De la máquina de vapor al cero absoluto. [Escribir el subtítulo del documento]  En la vida cotidiana tenemos contacto con dispositivos que transforman una forma de energía en otra. Ejemplos típicos lo son el encender una luz, utilizar un refrigerador, poner en marcha el motor de un automóvil, encender un calentador de agua, gas u otro combustible y muchos más. Por ejemplo, la energía eléctrica que consumimos se transforma por el foco en energía luminosa; en el refrigerador la energía eléctrica pone a operar un motor que a través de un proceso mecánico enfría su interior; en el caso de un motor de combustión, como el de un automóvil, la energía mecánica que permite a un vehículo ponerse en movimiento y, en un calentador, la energía química, del combustible sirve para calentar la estancia donde está ubicado.  

2011 

Lourdes M UPAEP 

23/02/2011 

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Los dispositivos que transforman energía, como la térmica, en trabajo mecánico, llamados máquinas térmicas se desarrollaron en el siglo XVIII.

Primera máquina térmica fue la aeolipila: turbina de vapor con un globo hueco soportado por un pivote de manera que pueda girar alrededor de muñones, uno de ellos hueco. Por este muñón se puede inyectar vapor de agua que escapa del globo por dos tubos doblados y orientados en direcciones opuestas y colocados en los extremos del diámetro del globo. Al escapar el vapor, el globo gira alrededor de su eje.

Thomas Savery inventó una máquina utilizada para elevar cantidades considerables de agua. Consistía en inyectar vapor a un recipiente de agua hasta vaciar su contenido por un tubo a través de una válvula de seguridad. Cuando el recipiente se vacía acaba el suministro de vapor y el vapor contenido se condensa con un chorro de agua fría que cae sobre las paredes exteriores del recipiente y que viene de una cisterna de la parte superior. Esto produce vacío y permite que otro tubo, aspire agua del pozo. Mientras tanto, en otro recipiente el vapor se suministra de un horno que tiene una alimentación continua de agua caliente. Los niveles de agua en las calderas se controlan por válvulas de presión.

Esta máquina encontró un uso considerable en la extracción de agua de las minas de carbón y en la distribución de agua para casas habitación y pequeñas comunidades. Denis Papin dijo que la condensación de vapor se debía usar para producir un vacío debajo de un pistón que previamente se había elevado por la acción del vapor. (primera versión de máquina de vapor con un cilindro y un pistón).

En 1769,se mejoró la máquina con mayor rapidez en la carrera del pistón y más económica sin embargo estaba reducida al bombeo y otras limitaciones técnicas.Esta máquina se perfccionó y se adapto a una locomotora también para navegar remolques.

La máquina de vapor se transformó en la máquina habitual para la navegación. Con la turbina de vapor la navegación se desarrolló, sólo superado por los combustibles nucleares.

La palabra temperatura que proviene del latín temperare significa mezclar apropiadamente o templar.

Carnot dice que una máquina térmica (o de vapor ) requiere de una diferencia de temperaturas para poder operar. Una máquina térmica eficiente debe diseñarse de manera que no existan flujos de calor desaprovechables durante su operación, para eso se desarrollo el proceso cíclico en el cual sólo aparecen la fuente térmica de la cual la máquina extrae calor para operar y la fuente fría a la cual se le suministra el calor no aprovechable.

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La fuerza motriz del calor es independiente de los agentes usados en producirla; su cantidad está determinada unívocamente por las temperaturas de los dos cuerpos entre los cuales ocurre, finalmente, el transporte del calórico.

La fuerza motriz del calor es independiente de los agentes usados en producirla; su cantidad está determinada unívocamente por las temperaturas de los dos cuerpos entre los cuales ocurre, finalmente, el transporte del calórico.

EL PRINCIPIO DE LA CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA 

LOS estudios decisivos que condujeron a establecer la equivalencia entre el trabajo mecánico y el calor fueron realizados en 1840 por James Joule en la Gran Bretaña.  

El calor consiste de una fuerza o potencia perteneciente a los cuerpos.

El experimento de Joule consistía esencialmente en un eje rotatorio dotado de una serie de paletas revolventes que agitan el líquido que se colocaba en el espacio libre entre ellas. El experimento consistía en enrollar la cuerda sujetando las masas sobre las poleas hasta colocarlas a una altura determinada del suelo. Al dejar caer las masas, el eje giraba lo cual a su vez generaba una rotación de los brazos agitando el líquido contenido.

Este proceso se repetía y se medía la temperatura final del líquido. Después Joule concluyó lo siguiente:

1) La cantidad de calor producida por la fricción entre cuerpos, sean líquidos o sólidos siempre es proporcional a la cantidad de trabajo mecánico suministrado.

2) La cantidad de calor capaz de aumentar la temperatura de 1 libra de agua (pesada en el vacío y tomada a una temperatura entre 55º y 60º F) por 1.8º C (1º F) requiere para su evolución la acción de una fuerza mecánica representada por la caída de 772 lb (350.18 kg) por la distancia del pie .

Los resultados obtenidos por Joule son lo que se conoce como la primera termostática. En estos experimentos el sistema no se mueve, su energía cinética es cero, ni se desplaza respecto al nivel del suelo, su energía potencial permanece constante y sin embargo el sistema ha absorbido una cierta cantidad de energía. si creemos en el principio de la conservación de la energía, la energía suministrada debe convertirse en otro tipo de energía. A esta energía la llamamos la energía interna del sistema. Joule postuló que si a cualquier sistema aislado, esto es, que no intercambie ni calor ni masa con sus alrededores, le suministramos una cierta cantidad de energía mecánica W, ésta sólo provoca un incremento en la energía interna del sistema U, por una cantidad ∆U de manera tal que:

∆U = Wad

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Esta igualdad, en donde el índice "ad" en W sirve para puntualizar que la energía mecánica suministrada al sistema debe hacerse sólo cuando este se encuentre aislado de sus alrededores, constituye la definición de la energía interna U. La existencia de esta cantidad para cualquier sistema, es el postulado conocido como la primera ley de la termostática.

Si el sistema sobre el cual realizan experimentos está a una temperatura diferente que la del medio ambiente habrá una tendencia natural a establecerse un flujo de calor entre ambos. En pocas palabras si los experimentos de Joule u otros similares sobre otros sistemas se llevaran a cabo sin tomar la precaución de aislar el sistema de sus alrededores, observaríamos que:

El ejemplo más simple es el de calentar la misma masa de agua usada por Joule, pero poniéndola directamente al fuego hasta obtener la misma variación en la temperatura. Tomando las precauciones necesarias para que ni el volumen, ni la presión ni otra propiedad del agua cambien, debemos concluir que la misma energía W que produjo el cambio en U en los experimentos de Joule, fue ahora suministrada por el fuego, i.e, es una cantidad de calor Q. Y en el caso de que la energía mecánica sea suministrada en las condiciones anteriores, es claro que la energía faltante, según Carnot, debe tomarse en cuenta por las "pérdidas" de calor provocadas por el flujo de calor del cuerpo o sistemas al exterior. Combinando estos resultados podemos escribir que :

∆U - W = Q

Esto es, la energía se conserva en todo proceso si se toma en cuenta el calor.

La acción misma de frotamiento produce una energía que no puede convertirse íntegramente en trabajo útil. Sin embargo su inclusión en la descripción global de un proceso, en cuanto a un balance de energía concierne, es imprescindible para estar en concordancia con el principio de conservación de la energía.

Calor esuna forma de energía en tránsito. Como en el caso del mechero discutido en conexión con los experimentos de Joule, ∆U = Q representa el cambio en la energía interna del sistema formado por los cuerpos cuando por diferencias en las temperaturas entre ellos ocurre un intercambio de energía de naturaleza no mecánica.

 

∆U —W≠ 0