Termodinámica, la ciencia de la energía.
Una especie de tema tabú, pero hablamos todos los días sin darnos cuenta. La idea es hacer una introducción, un breve resumen sobre los temas que cubre, para desacreditar esos mitos que tienden a marcar este asunto como complicado o extraño. ¿A quién le ha pasado calor alguna vez? o por el contrario tuviste algun sentido frio? Seguro que has oído hablar mucho de este tipo de frases, insinuando sin querer la ley cero de la termodinámica…
Sí, es que esta maravillosa especialidad se basa en supuestos o enunciados denominados leyes, que científicamente se ha comprobado su veracidad y no se han podido quebrantar. A pesar de que hay varios individuos a los que les gusta plantear lo contrario con las famosas máquinas de movimiento perpetuo. Permítanme decir esto: la energía no se puede crear también.
No te preocupes si estos principios te aburren un poco, te aseguro que lo que viene después es súper interesante, como turbinas de gas, compresores, máquinas alternativas de combustión interna, intercambiadores de calor, máquinas de refrigeración, turbinas eólicas, otros tipos de renovables energía y un largo etc. Pero empecemos por esta ley cero de la termodinámica, que relaciona la temperatura de los cuerpos en contacto. Aquí es cuando aparece también uno de los conceptos clave: sistemas y medio. Está fundamental poder distinguir entre lo que estamos estudiando y lo que no, establecer una frontera… puede sonar simple, pero es la única manera de demostrar, mostrar, intercambiar energia: la mayoria son calor y trabajo. Luego viene la primera ley de la termodinámica: un balance de energías para ambos sistemas abierta y cerrada, diferenciándose en que la primera es un intercambio de masa con la medio, pero el segundo no. Un conjunto émbolo-pistón, un tanque con sus conexiones cerradas, una olla cubierta son ejemplos comunes de sistemas cerrados. Por otro lado, las boquillas, difusores, turbinas, tuberías, válvulas abiertas, cámaras de mezcla son típicas de los sistemas abiertos.
En los libros, esta primera ley suele figurar como “Transferencia y análisis general de la energía”, se mencionan tipos como el trabajo mecánico, por ejemplo, a través de unos álabes se puede transformar en calor. O calor como forma de transferencia de energía, trabajo eléctrico (a través de una resistencia), o energía cinética (movimiento) y potencial (relacionada con la posición de la masa). Hasta ahora no hemos mencionado el cómo, sino que simplemente hemos cuantificado la energía. Bueno, es necesario establecer un segundo acto para poder definir la forma de transformación, el sentido de flujo. Ese potencial. Aquí presentamos la declaración de Kelvin-Plank y Clausius. Éste, define el funcionamiento de un frigorífico o bomba de calor. Además de establecer el grado de eficiencia de los dispositivos como motores térmicos cíclicos.
La cosa es más interesante cuando introducimos una nueva propiedad material llamada “La entropía”, un concepto algo largo de mencionar pero que está directamente relacionado con el nivel de “desorden” del sistema, su aumento casi constante, y la imposibilidad de su destrucción.
Hablando de este tipo de cosas… también la termodinámica analiza sus cambios de estado, la energía que se requiere y los procesos o transformaciones que se pueden llevar a cabo por ejemplo: Compresiones o expansiones isotérmicas, adiabáticas (también llamadas isoentrópicas), isocoras (volumen constante), isobáricos (presión constante) o politrópicos (con un coeficiente de cambio particular). Todo ello representado en un diagrama presión volumen y temperatura-entropía. En los libros esto La sección suele aparecer como “análisis energético de sistemas cerrados”.
Estudiamos también el comportamiento de gases o mezclas de ellos, cuantificando sus propiedades con varias fórmulas o ecuaciones de estado denominadas precisamente “Ecuación de estado para gases ideales o reales”. La mezcla de gases más conocida por todos: el aire se combina con el vapor de agua (aunque sea una redundancia), para generar cambios muy sensibles en su comportamiento y en materiales que lo rodean. La climatización es un campo muy amplio que normalmente utiliza este apartado para su tratamiento en las famosas ‘Unidades de tratamiento de aire’.
En este punto ya tendremos todo para desarrollar los conceptos de máquinas o ciclos térmicos de máquinas a gas, como el ciclo de Carnot (el más eficiente), ciclo Otto, Diesel, Stirling, o Ericsson. Y también la Bryton, de las conocidas turbinas de gas como las que tienen los aviones. Y no te olvides de los compresores que se aplican en un sinfín de artículos. Otro tema principal es turbinas de vapor y el ciclo de Rankine. Plus Su combinación con las turbinas de gas mencionadas anteriormente. A continuación, vienen normalmente los ciclos de refrigeración, con su típica aplicación en enfriadores, ciclos de adsorción, acondicionadores de aire y más.
La exergía, una medida del potencial del trabajo, se utiliza para cuantificar cuánta energía estamos aprovechando de la disponible y cuánto potencial estamos desperdiciando. Finalmente, la termodinámica suele desarrollar el flujo compresible, con el número de Mach, las ondas de choque o la expansión, el uso de toberas y difusores que se comportan casi de forma opuesta a como lo hacen en flujo normal.
Ah, no olvidemos, tampoco, la aplicación de la termodinámica en reacciones químicas como procesos de combustión y otros sistemas reactivos.
Y aun aquí la enumeración que pretendía hacer, como ven, hay muchos temas que tratar, difícil será aburrir con esta especialidad que es significativamente novedosa y que es experimentando una expansión continua en la energía renovable y más.
