interno del sistema (del interior de un motor térmico en nuestro caso) ese calor es todo Energía No Disponible, y por tanto solo le quedará morir en la tumba del medio ambiente (esto no es una metáfora, es realmente así). Ahora bien, si no proviene de realizar trabajo en una máquina, o aún de rozamientos internos, entonces es un calor alto en Energía Disponible (cuantificable matemáticamente).

O sea, que el calor del escape será oro de 24 kilates (se detallará cómo se puede transformar en trabajo útil), mientras que el calor de refrigeración y el proveniente del rozamiento del motor, no valdrán nada, pues consisten en Energía No Disponible, sin valor en términos de ser susceptible de realizar trabajo externo al flujo al que pertenece.

Calor y los Sistemas Abiertos

Un Sistema Abierto es aquél que fluye con relación a un entorno —se suele llamar simplemente flujo—.

Con objeto de saber lo que tenemos y lo que podemos obtener (balance de energías, cinética a presión en difusores, presión a velocidad [cinética] en toberas, etcétera), citaremos las herramientas fundamentales de aproximación que atañen a los flujos.

1.- Ecuación de Continuidad: En un determinado volumen de control (o parte acotada del camino del flujo) «toda la masa por segundo que pasa por una sección I (entrada) determinada, pasará por la sección de control II (salida).

Esto es mas importante de lo que parece a simple vista.

Sabemos y podemos cuantificar la aceleración o deceleración de un flujo determinado al variar la sección por la que discurre conforme avanza (otra vez difusores y toberas). Por ejemplo ya sabemos que si el camino del flujo se ensancha, éste disminuye su velocidad y aumenta su presión. Esto es un difusor, sólo un tubo que se ensancha; e inversamente, una tobera (un tubo que se estrecha), consiste en que el flujo cede presión para aumentar su velocidad.



2.- Ecuación de Conservación de la Cantidad de Movimiento: 
Esta herramienta es muy intuitiva y sobre todo, es una Ley Universal de la Física perfectamente demostrada en laboratorio y justificada matemáticamente, una hipótesis o pilar maestro sobre el que cimentar cualquier estudio. Su enunciado dice así: «La suma de impulsos (de fuerzas aplicadas al sistema por el tiempo de aplicación), es igual a la Variación de la cantidad de movimiento de ese sistema.»

Un impulso, por ejemplo, a un cuerpo o a un flujo, es el producto

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