El estudio de la termodinámica permite determinar las
propiedades de las materias que están involucradas con la posibilidad de
obtener energía (esto a nivel microscópico y sin tomar en cuenta aspectos
relativistas), ya al pensar en esto se puede ver la importancia de esta
asignatura, considerando la creciente demanda de energía y no sólo de energía,
sino de energía limpia o ecológica,
por ello pensar en una sociedad donde la Termodinámica no
tenga impacto directo o indirecto es un absurdo y de ahí se origina su
importancia para el ingeniero. En esta primera unidad se estudiarán las
definiciones básicas así como los fundamentos de esta ciencia, los cuales
constituyen la base para el desarrollo de problemas de transformación de
energía o de fenómenos de transporte de masa o energía.
El diccionario de la Real Academia de la lengua
Española define la termodinámica como la “Parte
de la física en que se estudian las relaciones entre el calor y las restantes
formas de energía”, sin embargo una definición más amplia la precisa como
el “campo de la física que describe y
relaciona las propiedades físicas de sistemas macroscópicos (conjunto de
materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno
infinito e imperturbable) de materia y energía”, ya en este concepto están
implicadas propiedades de la materia y energía. Al estudiar las definiciones
anteriores se puede ver la importancia de esta ciencia, ya que en la gran
mayoría de procesos productivos está implicada alguna forma de energía, casos
particulares, la combustión de algún hidrocarburo, el calentamiento de algún
fluido, la conversión de calor en trabajo para mover algún equipo, el
acondicionamiento de algún ambiente (aire acondicionado o calefacción) o la mezcla de varios gases, esto por citar
algunos procesos. Para afianzar aún más la importancia de la Termodinámica en
este curso es conveniente ver su pertinencia con nuestras carreras, para ello
de la página Web de nuestra Universidad
se toman las definiciones de Ingeniería Mecánica e Industrial:
¿Qué es la Ingeniería Mecánica?
La Ingeniería Mecánica es una rama de la ingeniería que persigue la transformación de los recursos naturales en productos aprovechables por
el hombre. Por lo tanto, abarca aquellos aspectos que tienen que ver con el
proyecto, operación, mantenimiento y
dirección de instalaciones donde se utilicen maquinarias para convertir,
transportar y utilizar energía así como también las destinadas a
transformar las materias primas en productos manufacturados.
Es una profesión de carácter multidisciplinario, lo cual exige la formación de
un profesional integral para desempeñarse en varias áreas de la tecnología
moderna.
¿Qué es la
Ingeniería Industrial?
Se ocupa del diseño, mejoramiento e implantación de
sistemas integrados por personas, materiales, equipos y energía. Se vale de conocimientos y posibilidades de
las ciencias matemáticas, físicas y sociales, junto con los principios y métodos de análisis y del diseño de
ingeniería para especificar, predecir y evaluar los resultados que se obtendrán
de dichos sistemas.
Como se puede apreciar al revisar las definiciones
anteriores, el ingeniero tiene que tener un dominio en el área de procesos de
obtención, conversión y transporte de energía, así como el uso de esta energía
en procesos productivos.
Etimológicamente hablando la palabra “termodinámica”
proviene del griego, de la fusión de los términos Termo (qermoz)
que significa “efecto calentador
del sol” y Dinámica (dunamicoz)
que quiere decir “potencia, fuerza”,
sin embargo el uso del vocablo se origina aproximadamente en el año 1850 por
Lord Kelvin (William Thomson) al fusionar las palabras “Thermo” (Calor) y “Dynamics” (Potencia).
El fundamento de la termodinámica esta basado en cuatro
leyes, un postulado y un principio, las cuales se estudiarán posteriormente en
detalle, sin embargo se mencionarán a continuación:
·
Primera
Ley de la Termodinámica:
Que es conocida desde estudios anteriores como principio de conservación de la
energía, en el cual se establece que el balance de energía de un proceso debe
conservarse íntegramente y lo único que puede ocurrir son cambios de una forma
de energía a otra, sin que exista destrucción
o creación de energía.
·
Segunda
Ley de la Termodinámica:
Establece criterios de disponibilidad de energía y de calidad de la misma, mientras la primera ley solo establece
criterios de cantidad de energía. La segunda ley además establece el orden o
dirección en la cual puede ocurrir un proceso de forma espontánea, por ejemplo:
Una taza de café recién preparada ubicada en una habitación tiende a enfriarse
hasta alcanzar la temperatura del ambiente, y por medios naturales nunca
ocurrirá algún proceso contrario.
·
Tercera
Ley de la Termodinámica:
Suministra un punto de referencia para la medición de una propiedad denominada Entropía (la cual se estudiará
posteriormente), al indicar que “la entropía de todos los sólidos
cristalinos perfectos es cero a la temperatura de -273.15ºC (Cero absoluto)”.
·
Ley Cero
de la Termodinámica:
Establece la base para la medición de temperaturas al definir el equilibrio
térmico entre diversos sistemas.
·
Postulado
de estado: Debido a la importancia de determinar ciertas propiedades de la
materia se requiere conocer un mínimo de las mismas para poder definir todas
las demás propiedades, este postulado indica que para determinar cualquier estado de una sustancia pura son necesarias y
suficientes dos propiedades intensivas termodinámicamente independientes.
·
Principio
de Conservación de la masa: Este principio también fue estudiado en
materias anteriores y establece un balance de masa. Claro esta, que en el
aspecto de esta asignatura no nos interesa el estudio de este principio a nivel
molecular o atómico, caso de la combustión; ni tampoco la conversión de
masa-energía, caso de estudios de la teoría de la relatividad o de procesos de
desintegración atómica.
Una teoría es tanto más impresionante cuanto más simple sean sus premisas,
cuantos más tipos de cosas describa y cuantas mas explicaciones permita. De ahí
la profunda impresión que causa la termodinámica clásica. Es la única teoría
física que, dentro de su campo de aplicación, no será derribada nunca"
(Albert Einstein)
Escrito
por el profesor: Fernando González Trejos
Revisado
por los profesores: Wilber Rosales, Rubén Omaña, Juan Colmenares, Jesus Ramirez
y Alberto Sarcos
