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Orgenes de la Termodinmica

Ingeniera Qumica Ing Efran Zaleta PosadasOrgenes de la Termodinmica

Orgenes de la Termodinmicalatermodinmicasurge de losprocedimientosempricos que llevaron a laconstruccinde elementos que terminaron siendo muy tiles para eldesarrollode la vida delhombre.

la termodinmica es un caso muy especial debido a que sus inicios se pierden en la noche de los tiempos mientras que en la actualidad los estudios sobre el perfeccionamiento de lasmquinas trmicassiguen siendo de especial importancia, mas aun si tomamos en cuenta la importancia que revisten temas de tanta actualidad como lacontaminacin.El origen fu sin lugar a dudas la curiosidad que despertara elmovimientoproducido por la energa del vapor deagua.Orgenes de la Termodinmica

Orgenes de la TermodinmicaMas tarde se intensificaron los esfuerzos por lograr el mximo de rendimiento lo que llev a la necesidad de lograr unconocimientoprofundo y acabado de lasleyesyprincipiosque regian lasoperacionesrealizadas con el vapor.El campo de la termodinmica y su fuente primitiva derecursosse ampla en la medida en que se incorporan nuevas reas como las referentes a losmotoresdecombustininterna y ultimamente los cohetes.

La construccin de grandescalderaspara producir enormes cantidades detrabajomarcatambien la actualidad de la importancia del binomiomquinastrmicas-termodinmica.En resumen: en el comienzo se parti del uso de las propiedades del vapor para succionar agua de las minas, con rendimientos insignificantes, hoy se trata de lograr las mximas potencias con un mnimo decontaminaciny un mximo de economa.

Para realizar una someradescripcindel avance de la termodinmica a travs de los tiempos la comenzamos identificando con las primitivas mquinas trmicas y dividimos su descripcin en tres etapas, primero la que dimos en llamar emprica, la seguna la tecnolgica y la tercera la cientfica.

Orgenes de la TermodinmicaI.- La etapa empricaLos orgenes de la termodinmica nacen de la pura experiencia y de hallazgos casuales que fueron perfeccionndose con el paso del tiempo.

Algunas de las mquinas trmicas que se construyeron en la antigedad fueron tomadas como mera curiosidad de laboratorio, otros se disearon con el fin de trabajar en propsitos eminentemente prcticos.

En tiempos del del nacimiento de Cristo existian algunos modelos de mquinas trmicas, entendidas en esa poca como instrumentos para la creacin de movimientos autnomos, sin la participacin de la traccin a sangre.

El ingenio ms conocidos por las crnicas de la poca es la eolipila de Hern que usaba la reaccin producida por el vapor al salir por un orificio para lograr un movimiento. Esta mquina es la primera aplicacindel principio que usan actualmente las llamadas turbinas de reaccin.Orgenes de la TermodinmicaLa historia cuenta que en 1629 Giovanni Branca dise una mquina capaz de realizar un movimiento en base al impulso que produca sobre una rueda el vapor que sala por un cao. No se sabe a ciencia cierta si la mquina de Branca se construy, pero, es claro que es el primer intento de construccin de las que hoy se llaman turbinas de accin.

La mayor aplicacin de las posibilidades de la mquina como reemplazante de la traccin a sangre consista en la elevacin de agua desde el fondo de las minas. Por ello la primera aplicacin del trabajo mediante la fuerza del vapor cristaliza en la llamada mquina de fuego de Savery.

La mquina de Savery consista en un cilindro conectado mediante una caera a la fuente de agua que se deseaba bombear, el cilindro se llenaba de vapor de agua, se cerraba la llave de ingreso y luego se enfriaba, cuando el vapor se condensaba se produca un vaco que permita el ascenso del agua.

Orgenes de la TermodinmicaII.- La etapa tecnolgica.

Segn lo dicho la bomba de Savery no contena elementos mviles, excepto lasvlvulasde accionamiento manual, funcionaba haciendo el vaco, de la misma manera en que ahora lo hacen lasbombasaspirantes, por ello la altura de elevacin del agua era muy poca ya que con un vaco perfecto se llegara a lograr una columna de agua de 10.33 metros, pero, latecnologade esa poca no era adecuada para el logro de vacios elevados.El primer aparato elemento que podriamos considerar como una mquina propiamente dicha, por poseer partes mviles, es la conocida como mquina de vapor de Thomas Newcomen construda en 1712. Lainnovacinconsisti en la utilizacin del vaco del cilindro para mover un pistn que a su vez provea movimiento a un brazo de palanca que actuaba sobre una bomba convencional de las llamadas aspirante-impelente..Orgenes de la TermodinmicaPodemos afirmar que es la primera mquna alternativa de mla que se tiene conocimiento y que con ella comienza la historia de las mquinas trmicas.Las dimensiones del cilindro, rgano principal para la creacin del movimien-to, eran: 53,3 cm de dimetro y 2,4 metros de altura, produca 12 carreras por minuto y elevaba 189 litros de agua desde una profundidad de 47,5 metros

Orgenes de la TermodinmicaEl principal progreso que se incorpora con la mquina de Newcomen consis-te en que laproduccinde un movimiento oscilatorio habilita el uso de la mquina para otrosserviciosque requieran movimiento alternativo, es decir, de vaivn.En esa poca no existianmtodosque permitieran medir lapotenciadesarrollada por las mquinas ni unidades que permitieran la comparacin de su rendi-miento, no obstante, losdatossiguientes dan una idea del trabajo realizado por una mquina que funcion en una mina enFrancia, contaba con un cilindro de 76 cm de dimetro y 2,7 metros de altura, con ella se pudo completar en 48 horas una labor de desagote que previamente haba requerido una semana con el traba-jo de 50 hombres y 20 caballos operando en turnos durante las 24 horas del da.Orgenes de la TermodinmicaLa mquina de Newcomen fu perfeccionada por un ingenieroinglsllamado Johon Smeaton (1742-1792). Un detalle de la potencia lograda lo podemos ver en el trabajo encargado por Catalina II deRusiaquien solicit bombear agua a los di-ques secos del fuerte de Kronstadt. Esta tarea demoraba un ao usando molinos de viento de 100 metros de altura, la mquina de Smeaton demor solamente dos semanas. Se debe destacar que el perfeccionamiento consisti en la optimizacin de los mecanismos, cierres de vlvulas, etc.

Orgenes de la TermodinmicaCONCEPTO DE LA TERMODINMICA

La ENERGA, palabra griega que significa fuerza en accin, o capacidad para producir trabajo, es el protagonista principal de la Termodinmica.

Orgenes de la Termodinmica La TERMODINMICA es la Ciencia que estudia la conversin de unas formas de energas en otras. En su sentido etimolgico, podra decirse que trata del calor y del trabajo, pero por extensin, de todas aquellas propiedades de las sustancias que guardan relacin con el calor y el trabajo.La Termodinmica se desarrolla a partir de cuatro Principios o Leyes: Principio Cero: permite definir la temperatura como una propiedad.

Primer Principio: define el concepto de energa como magnitud conservativa.

Segundo Principio: define la entropa como magnitud no conservativa, una medida de la direccin de los procesos.

Tercer Principio: postula algunas propiedades en el cero absoluto de temperatura.El desarrollo histrico de esta ciencia no ha sido ciertamente lineal.

Que es laTermodinmica?

LaTermodinmicaes la rama de la Fsica que estudiaa nivel macroscpicolas transformaciones de la energa, y cmo esta energa puede convertirse en trabajo (movimiento). Histricamente, la Termodinmica naci en el siglo XIX de la necesidad de mejorar el rendimiento de las primeras mquinas trmicas fabricadas por el hombre durante la Revolucin Industrial.

La Termodinmica clsica (que es la que se tratar en estas pginas) se desarroll antes de que la estructura atmica fuera descubierta (a finales del siglo XIX), por lo que los resultados que arroja y los principios que tratason independientes de la estructura atmica y molecular de la materia.

El punto de partida de la mayor parte de consideraciones termodinmicas son las llamadasleyes o principios de la Termodinmica. En trminos sencillos, estas leyes definen cmo tienen lugar las transformaciones de energa. Con el tiempo, han llegado a ser de las leyes ms importantes de la ciencia.Que es laTermodinmica?

Antes de entrar en el estudio de los principios de la termodinmica, es necesario introducir algunas nociones preliminares, como qu es unsistema termodinmico, cmo se describe, qu tipo de transformaciones puede experimentar, etc. Estos conceptos estn resumidos en el siguiente cuadro:

Primer Principio de laTermodinmica.

Unsistema termodinmicopuede intercambiar energa con su entorno en forma detrabajoy decalor, y acumula energa en forma deenerga interna. La relacin entre estas tres magnitudes viene dada por elprincipio de conservacin de la energa.

Para establecer el principio de conservacin de la energa retomamos la ecuacin estudiada en la pgina dedicada al estudio de sistemas de partculas que relaciona el trabajo de las fuerzas externas (Wext) y lavariacin de energa propia(U) :

Primer Principio de laTermodinmica.Nombramos igual a la energa propia que a laenerga internaporque coinciden, ya que no estamos considerando la traslacin del centro de masas del sistema (energa cintica orbital).Por otra parte, el trabajo de las fuerzas externas es el mismo que el realizado por el gas pero cambiado de signo: si el gas se expande realiza untrabajo(W) positivo, en contra de las fuerzas externas, que realizan un trabajo negativo; y a la inversa en el caso de una compresin. Adems, ahora tenemos otra forma de suministrar energa a un sistema que es en forma de calor (Q).

Luego la expresin final queda:

Este enunciado del principio de conservacin de la energa aplicado a sistemas termodinmicos se conoce comoPrimer Principio de la Termodinmica. Primer Principio de laTermodinmica.Para aclarar estos conceptos consideremos el siguiente ejemplo: un recipiente provisto de un pistn contiene un gas ideal que se encuentra en un cierto estado A. Cuando desde el exterior se le suministra calor al gas (Q>0) su temperatura aumenta y segn laLey de Joule, su energa interna tambin (UB>UA). El gas se expande por lo que realiza un trabajo positivo. El primer principio nos da la relacin que deben cumplir estas magnitudes:

Primer Principio de laTermodinmica.Si el recipiente tuviera paredes fijas, el gas no podra realizar trabajo, por lo que el calor suministrado se invertira ntegramente en aumentar la energa interna. Si el recipiente estuviera aislado trmicamente del exterior (Q=0) el gas al expandirse realizara un trabajo a costa de su energa interna, y en consecuencia esta ltima disminuira (el gas se enfriara).

Forma diferencial del Primer Principio

Si el proceso realizado por el gas es reversible, todos los estados intermedios son de equilibrio por lo que las variables termodinmicas estn bien definidas en cada instante a lo largo de la transformacin. En esta situacin podemos escribir el primer principio de la siguiente manera:

La diferencia de smbolos empleados para designar la diferencial del calor, del trabajo y de la energa interna representa que la energa interna es unafuncin de estado, mientras que el calor y el trabajo dependen de la transformacin que describe un sistema. Segunda Ley de laTermodinmica.LaSegunda Ley de la Termodinmica, establecesentidocon que se llevan a cabolos procesos espontneos en el Universo.

Por otra parte, la Segunda Ley de la Termodinmica tiene gran aplicacin dentro del campo de laingeniera, para predecir laeficiencia mxima de las mquinas trmicas, tales como lasmquinas de vapor, losmotores de combustinde los automviles, lasturbinas de gas, etc.

Las mquinas trmicas,son mquinas que transforman elcalor en trabajo. la primera mquina de este tipo fue unaturbina de vapor primitiva(eolpila)que se atribuye aHern de Alejandra(siglo I). Este juguete ingenioso, consista en una caldera de vapor de agua, conectada a una esfera hueca de metal provista de dos tubos acodados, de tal manera que al ser expelido el vapor, la esfera comenzaba a girar.no tuvo ninguna aplicacin prctica.Maquinastrmicas. Eolpilade Hern Segunda Ley de laTermodinmica.Pistn de Papin

No fue sino hasta1690, cuandoDenis Papin, desarroll un pistn que se mova dentro de un cilindro impulsado porvapor de agua.

El pistn se eleva impulsado por el vapor y posteriormente, al enfriar el cilindro, el vapor se condensa produciendoun vacoque hace que el pistn descienda.

Segunda Ley de laTermodinmica.Pistn de PapinLa idea de Papin fue puesta en prctica porThomas Savery en 1698,al patentar laprimera mquina de vaporque encontr un uso considerable en la extraccin de agua de las minas de carbn y en la distribucin de agua para casas habitacin.

Su funcionamiento consiste esencialmente en inyectar vapor a un recipiente lleno de agua, hasta vaciar su contenido por un tubo colocado en la parte superior, controlado por una vlvula.

Cuando el recipiente se vaca, cesa el suministro de vapor y el vapor remanente se condensa por medio de un chorro de agua fra, lo que provoca un vaco y permite que un tubo inferior, aspire agua del pozo.

Segunda Ley de laTermodinmica.mquina de NewcomenLa mquina de Savery fue subsecuentemente modificada de diversas maneras, todas ellas destinadas a mejorar la cantidad de agua y la altura a la que sta poda elevarseEn1705 Newcomen y Cawler, mejoraron la operacin del pistn al forzar su cada por la accin de la presin atmosfrica. Al hacerlo realizaba trabajo mecnico sobre una bomba que introduca el agua que se extraa.

La maquina de Newcomen fue superada por las innovaciones deJames Watt en 1770.Posteriormente, en 1829 George Stephenson adapt la mquina de Watt para hacer girar un eje y adaptarla paramover una locomotora.

Segunda Ley de laTermodinmica.La mquina vapor se transform tambin en la mquina habitual parala navegacin marina, logrndose alcanzar presiones de vapor muy altas y velocidades de pistn considerables.

Ley Cero.La ley cero, conocida con el nombre de la ley del equilibrio trmico fue enunciada en un principio por Maxwel y llevada a ley por Fowler y dice:Dossistemas en equilibrio trmico con un tercero, estn en equilibrio trmico entre s.

El equilibrio trmico debe entenderse como el estado en el cual los sistemas equilibrados tienen la misma temperatura.Esta ley es de gran importancia porque permiti definir a la temperatura como una propiedad termodinmica y no en funcin de las propiedades de una sustancia.

La aplicacin de la ley ceroconstituye un mtodo para medir la temperatura de cualquier sistema escogiendo una propiedad del mismo que vare con la temperatura con suficiente rapidez y que sea de fcil medicin, llamada propiedad termomtrica.En el termmetro de vidrio esta propiedad es la altura alcanzada por el mercurio en el capilar de vidrio debido a la expansin trmica que sufre el mercurio por efecto de la temperatura.Cuandose alcanza el equilibrio trmico, ambos sistemas tienen la misma temperatura.Ley Cero.

Una calora es el calor que se necesita transferir a un gramo de agua, para cambiar su temperatura de 14.5 a 15.5 grados Celsius

Se tiene adems: 1 Cal=1000 cal.

Joule utilizando una rueda con paletas conectada a un conjunto de poleas con pesos en sus extremos pudo mostrar una relacin precisa entre la energa mecnica de los pesos en las poleas y el aumento de temperatura del agua en el recipiente, debido a la rotacin de las paletas. Esto da:

1 cal= 4.186 JLey Cero.Otra Opcin: Energa Solar Termodinmica.

Se trata de una forma de generar energa trmica, para uso en calefaccin, agua sanitaria y refrigeracin, ms eficiente que la energa solar trmica convencional. El principio de funcionamiento se base en elCiclo de Carnot, segn el cual, aplicando trabajo, se consigue catar calor de un foco fro y llevarlo a un foco caliente. Estos paneles pueden funcionar de da y de noche tanto en invierno como en verano; adems la orientacin de los paneles no es tan importante como en el caso de la energa solar trmica. Respecto a otras fuentes de generacin de energa (gas natural, gas-oil, electricidad), se consigue ahorrar hasta un 80 % de energa en agua caliente sanitaria, y hasta un 65 % en calefaccin. Los fabrica la empresaCAPSOLAR CST.Ley Cero.Energa Solar Termodinmica.Laenerga solartermodinmica es la fusin de dos tecnologas, las bombas de calor y laenerga solar trmica.Laenerga solar termodinmicaesta teniendo mucha aceptacin, ya que no aprovecha los rayos de la energa solar, sino ms bien el calor ambiental, lo que le permite trabajar an de noche, es por eso que tambin es conocida como la energa solar nocturna, o lospaneles solaresnocturnos.

Ley Cero.Energa Solar Termodinmica.Como toda nueva tecnologa genera personas a favor y personas escpticas. Las personas a favor dicen que la tecnologa termodinmica puede aprovechar el calor inclusive de la lluvia, y que se consigue agua caliente de una manera mucho ms eficiente que si utilizaras cualquiera de las otras dos tecnologas por separado, mientras que los escpticos dicen que las empresas que venden estos sistemas exageran sus beneficios, que si bien si funcionan, o hay que dejarse llevar por las habladuras.

Las instalaciones solares termodinmicas cuentan con unos paneles solares trmicos especiales por los que circula un gas de refrigeracin, de manera que captan el calor ambiental para calentar el agua domstica, una piscina o para el sistema de calefaccin, especialmente suelos radiantes y radiadores de aluminio. El sistema funciona siempre que la temperatura exterior est por encima de cinco grados bajo cero.

Los paneles requieren un mantenimiento mnimo, y captan casi toda la radiacin directa y difusa del sol durante el da, as como el calor del aire exterior por conveccin natural y por el efecto del viento y el calor de la lluvia durante 24 horas. Adems, la orientacin de estos paneles no es fundamental, ya que se obtienen resultados similares.Ley Cero.Energa Solar Termodinmica.Como toda nueva tecnologa genera personas a favor y personas escpticas. Las personas a favor dicen que la tecnologa termodinmica puede aprovechar el calor inclusive de la lluvia, y que se consigue agua caliente de una manera mucho ms eficiente que si utilizaras cualquiera de las otras dos tecnologas por separado, mientras que los escpticos dicen que las empresas que venden estos sistemas exageran sus beneficios, que si bien si funcionan, o hay que dejarse llevar por las habladuras.

Las instalaciones solares termodinmicas cuentan con unos paneles solares trmicos especiales por los que circula un gas de refrigeracin, de manera que captan el calor ambiental para calentar el agua domstica, una piscina o para el sistema de calefaccin, especialmente suelos radiantes y radiadores de aluminio. El sistema funciona siempre que la temperatura exterior est por encima de cinco grados bajo cero.

Los paneles requieren un mantenimiento mnimo, y captan casi toda la radiacin directa y difusa del sol durante el da, as como el calor del aire exterior por conveccin natural y por el efecto del viento y el calor de la lluvia durante 24 horas. Adems, la orientacin de estos paneles no es fundamental, ya que se obtienen resultados similares.