La termodinàmica és una branca fonamental de la física que s'enfoca a l'estudi de les transformacions de l'energia en sistemes físics. Aquesta disciplina té una àmplia gamma d'aplicacions a la vida quotidiana ia la ciència.
En aquest article, descriurem alguns exemples concrets de termodinàmica que il·lustren la seva importància en diversos contextos.
Exemple 1: Funcionament d'una nevera
El funcionament d'una nevera és un exemple clàssic de termodinàmica. La nevera utilitza el cicle de refrigeració per compressió per mantenir els aliments frescos.
En aquest procés, un refrigerant circula per un circuit tancat, passant per una sèrie d'etapes que involucren compressió, condensació, expansió i evaporació.
-
Compressió: El refrigerant es comprimeix en un compressor, cosa que augmenta la seva pressió i temperatura. Aquesta etapa requereix lentrada denergia en forma de treball.
-
Condensació: El refrigerant calent s'allibera en un serpentí ubicat a la part posterior de la nevera. Aquí cedeix calor a l'entorn, es condensa i es converteix en líquid.
-
Expansió: El refrigerant líquid s'expandeix a través d'una vàlvula d'expansió, cosa que en disminueix la pressió i la temperatura.
-
Evaporació: El refrigerant entra al compartiment del congelador i absorbeix calor dels aliments, evaporant-se i tornant a ser un gas de baixa temperatura.
Aquest cicle es repeteix constantment, mantenint la temperatura de l'interior de la nevera a un nivell més baix que la de l'ambient. La termodinàmica permet analitzar i dissenyar sistemes de refrigeració eficients.
Exemple 2: Motor de combustió interna
Els motors de combustió interna, com els utilitzats en automòbils, motocicletes i màquines, són un altre exemple notable de termodinàmica en acció. Aquests motors converteixen lenergia química continguda en el combustible en treball mecànic. El cicle termodinàmic en un motor de combustió interna consta de quatre etapes: admissió, compressió, combustió i fuita.
-
Admissió: El motor aspira aire i combustible mitjançant una vàlvula d'admissió.
-
Compressió: El pistó comprimeix la barreja aire-combustible al cilindre, cosa que augmenta la seva temperatura i pressió.
-
Combustió: S'encén una espurna a la bugia, cosa que provoca una reacció química que allibera una gran quantitat d'energia en forma de calor. Aquesta calor augmenta la pressió i la temperatura del gas al cilindre, cosa que empeny el pistó cap avall.
-
Escape: S'obre una vàlvula d'escapament i els gasos cremats són expulsats del cilindre.
Aquest cicle es repeteix a cada cilindre del motor, convertint l'energia química en treball mecànic per impulsar el vehicle. La termodinàmica és fonamental per al disseny i optimització de motors de combustió interna.
Exemple 3: Generació d'energia elèctrica a centrals tèrmiques
-
Generació de calor: Es crema un combustible, com a carbó, gas natural o petroli, en una caldera. La calor generada augmenta la temperatura de l'aigua i la converteix en vapor.
-
Generació denergia mecànica: El vapor daigua sutilitza per fer girar una turbina connectada a un generador elèctric. L'expansió del vapor mitjançant la turbina genera energia mecànica.
-
Generació d'energia elèctrica: L'energia mecànica es converteix en energia elèctrica al generador, que produeix corrent elèctric.
Aquest procés és eficient en la mesura que s'aprofita la conversió d'energia tèrmica a energia mecànica i, finalment, a electricitat. La termodinàmica és crucial per entendre i millorar l‟eficiència d‟aquestes centrals.
Exemple 4: Funcionament dun forn
Els forns, tant els utilitzats a la cuina com els industrials, es basen en principis termodinàmics per funcionar. Un forn escalfa un espai tancat per cuinar aliments o fer processos industrials.
-
Generació de calor: Ja sigui mitjançant resistències elèctriques o combustió d'un combustible, el forn genera calor.
-
Transferència de calor: La calor es transfereix a través de la radiació, la convecció i la conducció cap a l'interior del forn, escalfant els aliments o materials.
-
Control de la temperatura: Un termòstat manté la temperatura desitjada al forn ajustant la quantitat de calor proporcionada.
Els forns utilitzen la termodinàmica per garantir que s'assoleixi i mantingui la temperatura desitjada de manera eficient i precisa.
Exemple 5: Energia solar tèrmica
Els sistemes d'energia solar tèrmica utilitzen miralls o lents per concentrar la radiació solar en un punt focal, on s'escalfa un fluid tèrmic, com ara oli o sal fosa.
-
Absorció denergia solar: Els miralls o lents concentren la radiació solar en un receptor, escalfant el fluid tèrmic.
-
Transferència de calor: El fluid tèrmic calent s'utilitza per generar vapor, que alhora impulsa una turbina connectada a un generador elèctric.
-
Generació d'energia elèctrica: L'expansió del vapor mitjançant la turbina converteix l'energia mecànica en electricitat.
La termodinàmica s'aplica aquí per comprendre l'eficiència de la conversió d'energia solar a electricitat i optimitzar la captació d'energia.
