“¡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.
También hay diferencias en los tipos de estudio requeridos de los procesos que queremos desarrollar. Empezando por las ciencias implicadas:
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 latermodinámica, por lo cual inicialmente debe revisarse sus leyes y conceptos básicos:
Primera ley de la termodinámica
La energía no se crea ni se destruye solo se transforma
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
-Calor (flujo térmico) ΔT →[Función de trayectoria]
-Trabajo
Todo proceso que no incluya una transferencia de energía debida a una ΔT es por transferencia de trabajo
Segunda ley de la termodinámica
Calor latente: entalpía en cambio de fase
Calor sensible: entalpía cuando no está en cambio de fase
Sgenerada ≥0
Sreversible =0
Donde: S[=] Entropía
Ninguna máquina tiene 100% de eficiencia
Conclusión
