Interacción de la Energía (Interiores) - Guía de Estudio - PDF

Resultado de aprendizaje 1.1 Identifica los tipos de sistemas y sus propiedades de acuerdo con los cambios de energía. Nuestro entorno La termodinámica es la rama de la física encargada...

Resultado de aprendizaje 1.1 Identifica los tipos de sistemas y sus propiedades de acuerdo con los cambios de energía. Nuestro entorno La termodinámica es la rama de la física encargada del estudio de la interacción entre el calor y otras manifestaciones de energía. Ofrece un aparato for- Enganchar mal aplicable únicamente a estados de equilibrio. Todo sistema tiende a evolucionar y se caracteri- za porque en él, todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores esenciales y no por influencias externas previamente aplicadas. Es- tos estados terminales de equilibrio son indepen- dientes del tiempo, y todo el aparato formal de la termodinámica, todas las leyes y variables termodi- námicas, se definen de tal modo que podría decirse que un sistema está en equilibrio si sus propiedades Gasto de energía pueden describirse consistentemente empleando Ingreso de energía las leyes de la termodinámica. Si no te mueves, esa energía se almacena. Engordas. El cuerpo humano puede ser considerado como un sistema termodinámico abierto, que debe mante- ner su temperatura constante de 37 °C, a pesar de encontrarse en un entorno de temperatura por lo general inferior. Por otra parte, está continuamente Calorías consumidas intercambiando material y energía con su entorno en la comida (metabolismo), consumiendo energía para desa- rrollar los trabajos internos y externos del cuerpo, y para fabricar moléculas estables (anabolismo). Para todo ello necesita alimentarse ingiriendo moléculas que le aporten energía libre (nutrición) y, a partir de determinadas reacciones de combustión, dan lugar a productos de menor energía (catabolismo). Es un sistema termodinámico inestable lo que provoca la evolución permanente del organismo vivo. Para que pueda mantenerse en dicho estado, es necesario que elimine el exceso de entropía (grado de desorden mo- lecular de un sistema) que se produce continuamente, inherente a los procesos vitales, como circulación de la sangre, respiración, etcétera. Fuente: Salud, Nutrición y Deporte. (11 de febrero del 2012). Termodinámica. https://dieteticaynutricionweb.wordpress.com/2017/02/11/termodinamica/ ¿Será que la termodinámica sólo se aplica al cuerpo humano?, ¿cómo se llama la energía que se requiere para que el cuerpo realice sus actividades diarias? ¿Cómo la termodinámica explica la energía que nos rodea?, ¿de dónde proviene la energía que mueve al mundo y que permite que exista la vida? Unidad 1: Identificación de los sistemas de acuerdo con la conservación de la energía 13 Progresión 11: Sistemas termodinámicos Recuperemos lo que sabemos Subraya la opción que consideres correcta. a) Comprendiendo lo que es un sistema termodinámico, ¿cuál de ellos no se puede lograr en la Tierra? Explorar Sistema abierto Sistema aislado Sistema cerrado b ) El trabajo está íntimamente ligado al… esfuerzo y el tiempo movimiento y el tiempo movimiento y la distancia c) ¿Todas las formas de energía pueden transformarse unas a la otras? Sí Sólo algunas No, ninguna d ) Entendiendo la conservación de la energía, deduce qué tipo de sistema es el Universo. Abierto Cerrado Aislado e) ¿Cuál es el significado de que no haya variación de temperatura del sistema? No hay variación de energía No hay calor entregado No se realiza trabajo interna Lo que necesitamos saber La termodinámica nació de la observación de los motores de vapor cuando éstos producían calor y no eran del todo eficientes. En el siglo xix los científicos pronunciaron tres leyes de la termodinámica, que describen la Explicar compleja relación entre el trabajo y la energía; otros estudiosos en el siglo xx añadieron una cuarta ley. La ter- modinámica tiene muchas aplicaciones, desde la cosmología a la ingeniería, y es fundamental para el estudio de la física. Cuando James Watt diseñó la máquina de vapor en el año de 1760, impulsó el uso generalizado de esta tec- nología y dio inicio a la era industrial de Occidente. Científicos de la época no comprendían por qué el motor de vapor no era la máquina perfecta, ni entendían por qué el calor era un subproducto del funcionamiento de este tipo de motor. 14 Interacción de la energía y dinámica en los ecosistemas Fue hasta que Sadi Carnot, Rudolf Clausius y William Thomson (lord Kelvin) trataban de explicar los principios de la termodiná- mica que resolvieron estas interrogantes con relación a la energía y el trabajo a través de una serie de leyes. En la década de 1820, Carnot explicó lo que ahora se conoce como la primera ley de la termodinámica. Esta ley, también conocida como la ley de la conservación de la energía, sostiene que los estados de energía no pueden ser destruidos ni creados, pero tiene la capacidad de transformarse entre diferentes formas de energía. La implicación es que la cantidad total de energía en el Universo permanece constante en todo momento. Transferencia de calor Transferencia de calor Sin transferencia de calor Transferencia de masa Sin transferencia de masa Sin transferencia de masa Abierto Cerrado Aislado Fig. 1.1. La primera ley de la termodinámica se expresa matemáticamente a través de un cambio de entropía, que está vinculado con el calor y el trabajo en un sistema, ya sea éste abierto o cerrado. Clausius y Thomson concibieron lo que se conoce como la segunda ley de la termodiná- mica en el año de 1850. Thomson señaló que el calor, una forma de energía, no puede transfor- marse completamente en trabajo sin experimentar pérdida de energía. Por otro lado, Clausius observó que el calor no puede fluir de un objeto frío a otro caliente sin intervención externa. Estos dos conceptos, cuando se combinan, expresan la noción de entropía, que sostiene que la energía tiende a dispersarse a menos que exista algún medio para evitarlo. Glosario Horizonte + James Maxwell sumó otra ley en 1870, conocida como la ley del zeroth, ya que lógicamente debe- La primera ley de la termodinámica afecta el ría ser considerada antes que las demás. Dicha ley describe el estado de equilibrio que debe trabajo y el calor transferido existir entre dos objetos con diferentes temperaturas al entrar en contacto. Posteriormente, intercambiado en un sistema, Walther Nernst contribuyó al estudio de la termodinámica en la vuelta del siglo xx, con la for- por medio de una variable termodinámica nueva: la mulación de la tercera ley, que expresa la naturaleza del cero absoluto, revelando que a 0 energía interna. Esta energía no Kelvin (cero absoluto) no existe entropía. se crea ni se destruye, sólo se transforma. La termodinámica tiene aplicaciones en muchos campos que se han desarrollado a lo largo del siglo xx. La suma del trabajo de Clausius con el de otros condujo a la termodinámica esta- dística, que estudia las matemáticas relacionadas con un gran número de partículas existentes en un sistema cerrado. Unidad 1: Identificación de los sistemas de acuerdo con la conservación de la energía 15  Presión = K Volumen = K     Masa = K Temperatura = K Equilibrio térmico = K (constante) Fig. 1.2. La segunda ley de termodinámica expresa que los sistemas alcanzan un equilibrio térmico en algún momento. La disciplina encargada de estudiar las transformaciones de la energía, ya sea reversible o irreversible, en forma de calor y trabajo de los sistemas macroscópicos se denomina termodinámica. Esta ciencia se subdivide en diversas ramas: la geotermodinámica se enfoca en la termodinámica a altas presiones; la biotermodinámica se relaciona con los organismos y sus ecosistemas; la termodinámica química analiza cómo la composición de una sustancia puede afectar sus propiedades, y la ingeniería termodinámica se enfoca en aplicar los principios termodinámicos en la construcción de motores o centrales. Para introducirnos en este tema debemos tomar en cuenta la siguiente serie de cuestio- namientos: ¿qué es un sistema macroscópico?, ¿qué es la energía?, ¿qué es el calor?, ¿qué es la irreversibilidad?, ¿el trabajo y calor significan lo mismo? Glosario Horizonte + La termodinámica se originó durante el siglo xix y es consecuencia de la Revolución Industrial. Es un conjunto de leyes y conceptos que tienen una aplicación universal en la La segunda ley de la termodinámica, también descripción del comportamiento de los sistemas macroscópicos. llamada ley de la entropía, establece que ésta en el Ahora entendemos que el origen de estas leyes y sus regularidades se deben al hecho de universo tiende a aumentar con el tiempo. En otras que la materia está constituida por átomos y moléculas. Por un lado, reconocemos que palabras, la medida del la relevancia de la termodinámica surge de las leyes de la mecánica cuántica y/o clásica desorden en los sistemas que rigen la dinámica de los átomos y las moléculas. Por otro lado, comprendemos que tiende a incrementarse hasta llegar a un punto de equilibrio, su estudio se basa en el hecho de que la materia comúnmente se muestra en agrega- que representa el estado de dos que consisten en un gran número de átomos. Por ejemplo, en un vaso con 250 mL mayor desorden del sistema. de agua, hay aproximadamente 1023 moléculas de agua. 16 Interacción de la energía y dinámica en los ecosistemas  Disminución de la temperatura Mayor disminución de la 0 K o -273.15 °C temperatura Disminución de la Mayor disminución de la Energía cinética cero energía cinética energía cinética Fig. 1.3. La tercera ley de la termodinámica establece que a la temperatura conocida como el cero absoluto, 0 K o -273.15 °C, la entropía alcanza un valor mínimo constante. Sistemas macroscópicos Un cuerpo macroscópico está constituido por un número enorme de átomos y moléculas. La Escuela hoy imprecisión del concepto radica en especificar cuántos átomos y moléculas se necesitan para Como conmemoración del considerar a un cuerpo como macroscópico. Así, todo lo que llamamos gases, sólidos y líqui- esfuerzo internacional por res- dos, como el aire, una cinta métrica, el agua, una resistencia eléctrica, un árbol, y prácticamente taurar del daño que sustancias todo lo perceptible por nuestros sentidos, constituye sistemas macroscópicos. Se emplea el químicas hicieron a la capa de ozono, el 16 de septiembre se número de Avogadro, N ≈ 6.022 × 1023, también llamado un mol, como una medida típica de conmemora el Día Internacional átomos en un cuerpo macroscópico. Sin embargo, sistemas tan “pequeños” con sólo 106 átomos de la Preservación de la Capa o moléculas muestran ya las regularidades de un mol de la misma sustancia. Recordemos que de Ozono. el mol se define como la cantidad de sustancia en el Sistema Internacional de Unidades para cualquier tipo de material existente en el Universo. Sistemas y estados de los sistemas Glosario Horizonte + Desde el punto de vista de la mecánica clásica, al sistema lo componen las partículas presentes, sus masas y las fuerzas que actúan sobre y entre ellas. El estado de este sistema, y de cualquier La tercera ley de la sistema clásico, está proporcionado por el valor de todas las perspectivas y todos los momen- termodinámica dice que la tos de las partículas en un instante o tiempo dado. La relevancia del estado en un instante entropía de un sistema que dado radica en que, al conocerlo, obtenemos información completa sobre el sistema en ese sea llevado al cero absoluto, será una constante definida. momento específico. No obstante, al considerar que un cuerpo macroscópico consta de apro- Dicho en otras palabras, ximadamente 1023 moléculas, es evidente la dificultad de calcular y especificar tal número de al llegar al cero absoluto variables. La experiencia nos enseña que, para los sistemas macroscópicos, sólo necesitamos (cero en unidades Kelvin), los procesos de los sistemas algunas variables termodinámicas para describir su estado. Estas variables, como la tempera- físicos se detienen. Además, tura, presión y entropía, son relevantes únicamente cuando se trata de cuerpos a una escala a esta misma temperatura, la entropía tiene un valor mínimo macroscópica. Es crucial señalar que, al no conocer todas las variables, tampoco tendremos la constante. capacidad de comprender completamente el sistema. Unidad 1: Identificación de los sistemas de acuerdo con la conservación de la energía 17 La cuestión entonces es ¿qué queremos detallar del compor- tamiento de un sistema macroscópico? Partamos del ejemplo de una cierta cantidad de agua en un recipiente: si la dejamos sin alterar, el agua adquiere la temperatura del ambiente; si la colocamos al fuego se calienta, se puede evaporar y puede Compresor utilizarse para calentar otros objetos. Con el vapor del agua podemos producir presión y mover algún mecanismo, como un pistón, y realizar algún trabajo. Si introducimos el agua a un refrigerador se puede congelar y puede, a su vez, emplearse para enfriar otros objetos; si le agregamos ciertas sustancias químicas, como fósforo (P), nitrógeno (N), oxígeno (O), car- bono (C), hidrógeno (H), entre otras, y lo dejamos bajo cierta Evaporador Condensador temperatura por un lapso prolongado, podremos encontrar moléculas simples de compuestos orgánicos. De esta manera podemos imaginar una gran cantidad de posibilidades y trans- Válvula de expansión formaciones no sólo con el agua sino con cualquier otra sus- tancia; la clave es responder algunas interrogantes: ¿Cómo ocurren tales transformaciones? Fig. 1.4. El ciclo de refrigeración es un sistema termodinámico. ¿Por qué ocurren? ¿Qué transformaciones son posibles y cuáles no? De un modo general, la termodinámica intenta describir las transformaciones de los sistemas macroscópicos. Esto resulta difícil para una transformación aleatoria; sin embargo, la descripción de una transformación será sencilla si ésta tiene lugar entre estados de equilibrio termodinámico. Esto significa que el estado inicial y el estado final del sistema, son estados de equilibrio termodinámico. Es un hecho empírico que, si dejamos de perturbar de manera externa a un sistema y esperamos un tiempo sufi- ciente y largo, sus variables macroscópicas dejarán de variar en el tiempo. Por ejemplo, cuando dejamos un vaso con agua caliente al exterior, éste se enfría hasta que adquiere la temperatura del ambiente; si agregamos una gota de tinta dentro del agua se diluye hasta que se obtiene una mezcla uniforme (figura 1.5). Video El termo: un sistema aislado Fig. 1.5. Una gota de tinta en una copa con agua es un ejemplo simple de sistema termodinámico. 18 Interacción de la energía y dinámica en los ecosistemas Consideremos entonces que un estado de equilibrio de un sistema macroscópico es aquel en que sus propiedades o variables no varían en el tiempo, siempre y cuando las condiciones externas permanezcan constantes. De manera alternativa podemos decir que en el equilibrio termodinámico todos los flujos, ya sean de materia, calor, eléctricos, etc., son cero. Es impor- tante marcar que no siempre es evidente establecer si un sistema está en un estado de equilibrio termodinámico o no. Cuando un sistema se encuentra en este estado, está en un proceso irreversible. La termodinámica, especialmente la segunda ley, se fundamenta en la observación de que los cuerpos macroscópicos muestran el fenómeno de la irreversibilidad, a diferencia de las teorías fundamentales, como la mecánica cuántica o clásica, que establecen que todos los procesos pueden ser reversibles. De una forma más precisa, la termodinámica es el estudio de las transformaciones de los sistemas macroscópicos entre estados iniciales y finales de equilibrio, aunque los estados intermedios de la transformación pueden o no ser de equilibrio. Esos procesos son llamados fenómenos de transporte y son estudiados por la hidrodinámica, la electrodinámica y otras disciplinas que consi- deran la dinámica del sistema de manera explícita; sin embargo, todas estas disciplinas utilizan como base a la termodinámica. Tipos de paredes termodinámicas Se considera un sistema termodinámico a una parte de un todo que se separa por medio de límites o fronteras, en la cual se enfoca el estudio. A lo que no forma parte del sistema se le denomina alrededores. Si el sistema está contenido en un reci- piente, interactúa con los alrededores según la naturaleza de las paredes del recipiente. Estas paredes pueden ser adiabá- ticas, que no permiten el intercambio de calor entre el sistema y los alrededores (por ejemplo, el asbesto), o diatérmicas, que sí permiten dicho intercambio. Además, de acuerdo con la naturaleza de las paredes, un sistema puede ser cerrado, sin intercambio de materia con los alrededores del sistema; abierto, permitiendo el intercambio de materia y energía (como en el caso de los seres humanos), o aislado, sin intercambio de ningún tipo. En todas las reacciones químicas existe un intercam- bio de calor, ya sea liberando o absorbiendo energía. Este proceso se llama entalpía, una propiedad extensiva que depende de la cantidad de materia. Pared permeable Pared diatérmica Pared adiabática Permite el intercambio de Permite el intercambio de No permite el intercambio de calor y de materia energía, más no de materia energía ni de materia Alrededores Alrededores Alrededores Fig. 1.6. Diferentes tipos de paredes. Unidad 1: Identificación de los sistemas de acuerdo con la conservación de la energía 19  Formación en acción 1. Investiga en fuentes confiables dos ejemplos de sistemas adiabáticos, diatérmicos, cerrados, abiertos y aislados. Luego, completa el cuadro. Elaborar Sistema Ejemplo 1 Ejemplo 2 Argumento Adiabático Diatérmico Cerrado Abierto Aislado 2. Realiza esta actividad cuyo propósito es que identifiques las características y el tipo de paredes en un sistema termodinámico. a) Junto con un compañero, consigan los siguientes materiales: tres vasos térmicos de 250 mL con tapa, (pueden ser de unicel), agua del grifo, un termómetro ambiental, un generador de calor, (puede ser una vela, veladora, alcohol en gel, etc.), cerillos y cubos de hielo. b ) Preparen tres recipientes y escriban en cada uno el número que corresponde: (1) un vaso de unicel, (2) un vaso de unicel dentro de otro que esté vacío, y (3) un vaso de unicel dentro de otro que contenga agua. c) Con el termómetro, registren la temperatura del ambiente y la del agua. d ) Tomen el recipiente 1 y añadan 50 mL de agua hirviendo. Tápenlo e introduzcan el termómetro. Registren la tempe- ratura cada minuto durante 10 minutos y cada dos minutos durante los siguientes 10 minutos. e) Repitan el mismo procedimiento con los recipientes 2 y 3. f) Cambien el agua del recipiente 3 y sequen todos los recipientes por dentro y por fuera. g ) Repitan los experimentos con agua a 0 °C. h ) Contesten lo siguiente en su cuaderno. i) Elaboren un reporte de práctica con todo lo que realizaron, los resultados obtenidos y las conclusiones a las que llegaron. Súbanlo al portafolio de evidencias virtual. 20 Interacción de la energía y dinámica en los ecosistemas 3. Con lo que has aprendido en esta progresión, resuelve el siguiente crucigrama. Verticales 1. Ley de la termodinámica en que los procesos espon- 1 táneos se caracterizan por el desorden. 3. Ley de la termodinámica que indica que la energía 3 2 permanece constante, aunque se presente en formas diversas. 4 4. Es la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar a 1 g de agua 1 °C de temperatura. 6. Se refiere a las variaciones de contenido calórico de 6 un sistema. 5 10. Reacción que libera calor indicando que los reactivos tienen más energía que los productos. 7 13. Ciencia que estudia la relación del calor con otras formas de energía. 8 10 9 11 Glosario Elige vivir La nomofobia es la sensación que presentan las personas que son adictas al celular, quienes al no tenerlo sienten temor y viven epi- sodios de ansiedad. Por tanto, el uso 13 excesivo del celular no es sano y, si 12 no es tratado a tiempo, puede llegar a desencadenar en una patología conductual. Horizontales 2. Es la medida de aleatoriedad de un sistema. 5. Ley de la termodinámica que señala que la entropía es nula en el cero absoluto. 7. En este tipo de sistema existe intercambio de materia y energía hasta alcanzar el equilibrio. 8. Unidad utilizada para medir energía, trabajo y calor. 9. Capacidad para realizar un trabajo mecánico, eléctrico, etcétera. 11. Fuerza que se emplea para realizar un desplazamiento. 12. Reacción que absorbe calor; la entalpía es mayor que cero. Unidad 1: Identificación de los sistemas de acuerdo con la conservación de la energía 21 Progresión 12: Primera ley de la termodinámica Recuperemos lo que sabemos 1. Completa el siguiente esquema de acuerdo con los conceptos básicos de la termodinámica. Explorar Abierto Sólo puede intercambiar energía con sus alre- dedores, no materia. Si ponemos una tapa muy bien ajustada sobre una olla, se aproximaría a Los tipos un sistema cerrado. de sistemas termodínámicos pueden ser: No puede intercambiar ni materia ni ener- gía con su entorno. Un ejemplo aproximado de un sistema aislado es un calorímetro o un termo con una bebida caliente, cerrado herméticamente. Primera ley Cada transferencia de energía que se produce aumentará la entropía del Universo y redu- La leyes de la cirá la cantidad de energía utilizable dispo- termodinámica nible para realizar trabajo (o en el caso más son: extremo, la entropía total se mantendrá igual). 22 Interacción de la energía y dinámica en los ecosistemas Lo que necesitamos saber La termodinámica es una de las ramas de la física que tiene por objeto estudiar las transformaciones del calor en trabajo, y viceversa. Su estudio comenzó en el siglo xviii y los principios de ésta se centran en los fenómenos Explicar comprobados experimentalmente. ¿A cuál tipo de sistema pertenecen los distintos materiales en el Universo: abierto o cerrado? Esta es una pre- gunta que las ciencias naturales y experimentales y no las ciencias sociales deben ser capaces de responder. Tú eres un sistema abierto, es decir, intercambias materia y energía con el ambiente que te rodea, por ejemplo, cuando tomas energía química en forma de alimentos y realizas trabajo sobre el entorno al moverte, hablar, caminar y respirar. Los intercambios de energía que ocurren dentro de ti, sin excep- ción, (como todas las diversas reacciones metabólicas) y entre tu cuerpo y el ambiente, pueden ser explicados por las mismas leyes de la física, como intercambios de energía entre cuerpos calientes y fríos (calor ganado y calor perdido) o moléculas de gas o cualquier otro tipo de materia. Durante esta progresión veremos la primera ley física de la termodinámica y su aplicación en la conservación de la mate- ria desde diferentes puntos de vista de las ciencias naturales. Fig. 1.7. Todos los seres vivos son sistemas abiertos que funcionan como Recordemos la importancia de los sistemas termodinámicos una máquina termodinámica. existentes en nuestro universo, tanto en la química como en la biología, la termodinámica describe el estudio de la transferen- cia de energía que se presenta entre moléculas o conjuntos de moléculas. Cuando se habla de termodinámica, el elemento o conjunto particular de elementos que nos interesa (que podría ser algo tan pequeño como una célula o tan grande como un ecosistema) se llama sistema, mientras que todo lo que no está incluido en el sistema que hemos definido se llama alrededores. Veamos un ejemplo sencillo: si calentaras una olla con agua en la estufa, el sistema podría incluir la estufa, el recipiente y el agua. Podemos considerar como los alrededores a todo lo demás: el resto de la cocina, la casa, la colonia o fracciona- miento, el municipio, el estado de la república, el país, el pla- neta, la galaxia y el Universo. La decisión sobre qué es lo que se define como sistema es arbitraria (depende del observador), y según lo que uno quiera estudiar, igual se podría considerar sólo el agua, o toda la casa, como parte del sistema. El sistema y los alrededores en con- junto componen el universo. Fig. 1.8. Una olla es un sistema que se encuentra rodeado de una cocina, casa, zona habitacional. Unidad 1: Identificación de los sistemas de acuerdo con la conservación de la energía 23  Un sistema termodinámico es, en otras palabras, una parte de la materia que se separa del resto del universo mediante un límite o frontera con el objetivo de poder estudiarlo. Las fronteras de un sistema pueden estar edificadas con paredes diatérmicas o con paredes adiabáticas. Una pared diatérmica es aquella que permite la interacción térmica del sistema con los alrededo- res. Por otro lado, las paredes adiabáticas impi- den que exista interacción térmica del sistema con Fig. 1.9. El agua que hierve tiene interacción con el calor procedente de la los alrededores. flama, el metal de la olla, las verduras y el aire. Para entender mejor lo anterior, imagina que para preparar un caldo de verduras colocas agua en una olla y enciendes el fuego de la estufa antes de poner las verduras. Luego esperas a que el agua hierva cerca de los 100 °C; cuando esto sucede, el agua hirviendo interacciona con la flama y el medio circundante debido a que la olla de metal actúa como pared diatérmica. Si, por el contrario, este proceso de cocción lo realizamos en un termo constituido por un recipiente de doble pared y con vacío intermedio, observare- mos que no se calentará porque ahora la pared es adiabática, y no existe la interacción térmica de la flama y el sistema. En la termodinámica hay tres tipos de sistemas: abierto, cerrado y aislado. Puede intercambiar energía y materia con su entorno. El ejemplo Sistema abierto de la estufa sería un sistema abierto, porque se puede perder calor y vapor de agua en el aire. Por el contrario, sólo puede intercambiar energía con sus alrede- Sistema cerrado dores, no materia. Si ponemos una tapa muy bien ajustada sobre Tipos de sistemas la olla del ejemplo anterior, se aproximaría a un sistema cerrado. termodinámicos Es el que no puede intercambiar ni materia ni energía con su entorno. Es difícil encontrarse con un sistema aislado perfecto, pero una taza térmica con tapa es conceptualmente similar a un sistema aislado Sistema aislado verdadero. Los elementos que hay en su interior pueden intercam- biar energía entre sí, lo que explica por qué las bebidas se enfrían y el hielo se derrite un poco, pero intercambian muy poca energía (calor) con el ambiente exterior. Ya se mencionó que todos los organismos pertenecen a un sistema abierto. Tú, como ser vivo, intercambias constantemente energía y materia con el entorno; por ejemplo, cuando te comes una fruta, alzas una bolsa de ropa sucia, o sencillamente exha- las y liberas dióxido de carbono a la atmósfera durante la respiración. En cada caso, estás intercambiando energía y materia en un sistema que te rodea denominado entorno. Estos intercambios de energía respetan las leyes naturales de la física. Primera ley de la termodinámica Con el descubrimiento de James Prescott Joule con relación al equivalente mecánico del calor, se logró demostrar que la ener- gía mecánica se transforma en energía térmica cuando por fricción aumenta la energía interna de un cuerpo u objeto, y que la 24 Interacción de la energía y dinámica en los ecosistemas energía térmica se puede transformar en energía mecánica si un gas encerrado en un cilindro se expande y mueve el émbolo, con esto, ha sido posible establecer de manera clara la ley de la conservación de la energía. Esta ley, aplicada al calor, permite establecer el enunciado de la primera ley de la termodinámica que dice lo siguiente: “La variación en la energía interna de un sistema es igual a la energía transferida a los alrededores o por ellos en forma de calor y de trabajo, por lo que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.” Matemáticamente, la primera ley de la termo- dinámica se expresa de la siguiente forma: ∆U = Q – W ∆U = representa la variación de la energía interna del sistema, expresada en calorías (cal) o joules (J) Q = representa el calor que entra o sale del sistema, medido en calorías (cal) o joules (J) W = es el trabajo efectuado por el sistema o sobre éste, expresado calorías (cal) o joules (J) El valor de Q será positivo cuando entra calor al sistema y, por el contrario, si sale calor del sistema, tendrá un valor negativo. El valor de W es positivo si el sistema realiza tra- Fig. 1.10. La variación de la energía interna bajo y, cuando los alrededores efectúen trabajo sobre el sistema, es negativo. Entonces, del sistema equivale a la diferencia entre el calor absorbido y el trabajo realizado: si un sistema recibe una cierta cantidad de calor Q y realiza un trabajo W sobre los ΔU = QW. alrededores, el cambio en su energía interna será: Q W U En la figura 1.10 se observa un sistema conformado por un gas dentro de un tubo de ensayo que tiene un émbolo. Al adicionarle calor al tubo de ensayo, la energía interna del sistema incrementa; pero, si el gas ejerce una fuerza suficiente sobre el émbolo y lo mueve, se habrá realizado un trabajo del sistema sobre los alrededores, por lo tanto, la variación de la energía interna será igual al calor que haya absorbido, menos el trabajo realizado en la expansión del gas. Al suministrar calor a un sistema formado por un gas encerrado en un tubo hermético, el volumen permanece constante (pro- ceso isocórico), y al no realizar ningún trabajo todo el calor suministrado al sistema incrementará su energía interna: ∆U = Uf – Ui = Q Ejemplo 1. A un sistema formado por un gas en un cilindro con un émbolo se le suministran 200 calorías y realiza un trabajo de 300 joules, ¿cuál es el valor de la variación de la energía interna del sistema expresada también en joules? Datos: Fórmula: ∆U = ? ∆U = Q – W Q = 200 cal Sustituyendo: W = 300 J Se hace la conversión de calorías a joules de Q: ∆U = 840 J – 300 J ∆U = 540 J 42 J Q = 200 cal El calor tiene un valor positivo, pues entra al sistema, y el 1 cal Q = 840 J trabajo también es positivo, ya que lo realiza el sistema. El valor positivo ∆U es indicativo que se incrementó la energía interna del sistema. Unidad 1: Identificación de los sistemas de acuerdo con la conservación de la energía 25 ¿Qué es la entalpía? Una de las manifestaciones de la energía es la endotérmica, Reacción exotérmica Reacción endotérmica que se da cuando la materia sufre modificaciones y absorbe energía, mientras que en la manifestación exotérmica ocurre lo contrario: se libera energía. La entalpía es la cantidad de ener- gía que un sistema termodinámico intercambia con su entorno en circunstancias donde la presión es constante, es decir, la cantidad de energía que el sistema absorbe o libera (endotér- mica o exotérmica) a su alrededor. En las ciencias como la física, la química y la biología esta magnitud se simboliza con la letra H y se mide en joules (J). De acuerdo con el tipo de materia que intervenga en el sistema (por ejemplo, sustancias quími- cas en una reacción) el grado de entalpía será distinto; así, los Energía liberada Energía absorbida distintos tipos de entalpía se clasifican de la siguiente manera: Fig. 1.11. Diferencia entre una reacción exotérmica y una endotérmica. Fenómenos físicos: Entalpía de cambio de fase Implica la absorción o liberación de energía cuando un mol de sustancia pasa de un estado de agregación a otro, es decir, de gas a sólido o a líquido, etc. Se subdivide en: entalpía de vaporización, entalpía de solidificación y entalpía de fusión. Entalpía de disolución Es la energía involucrada en la mezcla de un soluto y un disolvente, comprensible en dos fases: reticular (absorbe energía) y de hidratación (libera energía). Fenómenos químicos: Entalpía de descomposición Es la cantidad de energía absorbida o liberada cuando una sustancia compleja se rompe en sustancias más simples. Este tipo de entalpía se observa en las reacciones de análisis o descomposición. Entalpía de combustión Es la energía liberada o absorbida cuando se quema un mol de una sustancia, siempre en presencia de oxígeno. Esto sucede en las reacciones de combustión. Entalpía de formación Es la cantidad de energía necesaria para formar o sitetizar un mol de un compuesto a partir de sus elementos consti- tutivos en condiciones de presión y temperatura estándares, es decir, una atmósfera y 25 °C. Entalpía de neutralización Implica la energía liberada o absorbida siempre que una disolución ácida y una básica se mezclen, es decir, cuando bases y ácidos se neutralicen recíprocamente. Este tipo de entalpía se observa en las reacciones de neutralización. 26 Interacción de la energía y dinámica en los ecosistemas Ley de Hess Esta ley fue perfeccionada experimentalmente por Germain Henry Hess, quien estableció lo siguiente: “La variación en la entalpía (ΔH) en una reacción química depende sólo de los estados inicial y final de la reacción, indepen- dientemente del número de reacciones”. ¿Cómo es posible obtener el valor de entalpía con apoyo de la ley de Hess, cuando suceden los cambios químicos en la mate- ria? El cambio de entalpía se puede determinar restando la entalpía inicial (antes de la reacción química) de la entalpía final (después de la reacción): Glosario Horizonte + ∆H = Hf − Hi El físico holandés Heike Kamerlingh Onnes, descubridor Donde: de la superconductividad y ganador del Premio Nobel de Física en 1913, fue el primero ∆H = representa la entalpía de formación. en utilizar este término para referirse a la casi total ausencia de resistencia al paso de Hf = es el valor de la entalpía de los productos en una reacción química determinada. la electricidad de ciertas sustancias, como mercurio y plomo, a temperaturas cercanas Hi = es el valor correspondiente a la entalpía de los reactivos en una reacción química determinada. al cero absoluto. Formación en acción En la siguiente tabla se presentan diferentes situaciones; selecciona la respuesta que las complete correctamente y escribe una justificación. Elaborar Situación Respuesta 1 Respuesta 2 Justificación a) Todas las reacciones de combustión endotérmicas exotérmicas son de tipo… b) La llama de color amarilla del gas de completa incompleta cocina indica una combustión… monóxido c) En una reacción de combustión com- dióxido de car- de carbono y pleta los productos son… bono y agua agua d ) Las sustancias sólidas, líquidas o gaseo- sas que se queman en una reacción de comburentes combustibles combustión se denominan… e) El tipo de sistema que no intercambia energía ni materia con su entorno es cerrado aislado el… f) En los fenómenos ______ la entalpía se caracteriza por liberar o absorber físicos químicos energía cuando una sustancia se rompe en otras más simples. Unidad 1: Identificación de los sistemas de acuerdo con la conservación de la energía 27 Progresión 13: Segunda ley de la termodinámica Recuperemos lo que sabemos Subraya la opción correcta. 1. La capacidad calorífica específica es la cantidad de... Explorar a ) calor necesaria para elevar la temperatura de una sustancia 1 °C o 1 K. b ) calor necesaria para elevar la temperatura de 1 g de una sustancia 1 °C o 1 K. c ) calor necesaria para elevar la temperatura de 1 mol de sustancia 1 °C o 1 K. d ) energía térmica transferida a una sustancia. 2. Para un proceso adiabático, el cambio de la energía interna es igual a… a ) el calor. b ) el trabajo. c ) la suma del calor más el trabajo. d ) el cambio de entalpía. 3. ¿Cuál de las siguientes aseveraciones es correcta con relación a la entalpía? a ) Su cambio es igual al calor transferido del entorno al sistema a volumen constante. b ) Su cambio es igual al trabajo efectuado por el sistema sobre el entorno a presión constante. c ) Es una función de la trayectoria del calor. d ) Es una función de estado. 4. En un sistema abierto… a ) no hay transferencia de masa ni de energía con los alrededores. b ) hay transferencia de masa, pero no de energía con los alrededores. c ) hay transferencia de masa y de energía con los alrededores. d ) no hay transferencia de masa, pero sí de energía con los alrededores. 5. Las paredes diatérmicas… a ) permiten la transferencia de energía en forma de calor entre el sistema y los alrededores. b ) permiten transferencia de masa entre el sistema y sus alrededores. c ) no permiten la transferencia de energía en forma de calor entre el sistema y los alrededores. d ) no permiten que el sistema alcance el equilibrio térmico con los alrededores. 28 Interacción de la energía y dinámica en los ecosistemas Lo que necesitamos saber Como recordarás, la primera ley de la termodinámica se refiere a la cantidad total de energía en el Universo, y en especial menciona que ésta no cambia, es decir, que la energía no se puede crear ni destruir, sólo puede cambiarse o transferirse de un objeto a otro. Explicar Esta ley puede parecer algo compleja, pero si observamos algunos ejemplos, encontraremos que las transferencias y transformaciones de energía suceden a nuestro alrededor todo el tiempo. Por ejemplo: Las lámparas, focos y demás luminarias de un negocio, escuela o vivienda transforman la energía eléctrica en energía luminosa (energía radiante). Cuando participas en un juego de billar la bola blanca choca con otra, lo que traslada energía cinética a la segunda bola para que se mueva. Las plantas en nuestro entorno transforman la energía solar (energía radiante) en energía química alma- cenada en moléculas orgánicas, en el proceso de fotosíntesis. Las personas digieren su alimento, transformando la energía química de la dieta en energía cinética cuando se mueven, respiran y realizan funciones cotidianas, como leer este libro en este momento. Lo significativo es que ninguno de estos cambios es completamente eficiente. Al contrario, en cada situación, parte de la energía inicial se pierde como energía térmica; cuando ésta se transfiere de un objeto a otro, recibe el nombre de calor. En la actualidad los focos de luz incandescente ya casi no se utilizan pues generan mucho calor; este efecto es similar a la fricción de las bolas de billar en movimiento. Las transferencias de energía química son también inefi- cientes en el metabolismo vegetal y animal. Para identificar por qué la generación de calor es importante, debemos sumergirnos en la segunda ley de la termo- dinámica que a continuación describiremos. Segunda ley de la termodinámica Aparentemente, la primera ley de la termodinámica puede conside- rarse un hecho científico importante. Si la energía de ningún modo se crea ni se destruye, quiere decir que puede ser reutilizada una y otra vez, ¿correcto? Pues... sí y no. La energía no puede ser creada ni destruida, pero puede pasar a diferentes formas, unas más útiles que otras. La realidad es que, en cada transferencia o transformación de energía, cierta cantidad toma una configuración que es inutilizable (incapaz de realizar trabajo). En la gran mayoría de los casos, esta energía disponible adquiere la forma de calor. Aunque de hecho el calor puede realizar trabajo en ciertas condicio- nes, de ningún modo se puede convertir en otros tipos de energía (que realicen trabajo) con una eficiencia del 100 %, por lo que cada Fig. 1.12. Las plantas son capaces de transformar la energía radiante del Sol en energía química que se vez que sucede una transferencia, una parte de la cantidad de ener- almacena en las moléculas de glucosa. gía útil se torna en otro tipo que resulta de poca utilidad. Unidad 1: Identificación de los sistemas de acuerdo con la conservación de la energía 29  El calor incrementa lo fortuito del Universo. Si el calor no efectúa trabajo, entonces ¿qué hace con exactitud? El calor que no efectúa trabajo incrementa el desorden del Universo. Esto puede considerarse como un gran brinco de lógica, así que vamos a dar un paso atrás y detallar cómo puede suceder. Baja entropía Alta entropía Cuando hay dos objetos, sustancias, cuerpos o materiales (dos unidades del mismo metal, por ejemplo) a distintas temperaturas, el sistema está relativamente organizado: las moléculas están separadas por velocidad, en el objeto más frío se mueven de forma lenta y en el más caliente se mueven de manera rápida. Si el calor fluye del objeto más caliente hacia el más frío (como sucede espontáneamente), las moléculas del caliente disminuyen su velocidad, y las del frío la incrementan, hasta que todas las moléculas se estén moviendo a la misma velocidad promedio. Ahora, en Fig. 1.13. Representación esquemática de partículas con diferentes niveles de entropía. lugar de tener moléculas separadas por su velocidad, sim- plemente tenemos un conjunto de moléculas a la misma velocidad; un escenario menos ordenado que nuestro punto de inicio. El sistema intentará moverse hacia esta disposición más desordenada, sencillamente porque es estadísticamente más posible. La entropía y la segunda ley de la termodinámica El valor de aleatoriedad o desorden en un sistema se llama entropía. Sabemos que cada traspaso de energía tiene como resultado la conversión de una parte de energía en una forma no utilizable Nueva Escuela Mexicana Glosario (como calor) y que el calor que no efectúa trabajo se destina a aumentar el desorden del Universo. Aleatoriedad. Se refiere a pro- Podemos constituir una versión notable para la biología de la segunda ley de la termodinámica: cesos debidos al azar, sin que puedan predecirse. cada transferencia de energía que se provoca acrecentará la entropía del Universo y disminuirá la cantidad de energía aprovechable disponible para realizar trabajo (o en el caso más extremo, la entropía total se mantendrá igual). Dicho de otra forma, cualquier proceso, como una reacción o cambio químicos, o conjunto de reacciones conectadas, resultará en una dirección que aumente la entropía total del Universo. En síntesis, la primera ley de termodinámica explica la conservación de la energía entre los distintos procesos existentes de trans- ferencia en nuestro universo, mientras que la segunda ley de la termodinámica trata sobre la dirección que tienen los procesos de transferencia de energía, es decir, de menor a mayor entropía (en el Universo en general). La entropía en los sistemas biológicos Una de las consideraciones de la segunda ley de la termodinámica es que, para que un proceso se lleve a cabo, de algún modo debe aumentar la entropía del Universo. Esto puede plantear algunas interrogantes cuando se piensa en organismos vivos, como nosotros, pues ¿no somos un conjunto de materia bastante ordenado? Cada célula de nuestro cuerpo tiene su propia categorización interna; las células se organizan en tejidos y los tejidos en órganos; y todo tu cuerpo mantiene un cuidadoso sistema de transporte, intercambio y “comercialización” que mantiene vivo a los organismos. Así, a primera vista, puede no ser tan claro cómo tú, o incluso una bacteria, representan un aumento en la entropía del Universo. 30 Interacción de la energía y dinámica en los ecosistemas Sin embargo, para ampliar esta explicación, examinemos los intercambios de energía que acontecen en el cuerpo humano, por ejemplo, cuando caminas. Al contraer los músculos de las piernas para mover tu cuerpo hacia al frente, estás empleando energía química de moléculas comple- jas, como la glucosa principalmente, y la transformas en energía ciné- tica (y, si estás caminando hacia una pendiente, energía potencial). Si se considera que esto lo haces con eficiencia muy baja, una parte de la energía de las fuentes de combustible simplemente se convertirá en calor. Parte del calor mantiene tu cuerpo a cierta temperatura ideal, pero otra parte se desperdicia en el ambiente. Esta transferencia de calor acrecienta la entropía del medio, al igual que el hecho de que utilizas grandes y complejas biomoléculas y las convier- tes en varias moléculas pequeñas y simples, como dióxido de carbono y Fig. 1.14. Todas las actividades que realizamos, agua, al metabolizar el combustible para caminar. Este ejemplo es el que como el movimiento, implican un consumo de energía. utiliza una persona en movimiento, pero sucede lo mismo cuando una persona, o cualquier otro organismo, se encuentra en reposo. La persona Nueva Escuela Mexicana Glosario u organismo conservará cierta tasa basal de actividad metabólica que origina la degradación de moléculas complejas en otras más pequeñas Metabolizar. Se refiere a la y numerosas junto con la liberación de calor, lo que incrementa la entro- acción de las células de realizar pía del entorno. En resumen, la organización de los seres vivos se man- procesos físicos y químicos que suceden en el organismo para tiene gracias a un suministro constante de energía y se compensa con un convertir o producir energía. aumento en la entropía del entorno. Formación en acción 1. Realiza una investigación acerca de la entropía y su relación con la formación del vapor utilizado en la industria. Como sugerencia, puedes consultar las siguientes páginas electrónicas: Elaborar https://stem.guide/topic/entropia-la-segunda-ley-de-termodinamica/?lang=es https://economiayfuturo.es/informacion-y-entropia-las-primeras-maquinas-de-vapor/ https://vaporparalaindustria.com/conceptos-tecnicos-de-los-sistemas-de-vapor-industrial-que-debe-conocer/ 2. Contesta las preguntas. a) ¿Qué es el vapor? b ) ¿Qué condiciones se requieren para generar vapor? c) Describe el incremento de entropía en la formación del vapor. Unidad 1: Identificación de los sistemas de acuerdo con la conservación de la energía 31  Integremos 1. Después de comprender la primera y segunda ley de termodinámica te invitamos a que elabores un sistema térmico cerrado o aislado, con el que puedas demostrar la conservación de la energía. Puedes utilizar diversos materiales, como una caja de cartón y papel aluminio. 2. Una vez que lo hayas terminado, comprueba si tu sistema logra su propósito, que es mantener el equilibrio Evaluar térmico. 3. Completa el siguiente cuadro con tus observaciones. Conservación de la energía en un sistema Lista de materiales que permiten la transmisión Lista de materiales que permiten la conservación de energía. de energía. Explica qué es un sistema cerrado o aislado. Explica qué es el equilibrio térmico. Describe cómo construiste tu sistema cerrado. ¿Cómo se puede demostrar el equilibrio térmico en el sistema diseñado? 32 Interacción de la energía y dinámica en los ecosistemas  Resultado de aprendizaje 1.2 Utiliza el principio de conservación de la energía, describiendo su comportamiento en un sistema Nuestro entorno Actualmente vemos de lo más natural tener algún electrodoméstico en casa que nos caliente el agua para ducharnos, lavar la vajilla, la ropa, etc. Pero no siempre ha sido así, porque apenas hace 150 años no existía ningún equipo que proporcionase esa comodidad. Retrocediendo en el tiempo, Heródoto Enganchar explicaba que, si hacía falta tomar un baño caliente, el mejor método era verter agua sobre piedras calien- tes. También recordamos los baños romanos, hace ya 2000 años. Todo un lujo sólo para los más privilegia- dos de la época. El mundo islámico también tuvo su aportación con el hammam, que es un baño de vapor húmedo con orí- genes en las termas romanas, llamado en Francia bain maure («baño moro», refiriéndose a los de la España musulmana de Al-Andalus) o «baño turco» por los demás occidentales. Unos siglos más tarde, Horace de Saussure inventó en 1767 lo que él mismo llamó «la caja caliente». Ésta consistía en una caja acristalada por la parte de arriba, por la que entraban los rayos del sol, mientras que el interior iba pintado de negro. Salvo la cara de cristal, todas contaban con material aislante que permitía retener el calor en el interior. De esta manera, las temperaturas que se alcanzaban podían llegar a los 109 °C. Este pequeño invento era, nada más y nada menos, que el primer colector solar de la historia de la energía solar térmica. En el año 1868, un pintor de casas, llamado Benjamin Waddy Maughan, patentó el primer calentador de agua instantáneo para uso doméstico que no usaba combustible sólido. Antes de la invención de Maughan, los hogares calentaban el agua en tandas sobre una estufa de gas, un procedimiento incó- modo. El invento de Maughan, quien lo bautizó como Geyser, permitía que el agua fría en la parte superior del tanque fluyera sin problemas a través de las tuberías calentadas por los gases de la com- bustión de un quemador en la parte inferior. Pero este proceso era bastante peligroso porque no había chimenea para eliminar los gases, que permanecían en la habitación donde el equipo estaba instalado. Si hablamos del primer calentador como lo conocemos hoy en día, tenemos que referirnos al ingeniero noruego Edwin Ruud, quien fue inspirado por el invento de Maughan. Ruud estudió en The Horten Technical School en Noruega, pero emigró a Pittsburgh en EEUU. En 1880, Ruud patentó el primer calen- tador automático de agua a gas con tanque de almacenamiento. Fuente: Blog de ingeniería, (2019). Historia del calentador de agua. UDIMA. https://blogs.udima.es/ingenieria-industrial/historia-del-calentador-de-agua/ ¿Cuál es la base o fundamento del funcionamiento del calentador de agua doméstico? ¿Crees que los calentadores realizan trabajo?, ¿por qué? ¿Un calentador doméstico presenta pérdidas de calor?, ¿por qué? Unidad 1: Identificación de los sistemas de acuerdo con la conservación de la energía 33 Progresión 14: El principio de conservación de la energía Recuperemos lo que sabemos 1. Relaciona las siguientes columnas. Explorar a. Primera ley de la termodinámica ( ) Es una relación empleada en fisicoquímica. Establece que el cambio de entalpía de una reacción es indepen- diente de la ruta seguida. b. Entropía ( ) J K-1 mol-1 c. Segunda ley de la termodinámica ( ) La energía total del Universo permanece constante. d. Entalpía ( ) Es una medida del desorden en un sistema termodinámico. e. Ley de Hess ( ) J mol-1 f. Son las unidades de la entropía ( ) Es una medida de la energía de un sistema; consiste en la suma de su energía interna y el producto de su pre- sión y volumen. g. Son las unidades de la entalpía ( ) El desorden del Universo, de un sistema y de su entorno siempre aumenta por un proceso que ocurre naturalmente. Lo que necesitamos saber Los principios termodinámicos representan el comportamiento de tres cantidades físicas esenciales: la temperatura, la energía y la entropía, que identifican los sistemas termodinámi- Explicar cos. La palabra termodinámica viene del griego thermos, que significa 'calor', y dynamos, que significa 'fuerza'. Matemáticamente, estos principios se representan mediante un conjunto de ecuaciones que exponen la conducta de los sistemas, definidos como cualquier objeto de estudio (desde una molé- cula o un ser humano, hasta la atmósfera o el agua hirviendo en una cacerola). Es importante establecer que se ha comprobado la existencia de cuatro leyes de la termodinámica y son decisivas para entender las leyes físicas del Universo, así como la imposibilidad de ciertos fenómenos como Fig. 1.15. Un calentador solar de agua es un ejemplo de sistema el movimiento perpetuo. termodinámico en donde participan la energía y la temperatura de la materia. 34 Interacción de la energía y dinámica en los ecosistemas Un ejemplo que puede explicar la propuesta de Fowler se observa al tomar dos latas de un refresco a diferentes temperaturas: una la extraes de un congelador y la otra puede estar encima de una mesa que se encuentra expuesta a la luz del Sol. Se acercan las latas y se unen con un poco de cinta alrededor de manera que queden “pegadas por la pared”, ahora sólo se debe esperar unos 30 minutos. ¿Qué crees que ocurra? ¿Se calenta- rán las dos latas, se enfriarán ambas o llegarán a una misma temperatura? Posiblemente ya conoces la respuesta: las latas llegarán a la misma temperatura, que está en algún lugar entre frío y calor. Este análisis puede llevarnos a las siguientes conclusiones: Cuando un objeto a una temperatura más alta interacciona directamente con un objeto a una temperatura menor, el objeto a una temperatura más alta traslada energía, en forma de calor, al de temperatura menor En ausencia de pérdidas al ambiente, los dos objetos que están en contacto Fig. 1.16. Cuando dos cuerpos con diferente directo alcanzarán la misma temperatura. temperatura están en contacto, como es el caso Se puede decir que los objetos están en equilibrio térmico cuando ambos alcan- de las dos latas de la imagen, la energía comienza a fluir. zan la misma temperatura. Con esto podemos decir que el equilibrio térmico guarda relación con la ley cero de la termodinámica, a partir de la siguiente afirmación: “si un cuerpo C está en equilibrio térmico con otros dos cuerpos, A y B, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí". Max Planck, La teoría de la radiación de calor (1914). Equilibrio térmico Se llama equilibrio térmico al estado en el cual dos cuerpos que se encuen- tran en contacto, o separados por una superficie conductora, emparejan sus temperaturas inicialmente dispares, esto es causado por la trasferencia de calor de uno hacia el otro. Si tenemos dos objetos en contacto, uno más caliente que otro, a medida que el tiempo pase, ambos tenderán a conseguir la misma temperatura y, si no hay transmisión de calor hacia otros objetos, en adelante conservarán un equilibrio térmico, es decir, una temperatura invariable. Fig. 1.17. Ejemplo de equilibrio térmico (que se muestra en la pantalla del termostato) en un sistema de calefacción de Este fenómeno puede explicarse microscópicamente, entendiendo que la una casa, con respecto al exterior. temperatura de los objetos está directamente relacionada con la energía ciné- tica promedio de sus partículas, sean átomos, moléculas, o los que convenga considerar. Este promedio es lo que común- mente se llama dentro de la física “energía interna”, por lo que mientras más energía cinética exista, más energía interna y temperatura habrá en el sistema. Cada vez que se ponen en contacto dos cuerpos, éstos intercambiarán energía a medida que el tiempo pasa, y con ello, el punto de equilibrio térmico se alcanza cuando la energía cinética de ambos cuerpos se iguala, de manera que los dos cuer- pos funcionan como un sistema termodinámico único, con la misma cantidad de energía interna y, por tanto, de temperatura. A continuación, presentamos algunos ejemplos sencillos de equilibrio térmico: Cuando ingresamos en una habitación caliente, sentimos el calor del aire inmediatamente, pero al pasar de los minutos, nuestro cuerpo intercambiará calor con el aire y entrará en equilibrio térmico con él, así que dejaremos de percibir la dife- rencia de temperatura. Unidad 1: Identificación de los sistemas de acuerdo con la conservación de la energía 35  Si introducimos un vaso de vidrio con agua fría dentro de uno con mayor tamaño con agua hirviendo, el flujo de calor entre los dos enfriará el agua caliente y calentará la fría, hasta lograr un nivel de equilibrio térmico intermedio. Energía libre de Gibbs. Criterio de espontaneidad Para pronosticar si un proceso químico es espontáneo o no lo es, se ha desarrollado un concepto conocido con el nombre de entalpía libre o energía libre de Gibbs. Este concepto engloba los dos factores ya mencionados Fig. 1.18. Los productos que tenemos en el congelador se hallan en equilibrio térmico respecto del aire frío entre ellos; así, todos comparten la misma y matemáticamente se define como: temperatura. ΔG = ΔH – T ΔS Audio Donde: La ley de la conservación de la energía ΔG = Es la energía libre de Gibbs. ΔH = Se refiere a la entalpía de reacción. T = Hace referencia a la temperatura en Kelvin. ∆S = Se refiere a la variación de entropía. Lo que se precisa aquí es la variación de energía libre, aunque de manera común también nos referimos a ella como energía libre. La energía libre de Gibbs es el criterio termodinámico que nos muestra si una reacción es espontánea o no: "Si una reacción química transcurre con un ΔG < 0 decimos que el proceso es espontáneo. Si por el contrario ΔG > 0 la reacción no es espontánea". Si realizamos un pequeño estudio de la espontaneidad de un proceso depen- diendo de los valores de y, por supuesto de la T podemos hallar los siguientes casos: a) Una reacción química con ΔH < 0 (exotérmica) y ∆S > 0 (aumento de entropía). En este caso el valor de ΔG es siempre menor que cero y la reacción es siempre espontánea. ΔG = ΔH – T ΔS ΔG < 0 siempre (–) (+) b ) Una reacción química con ΔH > 0 (endotérmica) y ∆S < 0 (disminución de entropía): Este es el caso contrario al anterior, pues el valor de ∆S es siempre mayor que cero y la reacción no será nunca espontánea. ΔG = ΔH – T ΔS ΔG < 0 siempre (+) (–) Trabajo termodinámico En la figura 1.19 podemos ver que un cilindro contiene un gas encerrado por un pistón o émbolo. Para comprimir el gas se debe aplicar una fuerza sobre el émbolo y cuando éste recorre una distancia el volumen de gas disminuirá, realizando un trabajo que 36 Interacción de la energía y dinámica en los ecosistemas denominamos como compresión. El valor de trabajo que efectúa puede determinarse de acuerdo con el siguiente esquema: Cuando se realiza un trabajo de compresión, éste se convierte completamente en calor del sistema, porque transfiere al gas una energía adicional que aumenta la energía interna de sus moléculas, elevando la temperatura. En la compresión de un gas, el volumen final es menor que la inicial, por lo tanto, el trabajo realizado es negativo y se puede expresar que se realizó un trabajo de los alrededores sobre el sistema. Cuando se realiza un trabajo de expansión debido a la generación de la energía interna Fig. 1.19. Cuando un gas se comprime de las moléculas de un gas, la temperatura del sistema se reduce. Al expandirse un gas el o expande a presión constante (proceso isobárico), el trabajo realizado se volumen final es mayor que el volumen inicial, por lo tanto, el trabajo es positivo, enton- determina con la expresión: T = (Vf – Vi) o ces el sistema realiza un trabajo sobre los alrededores. Si en un proceso el volumen del bien, T = P Δ V. sistema permanece constante (proceso isocórico), no se realiza ningún trabajo por el sis- tema ni tampoco sobre éste, debido a que Δ V = 0 , entonces: T P Vfi V T P∆V 0 Al referirse a los alrededores en la termodinámica se hace referencia a la sección, espacio o área que se encuentra rodeando al sistema y detrás de la frontera. Sustituimos 4 en 3: T = P (Vf – Vi) donde T representa el trabjo (1) T = Fd Como Ad es el volumen al (2) F Sustituimos realizado en joules a una presión constante y como: que se ha comprimido el 2x1 (proceso isobárico) P es la presión del gas =PA gas, tenemos F (3) T = PAd en N/m2 Vf – Vi es la variación de volumen P= (4) Ad = A en el gas en m3 AV = Vf – Vi Formación en acción Selecciona la opción correcta. 1. Se llama así al estado en el cual dos cuerpos que se encuentran en contacto, o separados por una superficie conductora, emparejan sus temperaturas inicialmente dispares. Elaborar a ) Trabajo b ) Energía c ) Equilibrio térmico d ) Entalpía 2. Científico que enunció que: “Si un cuerpo C está en equilibrio térmico con otros dos cuerpos, A y B, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí". a ) Niels Bohr b ) Carl Maxwell c ) Eric Schrödinger d ) Max Planck 3. Si una reacción química transcurre con un ∆G < 0 decimos que el proceso es... a ) espontáneo. b ) no espontáneo. c ) aislado. d ) cerrado. 4. Cuando se realiza un trabajo de expansión debido a la generación de la energía interna de las mo- léculas de un gas, la temperatura del sistema... a ) aumenta. b ) se reduce. c ) se iguala. d ) no cambia. Unidad 1: Identificación de los sistemas de acuerdo con la conservación de la energía 37 Progresión 15: Máquinas térmicas Recuperemos lo que sabemos 1. Lee el siguiente texto. Explorar Los motores de combustión interna son un tipo de motores térmicos en los que se da la combustión en su interior, a diferencia de los de combustión externa, cuyo funcionamiento es contrario. La combustión, que se ejecuta en el cilindro, es el proceso en que la energía química se convierte en energía mecánica. El impulso de estos motores es posible gracias a un combustible. Dependiendo del tipo de ciclo, el combustible utilizado es diésel o gasolina. Los cilindros de estos motores incluyen también otros componentes como pistones, bielas y válvulas, entre otros. Asimismo, en esta parte del motor es donde se realizan los cuatro tiempos del ciclo termodinámico: escape, explosión, compresión y admisión. Comprender y conocer todos estos conceptos básicos sirve como base para entender otros relacionados como el funcionamiento de los coches de hidrógeno. Profundizando en el funcionamiento de esta clase de motores, notaremos que los más comunes son los motores de explosión, es decir, aquellos que funcionan con gasolina o diésel. En estos motores los gases generados por medio de la reacción exotérmica derivada del proceso de combustión se encargan del movimiento del pistón, el cual se mueve dentro del cilindro y permite el giro del cigüeñal. Todo este proceso en conjunto es responsa- ble del movimiento de rotación. Estos motores tienen un funcionamiento cíclico y necesitan la sustitución de los gases por medio de nuevas mezclas de combustible y aire en el interior del cilindro. Este proceso se denomina renovación de la carga. Para un correcto funcionamiento, es indispensable que la mezcla sea de dieciséis partes de aire por cada una de combustible. Fuente: Ifema Madrid. (2022). Cómo funcionan los motores de combustión interna Ifema Madrid. https://www.ifema.es/noticias/motor/como-funcionan-los-motores-de-combustion-interna. 2. Después de leer el texto anterior responde las preguntas. a) ¿Cuál es la materia prima que permite el funcionamiento de este tipo de motores? b) ¿Cuáles son los beneficios al ambiente de este tipo de motores en la actualidad? c) ¿Qué otro tipo de motores pueden sustituir a los de combustión interna? 38 Interacción de la energía y dinámica en los ecosistemas Lo que necesitamos saber Las máquinas térmicas son aparatos que se emplean para convertir la energía calorífica en trabajo mecánico. Se clasifican en tres tipos esenciales de acuerdo con su origen: Explicar Máquinas de vapor Motores de combustión interna Motores de reacción Dependiendo el tipo de máquina térmica que se trate, el funcionamiento esencial consiste en la dilatación de un gas que se encuentra a una temperatura elevada, es decir, caliente, el cual, al efectuar un trabajo, logra enfriarse. Máquinas de vapor El funcionamiento de las máquinas de vapor se basa en la utilización del agua como fuente principal, que se con- vierte en vapor de agua. Este vapor se expande ocupando un volumen de aproximadamente 1700 veces más que en su estado de agregación líquido. Las máquinas de vapor utilizan la gran cantidad de energía producida por esta expansión para gene- rar un trabajo. Una máquina de vapor es también conocida como una máquina de combustión externa si el combustible se quema fuera de ella, calentando la caldera productora del vapor que alimenta. El vapor procedente de la caldera se acumula a muy altas pre- siones, posteriormente pasa al cilindro donde empuja al émbolo hacia el extremo opuesto. Al final del desplazamiento (carrera), Fig. 1.20. Las máquinas de vapor se utilizaron en el siglo xviii para mover se introduce vapor por el extremo, empujando el émbolo a su barcos grandes y recorrer distancias largas con una velocidad constante. lugar original. Por conducto de un vástago (varilla que se introduce por un extremo del cilindro), se coloca el émbolo en conexión con el cigüeñal, que convierte en giratorio el movimiento alternativo de dicho émbolo. Mientras el vapor pasa y se expande con fuerza a través de un lado del émbolo, el vapor que se encuentra en el otro extremo del cilindro se esca- bulle por una lumbrera con dos aberturas: una desti- Audio nada para el escape y otra para la admisión del vapor. Los motores de reacción El vapor empleado puede disiparse hacia la atmósfera o bien, ser dirigido a un condensador con el pro- pósito de que, al estar en estado líquido se reutilice en otra caldera. Fig. 1.21. Ilustración de una máquina de vapor. Unidad 1: Identificación de los sistemas de acuerdo con la conservación de la energía 39  Motores de combustión interna Los motores de combustión interna o también llamados de explosión deben su nombre al tipo Nueva Escuela Mexicana Glosario de materia prima que emplean para llevar a cabo su función, ya que se basan en la quema del combustible dentro del mismo motor. Estos motores se valen de la expansión de los gases deriva- Carburante. Se refiere al tipo dos de la combustión viva de una mezcla carburante en la cámara de combustión del cilindro. de combustible empleado en motores de combustión interna. Los gases empujan un émbolo y para esto se emplea una biela que lo mueve. Posteriormente el movimiento del cigüeñal se convierte en giratorio. Existen motores de combustión interna de dos tiempos y de cuatro tiempos. A continuación, se muestran estos cuatro tiempos: 1. Admisión: En esta fase, el émbolo se mueve hacia abajo, mar la mezcla, produciéndose con esto una violenta absorbiendo una mezcla de combustible y aire que pro- dilatación de los gases encargados de empujar el viene del carburador. émbolo hacia abajo, y al arrastrar al cigüeñal realiza trabajo mecánico. 2. Compresión: En esta etapa, el émbolo se desplaza hacia la sección alta del cilindro. La válvula de admisión se ha cerrado 4. Escape: El émbolo se eleva de nuevo en el interior del y la mezcla de combustible y aire ya no puede escaparse. cilindro, abriéndose la válvula de escape, la cual está en Cuando el émbolo se encuentra en la parte alta, la mezcla la parte superior de éste. El movimiento de elevación del del carburante lo comprime fuertemente en la sección de émbolo despide los gases quemados por medio de la la cámara de combustión, lo cual se conoce como índice de lumbrera de escape. Cuando llega al final de la carrera, compresión. Por ejemplo, si al inicio la mezcla ocupa todo el la válvula se cierra y el motor comienza de nuevo su ciclo. cilindro, al término sólo llenará una octava parte de éste, lo Cuando se abren las válvulas de admisión y de escape, que significa que el índice de compresión es de ocho a uno. la producción de la chispa en la cámara de combustión se consigue a través de mecanismos en sincronía con 3. Explosión: La chispa eléctrica que brinca entre los el cigüeñal. electrodos de la bujía se encarga de encender e infla- Admisión Compresión Explosión Escape Fig. 1.22. Esquematización del motor de cuatro tiempos. 40 Interacción de la energía y dinámica en los ecosistemas  Los motores de ciclo de dos tiempos producen una potencia cada vez que el émbolo desciende, esto se consigue al combinar el escape, la admisión y la com- presión en un solo tiempo. Además, estos motores no cuentan con válvulas de admisión y de escape; en vez de esto, cuentan con lumbreras Nueva Escuela abiertas Mexicana Glosario a los lados del cilindro, las cuales son cubiertas y Diésel. Combustible formado por descubiertas por el émbolo en su desplazamiento 25 % de hidrocarburos aromáticos Fig. 1.23. Motor de camión que funciona con hacia arriba y abajo. como el naftaleno y 75 % restante diésel. por moléculas de parafinas. Los motores a diésel son conocidos como de combustión pesada o de aceites pesados; tienen la característica de no contar con un sistema de encendido ni tampoco con carburador. En estos tipos de motores, cuando el émbolo desciende, aspira aire puro y, al elevarse, lo comprime de manera fuerte con una presión aproximada de 30 a 50 atmósferas, calentándolo a temperaturas altas de 500 a 600 °C. Continuando con el ciclo, se inyecta en ese aire un chorro de combustible líquido que se pulveriza en la cámara y se inflama de manera espontánea por las altas temperaturas que se presentan. Los gases en su expansión empujan el émbolo, misma que efectuará un trabajo mecánico. Motores de reacción Los motores de reacción se basan en el principio de la acción y la reacción. Existen principalmente dos tipos: los turborreacto- res y los cohetes. Los primeros se componen de un generador de gases a temperaturas altas y de una tobera que los saca hacia atrás en forma de chorro (acción), así se impulsa el motor y al móvil hacia adelante (reacción). Admisión Compresión Combustión Escape Por otro lado, el motor del cohete no requiere del aire atmosférico para su funcionamiento, porque tiene en su interior las sustancias químicas que generan la combustión. Los gases