Tema 3. Termodinámica

¿Porqué un frigorífico es capaz de enfriar los alimentos que contiene? ¿Cuáles son las transformaciones que suceden en una planta nuclear? ¿Cómo funciona el motor de un coche? ¿Qué sucede con la energía cinética de un cuerpo si éste se frena hasta el reposo? Las leyes de la termodinámica proporcionan explicaciones a estos y otros fenómenos. La Termodinámica es la parte de la física que trata la descripción de los fenómenos relacionados con el calor y la temperatura a nivel macroscópico. Su objetivo es el estudio de la temperatura, el calor y el intercambio de energía.

Este bloque se inicia con la definición del concepto de temperatura y de equilibrio térmico, lo que nos conduce al principio cero de la termodinámica. A partir de la definición de temperatura, se discuten algunas magnitudes termométricas cuya variación se correlaciona con un cambio en la temperatura (termómetros y escalas de temperatura). Así se establece que el calor es la energía transferida entre dos cuerpos o entre un cuerpo y su entorno debido a la diferencia de temperaturas entre ambos. La Termodinámica establece que el flujo de calor se produce desde el sistema de mayor temperatura al de menor hasta alcanzar el equilibrio térmico (y jamás en el sentido inverso).

Una cuestión importante en ingeniería civil que se aborda a continuación es el fenómeno de la dilatación térmica. Este hecho se debe tener en cuenta, por ejemplo, en los puentes donde es usual utilizar juntas de dilatación para evitar o minimizar los esfuerzos de origen térmico. Aquí, además, se pone énfasis en el comportamiento anómalo del agua en el rango de temperaturas que va de 0 ºC a 4 ºC (cosa que provoca, por ejemplo, la aparición de placas de hielo en las carreteras cuando la temperatura se encuentra alrededor de los 4 ºC). A continuación, por tener también mucho interés en la ingeniería, se analizan los fenómenos de la propagación del calor focalizando su estudio al mecanismo de conducción. Es un caso de física aplicada a la construcción donde se debe tener en cuenta el correcto aislamiento térmico de los edificios para cumplir con la eficiencia energética que marca el código técnico de la edificación. La ley de Fourier para una pared plano-paralela relaciona el flujo de calor que se establece en el régimen estacionario y se puede deducir la correspondiente ley para una geometría cilíndrica y esférica. Se describe brevemente la transferencia de calor por los mecanismos de convección y radiación así como sus principales características. Se acaba esta sesión se estudia la capacidad calorífica, el calor específico y el calor latente de fusión y vaporización. Se define la capacidad calorífica de una sustancia como la energía térmica necesaria para aumentar en un grado su temperatura. Se analizan los cambios de fase, cuya principal propiedad es que el cambio de estado de una sustancia se realiza sin variación de temperatura.

De acuerdo a lo que nos marca la guía de la asignatura, el alumnado deberá conseguir el aprendizaje de esta primera sesión a través de 3 horas de docencia presencial (en las que el profesorado desarrollará las diferentes metodologías para lograrlo) y 4,5 de trabajo individual del alumnado (con el apoyo de las tutorías tanto presenciales como virtuales).

La segunda sesión de este bloque se centra en la definición de los conceptos de sistemas termodinámicos, ecuación y variables de estado, procesos termodinámicos y formulación del primer principio de la Termodinámica. Los sistemas termodinámicos pueden intercambiar materia y energía (no sólo calor sino también trabajo) desde estos hacia el medio exterior y al revés. Trataremos el trabajo termodinámico como transferencia de energía entre un sistema y su entorno y se desarrollará a partir de la definición de trabajo mecánico. Es decir, como el trabajo que realiza la fuerza debida a la presión de un fluido sobre un émbolo móvil.

Teniendo en cuenta las definiciones de la ecuación y variables de estado se formula el primer principio de la Termodinámica que establece que en todo proceso en que se cede calor al sistema y éste realiza un trabajo, la energía total transferida al sistema es igual al cambio en su energía interna. Por tanto, la energía interna se introduce a partir del primer principio de la Termodinámica relacionándola con los conceptos de calor y trabajo termodinámico. A su vez, este principio refleja nada más que el principio de conservación de la energía que pone de manifiesto los resultados de todas las experiencias desarrolladas para relacionar el trabajo realizado por o sobre un sistema termodinámico, el calor absorbido o cedido y la energía interna del propio sistema. Para finalizar la segunda sesión, se estudian las diferentes transformaciones termodinámicas reversibles, siendo el sistema termodinámico un gas perfecto o ideal. A partir de las capacidades caloríficas molares a presión y volumen constante para gases ideales, se establece la relación de Mayer y se analizan las diferentes transformaciones termodinámicas para procesos reversibles en gases ideales.

De acuerdo a lo que nos marca la guía de la asignatura, el alumnado deberá conseguir el aprendizaje de esta segunda sesión a través de 3 horas de docencia presencial (en las que el profesorado desarrollará las diferentes metodologías para lograrlo) y 4,5 de trabajo individual del alumnado (con el apoyo de las tutorías tanto presenciales como virtuales).

La tercera sesión se inicia con la formulación del segundo principio de la Termodinámica, el cual analiza la falta de simetría en el sentido de evolución de los sistemas naturales. Este hecho experimental viene determinado por la entropía que establece que un sistema aislado tiende a evolucionar hacia un estado de máxima entropía hasta conseguir el equilibrio. Continua la sesión con varios enunciados del segundo principio de la Termodinámica, el estudio de las máquinas térmicas y el rendimiento de máquinas térmicas y frigoríficas. Se finaliza esta sesión con el análisis del ciclo de Carnot cuya importancia radica en que determina el rendimiento máximo de cualquier máquina térmica que trabaje entre dos focos de temperaturas, y la relación entre la entropía y el segundo principio de la Termodinámica.

De acuerdo a lo que nos marca la guía de la asignatura, el alumnado deberá conseguir el aprendizaje de esta tercera sesión a través de 3 horas de docencia presencial (en las que el profesorado desarrollará las diferentes metodologías para lograrlo) y 4,5 de trabajo individual del alumnado (con el apoyo de las tutorías tanto presenciales como virtuales).

Bibliografía

  1. Douglas C. Giancoli, Física. Principios con aplicaciones, Prentice-Hall Hispano Americana, S. A., 1998 (4ª edición, capítulos 13-15) (English version on the web site)
  2. Paul A. Tipler & G. Mosca, Física para la ciencia y la tecnología (2 tomos), Editorial Reverté, 2010 (6ª edición, capítulos 18-20) (versió en català)
  3. R. A. Serway & J. W. Jewett, Physics for scientists and engineers with modern physics, BROOKS/COLE CENGAGE Learning, 2010 (8ª edición, capítulos 16-18)
  4. W. E. Gettys, F. J. Keller & M. J. Skove, Física clásica y moderna, Editorial McGraw-Hill Interamericana de España, 1991 (1º edición, capítulos 16, 17 y 19)
  5. S. Burbano, E. Burbano y C. Gracia, Problemas de física, Editorial Tébar, 2004
  6. F. A. González, La física en problemas, Editorial Tébar, 2000

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