PROCESOS TERMODINÁMICOS - TRANSMISIÓN DE CALOR

PROCESOS TERMODINAMICOS

En física, se denomina proceso termodinámico a la evolución de determinadas magnitudes (o propiedades) propiamente termodinámicas relativas a un determinado sistema termodinámico. Desde el punto de vista de la termodinámica, estas transformaciones deben transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a otro final; es decir, que las magnitudes que sufren una variación al pasar de un estado a otro deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial y final. De esta forma los procesos termodinámicos pueden ser interpretados como el resultado de la interacción de un sistema con otro tras ser eliminada alguna ligadura entre ellos, de forma que finalmente los sistemas se encuentren en equilibrio (mecánico, térmico y/o material) entre sí.

De una manera menos abstracta, un proceso termodinámico puede ser visto como los cambios de un sistema, desde unas condiciones iniciales hasta otras condiciones finales, debido a su desestabilización.

Tipos de procesos termodinámicos:

Procesos Iso

Son los procesos cuyas magnitudes permanecen "constantes", es decir que el sistema cambia manteniendo cierta proporcionalidad en su transformación. Se les asigna el prefijoiso-.

Ejemplo:

Isotérmico: proceso a temperatura constante

Isobárico: proceso a presión constante

Isométrico o isocórico: proceso a volumen constante

Isoentálpico: proceso a entalpía constante

Isoentrópico: proceso a entropía constante

Procesos politrópicos:

Los procesos politrópicos son aquellos procesos termodinámicos para gases ideales que cumplen con la ecuación: {\displaystyle PV^{a}={\text{cte.}}} donde {\displaystyle a} es un número dado. Para el caso de procesos adiabáticos, {\displaystyle a} es igual a {\displaystyle k}, el cual es un valor específico para cada sustancia. Este valor se puede encontrar en tablas para dicho caso.

TRANSMISION DE CALOR

La transferencia de calor es el proceso de propagación del calor en distintos medios. La parte de la física que estudia estos procesos se llama a su vez Transferencia de calor o Transmisión de calor. La transferencia de calor se produce siempre que existe un gradiente térmico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se ponen en contacto. El proceso persiste hasta alcanzar el equilibrio térmico, es decir, hasta que se igualan las temperaturas. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos o regiones lo suficientemente próximas, la transferencia de calor no puede ser detenida, solo puede hacerse más lenta.

TRANSFERENCIA DE CALOR Y TERMODINÁMICA

La termodinámica es la ciencia que estudia la relación entre el calor y otras formas de energía. El calor es energía en tránsito. Siempre que existe un gradiente de temperatura en un sistema o se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura, se transfiere energía entre ellos. Sabemos de esta transferencia, no porque la veamos, sino por los cambios que se producen en el o los sistemas. La Termodinámica, basándose en los estados de cada sistema desde un punto de vista macroscópico, es decir, en función de atributos tales como la presión, la temperatura y el volumen, que se pueden medir, determina si ha habido cambios en la energía interna de los mismos. En cumplimiento del Primer principio y descartada la interacción de trabajo con el exterior, la variación de energía interna solo puede ser debida a calor, es decir, a transferencia de energía de un sistema al otro.

Pero los parámetros macroscópicos solo se pueden medir, o tiene valor su medida, si es homogénea en todo el sistema, lo que solo ocurre si están en equilibrio. La termodinámica, por tanto, se ocupa de los estados de equilibrio y en función de sus diferencias determina la cantidad de energía transferida de un estado al otro, pero sin considerar el mecanismo de flujo de calor ni la velocidad a la que se ha realizado la transferencia. En un análisis termodinámico se sabe la cantidad de energía necesaria para pasar de un estado al otro, pero no se conoce cuánto tiempo ha requerido la transferencia, porque el tiempo no se incluye como variable en el análisis.1 Esto es objetivo de otra rama de la ciencia que se conoce como Transferencia de calor.

La Transferencia de calor como ciencia, tiene como objetivo calcular: La velocidad de transferencia de calor para una diferencia de temperatura específica, y no es una misión baladí, ya que casi cualquier rama de la ingeniería encuentra problemas de transferencia de calor que no podrían ser resueltos con, únicamente, el razonamiento termodinámico.

MODOS DE TRANSFERENCIA

En general, se reconocen tres modos distintos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación, aunque en rigor, solo la conducción y radiación debieran considerarse formas de transmisión de calor, porque solo ellas dependen exclusivamente de un desequilibrio térmico para producirse. Para que se produzca convección, tiene que haber un transporte mecánico de masa además de una diferencia de temperatura, sin embargo, teniendo en cuenta que la convección también transfiere energía de zonas con mayor temperatura a zonas con menor temperatura, normalmente se admite el modo transferencia de calor por convección.

·         Conducción: Es la transferencia de calor que se produce a través de un medio material por contacto directo entre sus partículas, cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus micropartículas. El medio puede ser sólido, líquido o gaseoso, aunque en líquidos y gases solo se da la conducción pura si se excluye la posibilidad de convección. La cantidad de calor que se transfiere por conducción, viene dada por la ley de Fourier. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo.

·         Convección: La transmisión de calor por convección se compone de dos mecanismos simultáneos. El primero es la transferencia de calor por conducción debida al movimiento molecular, a la que se superpone la transferencia de energía por el movimiento de fracciones del fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa, que puede ser un gradiente de densidad (convección natural), o una diferencia de presión producida mecánicamente (convección forzada) o una combinación de ambas. La cantidad de calor transferido por convección, se rige por la ley de enfriamiento de Newton

·         Radiación: se puede atribuir a cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivas. En ausencia de un medio, existe una transferencia neta de calor por radiación entre dos superficies a diferentes temperaturas, debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energía en forma de ondas electromagnéticas.2 El calor emitido por una superficie en la unidad de tiempo, viene dado por la ley de Stefan-Boltzmann.