- “¡Hoy hace mucho calor ! “, o
- «Me gusta la cerveza bien fría, pónmela un rato en el congelador para que se enfríe” o
- “Nuestro reactor necesita llegar a una temperatura de 480 ºC en 45 minutos y que se mantenga en esa temperatura durante 1 hora”.
Son expresiones cotidianas relacionadas con energía.
Las expresiones de este tipo o parecidas las hemos escuchado y dicho, ya que forman parte de la vida cotidiana. En ellas se habla de conceptos como calor, temperatura, grados; sin embargo, sabemos que no es lo mismo hablar de una forma coloquial a los conceptos formales de temperatura, flujo térmico, transferencia de energía, entre otros.
Calor y temperatura
El calor y la temperatura son conceptos diferentes, aunque muy relacionados. El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de su energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo. Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua caliente será mayor que la temperatura de un océano, pero el océano tiene más calor porque tiene más agua – más partículas – y por lo tanto más energía térmica total.
Una expresión para cuantificar el Calor es la siguiente
donde Q es cantidad de calor; Ce Calor específico; m masa, y ΔT diferencia de Temperatura.
La transferencia de energía – calor – se realiza siempre desde el medio de temperatura más alta – la que dispone de una medida más elevada – a la de temperatura más baja y se detiene cuando los dos medios alcanzan la misma temperatura y por tanto un estado de equilibrio térmico.
Termodinámica
La termodinámica es la ciencia que se ocupa de la cantidad de transferencia de calor desde un estado de equilibrio inicial a otro, y no hace ninguna referencia o indicación a la duración del proceso. Un análisis termodinámico simplemente nos dice cuánto calor debe ser transferido para realizar un cambio de un estado de equilibrio específico a otro, para satisfacer el principio de conservación de la energía.
Aunque nos fija los parámetros básicos necesarios y establece un marco de actuación, en la práctica no es suficiente. Nos indica que cantidad de calor debemos disipar para enfriar nuestra cerveza para conseguir la temperatura que deseamos, pero no nos da ninguna orientación sobre el tiempo para conseguirlo y por supuesto en el problema de nuestro proceso productivo no alcanzamos a sospechar ninguna solución.
Leyes de la termodinámica
Es fundamental para el alumno entender que la transferencia de calor tiene su origen en la termodinámica, por lo cual inicialmente debe revisarse sus leyes y conceptos básicos:
Ley cero (Equilibrio térmico)
Establece que dos sistemas están en equilibrio térmico cuando ambos se mantienen a la misma temperatura.
Cuando un sistema tiene la misma temperatura que A y A=B, B y C (un termómetro) están los tres sistemas están en equilibrio.
Primera ley de la termodinámica
La energía no se crea ni se destruye solo se transforma
La energía se manifiesta como calor Q o como trabajo W.
En cuanto al Calor se distinguen dos tipos: Calor latente: entalpía en cambio de fase. Calor sensible: entalpía cuando no está en cambio de fase.
Balance de energía en un sistema cerrado
Ocupo U cuando la sustancia de trabajo está en reposo.
Ocupo h cuando la sustancia de trabajo está fluyendo.
Balance de energía para un sistema abierto sin acumulación
donde: Ei [=] Energías de entrada, Es[=] Energías de salida.
Normalmente se asocia el balance con la energía que se necesita para que el sistema funcione.
Transferencia de energía
La energía se manifiesta frecuentemente por el cambio de temperatura o por la generación de un trabajo. Todo proceso que no incluya una transferencia de energía debida a una diferencia de temperatura o ΔT es por transferencia de trabajo.
Segunda ley de la termodinámica
Esta ley establece que el calor fluye espontáneamente de un cuerpo más caliente a uno más frío. En un ciclo térmico, la energía calorífica no puede transformarse totalmente en trabajo mecánico. Por tanto, los procesos termodinámicos que se dan en la naturaleza son procesos irreversibles.
Sgenerada ≥0
Sreversible =0
donde: S[=] Entropía
Ninguna máquina tiene 100% de eficiencia
Primera Conclusión
