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 al 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.

Estudi de la termodinàmica

Els principals elements que tenim per estudiar la termodinàmica 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'entropiaL'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.

L'entalpiaL'entalpia és una funció d'estat del 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.

A la termodinàmica s'estudien i classifiquen les interaccions entre diversos sistemes termodinàmics, el que porta a definir conceptes com a sistema termodinàmic i el seu entorn. Un sistema termodinàmic es caracteritza per les seves propietats termodinàmiques, 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 i els processos espontanis.

Amb aquestes eines, la termodinàmica descriu com els sistemes responen als canvis en el seu entorn.

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 de la termodinàmica.

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

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

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 al sistema i el treball realitzat pel sistema en el medi ambient.

segon principi

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).

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

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.

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 del 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:

eficiència termodinàmica

on:

Th és la temperatura del reservori calent; 
Tc és la temperatura del reservori fred.

En conclusió, l'equació del 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 del motor.

Aplicacions de 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.

L'estudi de la termodinàmica 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.

Evolució històrica de la termodinàmica

Inicialment, els desenvolupaments tecnològics, com les anomenades màquines de vapor o els termòmetres, es van dur a terme de manera empírica. Però no va ser fins al segle XIX quan científics com Carnot i Joule van formalitzar els seus resultats i van determinar les causes teòriques del seu funcionament.

En realitat, la termodinàmica es va començar a estudiar per poder augmentar l'eficiència de les primeres màquines de vapor.

valoración: 3 - votos 6

Referències

Última revisió: 20 de setembre de 2019