Menu

Termodinàmica.
Transformació de l'energia

Energia tèrmica i combustió.
Efectes de la termodinàmica

Entropia

Termodinàmica

Termodinàmica

La termodinàmica és la branca de la física que estudia els efectes dels canvis de temperatura, pressió i volum d'un sistema físic (un material, un líquid, un conjunt de cossos, etc.), a un nivell macroscòpic. L'arrel "termo" significa calor i dinàmica es refereix a el moviment, de manera que la termodinàmica estudia el moviment de la calor en un cos. La matèria està composta per diferents partícules que es mouen de manera desordenada. La termodinàmica estudia aquest moviment desordenat.

La importància pràctica radica fonamentalment en la diversitat de fenòmens físics que descriu. En conseqüència, el coneixement d'aquesta diversitat ha derivat feia una enorme productivitat tecnològica.

Què estudia la la termodinàmica?

A la termodinàmica s'estudien i classifiquen les interaccions entre diversos sistemes termodinàmics.

Un sistema termodinàmic es caracteritza per les seves propietats, relacionades entre si mitjançant les equacions d'estat. Aquestes es poden combinar per expressar l'energia interna i els potencials termodinàmics, útils per a determinar les condicions d'equilibri entre sistemes, els processos espontanis i l'intercanvi d'  energia amb el seu entorn.

Els principals elements que tenim per al seu estudi són:

  • Les lleis de la termodinàmica. Aquestes lleis defineixen la forma en què l'energia pot ser intercanviada entre sistemes físics en forma de calor o treball.
  • L'entropia. L'entropia és una magnitud que pot ser definida per a qualsevol sistema. Concretament, l'entropia defineix el desordre en què es mouen les partícules internes que formen la matèria, és a dir, la energia cinètica que tenen les partícules que componen un cos .
  • L'entalpia. L'entalpia és una funció d'estat de sistema físic considerat. En realitat, l primera llei de la termodinàmica, en funció de l'entalpia, adopta la forma dQ = dH - VDP, és a dir, la quantitat de calor subministrada a un sistema és utilitzada per augmentar l'entalpia i fer un treball extern - VDP.

Amb aquestes eines, la termodinàmica descriu com els sistemes responen als canvis en el seu entorn. Sovint, aquest estudi s'aplica als gasos. En aquest cas, sovint es parla dels gasos ideals.

Què és un gas ideal?

Un gas ideal és un gas teòric compost d'un conjunt de partícules puntuals amb desplaçament aleatori, que no interactuen entre si, és a dir, les partícules que el componen no  intercanvien energia.

El concepte de gas ideal és útil perquè el mateix es comporta segons la llei dels gasos ideals, una equació d'estat simplificada, i que pot ser analitzada mitjançant la mecànica estadística.

En condicions normals com ara condicions normals de pressió i temperatura, la majoria dels gasos reals es comporta en forma qualitativa com un gas ideal.

Quines són les lleis de la termodinàmica?

Els principis de la termodinàmica es van enunciar durant el segle XIX, els quals regulen les transformacions termodinàmiques, el seu progrés, els seus límits. Realment, són axiomes reals basats en l'experiència en la qual es basa tota la teoria.

En concret, es poden distingir tres principis bàsics, més un principi de "zero" que defineix la temperatura i que està implícit en els altres tres.

Principi zero de la termodinàmica

La llei zero de la termodinàmica afirma que quan dos sistemes que interactuen estan en equilibri tèrmic, comparteixen algunes propietats, que poden mesurar-se donant-los un valor numèric precís. En conseqüència, quan dos sistemes estan en equilibri tèrmic amb un tercer, estan en equilibri entre si i la propietat compartida és la temperatura.

Primer principi termodinàmic

La primera llei de la termodinàmica afirma que quan un cos es posa en contacte amb un altre cos relativament més fred, es produeix una transformació que condueix a un estat d'equilibri en el qual les temperatures dels dos cossos són iguals.

El primer principi és, per tant, un principi de conservació de l'energia. A cada màquina tèrmica, una certa quantitat d'energia es transforma en treball: no pot existir una màquina que produeixi treball sense consumir energia.

En definitiva, el primer principi termodinàmic s'afirma tradicionalment com: La variació de l'energia interna d'un sistema termodinàmic tancat és igual a la diferència entre la calor subministrat a el sistema i el treball realitzat pel sistema en el medi ambient.

Segon principi termodinàmic

Hi ha diverses declaracions de la segona llei de la termodinàmica, totes equivalents, i cadascuna de les formulacions emfatitza un aspecte particular. En primer lloc, afirma que "és impossible realitzar una màquina cíclica que tingui l'únic resultat de transferir calor d'un cos fred a un cos càlid" (declaració de Clausius). Per tant, la  transferència de calor sempre va de el cos calent a el cos fred.

D'altra banda, també es pot afirmar, de manera equivalent, que "és impossible dur a terme una transformació el resultat sigui només el de converteix la calor pres d'una sola font en treball mecànic" (declaració de Kelvin).

Tercer principi de la termodinàmica

El tercer principi de les lleis de la termodinàmica està estretament relacionat amb aquest últim, i en alguns casos es considera com a conseqüència d'aquest últim. En aquest sentit, es pot afirmar dient que "és impossible aconseguir el zero absolut amb un nombre finit de transformacions" i proporciona una definició precisa de la magnitud anomenada entropia.

Addicionalment, la tercera llei de la termodinàmica també estableix que l'entropia per a un sòlid perfectament cristal·lí, a la temperatura de 0 kelvin és igual a 0.

conceptes relacionats

En l'estudi de la termodinàmica apareixen deferents conceptes que convé conèixer:

Què és un sistema termodinàmic?

Un sistema termodinàmic es refereix a una àrea limitada utilitzada per a la investigació termodinàmica, i és l'objecte de la investigació. L'espai exterior de sistema termodinàmic es denomina entorn d'aquest sistema.

Els límits d'un sistema separen el sistema del seu exterior. Aquest límit pot ser real o imaginari, però el sistema ha de limitar-se a un espai limitat. El sistema i el seu entorn poden transferir matèria, treball, calor o altres formes d'energia en el límit.

Què és un cicle termodinàmic?

Un cicle termodinàmic és un circuit de transformacions termodinàmiques realitzades en un o més dispositius destinats a l'obtenció de treball a partir de dues fonts de calor a diferent temperatura, o de manera inversa, a produir mitjançant l'aportació de treball el pas de calor de la font de menor temperatura a major temperatura.

L'objectiu d'un cicle termodinàmic és l'obtenció de treball a partir de dues fonts tèrmiques a diferent temperatura, per exemple, en una instal·lació d'energia solar tèrmica. El treball obtingut generalment s'empra per a produir moviment o per generar electricitat.

El rendiment és el principal paràmetre que caracteritza un cicle termodinàmic. El rendiment tèrmic d'un cicle termodinàmic es defineix com el treball obtingut dividit per la calor gastada en el procés.

Quines són les propietats termodinàmiques?

Les propietats termodinàmiques són les propietats que defineixen i intervenen en l'estat termodinàmic d'un sistema. La termodinàmica és caracteritzada per tenir un estat d'equilibri en el qual la pressió, el volum, la temperatura i la composició són presents.

Aquestes propietats es poden classificar com extensives o intensives. Entre aquestes propietats trobem l'energia interna, l'entropia, l'entalpia, la calor, la temperatura, la pressió, el volum, etc.

Què significa rendiment tèrmic?

El rendiment tèrmic o eficiència d'una màquina tèrmica és un coeficient o ràtio adimensional calculat com el quocient de l'energia produïda (en un cicle de funcionament) i l'energia subministrada a la màquina (perquè aconsegueixi completar el cicle termodinàmic). Es designa amb la lletra grega η

Depenent de l'tipus de màquina tèrmica, la transferència d'aquestes energies es realitzarà en forma de calor, Q, o de treball, W.

El 1824, el físic francès Sadi Carnot va derivar l'eficiència tèrmica per a una màquina tèrmica ideal com una funció de la temperatura de les seves reservoris freds i calents:

Termodinàmica

on:

Th és la temperatura de l'reservori calent;
Tc és la temperatura de l'reservori fred.

En conclusió, l'equació de l'rendiment tèrmic planteja que s'obtenen majors nivells d'eficiència amb un major gradient de temperatura entre els fluids calents i freds. A la pràctica, com més calent sigui el fluid, més gran serà l'eficiència de l'motor.

Per a què serveix la termodinàmica?

La termodinàmica es pot aplicar a una àmplia varietat de temes de ciència i enginyeria, com ara motors, transicions de fase, reaccions químiques, fenòmens de transport, i fins i tot forats negres.

A continuació enumerem alguns exemples d'algunes de les seves aplicacions:

  • Alimentació. La cuina el calent és un constant exemple de transformacions químiques a través de processos termodinàmics.
  • Ciència dels materials. En aquest cas s'utilitzen processos tèrmics per obtenir nous tipus de materials que posseeixin propietats químiques i físiques ben definides.
  • Aplicacions industrials. En el món industrial ha molts processos que transformen matèries primeres en productes acabats utilitzant maquinària i energia. Un exemple és la indústria ceràmica on uns llargs forns túnel couen ladrilllos a temperatures superiors als 800 graus Celsius.
  • Arquitectura. En el camp de la construcció és molt important tenir en compte les transferències tèrmiques entre l'exterior i l'interior de l'habitatge. En l'arquitectura bioclimàtica la termidinámica juga un paper fonamental, de manera que s'estudien en detall tots els aspectes de l'energia solar passiva.
  • Generació d'electricitat. En totes les centrals tèrmiques (combustibles fòssils, energia nuclear o centrals solars) s'utilitzen aquests conceptes per aconseguir accionar turbines de vapor i generadors elèctrics.

L'estudi termodinàmic resulta de gran importància en el cas de l'energia solar tèrmica a causa de que aquest tipus d'instal·lacions solars es basen en l' intercanvi de calor.

En definitiva, els resultats termodinàmics són essencials per a altres camps de la física i la química, enginyeria química, enginyeria aeroespacial, enginyeria mecànica, biologia cel·lular, enginyeria biomèdica, i la ciència de materials per nomenar alguns.

Què és l'energia solar termodinàmica?

Aquesta aplicació de l'energia solar és un sistema tecnològic que aprofita la diferència entre temperatura de el líquid que hi ha als panells solars (en aquest cas panells termodinàmics) i la temperatura ambient.

En l'energia solar termodinàmica, els panells solars porten un líquid refrigerant a una temperatura molt baixa. El líquid refrigerant, en contacte amb la temperatura ambient, experimenta un procés termodinàmic d' intercanvi de calor sempre que la temperatura exterior no sigui més baixa que la de el líquid refrigerant.

L'avantatge d'aquest sistema és que també es pot generar energia tèrmica en horari nocturn, en condicions climatològiques adverses, pluja, vent, etc.

Referències

Autor:

Data de publicació: 15 de juny de 2016
Última revisió: 18 de abril de 2020