CONCEPTOS FÍSICOS

CONCEPTOS TERMODINÁMICOS

Eficacia energética de Generación de energía eléctrica, 2008

En la física y en ingeniería mecánica, la eficacia energética (o eficacia termodinámica) es un número sin dimensión, que es el informe que indica lo que puede recuperarse provechosamente de la máquina de lo que se ha gastado para hacerla funcionar.

La eficacia energética se denomina con la letra griega eta, y se define como

${\displaystyle \mathrm {eficiencia} \ \eta =\mathrm {{salida} \over \mathrm {entrada} } }$

Donde salida (output) es la cantidad de trabajo mecánico (en vatios) o energía consumida por el proceso (en julios), y entrada (input), es la cantidad de trabajo ó energía que se utiliza como entrada para efectuar el proceso.

Este concepto muy a menudo se confunde con el rendimiento, que es la relación entre la eficacia real de la máquina y la eficacia teórica máxima que se puede esperar de ella. El rendimiento tiene siempre un valor incluido entre 0 y 1 (o 0 y 100.%), mientras que según el sistema, la eficacia puede tomar cualquier valor positivo.¹​

En economía, el término de eficacia energética se utiliza de manera sinónima al de eficiencia energética, que consiste en reducir los consumos de energía a igual servicio prestado.²​³​

Física[editar]

La eficacia energética de un sistema depende de su vocación:

• en el caso de un motor, se trata de:

${\displaystyle \mathrm {Efficacit{\acute {e}}} ={W \over \mathrm {{\acute {e}}nergie} }}$

dónde W es la cantidad útil trabajo producido por el sistema (en Julios), y la energía es la cantidad de energía(también en julios) utilizada para hacer funcionar el sistema.

La eficacia energética puede también producirse en la utilización de las técnicas o prácticas para reducir la utilización de energía.

Una eficacia de 1 (100 %) es imposible por un motivo: lo prohíbe la segunda ley de la termodinámica.

• en el caso de un frigorífico o de una bomba de calor, se puede enunciar:

${\displaystyle \mathrm {Efficacit{\acute {e}}} ={Q \over \mathrm {{\acute {e}}nergie} }}$

dónde Q es el calor útil intercambiado por el sistema (en julios), y la energía es la cantidad de energía (también en julios) utilizada para hacer funcionar el sistema. En el caso de un frigorífico, el calor útil es el que sirve para enfriar los alimentos, en el caso de una bomba de calor esto es el que sirve para calentar el interior de la casa.

 equilibrio dinámico ocurre cuando dos procesos reversibles ocurren al mismo paso. Muchos procesos (como algunas reacciones químicas) son reversibles y cuando están en un equilibrio dinámico, reacciones opuestas ocurren al mismo paso (es demasiado eficiente).

Un ejemplo del proceso puede ser imaginado con un recipiente lleno de agua que se coloca en un cuarto pequeño. El agua del recipiente evapora, y el aire en el cuarto se empieza a saturar del vapor de agua. Finalmente, el aire en el cuarto será completamente saturado y el nivel de agua en el cubo parará completamente. Sin embargo, el agua en el recipiente sigue evaporando. Lo que está pasando es que las moléculas de agua en el aire, de vez en cuando se chocan contra la superficie del agua y se vuelven a condensar. Esto ocurre al mismo ritmo al que el agua se evapora del cubo. Este es en un ejemplo de equilibrio dinámico porque el ritmo de evaporación es igual al ritmo de condensación.

El concepto del equilibrio dinámico no está limitado a los simples cambios de estado. Con frecuencia se aplica al análisis cinético de reacciones químicas para obtener información útil sobre la proporción de reactivos y productos que formarán el equilibrio. Debe apreciarse que en un equilibrio las concentraciones de los reactivos y las concentraciones de los productos son constantes.

El término también tiene otras aplicaciones. Siempre se refiere a una situación estable mantenida por procesos en equilibrio. Por ejemplo, en ecología, una población de organismos que no variase tendría, a su vez, equilibrando el índice de natalidad y el índice de mortalidad. En el campo de la salud también se ha llegado a emplear el término de equilibrio dinámico: un cuerpo saludable se encuentra en un estado de equilibrio dinámicocuando todos los procesos internos se encuentran en armonía y balance. Los procesos anabólicos y catabólicostrabajan en armonía y todas las células que forman el organismo trabajan conjuntamente para mantener este equilibrio.

equilibrio térmico es aquel estado en el cual se igualan las temperaturas de dos cuerpos, las cuales, en sus condiciones iniciales presentaban diferentes temperaturas, una vez que las temperaturas se equiparan se suspende el flujo de calor, llegando ambos cuerpos al mencionado equilibrio térmico.

Definición termodinámica del equilibrio térmico[editar]

Para poder dar una definición más precisa del concepto de equilibrio térmico desde un punto de vista termodinámico es necesario definir algunos conceptos.

Dos sistemas que están en contacto mecánico directo o separados mediante una superficie que permite la transferencia de calor lo que se conoce como superficie diatérmica, se dice que están en contacto térmico.

Consideremos entonces dos sistemas en contacto térmico, dispuestos de tal forma que no puedan mezclarse o reaccionar químicamente. Consideremos además que estos sistemas están colocados en el interior de un recinto donde no es posible que intercambien calor con el exterior ni existan acciones desde el exterior capaces de ejercer trabajo sobre ellos. La experiencia indica que al cabo de un tiempo estos sistemas alcanzan un estado de equilibrio termodinámico que se denominará estado de equilibrio térmico recíproco o simplemente de equilibrio térmico. A partir de ese momento cesaran los cambios que pueden detectarse macroscópicamente y no obstante que la actividad continúa, de algún modo el estado macroscópico ha llegado al equilibrio y se caracteriza porque ambos sistemas tienen la misma temperatura.

Interpretación microscópica del equilibrio térmico[editar]

La termodinámica proporciona una descripción macroscópica de los sistemas que estudia, sin hacer hipótesis acerca de la estructura microscópica de los mismos. Sin embargo, existen otras disciplinas, como la física estadística, que estudian los mismos fenómenos de la Termodinámica, pero desde un enfoque microscópico.

En particular, el concepto de equilibrio térmico está ligado al concepto de temperatura al decir que dos sistemas en equilibrio térmico tienen la misma temperatura. Desde un punto de vista microscópico, la temperatura está asociada a la energía cinética promedio que tienen las partículas que constituyen el sistema, a saber, átomos, moléculas y/o la estructura electrónica de la sustancia que constituye el sistema. Macroscópicamente, esta energía cinética promedio de las partículas de un sistema es lo que en la Termodinámica se llama energía interna, que es una energía que depende casi exclusivamente de la temperatura del sistema. A mayor energía cinética promedio de las partículas que constituyen un sistema, mayor energía interna y, en general, mayor temperatura del sistema.

La situación de dos sistemas en contacto térmico se interpreta microscópicamente como que las partículas de la superficie de interfase de ambos sistemas son capaces de interactuar entre sí. Básicamente se puede ver que, microscópicamente, las partículas del sistema de mayor temperatura (que tienen mayor energía cinética) van a transferir parte de su energía a las partículas del otro sistema. Se encuentra que esta interacción entre los dos sistemas da lugar a que las partículas de los dos sistemas alcancen la misma energía cinética promedio y, por lo tanto, la misma temperatura. Es decir, desde un punto de vista microscópico, se entiende como equilibrio térmicoentre dos sistemas que las partículas de los dos sistemas tengan la misma energía cinética promedio.

Desde un punto de vista macroscópico, se dice que los sistemas han alcanzado un estado de equilibrio, cuando bajo las condiciones indicadas en la sección definición termodinámica del equilibrio térmico, se igualan sus temperaturas. En cambio, desde un punto de vista microscópico, el estado de equilibrio se refiere al promedio, ya que los dos sistemas continúan intercambiando energía incluso una vez alcanzado el equilibrio térmico. La energía cinética individual de una partícula no es estacionaria y son, por tanto, diferentes las energías de cada partícula en cada momento. Es el promedio de la distribución de energías de todas las partículas del sistema lo que no cambia en el tiempo.

De igual manera que para el caso macroscópico, se puede extender el concepto de equilibrio térmico para un sistema único, en el que en esa situación de equilibrio, las partículas de dos partes cualesquiera del sistema tienen la misma energía cinética promedio.

Principio Cero de la Termodinámica[editar]

Artículo principal: Principio Cero de la Termodinámica

El concepto de equilibrio térmico es la base de la llamada Ley Cero de la Termodinámica. Esta ley proposición fue enunciada por R. H. Fowler en 1931. La ley cero de la termodinámica se enuncia diciendo:

La experiencia indica que si dos sistemas A y B se encuentran, cada uno por separado, en equilibrio térmico con un tercer sistema, que llamaremos C, entonces A y B se encuentran en equilibrio térmico entre sí.

El hecho de haberse enunciado cuando ya existían el primer y segundo principio, pero enunciarse como fundamento indispensable para ambos, fue lo que determinó que se adoptase como nombre Principio cero.

Aplicación del concepto de equilibrio térmico: Termometría[editar]

Termómetro: dispositivo capaz de medir su propia temperatura. Su aplicación está basada en el concepto de equilibrio térmico.

Artículo principal: Termometría

Para saber la temperatura de una sustancia o cuerpo, se utiliza un dispositivo que permite determinar su propia temperatura. Tal dispositivo se denomina termómetro. Para determinar la temperatura de un cuerpo, se pone un termómetro en contacto térmico con él hasta que ambos alcanzan el equilibrio térmico. Sabemos que en el equilibrio térmico tanto el cuerpo como el termómetro se encuentran a la misma temperatura. Por tanto, la temperatura que indique el termómetro será también la temperatura del cuerpo en cuestión. Se recalca que, lo que un termómetro indica es su propia temperatura, por esto es importante conocer el concepto de equilibrio térmico.

estado de equilibrio termodinámico, si es incapaz de experimentar espontáneamente algún cambio de estado o proceso termodinámico cuando está sometido a unas determinadas condiciones de contorno¹​ ²​ (las condiciones que le imponen sus alrededores). Para ello ha de encontrarse simultáneamente en equilibrio térmico, equilibrio mecánico y equilibrio químico.

Potenciales termodinámicos y equilibrio[editar]

La condición de equilibrio termodinámico de un sistema puede estudiarse mediante el uso de potenciales termodinámicos:

• Potencial de Helmholtz A (o Energía de Helmholtz): Si un sistema está en contacto con un termostato (T=cte), el potencial A se minimiza. El sistema estará en equilibrio térmico si A es mínimo.
• Entalpía H: Si un sistema está en contacto con una fuente de trabajo (P=cte) el potencial H se minimiza. El sistema estará en equilibrio mecánico si H es mínimo.
• Energía de Gibbs G: Si un sistema está en contacto con un termostasto (T=cte) y una fuente de trabajo (P=cte) el potencial G se minimiza. El sistema estará en equilibrio térmico y equilibrio mecánico si G es mínimo.

Una consecuencia de la segunda ley de la termodinámica es que en un estado de equilibrio, la entropía tiene un valor máximo en el sistema que se corresponderá con un mínimo en uno de los potenciales termodinámicos. En la formulación axiomática de Callen³​ se expresa como:

En un estado de equilibrio, los valores que toman los parámetros característicos de un sistema termodinámico cerrado son tales que maximizan el valor de una cierta magnitud que está en función de dichos parámetros, llamada entropía.

Repaso del equilibrio[editar]

• Dos sistemas se dicen que están en equilibrio térmico cuando el valor de sus temperaturas es la misma.

• Dos sistemas se dicen que están en equilibrio mecánico cuando el valor de sus presiones es la misma.

• Dos sistemas se dicen que están en equilibrio de fases cuando el valor de sus potenciales químicos es el mismo en cada fase en que se encuentre presente la especie.

• Todas las fuerzas están balanceadas.