La termodinàmica estudia els canvis denergia en els sistemes físics i com aquests canvis afecten les propietats de la matèria.
A continuació, mostrarem 4 exemples que mostren com es manifesten els processos termodinàmics al nostre dia a dia: motors de combustió interna, sistemes naturals, plantes d'energia solar tèrmica i climatització amb aerotèrmia.
Motors de combustió interna
Els motors de combustió interna, com els que es troben en automòbils i motocicletes, són exemples excel·lents de l'aplicació dels principis termodinàmics. Aquests motors funcionen en cicles , sent els més comuns el cicle Otto i el cicle Diesel.
Cicle Otto
El cicle Otto és mitjançant el qual treballen els motors de benzina. L'encesa del combustible es produeix mitjançant una espurna i es divideix en 4 etapes.
En primer lloc hi ha la fase d'admissió, en què el pistó es mou cap avall, permetent l'entrada d'una barreja d'aire i combustible al cilindre. Aquest procés es pot considerar aproximadament isobàric.
A continuació es produeix la fase de compressió, en què el pistó del motor es mou cap amunt, comprimint la barreja. Aquest és un procés adiabàtic, on la pressió i la temperatura augmenten.
Posteriorment, la barreja s'encén a la fase de combustió, generant una explosió que força al pistó cap avall. En aquesta etapa, la pressió augmenta inicialment, i després es manté constant en un procés isobàric.
Finalment el pistó expulsa els gasos cremats a la denominada etapa d'escapament. Aquesta expulsió també es fa en un procés aproximadament isobàric.
Cicle Dièsel
El cicle dièsel es diferencia principalment en què l'encesa del combustible es produeix per compressió, cosa que implica algunes diferències en els processos termodinàmics que intervenen. En aquest cas, també consta de 4 etapes:
A la primera etapa, l'aire ingressa al cilindre a l'etapa d'admissió, en un procés isobàric.
A continuació, a la fase de compressió, l'aire es comprimeix adiabàticament, augmentant la seva temperatura. Després es produeix la combustió: el combustible s'injecta a l'aire calent, cremant-se i mantenint la pressió constant en un procés isobàric.
Finalment, els gasos cremats s'expulsen en un altre procés isobàric durant l'etapa d'escapament.
Sistemes naturals
Hi ha nombrosos fenòmens naturals que es produeixen a causa de processos termodinàmics.
Un exemple prominent és el cicle de l'aigua, que involucra processos com l'evaporació, la condensació i la precipitació.
- Evaporació: L'aigua dels oceans, rius i llacs s'evapora degut a la calor del sol. Aquest procés es pot considerar un procés isocòric (volum constant) perquè l'aigua canvia d'estat líquid a vapor sense canviar-ne el volum significativament.
- Condensació: El vapor daigua a latmosfera es refreda i es condensa en gotes daigua, formant núvols. Aquest procés allibera calor, essent un procés exotèrmic.
- Precipitació: L'aigua condensada als núvols cau a la terra com pluja, neu o calamarsa. L'energia potencial de l'aigua als núvols es converteix en energia cinètica en caure.
Centrals denergia solar tèrmica
Les plantes denergia solar tèrmica utilitzen lenergia del sol per generar electricitat. Aquest procés implica diversos passos termodinàmics:
- Absorció de calor: Els col·lectors solars capturen la radiació solar i la converteixen en calor. Aquesta calor sutilitza per escalfar un fluid de treball, sovint oli tèrmic o aigua.
- Transferència de calor: El fluid calent transfereix la seva energia a un generador de vapor. En aquest procés, el fluid calent cedeix calor a l'aigua i la transforma en vapor.
- Generació delectricitat: El vapor a alta pressió impulsa una turbina connectada a un generador elèctric. L'expansió del vapor a la turbina és un procés adiabàtic que converteix l'energia tèrmica en energia mecànica i després en energia elèctrica.
- Condensació: El vapor es torna a condensar en aigua i es recircula al sistema, completant el cicle.
Climatització amb aerotèrmia
L´aerotèrmia és una tecnologia eficient per a la climatització d´edificis, utilitzant l´energia tèrmica de l´aire exterior per escalfar o refredar espais interiors.
Els sistemes d'aerotèrmia són exemples perfectes per al nostre propòsit, ja que funcionen basant-se en principis termodinàmics.
- Extracció de calor: En mode de calefacció, la bomba de calor extreu energia tèrmica de lʻaire exterior, fins i tot en temperatures baixes. Aquest procés implica l'evaporació d'un refrigerant dins del sistema, un procés que absorbeix calor de l'ambient.
- Compressió: El refrigerant gasós es comprimeix, elevant la seva temperatura i pressió en un procés adiabàtic.
- Condensació: El refrigerant calent es condensa dins un intercanviador de calor, transferint energia tèrmica al sistema de calefacció de ledifici mitjançant un procés exotèrmic.
- Expansió: El refrigerant passa per una vàlvula d'expansió, reduint-ne la pressió i la temperatura abans d'iniciar novament el cicle.