Aspectos básicos sobre termodinámica. Parte I

Toda ciencia posee un vocabulario único y la termodinámica no es la excepción. Para poder entender y comprender el estudio de la termodinámica es necesario que desarrollemos una capacidad para entender el léxico utilizada en esta parte de la física la cual trata de explicarnos todas las formas en la que energía se manifiesta tomando en cuenta el movimiento del calor entre sistemas. Debido a esto vengo a desarrollar una serie de interpretaciones lo más claro posible de algunos conceptos que son básicos para cuando tratamos de iniciarnos en el estudio de esta ciencia tan interesante.

El estudio cuidadoso de algunos conceptos es esencial para lograr una buena comprensión de los temas que trata la termodinámica.

¿Qué es la termodinámica?

La termodinámica se puede definir como la ciencia de la energía. Aunque todo el mundo tiene idea de lo que es la energía, es difícil definirla de forma precisa. La energía se puede considerar como la capacidad para causar cambios. El término termodinámica proviene de las palabras griegas therme (calor) y dynamis (fuerza), lo cual corresponde a lo más descriptivo de los primeros esfuerzos por convertir el calor en energía.

[Cita textual]: Capítulo: Introducción y conceptos básicos. pág.: 2. Libro de termodinámica. Autores: YUNUS A. ÇENGEL y MICHAEL A. BOLES. 7ma edición.

Es importante mencionar que la energía es una forma de expresión del universo en diferentes formas, magnitudes y dimensiones, así que pensamos que la termodinámica solo se encarga del dinamismo en la transferencia del calor, que es también una forma de energía, pero que a su vez no es la única forma, ya como todos sabemos existe energía cinética, energía potencial, energía hidráulica, energía eléctrica, energía mecánica entre otras. En cada una de estas formas de energía, y en sus transformaciones se dan pérdidas o ganancias de calor, es decir cambios de temperatura, pero no es solamente a estos cambios a lo que está limitada su estudio, la termodinámica se engrandece cuando toma la diversidad del estudio amplio en las formas de manifestar la energía en diversos procesos industriales donde la ingeniería y la ciencia son protagonista.

[Imagen 1]

Nota: El diseño de muchos sistemas de ingeniería, como el representado en la Imagen 1, el cual tiene un este sistema solar para calentar agua, tiene que ver con la termodinámica. Imagen tomada del libro de termodinámica de Cengel y editada en MicrosoftPowerpoint.

Importancia de las dimensiones y unidades dentro del estudio y comprensión de la termodinámica

Cualquier cantidad física se caracteriza mediante dimensiones. Las magnitudes asignadas a las dimensiones se llaman unidades. Algunas dimensiones básicas, como masa m, longitud L, tiempo t y temperatura T se seleccionan como dimensiones primarias o fundamentales, mientras que otras como la velocidad V, energía E y volumen V se expresan en términos de las dimensiones primarias y se llaman dimensiones secundarias o dimensiones derivadas. Con el paso de los años se han creado varios sistemas de unidades. A pesar de los grandes esfuerzos que la comunidad científica y los ingenieros han hecho para unificar el mundo con un solo sistema de unidades, en la actualidad aún son de uso común dos de éstos: el sistema inglés, que se conoce como United States Customary System (USCS) y el SI métrico (de Le Système International d’Unités), también llamado sistema internacional. El SI es un sistema simple y lógico basado en una relación decimal entre las distintas unidades, y se usa para trabajo científico y de ingeniería en la mayor parte de las naciones industrializadas, incluso en Inglaterra. Sin embargo, el sistema inglés no tiene base numérica sistemática evidente y varias unidades de este sistema se relacionan entre sí de manera bastante arbitraria (12 pulgadas = 1 pie, 1 milla = 5280 pies, 4 cuartos = 1 galón, etc.), lo cual hace que el aprendizaje sea confuso y difícil. Estados Unidos es el único país industrializado que aún no adopta por completo el sistema métrico.

Cita textual: Capítulo: Introducción y conceptos básicos. pág.: 3-4. Libro de termodinámica. Autores: YUNUS A. ÇENGEL y MICHAEL A. BOLES. 7ma edición.

Es evidente la importancia de las dimensiones, la masa, longitud y tiempo son las dimensiones que componen casi la base de toda la estructura que le da vida a la comprensión de la ciencia sustentada principalmente en los fenómenos físicos. Ahora bien a medida que los grandes aportes se fueron dando de la mano de grandes filósofos y científicos como Albert Einstein, Isaac Newton entre otros, se tuvo que desarrollar otras dimensiones que le daban respuestas a fenómenos básicos como el cambio de posición de un objeto con respecto al tiempo, poder estudiar los cambios que se producen en la materia cuando estos alcanzan una aceleración. Para ello era necesario postular leyes que se rigen por ecuaciones matemáticas que dan pie a dimensiones secundarias, es decir que derivan de las primarias como masa, longitud y tiempo.

Para todas estas medidas se desarrollaron casi paralelamente dos sistemas que son los que hoy en día conocemos, que son el sistema británico o inglés, y el sistema internacional de medidas (SI), a mi entender a modo práctico a ninguno de los dos sistemas se le puede restar importancia, ya que se ha buscado la manera de unificarlos en uno solo y por distintas razones no se ha podido, razón está por la que hay que considerar una manera de saber las equivalencias de esas unidades entre los dos sistemas, sobre todo por el hecho de que en la realidad se utilizan paralelamente los dos sistemas. Un ejemplo claro de estos dos sistemas lo tenemos en mi país (Venezuela), aquí la industria petrolera maneja los dos sistemas, tal es el caso de los fluidos de perforación, que cuando se les va a realizar las pruebas en laboratorios, muchos de los instrumentos utilizados utilizan escalas del sistema internacional, una vez obtenidos estos datos se requiere hacer la conversión al sistema inglés, ya que las ecuaciones de los manuales que heredamos de los gringos están en mediciones del sistema inglés.

Sistemas cerrados y abiertos

Un sistema se define como una cantidad de materia o una región en el espacio elegida para análisis. La masa o región fuera del sistema se conoce como alrededores. La superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores se llama frontera. La frontera es la superficie de contacto que comparten sistema y alrededores. En términos matemáticos, la frontera tiene espesor cero y, por lo tanto, no puede contener ninguna masa ni ocupar un volumen en el espacio. Los sistemas se pueden considerar cerrados o abiertos, dependiendo de si se elige para estudio una masa fija o un volumen fijo en el espacio. Un sistema cerrado (conocido también como una masa de control) consta de una cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar su frontera. Es decir, ninguna masa puede entrar o salir de un sistema cerrado. Pero la energía, en forma de calor o trabajo puede cruzar la frontera; y el volumen de un sistema cerrado no tiene que ser fijo. Si, como caso especial, incluso se impide que la energía cruce la frontera, entonces se trata de un sistema aislado. Un sistema abierto, o un volumen de control, como suele llamarse, es una región elegida apropiadamente en el espacio. Generalmente encierra un dispositivo que tiene que ver con flujo másico, como un compresor, turbina o tobera. El flujo por estos dispositivos se estudia mejor si se selecciona la región dentro del dispositivo como el volumen de control. Tanto la masa como la energía pueden cruzar la frontera de un volumen de control.

[Cita textual]: Libro de Cengel de termodinámica, 7ma edición. pág: 10

Es de suma importancia definir un conjunto en el espacio que me encierre cierta cantidad de masa para ser objeto de estudio, de esta forma concibo yo a un sistema termodinámico, ahora bien este sistema está en la potestad de intercambiar energía con otros sistemas, intercambiar masa y energía, o de no intercambiar ni masa ni energía, de allí la definición de sistemas: cerrados, abiertos o aislados, al comprender y entender esta parte de los sistemas termodinámicos, en esa misma proporción entenderemos muchos de los funcionamientos de herramientas de utilidad en la vida real, tal es el caso de compresores, bombas, intercambiadores de calor, entre otros.
A continuación se citan algunos ejemplos de los sistemas nombrados:

[Imagen 2]

En la Imagen 2, se representa lo que es un sistema abierto. Llamado también volumen de control, con una entrada y una salida. Imagen tomada del libro de Cengel de termodinámica y editada en Microsoft PowerPoint.

[Imagen 3]

En la Imagen 3, se representa lo que sería un sistema cerrado, donde existe intercambio de energía y no de masa, en el sistema émbolo - pistón el gas se encuentra atrapado generando un calor que se transfiere con los alrededores del recipiente, pero por nada del mundo se pierde la masa de gas contenida en él. La imagen fue tomada del mismo libro mencionado anteriormente y editada en Microsoft PowerPoint.

Consideraciones y Conclusiones

Existen muchos aspectos más, que son básicos y a la vez de importancia para el estudio y comprensión de la termodinámica, en esta publicación solo quise interpretar 3 aspectos básicos:

• Concepto de termodinámica.
  En este concepto es de mucha importancia entender los alcances y limitaciones que tiene el estudio de la termodinámica.

• La importancia de los sistemas de medición y conversión dentro de la termodinámica.
  Al igual que la física, química y otras ramas derivadas de estas es importante entender los sistemas de mediciones, ya que la energía la medimos, sea en joule, en BTU, así mismo la temperatura como grados Celsius, grados Fahrenheit entre otros, teniendo presente los dos sistemas, el británico y el sistema internacional, es muy importante saber realizar los procesos de transformación de las unidades en los dos sistemas.

• Concepto de sistema. Sistema abierto, cerrado y aislado.
  Para mantener claro la ley de la conservación de la energía, es necesario que entendamos que lo que entra es igual a lo que sale, es por ello que lo que entra a un sistema es igual a lo que sale, estos sistemas si comparten masa y energía, pueden llegarse a considerar aislados, cerrados o abiertos. Lo importante de este caso es poder comparar cada uno de los casos con algunas máquinas que se usan en la actualidad.

Para explicar otros aspectos básicos importantes de la termodinámica, emplearé una segunda y tercera parte, para complementar lo explicado en este artículo.

Saludos y espero sea de utilidad este material descriptivo.

Bibliografía consultada.
Libro de termodinámica. YUNUS A. ÇENGEL. MICHAEL A. BOLES. Séptima edición. Editorial Mc Graw Hill. México, D.F.