Al igual que otras ciencias físicas, la Termodinámica se basa en las observaciones que se hacen de la naturaleza.

Se trata de una disciplina que formula conceptos primarios e intuitivos, basándose en la experiencia cotidiana. De esta manera, la termodinámica utiliza una serie de términos como energía, equilibrio, propiedad, sistema, proceso, trabajo y calor, los cuales usamos (un poco a la ligera) en el lenguaje diario.

Trata, fundamentalmente, de la energía y su relación con la materia y resulta muy importante como herramienta para la búsqueda de soluciones a los problemas relacionados con las fuentes de energía, la escasez de agua potable, la contaminación de nuestro aire y la eliminación de nuestros resíduos.

De todo ello, se desprende el interés de todo tipo de profesionales por ella, desde ingenieros a matemáticos, pasando por médicos y biólogos.

La estructura conceptual de la termodinámica es muy simple: Todos los procesos físicos (y químicos) involucrados en ella se pueden exponer mediante tres relaciones matemáticas: Las que relacionan la energía, la entropía y las propiedades de las sustancias.

En el contexto de esta disciplina, estos conceptos pueden parecer un poco abstractos y formales, al principio, pero, según se vea su aplicación, en la práctica, irán tomando su verdadero significado.

Un saludo cordial, amigos.

Queridos amigos:
A continuación, les traigo una relación de fechas y sucesos históricos, relacionados con esta disciplina.

1798:
El conde Rumford inicia el estudio de la conversión de trabajo en calor, mediante experimentos con el sistema de taladro enfriado por agua utilizado en la manufactura de cañones.

1799:
Sir Humphry Davy estudia la conversión del trabajo en calor, raspando hielo.

1824:
Sadi Carnot publica una obra donde incluía la descripción del ciclo termodinámico que lleva su nombre.

1842:
Mayer postula el principio de conservación de la energía.

1848:
James Prescott Joule sienta las bases experimentales de la Primera Ley de la Termodinámica, mediante experimentos que permiten establecer la equivalencia entre trabajo y calor. El símbolo J se usa hoy, en su honor, como unidad de trabajo (o energía equivalente en forma de calor).

El mismo año, Lord Kelvin establece la escala de temperatura que lleva su nombre, basándose en el Ciclo de Carnot.

1850:
Rudolf Clausius cae en la cuenta de la existencia de la Primera y Segunda Leyes de la Termodinámica.
Introduce, asimismo, el concepto que hoy conocemos como Energía Interna U.

1875:
Josiah Willard Gibbs aplica la termodinámica al estudio de las reacciones químicas y define el concepto de Potencial Químico.

1909:
Caratheodory establece las expresiones matemáticas de la termodinámica.

SISTEMA

Región del espacio o determinada cantidad de materia, limitada por una superficie cerrada o pared.

Puede ser real, como un depósito que contenga un líquido o imaginaria, como la frontera de un fluído que circula por una tubería.

Todos los demás sistemas que queden fuera de la superficie cerrada y que interactúen con el sistema se conocen con el nombre de alrededores del sistema.

En un sistema cerrado, la frontera del mismo es impermeable al paso de la materia. No obstante, puede intercambiar energía en forma de trabajo y calor con sus alrededores.

En un sistema abierto, la materia o masa puede fluír a través de su frontera. El intercambio de energía (calor y trabajo) también es posible.

Un sistema aislado no puede tener ninguna interacción con sus alrededores. La pared no sólo es impermeable a la masa sino a cualquier forma de energía.
Todo sistema considerado, conjuntamente con sus alrededores constituye un sistema aislado.


PARED RÍGIDA
No permite que el volumen del sistema cambie.

PARED DIATÉRMANA
Permite la transferencia de calor del sistema con sus alrededores.

PARED ADIABÁTICA
Resulta impermeable para el intercambio de calor del sistema con sus alrededores.

PROPIEDADES INTENSIVAS
Resultan independientes de la cantidad de masa del sistema.
La presión, la temperatura y la densidad son propiedades intensivas.

PROPIEDADES EXTENSIVAS
Son proporcionales a la masa del sistema.
El volumen, la energía y la entropía son ejemplos de este tipo de propiedades.

PROCESO TERMODINÁMICO
Se dice que se ha llevado a cabo un proceso cuando una cierta cantidad de materia ha experimentado un cambio, partiendo de una situación anterior, de equilibrio.

PROCESO ISOTÉRMICO
Dícese de aquél que tiene lugar a temperatura constante.

PROCESO ISOBÁRICO
Proceso que transcurre a presión constante.

PROCESO ISOMÉTRICO, ISOSTÉRICO O ISÓCORO
En el que el volumen no varía.

PROCESO ADIABÁTICO
Durante el mismo no existe transferencia de calor a través de las fronteras del sistema.

PROCESO CÍCLICO O CICLO
Conjunto de procesos encadenados, que efectúa un sistema, de modo que su estado inicial y final son idénticos.
Dicho de otro modo: El cambio neto de cualquier propiedad del sistema durante un ciclo es cero.

PROCESO REVERSIBLE
Tiene lugar si, una vez que se ha efectuado dicho proceso, resulta posible, de alguna manera, hacer volver al sistema y a sus alrededores exactamente a los mismos estados que tenían al comienzo del proceso.
Constituye la perfección (o, cuando menos, la excelencia) desde el punto de vista termodinámico y, en la práctica, no existe, siendo irreversibles todos los procesos reales.
Constituye una referencia para cuantificar el grado de irreversibilidad de un proceso.

La verdad científica respecto de la energía se puede resumir diciendo que (en nuestro universo) es algo que no puede ser creado ni destruido
Este Principio de la Conservación de la Energía o Primera Ley de la Termodinámica puede expresarse, para un sistema cualquiera diciendo:

energía que entra al sistema - energía que sale del sistema = cambio en la energía almacenada dentro del sistema

La energía,concepto intuitivo, según admitimos, es algo que posee toda la materia.
La definimos, asimismo, como la capacidad para desarrollar trabajo mecánico (el trabajo es energía, pero no toda la energía es trabajo).

ENERGÍA POTENCIAL
Dos masas cualesquiera, sin importar su tamaño, se atraen mútuamente (según se sabe, por la Segunda Ley de Newton).
Si esta fuerza de atracción se multiplica por la distancia de separación, la energía resultante se conoce como energía potencial.
En nuestro análisis, el único tipo de energía potencial que resulta relevante es el que tiene que ver con la posición de una masa respecto a un nivel de referencia arbitrario en el campo gravitatorio de la Tierra.
La energía potencial de un sistema de masa m, colocado a un desnivel Z por encima de un plano de referencia está dada por la expresión de la figura.


ENERGÍA CINÉTICA
Constituye el tipo de energía que un cuerpo tiene debido a su movimiento global y se define en términos de movimiento relativo de un cuerpo, con respecto a otro.
De manera parecida a cómo se asignó la altura cero del plano de referencia arbitrario para el cálculo de la energía potencial de un cuerpo, se supone, por lo general, para el caso de la energía cinética, que uno de los cuerpos se encuentra en reposo.
Por conveniencia, se parte del supuesto de que la Tierra tiene velocidad cero (al menos, bajo nuestros pies, si estamos parados) y medimos las velocidades de los cuerpos con respecto a ella.


La energía cinética y la potencial son dos formas de energía que nos resultan familiares; por ello, se les conoce con el nombre de formas mecánicas de la energía.
En ausencia de fricción, estas formas mecánicas de energía son intercambiables entre sí por completo: Quiere decirse que una unidad de energía potencial se puede convertir (idealmente, claro) en una unidad de energía cinética y viceversa.

ENERGÍA INTERNA
Representada mediante la letra U, se refiere a todas las otras formas de la energía en un sistema, diferentes de la cinética y la potencial.
Se trata, entonces, (tal como su nombre sugiere) de los distintos modos de energía a nivel microscópico.
No se sabe (con los medios actualmente disponibles) cómo determinar valores absolutos de U. Lo que sí es posible es determinar cambios en U y, ello (tal como se dijo) es todo lo que se necesita en la práctica.

La energía total de un sistema, E, se puede expresar de la siguiente manera

E = U + Ec + Ep

El contenido de energía, para un sistema cerrado (de masa constante) puede cambiar, mediante transferencia de trabajo o calor.
Es decir, los alrededores pueden ceder u obtener trabajo del sistema y lo mismo puede decirse del calor.

Se utiliza, en la literatura especializada, el símbolo W para el trabajo y el símbolo Q para el calor.

Por razones de criterio preestablecido (por convenio) se admite como positivo el trabajo que desarrolla el sistema y, también, el calor que recibe de sus alrededores.

Los símbolos W12 y Q12 representarán, respectivamente, las cantidades de trabajo y calor cuando el sistema experimenta un cambio desde el estado 1 (con energía E1) al estado 2 (con energía E2).

La expresión de la Primera Ley de la Termodinámica para un sistema cerrado sería, entonces, según lo dicho

Q12 = W12 + E2 - E1

Si no existen cambios en el balance de energías cinética y potencial (solamente los hay relativos a la energía interna) la expresión anterior sería

Q12 = W12 + U2 - U1.

Imaginemos el caso de un ciclo formado por los procesos intermedios 1 al 2, 2 al 3, 3 al 4 y 4 al 1.

Por la definición de la Primera Ley sería cierto lo siguiente, proceso a proceso

Q12 = E2 - E1 + W12
Q23 = E3 - E2 + W23
Q34 = E4 - E3 + W34
Q41 = E1 - E4 + W41


Para todo el ciclo, se verifica:

Qneto = Wneto

Es decir, que en este ciclo, productor de trabajo, el calor agregado neto es igual al trabajo extraído neto del sistema.

El concepto de trabajo (como ya hemos comentado) es un concepto primario e intuitivo.
Tiene su origen en el estudio de la Mecánica, donde se le define como el producto de una Fuerza por una Distancia, a lo largo de la cual actúa.

Sin embargo, en Termodinámica, la fuerza y distancia, aludidas en la definición anterior, algunas veces pueden no ser reconocibles fácilmente, por lo que conviene interpretar más ampliamente el concepto de trabajo, de la siguiente manera:

Se define, entonces, el trabajo como la energía transferida a través de la frontera del sistema, sin transferir masa.

De acuerdo con lo expresado, el trabajo es energía en tránsito: Una vez que cruza la frontera del sistema, <<desaparece>> y se convierte en energía contenida por los alrededores.
Existe un intercambio de trabajo, cuando tiene lugar un cambio de estado en el sistema.

Aunque la verdadera naturaleza del trabajo se conoció claramente desde épocas tempranas, no resultó así con el concepto de calor, sujeto a confusión, hasta comienzos del siglo pasado, cuando se tuvo una idea clara e inequívoca del mismo.

El calor no es sino la energía transferida a través de la frontera del sistema, sin que exista transferencia de masa y que no pueda ser considerada como trabajo.

Al igual que ocurre con el trabajo, una vez que el calor atraviesa los límites del sistema, <<desaparece>> pasando a formar parte, del sistema, si procedía de los alrededores o de los alrededores, si procedía del sistema.

ENTALPÍA
Se trata de una expresión que agrupa la energía interna del sistema U y el trabajo desarrollado (por o sobre) el mismo, en forma de variaciones de presión y volumen, p·V.
No es un concepto intuitivo o primario sino que se ha definido por la comodidad que ofrece a la hora de cuantificar cambios en el balance de energía de un sistema. Su expresión es la siguiente

H = U + p · V

El término H tiene dimensiones de energía, entonces.

Es conveniente, en los análisis termodinámicos, introducir la idea del depósito.
Dado que un sistema puede tener tres tipos de interacción, trabajo, calor y masa, con sus alrededores, supondremos que existen tres clases de depósitos termodinámicos: De Trabajo, de Calor y de Materia o Masa.

DEPÓSITO DE TRABAJO
Un depósito de trabajo es un dispositivo que podemos emplear para conocer, en todo momento, la cantidad de trabajo desarrollada o recibida por un sistema determinado.
Se trata, entonces, de un cuerpo para el que toda unidad de energía que cruza su frontera lo hace en forma de trabajo.
Un ejemplo de este tipo de depósito puede ser un contrapeso, que se eleva cuando el sistema efectúa trabajo sobre él y que desciende, al ceder trabajo al sistema (ver la figura del sistema cilindro - pistón, actuando sobre un peso).

DEPÓSITO DE CALOR
Puede imaginarse como un sistema que desempeña el papel de fuente o sumidero de calor, para analizar casos prácticos y ejemplos.
Se le define como un cuerpo físico con una gran capacidad de absorción (o cesión) de energía, de tal manera que su temperatura permanece constante al recibir calor o al emitirlo.
La atmósfera de la Tierra y los océanos pueden considerarse como depósitos de calor, en muchas aplicaciones prácticas.

DEPÓSITO DE MATERIA (O MASA)
Teniendo en cuenta que la masa, al igual que el trabajo y el calor, puede cruzar las fronteras de un sistema abierto, es fácil imaginar que los alrededores de un sistema de esta clase incluyen no sólo depósitos de trabajo y de calor, sino, además, uno o más depósitos de materia.
Se supone que un depósito de esta clase debe ser suficientemente grande comparado con el sistema correspondiente para mantenerse en un estado de equilibrio: La atmósfera de la Tierra puede considerarse, también, como un depósito de masa que (por ejemplo) provee de aire a motores terrestres o marinos.

La Primera Ley de la Termodinámica no puede explicar ciertos fenómenos físicos observados como los que se enuncian a continuación:

La conversión de calor en trabajo no puede efectuarse de manera continua con una eficiencia del cien por cien (lo que permitiría que un motor diesel transformara por completo la energía del combustible que consume en trabajo)

El calor no fluye de manera espontánea desde una región de baja temperatura a otra de alta temperatura (lo que permitiría que una nevera se enfriase por sí sola).

El agua y la sal se mezclan espontáneamente, para formar una solución salina (el agua de los mares) pero la separación de la sal de un depósito de agua de mar no se puede llevar a cabo sin la ayuda de agentes externos al sistema (lo que haría innecesarias las plantas desalinizadoras).

Una pelota que cae al suelo, finalmente, dejará de botar.

Un resorte que se encuentre vibrando alcanzará el reposo por sí mismo en algún momento.

Como resultado de investigaciones metódicas de estos procesos (y de otros muchos) se acepta, hoy en día, otra gran evidencia científica:

<<En un sistema aislado, la calidad de la energía, definida dicha calidad como la habilidad para desarrollar trabajo no se puede conservar>>.

Lo dicho anteriormente recibe, a veces, el nombre de Principio de la Degradación de la Energía y, en él, se fundamenta la Segunda Ley de la Termodinámica.

Dado que la energía se ha definido como la capacidad para desarrollar trabajo, es razonable definir la calidad de la energía en función de su mayor o menor capacidad para desarrollar dicho trabajo.

Aquella parte del contenido de energía en un sistema dado que, potencialmente, puede efectuar trabajo para nosotros recibe el nombre de energía disponible (para realizar trabajo) del sistema.

Si se representa como Ed el trabajo disponible de un sistema cuyo contenido total de energía sea E, se puede escribir

E = Ed + End

donde End recibe el nombre de energía no disponible del sistema.

Llegados aquí, se puede definir una propiedad, denominada entropía, S, la cual, en expresión matemática, puede expresarse diciendo que

S = K · End

siendo K un valor constante arbitrario y característico de cada sistema o depósito termodinámico en cada caso.

Teniendo en cuenta que el balance de la energía en un sistema cerrado permanece constante y, conociendo que la energía disponible se va degradando, cabe afirmar que, para un sistema aislado se verifica

S > 0 ó S = 0 (la entropía, en todo caso, o bien no varía o tenderá a aumentar).

Esta última expresión constituye la traducción matemática de la Segunda Ley De La Termodinámica:
<<La entropía en un sistema aislado nunca puede disminuír>>. O sea, que la energía disponible del sistema para convertirse en trabajo cada vez será menor.

Verdaderamente, amigos, lo último expresado suena deprimente y, tal vez, se nos ocurran varios ejemplos de esa tendencia a la degradación de las cosas en nuestro universo.

Ello explicaría, por ejemplo, por qué las casas, si no se cuidan, terminan cayéndose y, nosotros mismos, por mucho que nos cuidemos, terminaremos abocados a la disgregación.

Es la tan conocida <<Ley de Murphy>> o ley del pesimismo e, incluso, pueda ser la explicación a la tan traída y llevada inclinación al mal o concupiscencia de la naturaleza humana, que nos lleva a portarnos tan mal con nosotros mismos y con nuestros semejantes.

Ya lo ven: La Termodinámica es tan fronteriza con la Filosofía que, si nos apartamos de lo estrictamente técnico y nos descuidamos un poco terminamos poniéndonos trascendentes. Abandonaremos esta exposición y continuaremos por donde íbamos.

Un saludo cordial.

Habíamos definido un depósito de trabajo como un cuerpo en el cual cada unidad de energía que cruza su frontera constituye trabajo.

Teniendo en cuenta esta definición y, de acuerdo con la Primera Ley, se puede afirmar que la transferencia de calor en el sistema es nula y, por consiguiente, toda la variación de energía en el mismo es debida al trabajo en tránsito.

Por la definición de depósito de trabajo, la energía no disponible en el mismo debe ser nula y, para que esto se verifique, la variación de entropía en el sistema debe ser cero.

Como consecuencia final, la entropía en un depósito de trabajo nunca puede cambiar.

Anteriormente, se estableció el concepto de depósito de calor como un cuerpo que posee una capacidad de energía muy grande, de modo que su temperatura permanece constante con independencia de que intercambie calor con otros cuerpos, siendo esta energía la única forma de la misma que puede pasar a través de sus fronteras.

De acuerdo con ello, se verifica

Q = E

y, combinando esta expresión con la definición de entropía,

S = K · ( Q - Ed )

Pero por su propia definición, Ed no podrá ser transferida fuera de las fronteras del depósito de calor, por lo que deberá verificarse

S = K · Q

En el depósito de calor, la entropía aumenta cuando se agrega calor a dicho sistema y disminuye cuando se sustrae.

Por definición, el parámetro constante en un depósito de calor es su temperatura. Partiendo de aquí, se ha llegado a demostrar que

K = 1 / T

Y, en definitiva

S = Q / T.

Recordemos que, si un proceso es reversible, resulta posible llevarlo a cabo en sentido inverso, de tal modo que no quedará huella alguna que demuestre que dicho proceso tuvo lugar.

Recordemos también que, debido a las leyes expuestas anteriormente, seremos incapaces de eliminar los efectos de disipación de la energía que hacen que, en la práctica, todos los procesos termodinámicos reales sean irreversibles.

Además, según se vió, dado que los efectos mencionados implican la pérdida de una oportunidad para desarrollar trabajo, siempre que se lleve a cabo un proceso irreversible, se tendrá producción de entropía en nuestro universo.

Una máquina de calor es un dispositivo que opera cíclicamente y, con ello, produce trabajo e intercambia calor con fuentes y sumideros de esta misma energía.

El estudio de las máquinas de calor tiene una importancia histórica para la ciencia. No obstante, actualmente, viendo lo limitado de nuestros recursos energéticos, el estudio de las máquinas de calor está cobrando mayor importancia que nunca.

Con el fin de medir la calidad del funcionamiento de tales máquinas, se utiliza el concepto de eficiencia térmica: Se define como el cociente del trabajo neto producido por la máquina (lo que obtenemos) entre el calor agregado a la máquina (lo que pagamos).

Llamando

QH = cantidad de calor agregado a la máquina

QL = cantidad de calor sustraído a la máquina

W = cantidad neta de trabajo producido por la máquina

la eficiencia térmica de la máquina de calor vendrá dada por

W / QH

teniendo en cuenta la Primera Ley

QH - QL = W

la eficiencia térmica valdrá

1 - QL / QH

Se puede concluir que una máquina de calor (aunque fuera ideal) no puede tener una eficiencia del ciento por ciento, a menos que la cantidad de calor entregada sea nula, lo cual, por la Segunda Ley es imposible.

Los refrigeradores y las bombas de calor son, simplemente, máquinas de calor que trabajan en sentido inverso.

De la misma forma que en el volcado anterior, se define el coeficiente de funcionamiento como la relación entre lo que obtenemos y lo que pagamos.

La máquina aquí considerada puede ser un refrigerador o una bomba de calor dependiendo del sentido asignado a la frase <<lo que obtenemos>>.

Si el objetivo es sustraer calor de un recinto que se pretende refrigerar, tal como una nevera (cuerpo frío) la máquina será considerada como un refrigerador.

Si se trata de proveer de calor a un recinto (una casa a la que se pretende dotar de calefacción, que será considerada como cuerpo caliente), la máquina se denomina una bomba de calor.


Siendo

QL = Cantidad de calor transferida desde un cuerpo de baja temperatura.

QH = Cantidad de calor transferida a un cuerpo más caliente que el anterior.

W = Trabajo neto necesario para efectuar el proceso.

El coeficiente de funcionamiento (refrigerador) viene dado por

QL / W = QL / ( QH - QL )

El coeficiente de funcionamiento (bomba de calor) viene dado por

QH / W = QH / ( QH - QL )

El Ciclo de Carnot tiene una enorme importancia histórica.

Fue introducido por el físico e ingeniero francés del mismo nombre, en 1.824 y constituyó la base para el desarrollo de la Segunda Ley de la Termodinámica.

El ciclo en cuestión está formado por dos procesos isotérmicos reversibles y dos procesos adiabáticos reversibles.

Recordemos que
Isotérmico significa <<A temperatura constante>>.
Adiabático significa <<Sin transferencia de calor a través de las fronteras del sistema>>.
Isentrópico significa <<Sin variación de entropía>>.

El proceso 1 - 2 es isotérmico reversible. ¿Por qué?
Porque, en cualquier otro caso, la temperatura del fluído motor sería inferior a la temperatura T1 del foco caliente.

Es posible enfriar en forma equilibrada el fluido motor desde la temperatura del foco caliente, T1 hasta la temperatura del frío T2 sin dar calor a nadie más, sólo en condiciones de expansión adiabática, realizando el trabajo.

Los procesos paralelos, de emisión calorífica desde el fluído motor al foco frío 3 - 4, así como la compresión 4 - 1 del fluído motor, hasta ponerlo en las condiciones de partida, a su vez, deben ser isoterma reversible y adiabática reversible, respectivamente y por las mismas razones.
La realización del ciclo de Carnot en una máquina térmica se puede presentar como se indica en la figura.

Un gas o fluído motor, cuyas características iniciales responden a las del punto 1 (de izquierda a derecha, la primera figura), se encuentra situado en un cilindro, por debajo de un pistón. Se supone que las paredes del conjunto aíslan el sistema de sus alrededores, a efectos de transmisión de calor, salvo su parte inferior, que se encuentra en contacto con el foco caliente a temperatura T1.

Al moverse el pistón por efecto de la expansión del gas, provocada por el calor cedido al sistema por el foco caliente, el pistón aumenta el volumen de la cámara desde 1 a 2. Si acudimos a la gráfica entropía - temperatura, el calor cedido por el foco caliente al fluido motor vale

QH = ( S2 - S1 ) · TH

En el punto 2 termina el suministro de calor y el cilindro es aislado térmicamente. En la figura segunda, puede apreciarse cómo el progreso del pistón del punto 2 al punto 3 tiene lugar, adiabáticamente, sólo merced a la energía interna del sistema, dando como resultado que el fluído motor vé mermada su temperatura de T1 a T2.

En la figura tercera, se pone el sistema en contacto térmico con el foco frío, a temperatura T2 y se comprime el fluído motor hasta el punto 3, cediendo al foco frío el calor

QL = ( S2 - S1 ) · TL

Llegados al punto 4, finalmente, se aísla nuevamente el sistema y se comprime el gas adiabáticamente para dar la energía interna necesaria al sistema para que vuelva a las condiciones necesarias del punto 1.

Hagamos un balance de energía.

Q12 = T1 ( S2 - S1 ) (positivo, ya que entra al sistema)

Q34 = -T4 ( S2 - S1 ) (negativo, ya que sale del sistema)

Para un ciclo (por la Primera Ley)

Q = W

W = T1 ( S2 - S1 ) - T4 ( S2 - S1 ) = ( T1 - T4 ) ( S2 - S1 )

La eficiencia térmica será

W / QH = ( T1 - T4 ) / T1 = 1 - TL / TH

Dice lo siguiente:

<<Los estados de equilibrio de una sustancia (un líquido, un gas, un fluído, en general) simple, compresible (capaz de ocupar volúmenes progresivamente menores, aumentando su densidad) quedan completamente determinados, especificando dos propiedades intensivas independientes del mismo>>.

Cuando se considera una sustancia de tal naturaleza, en la fase líquida, se ha observado experimentalmente lo que sigue

T (temperatura) queda determinada si se especifican p (presión) y V (volumen).


p (presión) queda determinada si se especifican T (temperatura) y V (volumen).

V (volumen) queda determinado si se especifican p (presión) y T (temperatura).

Se obtienen los mismos resultados experimentales si la sustancia simple compresible existe en la fase de vapor. Y también lo dicho es válido si la sustancia se encuentra en fase sólida. No obstante, si se tiene una mezcla de líquido y vapor en equilibrio, se han observado resultados algo diferentes:

T (temperatura) queda (aún) determinada si se especifican p (presión) y V (volumen).

p (presión) queda determinada aún también si se especifican T (temperatura) y V (volumen).

V (volumen) no queda determinado si solamente se especifican p (presión) y T (temperatura.

Hemos presentado ya (con mayor o menor incidencia) seis propiedades termodinámicas:

Presión P

Volumen V

Temperatura T

Energía Interna U

Entalpía H

Entropía S

De éstas, las tres primeras se pueden medir directamente, por lo que se explica que los datos experimentales, relativos a ellas, sean los más abundantes.

Cualquier proceso que se lleve a cabo de acuerdo con el experimento mostrado en la figura de la izquierda será a presión constante, si aseguramos que el peso sobre el pistón es constante.

El calentamiento de la sustancia dará lugar a que aumente su temperatura y cambie su volumen.

Si este proceso (de calentamiento) se repite para diferentes cargas sobre el pistón, se obtienen los datos necesarios para construir una superficie presión - volumen - temperatura.

Cualquier proceso que se efectúe de acuerdo con la figura de la derecha, resultará a temperatura constante, dado que el sistema estará en contacto con la fuente de calor. Variando la fuerza aplicada sobre el pistón, se obtiene un cambio de volumen, correspondiente a cada cambio de presión, durante la operación a temperatura constante.

Repitiendo este proceso con depósitos de calor a diferente temperatura, se obtienen los datos experimentales necesarios para la construcción de una superficie presión - volumen - temperatura.

Los resultados se pueden plasmar en un sistema de coordenadas rectangulares, y, así, los estados de equilibrio de la sustancia quedarán representados por una superficie, conocida como superficie p - V - T
La figura de la izquierda se refiere a una sustancia que se contrae durante la congelación, como el dióxido de carbono, CO2.

La figura de la derecha corresponde a una sustancia que se expande durante la congelación, como el agua.

Estos diagramas tienen la ventaja de presentar los rangos de las variables consideradas, para los cuales la sustancia analizada puede existir en la fase gaseosa (vapor) , en la fase líquida o en la sólida.

Permiten conocer las regiones en las que dos fases pueden coexistir, así como la línea triple, formada por los estados donde las tres fases pueden coexistir simultáneamente.

Además, muestran con claridad el estado o punto crítico: La presión y la temperatura correspondientes a este estado son los valores más altos, más allá de los cuales resulta imposible una transformación líquido-vapor.

En la región líquido - vapor, al vapor en una mezcla en equilibrio se le llama vapor saturado y el líquido en la misma mezcla recibe el nombre de líquido saturado.

La línea que separa la región de líquido de la región líquido - vapor se denomina línea del líquido saturado.

De igual manera, la línea que separa la región de vapor de la región de líquido - vapor se conoce como línea del vapor saturado.

Las dos líneas mencionadas se juntan en el punto crítico.

Todo punto sobre la línea de líquido saturado constituye un estado de líquido saturado, mientras que todo punto sobre la línea de vapor saturado corresponde a un estado de vapor saturado.

La presión a la cual un líquido se vaporiza (o un vapor se condensa) es la presión de saturación correspondiente a una temperatura dada. También se llama presión de vapor, ya que se trata de la presión ejercida por un vapor o por un líquido saturado sobre su frontera.

La temperatura a la que se presentan los fenómenos descritos se llama temperatura de saturación correspondiente a una presión dada.

Sólo se tiene un valor de la temperatura de saturación que corresponda a una presión dada y, de la misma manera, sólo se tiene un valor de presión de saturación que corresponda a una temperatura dada.

Los procesos involucrados en las plantas motrices a bordo de los buques (y en otros sistemas de potencia, como centrales de generación termoeléctrica) conciernen, principalmente a sistemas abiertos.

Como se sabe, en estos casos pueden ser asimilados a sistemas cerrados, siempre y cuando se cumplan los siguientes requisitos:

Que la rapidez de transferencia de calor a través de la superficie de control (que cumple las mismas funciones que la frontera en un sistema cerrado) sea constante.

Que la rapidez con que se desarrolla trabajo a través de la superficie de control sea constante.

Que el estado termodinámico y la velocidad de cada corriente de fluido que entra al volumen de control sean constantes.

Que el gasto de masa de cada flujo que entra al volumen de control sea constante.

Que el gasto de masa de cada flujo que sale del volumen de control sea constante.

Los procesos reales que tienen lugar en multitud de sistemas, además de los ya mencionados, como licuefacción de gases, desalación de aguas salobres,...se construyen integrando varios componentes, a través de los cuales tiene lugar un flujo contínuo de materia y son los que vamos a ir viendo ahora.

DISPOSITIVOS QUE ABSORBEN TRABAJO
Se trata de las bombas y los compresores.

La función de estas máquinas es llevar un fluído desde un estado inicial hasta uno final, en el que la presión es mayor.

Las bombas operan con líquidos.

Los compresores trabajan con gases y vapores.

En un compresor real (cuando no se dispone de un sistema de enfriamiento para el gas, durante la compresión) el proceso se puede suponer adiabático.

La hipótesis es razonable ya que la superficie disponible para la transferencia de calor es relativamente pequeña y, además, el tiempo que tarda el gas en circular por la máquina es muy corto, por lo que el proceso se puede suponer como adiabático reversible o isentrópico.

DISPOSITIVOS QUE PRODUCEN TRABAJO
Son las turbinas y las máquinas de expansión

Las turbinas son dispositivos que desarrollan trabajo operando a grandes velocidades de rotación. Debido a ello, se pueden obtener grandes cantidades de potencia de una máquina relativamente pequeña.

Del mismo modo, la inevitable transferencia de calor entre la superficie de la turbina y sus alrededores es, por lo común, muy pequeña, comparada con la cantidad de trabajo producido, por lo que el proceso puede considerarse como adiabático reversible o isentrópico.

DISPOSITIVOS QUE MODIFICAN LA PRESION DEL FLUJO
Se trata de las toberas y los difusores
El objetivo de una tobera es proveer el máximo posible de energía cinética dadas unas condiciones en la entrada y una presión de descarga.
Tanto en el caso de las toberas como en el de los difusores, el proceso se puede considerar como adiabático, pero no reversible, debido, principalmente, a la fricción en las paredes del conducto, lo que hace que aumente la entropía del fluído.

El propósito de un difusor es incrementar la presión del fluído, con la consiguiente disminución de la velocidad. Por lo que un difusor viene a ser como una tobera operando en sentido inverso.
No son tan eficientes como las toberas, en términos de rendimiento energético, debido a que el fluído le resulta más sencillo el expandirse que comprimirse.

CAMBIADORES DE CALOR
Cualquier dispositivo, cuya función primordial es permitir la transferencia de calor entre dos fluídos, o entre un fluído y un depósito de calor, recibe el nombre de cambiador de calor.

Sus aplicaciones son sumamente amplias, desde el enfriamiento de componentes electrónicos de potencia, hasta la sustracción de calor en un reactor nuclear. Los ejemplos son numerosos y reciben sus denominaciones de acuerdo con su uso específico.

Así, por ejemplo, en centrales de generación termoeléctrica, mediante vapor de agua, se tienen cambiadores de calor conocidos como calderas (para generar vapor) y condensadores (para volver al estado líquido el vapor, tras su paso por la turbina).
En los motores de combustión interna (los de los automóviles) se tienen las camisas de los cilindros y los radiadores de refrigeración del agua.

Los tres mecanismos físicos, mediante los cuales se transmite calor son la conducción, la convección y la radiación.
El estudio de estos efectos y los fenómenos que los acompañan pertenecen a una disciplina con métodos y objetivos propios, denominada Termotecnia.

DISPOSITIVOS DE ESTRANGULACION
Se dice que se presenta un proceso de estrangulación cuando un fluído disminuye su presión al atravesar algún tipo de restricción. Por ejemplo, una válvula, un orificio o algún dispositivo semejante. Se admiten las siguientes suposiciones:

La transferencia de calor es despreciable.

La variación de energía cinética es, igualmente, despreciable.

El cambio de energía potencial se supone, asimismo, como despreciable.

Todas estas suposiciones permiten asegurar que la ecuación del balance energético de este tipo de dispositivo involucra únicamente a la entalpía del fluído.

Queridos amigos:

Creo que ha llegado el momento de pasar a terrenos algo más prácticos y, por lo comentado, parece indudable que el objetivo de la Termodinámica es la transformación de las fuentes de energía disponibles a nuestro alcance, en otros tipos de energía más convenientes y aplicables a nuestro modo de vida (por ejemplo, la electricidad).

FUENTES DE ENERGÍA
El primer problema que debe ser resuelto una vez decidida la instalación de una planta o sistema productor de potencia (sea eléctrica o mecánica) es el tipo de fuente de energía que deberá ser suministrada a dicho sistema.

Puede utilizarse la energía química almacenada en un combustible fósil, como el petróleo, el carbón o el gas natural. También puede tratarse de la energía nuclear disponible en materiales fisionables e, incluso, la energía recibida diariamente de la radiación solar (de donde vienen, en definitiva, todas nuestras fuentes de energía).

Los factores que intervienen en los criterios de elección son numerosos: Unos de carácter técnico, otros, de naturaleza económica y otros, finalmente, de orden político.

Bajo el punto de vista técnico, es preciso contemplar los aspectos relacionados con la alimentación de energía a nuestro sistema, proveniente de un depósito de calor, como resultante de la quema de un combustible fósil o la desintegración nuclear de un material radioactivo. Incluso puede tratarse de la energía disponible en las rocas calientes que se encuentran a bajas profundidades de la superficie terrestre (energía geotérmica).

DEPÓSITOS DE ENERGÍA
Recordando lo ya visto, sabemos que, por la Segunda Ley de l Termodinámica, debemos disponer de un pozo o sumidero de calor (el foco frío) para poder convertir de forma contínua calor (del foco caliente) en trabajo útil.

De lo analizado en el Ciclo de Carnot, sabemos también que la temperatura del foco frío, pozo o sumidero de calor, debería tener la temperatura más baja posible (para que incida en el máximo rendimiento posible). La naturaleza nos ofrece varios sumideros de calor: Los ríos, los océanos, los lagos y la atmósfera.

Hacia todos ellos va a parar más del sesenta por ciento del calor no utilizado en los procesos termodinámicos, ya que sólo llega a utilizarse en torno al treinta por ciento del calor obtenido desde el foco caliente, en forma de trabajo útil.

El no perjudicar nuestro entorno constituye una preocupación añadida, como etapa - epílogo de todo proceso termodinámico.

SUSTANCIAS DE TRABAJO
Tal como se muestra en la figura, se puede considerar que una planta o sistema generador de potencia está constituída por cuatro subsistemas principales:

La Fuente de Energía (o Foco Caliente)

El Pozo o Sumidero de Energía (o Foco Frío)

El Depósito de Trabajo

El Sistema Para la Conversión de Energía

Para poder lograr los objetivos de conversión de energía, se utiliza un fluído, denominado de trabajo (o sustancia de trabajo).

En las centrales de generación termoeléctrica la sustancia es el vapor de agua. En las centrales nucleares, es el helio,...

Cada una de ellas tiene sus ventajas e inconvenients particulares.

SELECCION DEL CICLO TERMODINAMICO
Puesto que la rapidez con que se produce trabajo recibe el nombre de potencia, a un ciclo termodinámico que permita la contínua conversión de calor en trabajo se le conoce como ciclo de potencia.

Los ciclos de potencia se pueden clasificar en dos tipos, atendiendo a la fase en que se encuentre la sustancia de trabajo, durante el ciclo mismo. Así, se tiene:

Ciclos de potencia de vapor, en los cuales la sustancia de trabajo efectúa un cambio de fase, como en el caso del vapor de agua (ampliamente utilizado).

Ciclos de potencia de gas, en los que la sustancia de trabajo permanece en estado gaseoso todo el tiempo durante el ciclo.

Queridos amigos:

Si han tenido la santa paciencia de seguir las entregas de este culebrón termodinámico, les comunico que continuará en el tema denominado Ciclos.

Muchas gracias por su amable atención. Un saludo cordial.