Introducción a la Termodinámica

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