Page 423 - Física Tippens: Conceptos y Aplicaciones, Séptima Edición Revisada

404 Capítulo 20 Termodinámica
Objetivos

Cuando termine de estudiar este capítulo el alumno:

1. Demostrará mediante definiciones y ejemplos que ha comprendido la primera
y la segunda ley de la termodinámica.
2. Definirá y ofrecerá ejemplos ilustrados de procesos adiabáticos, isocóricos,
isobáricos e isotérmicos.
3. Escribirá y aplicará una relación para determinar la eficiencia ideal de una má­
quina térmica.
4. Definirá el coeficiente de rendimiento para un refrigerador y resolverá proble­
mas de refrigeración similares a los expuestos en el texto.

La termodinámica se ocupa de la transformación de la energía térmica en energía mecáni­
ca y del proceso inverso, la conversión de trabajo en calor. Puesto que casi toda la energía
disponible de las materias primas se libera en forma de calor, es fácil comprender por qué la
termodinámica desempeña un papel tan importante en la ciencia y en la tecnología.
En este capítulo estudiaremos dos leyes fundamentales que deben cumplirse en todos los
casos en que la energía térmica se utiliza para realizar trabajo. La primera es simplemente
otra forma de postular el principio de la conservación de la energía. La segunda ley impone
restricciones en tomo al empleo eficiente de la energía disponible.

Calor y trabajo

La equivalencia de calor y trabajo como dos formas de energía ha quedado establecida con
toda claridad. Rumford destruyó la teoría del calórico al demostrar que es posible extraer
calor de un sistema por tiempo indefinido, siempre que se le suministre trabajo externo al
sistema. Joule dijo la última palabra cuando demostró la equivalencia mecánica del calor.
El trabajo, lo mismo que el calor, supone la transferencia de energía, pero existe una di­
ferencia importante entre estos dos términos. En mecánica definimos el trabajo como una
cantidad escalar, igual en magnitud al producto de una fuerza por un desplazamiento. La tem­
peratura no interviene en esta definición. El calor, por otra parte, es energía que fluye de un
cuerpo a otro a causa de la diferencia de temperatura. Una condición indispensable para que se
transfiera calor es que exista una diferencia de temperatura. El desplazamiento es la condición
necesaria para que se realice un trabajo.
Lo relevante en este análisis es reconocer que tanto el calor como el trabajo representan
cambios que ocurren en un proceso. Generalmente estos cambios van acompañados de una
variación en la energía interna. Considere las dos situaciones que se ilustran en la figura 20.1.
En la figura 20.1a la energía interna del agua aumenta debido a que se efectúa trabajo mecá­
nico. En la figura 20.1b la energía interna del agua aumenta debido a un flujo de calor.

(a) (b)
Figura 20.1 Aumento de la energía interna de un sistema (a) realizando trabajo y (b) suministrando calor
al sistema.