Termodinámica básica

La termodinámica es la ciencia que estudia los intercambios de energía en los sistemas macroscópicos. Su nombre significa, literalmente, moviento del calor. Aunque la termodinámica se ocupa de los intercambios energéticos de cualquier tipo, éstos se pueden expresar en unidades equivalentes de calor.

Se definen las siguientes magnitudes:

1. Sistema: cualquier espacio finito del universo y los elemenos que en él se encuentran.

2. Ambiente: resto del universo que rodea al sistema.

3. Energía: magnitud que indica la capacidad de un sistema para realizar determinado trabajo, acción o efecto sobre sí mismo o sobre el ambiente.

4. Trabajo: una forma de intercambiar la energía. Aunque no siempre ocurre así, el trabajo puede ser considerado todo intercambio de energía que produce un movimiento.

5. Calor: una forma de intercambiar la energía. El calor intercambia energía modificando la temperatura de los cuerpos.

A estas magnitudes se le añaden las magnitudes físicas básicas y cotidianas, como son la masa, el volumen, la densidad, la presión y la temperatura.

Primer principio de la Termodinámica

U = Q + W

Sea Q el calor intercambiado entre un sistema y el ambiente y W el trabajo que realiza ese sistema en el ambiente. Se define U (energía interna) como el nivel de energía de un cuerpo. Cuanto mayor es U, mayor su capacidad de realizar cualquier acción. De esta manera, el primer principio dice que el nivel de energía de un cuerpo es la suma del calor absorbido o desprendido más el trabajo realizado o recibido. De esta manera, si sobre un émbolo aplicamos una fuerte presión y además lo calentamos, obviamente la energía interna de ese sistema va a aumentar en gran medida. Sin embargo, si calentamos el émbolo y dejamos que se expanda, el sistema pierde energía.

La Energía Interna (U) está directamente relacionada con su temperatura. Así un cuerpo o un sistema aumenta su energía interna cuando aumenta su temperatura. Por tanto podemos afirmar que U es realmente U(T), es decir, depende de la temperatura.

De la misma manera, podemos afirmar que si dos cuerpos del mismo material tienen la misma temperatura, entonces el de mayor masa es el que tiene más energía. Por último, dos cuerpos de igual masa y temperatura no tienen por qué tener la misma energía. Sólo la tendrán si tienen la misma capacidad calorífica, que es la cantidad de energía necesaria para que un cuerpo de 1kg aumente su temperatura en 1ºC.

Hasta aquí la primera lección. La próxima lección versará sobre los distintos tipos de procesos de intercambio de energía.