Conceptos generales de termodinámica

Presión La presión es una magnitud física que se define como la fuerza por unidad de superficie.

P (Pa) F (N)/S (m2 )

El Pascal (Pa), es una unidad que corresponde al Sistema Internacional. Es una unidad muy pequeña y de muy limitada aplicación industrial, por tanto se utilizan otras, que figuran en la tabla.

El concepto de presión se aplica tanto a sólidos como a líquidos y gases. En la siguiente tabla se muestran las unidades más habituales depresión y su equivalencia.

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o Presión atmosférica, absoluta y relativa

Cuando hablamos de presión, manejamos diferentes términos: presión atmosférica, presión absoluta, presión relativa, presión diferencial... Veamos lo que significa cada uno de ellos.

El concepto de presión atmosférica surge debido a la presión que ejerce la atmósfera sobre la tierra. Se define como el peso de una columna de aire de sección 1 cm2 y que se extiende desde la superficie de la tierra a nivel del mar hasta los límites superiores de la atmósfera. Su valor es de aproximadamente 101.325 Pa. Para nosotros será 1 bar.

Las unidades habituales de medida de presión atmosférica en otros sistemas son: • Atmósfera (1 atm = 1 bar). • Milímetros de mercurio (1 bar = 760 mm Hg).

La presión absoluta es la que se mide tomando como origen, es decir, como cero de presión, la correspondiente al vacío absoluto. En la escala de presión absoluta la presión atmosférica tiene un valor de 1,013 bar, o lo que es lo mismo 101.325 Pa (para nosotros 1 bar o 105 Pa).

La presión relativa mide la presión tomando como origen (como cero de la escala), la presión atmosférica a nivel del mar.

La relación entre los tres tipos de presiones es la siguiente:

P absoluta = P atmosférica + P relativa

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Para medir la presión relativa de gases o líquidos contenidos en recipientes cerrados se utiliza el manómetro, por eso a la presión relativa se le llama también presión manométrica. Los manómetros indican pues la diferencia entre la presión absoluta en un sistema y la presión atmosférica que actúa en el exterior del equipo de medida.

En la figura anterior aparece la fotografía de un manómetro convencional, que, como se aprecia, está calibrado en dos escalas: en bar y en psi.

Términos muy utilizados cuando hablamos de presiones son presión manométrica y presión de vacío.

• Presión manométrica o sobrepresión: se aplica cuando la presión del sistema es mayor que la presión local atmosférica.

P manométrica (relativa) = (P absoluta - P atmosférica) > 0

• Presión de vacío o depresión: se utiliza cuando la presión atmosférica es mayor que la del sistema.

P de vacío (relativa) = (P absoluta - P atmosférica) < 0

Energía

La energía es la fuerza vital de la naturaleza, está presente en todos los procesos químicos, físicos, estructurales, etc., que se dan en nuestro entorno y que permiten el desarrollo de nuestras actividades en las diferentes áreas de trabajo. También se define, como la capacidad o aptitud para realizar un trabajo. Todos los cuerpos, por el solo hecho de estar formados de materia, contienen energía. Además la pueden poseer adicionalmente debido a su movimiento, composición química, posición, temperatura y

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a algunas otras propiedades. Así se habla de energía cinética, química, potencial, térmica, mecánica, eléctrica.

En la siguiente tabla se muestran las unidades de energía más habituales y sus equivalencias.

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Otra unidad muy utilizada en refrigeración es la frigoría. La frigoría es una unidad del sistema técnico para medir la absorción de energía térmica. Equivale a una Kilocaloría negativa. Se usa en sistemas frigoríficos y aire acondicionado. También se utiliza la frigoría/hora que sirve para expresar la potencia de un sistema de refrigeración.

1 frig = 1000 cal (extraídas)

Potencia La potencia se define como la cantidad de trabajo realizado en la unidad de tiempo.

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P (w) = T (J) / t(s)

Esta unidad, el watio, corresponde al sistema internacional, pero se usan otras cuyas equivalencias aparecen en la siguiente tabla:

La unidad recogida en la tabla para el SI es el kilowatio, ya que, como suele haber valores grandes de potencia, el vatio se queda pequeño y es más cómodo utilizar este múltiplo suyo.

Calor y frío El calor se define como una forma de energía asociada al movimiento de las partículas que forman la materia. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es la transferencia de parte de dicha energía interna (térmica) de un sistema a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura.

El concepto de calor está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibra. El calor siempre fluye de la sustancia más caliente a la más fría, puede ser generado por reacciones químicas, nucleares y transferido entre objetos por diferentes mecanismos.

A todos los efectos las unidades de calor son las de energía. Las más utilizadas son la caloría y el Julio junto con sus múltiplos, la kilocaloría y el kilojulio.

Otro de los términos utilizados en termodinámica es el de frío. El frío por definición no existe, simplemente es la ausencia de calor. Es la energía extraída en forma de calor de un sistema, cuando su temperatura está por debajo de la de su entorno.

Temperatura

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La temperatura mide la intensidad o el nivel de energía interna de una sustancia, es decir, lo caliente o frío que está.

Las unidades de temperatura son: • Kelvin (K) en el SI. • Celsius o Centígrado (°C) en el sistema métrico. • Fahrenheit (°F) en el sistema anglosajón.

En el siguiente cuadro se recogen las equivalencias entre los distintos sistemas de unidades de temperatura.

°C °F

°F °C

°C K

K °C

°F K

K °F

° F = (1 ,8 ° C ) + 3 2

° C = (° F -3 2 )⋅ 0 ,5 5

K = 273 + ° C

° C = K - 273

K = 255,23 + ( 0,55⋅ ºF)

° F = 1 ,8 K - 4 5 9 ,4

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La temperatura se mide mediante un termómetro. Los termómetros pueden estar graduados en cualquiera de las tres escalas de temperatura que ya hemos visto. Las tres, Celsius, Kelvin y Fahrenheit, utilizan dos puntos básicos de referencia: cuando el agua empieza a congelarse y cuando empieza a hervir, a presión atmosférica. En la figura se muestra la relación entre ellas.

Se observa que tanto en el termómetro graduado en Kelvin como en C el si u s, 1 00 intervalos de temperatura corresponden a una diferencia de 100 grados, aunque el valor de temperatura que indica cada termómetro es diferente.

Una diferencia de temperatura de un Kelvin equivale a una diferencia de tem peratura de un grado centígrado.

Esta relación es muy importante ya que las diferencias de temperatura suelen expresarse en K y no en °C, puesto que coinciden.

El cero absoluto de temperatura es la temperatura teórica más baja posible, y se alcanza cuando ya no queda más calor en una sustancia. El cero absoluto corresponde a 0 grados Kelvin.

o Tipos de termómetro

Existen distintos tipos de termómetros utilizados a nivel industrial, aparte del tradicional termómetro de mercurio. Veamos cuáles son los más habituales.

A. Termómetro de bulbo

Estos medidores se basan en el aumento de presión que experimenta un fluido cuando aumenta la temperatura.

Se emplean para realizar mediciones a nivel local, poniéndolos en contacto con la superficie a medir. A continuación se muestra uno de ellos.

B. Medidores de temperatura de contacto

Estos termómetros determinan la temperatura colocando el aparato sobre la superficie cuya temperatura se quiere medir. Pueden determinar temperaturas entre 200 y +1.767 °C. El más utilizado en frío es la termorresistencia.

• Termorresistencia. Consiste en un alambre cuya resistencia eléctrica cambia al variar la temperatura. Una clasificación de las termorresistencias es la siguiente:• PTC: Al aumentar la temperatura, aumenta la resistencia. • NTC: Al aumentar la temperatura, disminuye la resistencia.

Otra posible clasificación atendería al material del que están empleadas. Así tenemos, entre otras:

• Pt 100: Son termorresistencias de platino. Tienen un valor de 100 a 0 °C. Son las que miden rangos más amplios de temperaturas, las más exactas y estables. Además su relación resistencia-temperatura es más lineal que la de cualquier otro material (con la excepción del cobre). La siguiente figura es de una curva correspondiente a una Pt 100.

• Ni 500: Termorresistencia de níquel con un valor de 500 a 0°C.

C. Medidores de temperatura sin contacto

Un medidor de este tipo es el termómetro por infrarrojos. Su funcionamiento se basa en la medición de la radicación infrarroja emitida por un cuerpo para determinar su temperatura.

Son muy útiles en aplicaciones eléctricas, electrónicas, de calefacción, ventilación y aire acondicionado, y resultan muy seguros en trabajos con carga eléctrica, movimientos rotativos, en posiciones difíciles de alcanzar o con temperaturas extremadamente altas. Son muy cómodos de utilizar, pero más caros que los de contacto.

En la siguiente figura aparece un termómetro por infrarrojos.

La transferencia de calor La transferencia de calor es un proceso de intercambio de energía entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura.

Existen tres formas de transmisión de calor: • Convección. • Radiación. • Conducción.

Aunque estos tres mecanismos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de ellos predomine sobre los otros dos.

o Convección

Cuando existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento de las propias partículas del fluido, transfiriéndose calor desde las zonas calientes a las frías, por un proceso llamado convección. El fenómeno de convección requiere de un movimiento de materia, por lo que es característico de líquidos y gases.

El movimiento del fluido puede ser: • Natural. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad suele disminuir. Si el fluido se encuentra en el campo gravitatorio, el más caliente y menos denso asciende, mientras que el más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural.

Supón que calentamos una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello, el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación en el seno del líquido. El líquido más frío situado abajo vuelve a calentarse e inicia su ascensión, mientras que el líquido más caliente, situado arriba, pierde parte de su calor cediéndolo al aire situado por encima, enfriándose y volviendo a descender. Y así continuamente.

En instalaciones frigoríficas o de producción de calor tenemos el caso de convección natural en las neveras clásicas que no llevan ventilador en su interior o en los radiadores de la calefacción por gas natural que muchos de nosotros tenemos en c a s a.

• Forzado. En este tipo de circulación el flujo de fluido se provoca artificialmente. El movimiento del fluido se origina mediante el uso de algún medio mecánico. Por ejemplo, si revolvemos el agua que se está calentando al fuego, provocamos convección forzada. En este caso, el calentamiento se produce más rápidamente.

Un ejemplo de convección forzada se produce en los sistemas de calefacción que incorporan un ventilador, como ocurre en los clásicos calefactores que se sitúan en espacios reducidos, como puede ser en un baño.

La transferencia de calor por estos dos procedimientos da lugar a que aparezcan en la industria del frío, por ejemplo, evaporadores de convección natural y de convección forzada, tal como se indica en la figura adjunta.

o Conducción

E n l os s ó l i d os , l a ú n i c a f o r m a d e t r a n s f e r e n c i a d e c a l o r e s l a c o n d u cc i ó n, que es u n mecanismo d e t r a n s f e r e n c i a d e e n e r g í a t é r m i c a e n t r e d os s is t emas b a s a d o e n e l c o n t a c t o d i r e c t o d e su s p a r t í c u l a s , q u e t i e n d e n a i g u a l a r s u t e m p er a t u r a o e s t a d o d e ex c i t a c i ó n t é r m i c a . S i s e c a l i e n t a u n e x t r e m o d e u n a v a r i l l a m e t á l i c a , d e f o r m a q u e a u m e n t e s u t e m p e r a t u r a , e l calor s e t r a n s m i t e ha s t a e l e x t r e m o m á s f r í o p o r c o n d u c c i ó n.

La conductividad térmica es una propiedad de los materiales que valora la capacidad de conducir el calor a través de ellos. Es elevada en metales y en cuerpos continuos, y baja en los gases, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes térmicos. Por ejemplo, una manta es un mal conductor de calor, no lo transmite sino que nos protege de perderlo. Por eso no deja escapar el calor que tenemos en nuestro cuerpo, y nos aísla de las corrientes de convección que nos lo pudieran robar.

o Radiación

Todos los cuerpos, por el hecho de estar a una cierta temperatura superior al cero absoluto, emiten una determinada cantidad de radiación, con lo que pierden energía enfriándose y calentando otros cuerpos. También los cuerpos son

capaces de absorber radiación de un cuerpo que esté a temperatura mayor, calentándose. Cuando se alcanza el equilibrio térmico, las velocidades de emisión y absorción son iguales.

A diferencia de la conducción y la convección, la radiación no necesita un medio de transmisión y puede ocurrir en el vacío. La transferencia de calor por radiación es la más rápida.

Cambios de estado en la materia Las sustancias existen en tres estados, en función de su temperatura, presión y contenido térmico:

• Sólido: cualquier sustancia física que conserva su forma incluso aunque no esté dentro de un contenedor. Consta de miles de millones de moléculas, todas exacta- mente con el mismo tamaño, masa y forma. Están en la misma posición relativa unas de otras, pero aún así, pueden vibrar. Esta velocidad de vibración dependerá proporcionalmente de la temperatura, a mayor temperatura, mayor vibración, y viceversa. Las moléculas se atraen fuertemente entre sí y es necesaria mucha fuerza para poder separarlas. Son propiedades características de un sólido su rigidez, su dureza y su resistencia.

• Líquido: es cualquier fluido cuyo volumen se mantiene constante en condiciones de temperatura y presión también constantes. Su forma está definida por su contenedor. Un líquido ejerce presión en el contenedor con igual magnitud hacia todos los lados. Las moléculas se atraen entre sí con una fuerza menor que en los sólidos. El número de partículas por unidad de volumen es muy alto, por ello son muy frecuentes las colisiones y fricciones entre ellas. Así se explica que los líquidos no tengan forma fija y adopten la forma del recipiente que los contiene.

• Gas: es un fluido que no tiene forma ni volumen fijo. Las fuerzas que mantienen unidas las partículas son muy pequeñas, así como el número de partículas por unidad de volumen. Las partículas se mueven libremente de forma desordenada, con choques entre ellas y con las paredes del recipiente que lo contiene, de modo que ocupan todo el espacio disponible. Al aumentar la temperatura las partículas se mueven más deprisa y chocan con más energía contra las paredes del recipiente, por lo que aumenta la presión.

El agua a presión atmosférica estándar y temperaturas bajo cero es un sólido (hielo). Entre 0 °C y 100 °C es un líquido (agua), y a partir de 100 °C es un gas (vapor).

La mayoría de las sustancias cambian de estado físico cuando absorben o eliminan calor:

• Absorber calor provoca: • Que los sólidos se conviertan en líquidos: fusión. • Que los sólidos se conviertan gases, sin pasar por líquido: sublimación. • Que los líquidos se conviertan en gases: vaporización.

• Eliminar calor provoca: • Que los gases se conviertan en líquidos: condensación. • Que los líquidos se conviertan en sólidos: solidificación. • Que lo gases se conviertan en sólidos, sin pasar por líquido: sublimación inversa.

Aunque el paso de gas a líquido depende, entre otros factores, de la presión y de la temperatura, generalmente se llama condensación al tránsito que se produce a presiones cercanas a la ambiental. Cuando se usa una sobrepresión elevada para forzar esta transición, el proceso se denomina licuefacción.

Estos cambios de estado se producen con las mismas combinaciones de temperatura y presión para cualquier sustancia dada.

Las temperaturas a las que se producen estos cambios tienen un nombre concreto y se

denominan:

• Temperatura de fusión. Es la temperatura a la que un sólido cambia al estado líquido. También se llama punto de fusión.

• Temperatura de ebullición. Es la temperatura a la que un líquido cambia al estado vapor. También se llama punto de ebullición, temperatura de vaporización o de saturación.

• Temperatura de condensación. Es la temperatura a la que un vapor cambia al estado líquido. También se llama temperatura de saturación.

• T e m p e r a t u r a d e s o l i di f i c a c i ó n. E s l a t e m pe r a t u r a a l a q u e u n l í q u i d o c a m b i a a e s t a d o s ó l i do .

El diagrama de saturación o de vaporización

La temperatura de saturación de las sustancias varía de unas a otras, y a su vez en función de la presión.

El agua no siempre hierve a 100 °C. Ésta es la temperatura de saturación a nivel del mar, es decir, a la presión atmosférica. Al disminuir la presión disminuye la temperatura de saturación o de vaporización.

Para mostrar la información relativa a presiones y temperaturas se utiliza el diagrama de saturación de cada sustancia. A modo de ejemplo, en la figura siguiente se muestra el correspondiente al refrigerante R-22.

Estos diagramas permiten obtener mucha información • Conocer el estado físico de una sustancia. Supón unos valores concretos de temperatura y presión: • Si la intersección de las líneas de temperatura y presión está a la izquierda de la curva de saturación, se dice que la sustancia está subenfriada (punto 1 en el diagrama).

• Si la intersección está a la derecha, la sustancia está sobrecalentada (punto 2). • Si la intersección está exactamente sobre la curva, se dice que la sustancia está saturada (punto 3).

• Obtener la temperatura de saturación correspondiente a una presión concreta. Esta temperatura es la correspondiente al punto donde se cruzan la línea de presión y la curva de saturación.

• Obtener la presión de saturación a una temperatura concreta. Esta presión es la correspondiente al punto donde se cruzan la línea de temperatura y la curva de saturación.

La presión a la que, para cada temperatura dada, las fases líquida y vapor se encuentran en equilibrio se denomina presión de vapor o más comúnmente presión de saturación. Su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambos. En el diagrama de saturación es la presión correspondiente a cada punto de la curva (por ejemplo el punto 3 en la figura).

En función de la presión y temperatura de una sustancia, ésta tiene su punto representativo en el diagrama. Su posición respecto a la línea de saturación indica su estado, que puede ser alguno de los siguientes:

• Líquido saturado. Surge cuando se aplica calor adicional a un líquido, provocando la vaporización de una parte de él. El punto representativo se encontrará sobre la curva de saturación.

• Vapor s a t u r a d o. Se forma cuando la temperatura de un va por disminuye a la temperatura de saturación. El enfriamiento del vapor provoca la condensación de una parte de él. El punto representativo se encuentra también sobre la curva de saturación.

• Vapor sobrecalentado. Se obtiene cuando la temperatura de un vapor aumenta por encima de la temperatura de saturación. Para sobrecalentar un vapor, es necesario separar el vapor del líquido, estará saturado. El punto correspondiente en el diagrama de saturación estaría situado por debajo de la curva (punto 2).

• Líquido subenfriado. Aparece si tras la condensación se enfría un líquido de modo que la temperatura baja por debajo de la temperatura de saturación. En el diagrama estaríamos situados por encima de la curva (punto 1).

Tipos de calor

El calor que recibe o que cede un cuerpo puede dar lugar a un cambio de temperatura o a un cambio de estado. La energía térmica relacionada con cada uno de estos fenómenos tiene un nombre específico, y así hablamos de calor latente y calor sensible. A continuación se explica cómo se define y se calcula cada uno de ellos.

o Calor latente

Cuando un cuerpo absorbe calor bajo ésta forma (o se le suministra) su temperatura permanece constante produciéndose un cambio de estado físico.

Así, por ejemplo, mientras el agua está hirviendo la temperatura permanece constante (100 °C a nivel del mar) mientras exista una mezcla de líquido y agua que se vaporiza.

Latente en latín quiere decir escondido. El calor latente se llama así porque no se manifiesta explícitamente, la temperatura no varía durante el cambio de estado.

El calor latente necesario para provocar un cambio de estado varía con cada sustancia.

A. ¿Cómo se calcula el calor necesario para lograr un cambio de estado? La cantidad de calor que se debe añadir o eliminar de una masa de material dada para provocar su cambio de estado se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

QL = m⋅ L,

s i e n d o: QL = cantidad de calor absorbida o eliminada por la materia.

m = masa de la sustancia. L = calor latente de la sustancia.

El calor latente depende de la transformación que se vaya a producir en la materia de la que este formado el cuerpo. Así podemos hablar de: • Calor latente de solidificación: cantidad de calor que se debe extraer a 1 kg de un cuerpo para hacerlo pasar del estado líquido al estado sólido sin reducir su temperatura.

• Calor latente de fusión: cantidad de calor que se debe suministrar a 1 kg de un cuerpo para hacerlo pasar del estado sólido al estado líquido sin aumentar su temperatura.

• Calor latente de vaporización: cantidad de calor que se debe suministrar a 1 kg de un cuerpo para hacerlo pasar del estado líquido al estado gaseoso sin aumentar su temperatura.

o Calor sensible

Se llama sensible al calor evidente al tacto, el que sentimos y medimos con un termómetro. Este calor provoca, tanto si se añade como si se retira, un cambio en la temperatura de la sustancia. En este caso no existe cambio de estado de la sustancia. La cantidad de calor intercambiada depende de la variación de temperatura y del calor específico del c ue r p o.

Se define el calor específico de un cuerpo como la cantidad de calor que debe suministrarse a un cuerpo para elevar 1 °C su temperatura, sin modificar su estado físico. Sus unidades son J/kg K en el Sistema Internacional, aunque es muy frecuente emplear la cal/g °C.

El calor específico del agua es 1 cal/g °C, es decir, hay que suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado. Cada sustancia tiene su propio calor específico.

A. ¿Cómo calcular el calor necesario para lograr un aumento determinado de temperatura en una sustancia?

Para calcular la cantidad de calor que se debe añadir o eliminar para provocar un cambio específico en la temperatura de una materia, se utiliza la siguiente fórmula:

QS = m⋅ c⋅ (t2-t1),

s i e ndo:

QS = cantidad de calor ya sea absorbida o eliminada por la sustancia.

m= masa de la sustancia. c = calor específico de la sustancia. t2 = temperatura final. t1 = temperatura inicial.

Para el caso de los alimentos existen tablas donde aparecen los datos necesarios para calcular la cantidad de calor que es necesario extraer de los mismos para modificar su temperatura y/o lograr un cambio de estado.

En el Anexo I a este tema se facilita una de estas tablas.