¿Qué es la termodinámica?
El calor es la energía puede ser convertida de una forma a otra, o transfiere de un objeto a otro. Por ejemplo, un quemador de la estufa convierte la energía eléctrica en calor y lleva a cabo que la energía a través de la olla al agua. Esto aumenta la energía cinética de las moléculas de agua, haciendo que se mueva más rápido y más rápido. A una temperatura determinada (punto de ebullición), los átomos han ganado la energía suficiente para liberarse de los enlaces moleculares del líquido y escapar como vapor.
La termodinámica es la rama de la física que se ocupa de las relaciones entre el calor y otras formas de energía. En particular, se describe cómo la energía térmica se convierte en y de otras formas de energía y la forma en que afecta a la materia.
La energía térmica es la energía de una sustancia o sistema tiene debido a su temperatura, es decir, la energía de movimiento o vibración de moléculas, de acuerdo con el sitio web de Educación Energía de la Agencia de Educación de Texas . Termodinámica implica medir esta energía, que puede ser "muy complicado", según David McKee, profesor de física en la Universidad Estatal de Missouri Sur. "Los sistemas que estudiamos en termodinámica ... consisten en un gran número de átomos o moléculas que interactúan de manera complicada. Pero, si estos sistemas cumplen los criterios correctos, lo que llamamos equilibrio, que pueden describirse con un muy pequeño número de mediciones o números. a menudo esto es idealizado como la masa del sistema, la presión del sistema, y el volumen del sistema, o algún otro conjunto equivalente de números. Tres números describen 10 26 o 10 30 variables independientes nominales ".
Calor
Termodinámica, entonces, se ocupa de varias propiedades de la materia; La primera de ellas es el calor. El calor es la energía transferida entre sustancias o sistemas debido a una diferencia de temperatura entre ellos, de acuerdo a la Educación Energía. Como una forma de energía, el calor se conserva, es decir, no puede ser creada o destruida. Puede, sin embargo, ser transferido de un lugar a otro. El calor también se puede convertir en y de otras formas de energía. Por ejemplo, una turbina de vapor puede convertir el calor en energía cinética para ejecutar un generador que convierte la energía cinética en energía eléctrica. Una bombilla de luz puede convertir esta energía eléctrica a la radiación electromagnética (luz), que, cuando es absorbido por una superficie, se convierte de nuevo en calor.
Temperatura
La cantidad de calor transferido por una sustancia depende de la velocidad y el número de átomos o moléculas en movimiento, de acuerdo con Educación Energía. Cuanto más rápido los átomos o moléculas se mueven, mayor es la temperatura, y los más átomos o moléculas que están en movimiento, mayor será la cantidad de calor que transfieren.
La temperatura es "una medida de la energía cinética media de las partículas en una muestra de materia, expresada en términos de unidades o grados designados en una escala estándar", de acuerdo con la American Heritage Dictionary . La escala de temperatura más comúnmente utilizado es Celsius, que se basa en los puntos de congelación y ebullición del agua, la asignación de valores respectivos de 0 grados C y 100 grados C. La escala Fahrenheit se basa también en los puntos de congelación y de ebullición de agua que se han asignados valores de 32 F y 212 F, respectivamente.
Los científicos de todo el mundo, sin embargo, utilizan el Kelvin (K sin signo de grado) escala, el nombre de William Thomson, 1er Baron Kelvin , ya que funciona en los cálculos. Esta escala utiliza el mismo incremento como la escala de Celsius, es decir, un cambio de temperatura de 1 C es igual a 1 K. Sin embargo, la escala Kelvin comienza en el cero absoluto, la temperatura a la que hay una ausencia total de energía de calor y todos molecular movimiento se detiene. Una temperatura de 0 K es igual a menos 459.67 F o menos 273,15 C.
Calor especifico
La cantidad de calor requerida para aumentar la temperatura de una cierta masa de una sustancia en una cierta cantidad se llama calor específico, o la capacidad de calor específico, de acuerdo con Wolfram Research . La unidad convencional de esto es calorías por gramo por kelvin. La caloría se define como la cantidad de energía de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua a 4 ° C por 1 grado.
El calor específico de un metal depende casi por completo del número de átomos en la muestra, no su masa. Por ejemplo, un kilogramo de aluminio puede absorber alrededor de siete veces más calor que un kilogramo de plomo. Sin embargo, átomos de plomo pueden absorber sólo alrededor de 8 por ciento más calor que un número igual de átomos de aluminio. Una masa dada de agua, sin embargo, puede absorber casi cinco veces tanto calor como una masa igual de aluminio. El calor específico de un gas es más complejo y depende de si se mide a presión constante o volumen constante.
Conductividad térmica
Conductividad térmica ( k ) es “la velocidad a la que pasa calor a través de un material especificado, expresado como la cantidad de calor que fluye por unidad de tiempo a través de una unidad de área con un gradiente de temperatura de un grado por unidad de distancia”, según el Diccionario Oxford . La unidad para k es vatios (W) por metro (m) por kelvin (K). Los valores de k para los metales tales como el cobre y la plata son relativamente altos en 401 y 428 W / m · K, respectivamente. Esta propiedad hace que estos materiales útiles para radiadores de automóviles y aletas de refrigeración de los chips de computadora, ya que pueden llevar a disipar el calor de forma rápida e intercambiarlo con el medio ambiente. El valor más alto de k para cualquier sustancia natural es diamante a 2200 W / m · K.
Otros materiales son útiles porque son extremadamente pobres conductores de calor; esta propiedad se conoce como resistencia térmica, o R -valor, que describe la velocidad a la que se transmite calor a través del material. Estos materiales, tales como lana de roca, ganso hacia abajo y la espuma de poliestireno, se utilizan para el aislamiento en la construcción de muros exteriores, abrigos de invierno y tazas de café térmicas. R -valor se da en unidades de pies cuadrados veces grados Fahrenheit veces horas por unidad térmica Británica (ft 2 · ° F · h / Btu) para una losa de 1 pulgada de espesor.
La ley de enfriamiento de Newton
En 1701, Sir Isaac Newton estableció por primera vez la Ley de refrigeración en un breve artículo titulado "Scala graduum Caloris" ( "una escala de los grados de calor") en las Philosophical Transactions de la Royal Society. Exposición de la ley de Newton se traduce del latín original como "el exceso de los grados de calor ... estaban en progresión geométrica cuando los tiempos están en una progresión aritmética." Worcester Polytechnic Institute da una versión más moderna de la ley como "la velocidad de cambio de temperatura es proporcional a la diferencia entre la temperatura del objeto y la del medio ambiente circundante."
Esto resulta en un decaimiento exponencial de la diferencia de temperatura. Por ejemplo, si un objeto caliente se coloca en un baño de frío, dentro de un cierto período de tiempo, la diferencia en sus temperaturas disminuirá a la mitad. Luego, en ese mismo período de tiempo, la diferencia restante de nuevo disminuirá a la mitad. Esta reducción a la mitad repetida de la diferencia de temperatura continuará a intervalos de tiempo iguales hasta que se vuelve demasiado pequeña para medir.
Transferencia de calor
El calor puede ser transferido desde un cuerpo a otro o entre un cuerpo y el medio ambiente por tres medios diferentes: conducción, convección y radiación. La conducción es la transferencia de energía a través de un material sólido. Conducción entre cuerpos se produce cuando están en contacto directo, y las moléculas transfieren su energía a través de la interfaz.
La convección es la transferencia de calor hacia o desde un medio fluido. Las moléculas en un gas o líquido en contacto con una transmisión de cuerpo sólido o absorben calor hacia o desde que el cuerpo y luego se alejan, permitiendo que otras moléculas se muevan en su lugar y repetir el proceso. La eficiencia puede mejorarse aumentando el área de superficie a ser calentado o enfriado, como con un radiador, y al forzar el fluido a moverse sobre la superficie, como con un ventilador.
La radiación es la emisión de energía electromagnética (EM) , en particular infrarrojos fotones que transportan la energía térmica. Toda la materia emite y absorbe parte de la radiación EM, el importe neto de las cuales determina si esto provoca una pérdida o ganancia de calor.
El ciclo de Carnot
En 1824, Nicolas Léonard Sadi Carnot propuso un modelo para un motor térmico basado en lo que ha llegado a ser conocido como el ciclo de Carnot . El ciclo explota las relaciones entre presión, volumen y temperatura de los gases y cómo un aporte de energía puede cambiar de forma y hacer el trabajo fuera del sistema.
La compresión de un gas aumenta su temperatura por lo que se vuelve más caliente que su entorno. El calor puede retirarse entonces del gas caliente mediante un intercambiador de calor . Entonces, lo que permite que se expanda hace que se enfríe. Este es el principio básico detrás de las bombas de calor para la calefacción, aire acondicionado y refrigeración.
Por el contrario, el calentamiento de un gas aumenta su presión, haciendo que se expanda. La presión expansiva a continuación, se puede utilizar para accionar un pistón, convirtiendo así la energía térmica en energía cinética. Este es el principio básico detrás de los motores térmicos.
entropía
Todos los sistemas termodinámicos generan calor residual. Estos residuos se traduce en un aumento de la entropía, que para un sistema cerrado es "una medida cuantitativa de la cantidad de energía térmica no está disponible para hacer el trabajo", de acuerdo con el American Heritage Dictionary . Entropía en cualquier sistema cerrado siempre aumenta; que no disminuye. Además, las piezas móviles producen calor residual debido a la fricción, y el calor radiativo fugas inevitablemente del sistema.
Esto hace que las denominadas máquinas de movimiento perpetuo imposible. Siabal Mitra, profesor de física en la Universidad Estatal de Missouri, explica, "No se puede construir un motor que es 100 por ciento de eficiencia, lo que significa que no se puede construir una máquina de movimiento perpetuo. Sin embargo, hay mucha gente por ahí que todavía don' t lo cree, y hay personas que todavía están tratando de construir máquinas de movimiento perpetuo ".
La entropía también se define como "una medida del desorden o aleatoriedad en un sistema cerrado", lo que también aumenta inexorablemente. Usted puede mezclar el agua fría y caliente, pero debido a una gran taza de agua caliente es más desordenado de dos tazas pequeñas que contienen agua caliente y fría, nunca se puede separar de nuevo en caliente y en frío sin añadir energía al sistema. Dicho de otra manera, no se puede descifrar un huevo o eliminar la crema de café. Mientras que algunos procesos parecen ser completamente reversible, en la práctica, ninguno en realidad son. Entropía, por lo tanto, nos proporciona una flecha del tiempo: hacia adelante es la dirección del incremento de la entropía.
Las cuatro leyes de la termodinámica
Los principios fundamentales de la termodinámica se expresaron originalmente en tres leyes. Posteriormente, se determinó que una ley más fundamental había sido descuidado, al parecer porque le había parecido tan evidente que no necesita ser declarado explícitamente. Para formar un conjunto completo de reglas, los científicos decidieron esta ley más fundamental que se necesita para ser incluidos. El problema, sin embargo, fue que las tres primeras leyes que ya se habían establecido y estaban bien conocida por sus números asignados. Cuando se enfrentan con la perspectiva de volver a numerar las leyes existentes, lo que causaría una confusión considerable, o la colocación de la ley preeminente al final de la lista, que no tendría ningún sentido lógico, un físico británico, Ralph H. Fowler , se le ocurrió una alternativa que resuelve el dilema: llamó a la nueva ley de la “ley Cero” En breve, estas leyes son:
La Ley Cero establece que si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, entonces ellos también están en equilibrio entre sí. Esto establece la temperatura como una propiedad fundamental de la materia y medible.
La primera ley establece que el aumento total de la energía de un sistema es igual al aumento de la energía térmica más el trabajo realizado sobre el sistema. Esto indica que el calor es una forma de energía y por lo tanto está sujeta al principio de conservación.
La segunda ley establece que la energía de calor no se puede transferir de un cuerpo a una temperatura inferior a un cuerpo a una temperatura más alta sin la adición de energía. Esto es por qué cuesta dinero para ejecutar un acondicionador de aire.
La tercera ley establece que la entropía de un cristal puro en el cero absoluto es cero. Como se explicó anteriormente, la entropía se llama a veces "energía residual", es decir, la energía que no es capaz de hacer el trabajo, y ya que no hay energía de calor en absoluto en el cero absoluto, no puede haber ninguna energía de residuos. La entropía es también una medida de la enfermedad en un sistema, y mientras un cristal perfecto es por definición perfectamente ordenado, cualquier valor positivo de la temperatura significa que hay movimiento dentro del cristal, que causa el trastorno. Por estas razones, no puede haber ningún sistema físico con menor entropía, por lo que la entropía siempre tiene un valor positivo.
La ciencia de la termodinámica se ha desarrollado durante siglos, y sus principios se aplican a casi todos los dispositivos que se ha inventado. Su importancia en la tecnología moderna no puede ser exagerada.
Recursos adicionales
Algunas de las mentes más grandes de la historia de la ciencia han contribuido al desarrollo de la termodinámica. Una lista de los pioneros notables en el campo se puede encontrar en la Universidad de Waterloo sitio web.
Escuela de Energía es un suplemento plan de estudios interactivo para estudiantes de ciencias de secundaria.
Mundial de la Ciencia de Eric Weisstein contiene enciclopedias de la astronomía , biografía científica , la química y la física .