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T16 Energía
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Tema 16Calor y trabajo en los procesos termodinámicos. Primera Ley de la Termodinámica. Aplicación a
las máquinas térmicas y a las reacciones químicas. Rendimiento energético.
Índice
I. Introducción .......................................................................................................................... 2
II. Desarrollo .............................................................................................................................. 2
1. Calor y trabajo en los procesos termodinámicos .............................................................. 2
1.1. Calor .......................................................................................................................... 2
1.2. Trabajo ...................................................................................................................... 4
1.3. Energía interna .......................................................................................................... 5
2. Primera ley de la Termodinámica ..................................................................................... 6
2.1. Proceso irreversible (se puede quitar si no cabe) .................................................... 6
2.2. Procesos reversibles (se puede quitar si se quita el anterior) .................................. 7
2.2.1. Transformación isotérmica ............................................................................... 7
2.2.2. Transformación isocórica .................................................................................. 7
2.2.3. Transformación isobárica .................................................................................. 7
2.2.4. Transformación adiabática ................................................................................ 9
3. Aplicación a las máquinas térmicas y a las reacciones químicas .................................... 10
3.1. Máquinas térmicas .................................................................................................. 10
3.1.1. Máquina térmica ideal. Ciclo de Carnot .......................................................... 10
3.1.2. Máquina de vapor y ciclo Rankine .................................................................. 12
3.2. Ciclos de conversión interna ................................................................................... 13
3.2.1. Ciclo de Otto .................................................................................................... 13
3.2.2. Ciclo Diesel ...................................................................................................... 13
3.3. Reacciones Químicas ............................................................................................... 14
3.3.1. Entalpía ............................................................................................................ 14
3.3.2. Tipos de entalpía ............................................................................................. 15
3.3.3. Aplicaciones a las reacciones químicas. Ley de Hess ...................................... 15
4. Rendimiento energético .................................................................................................. 16
III. Conclusión ....................................................................................................................... 17
, I. Introducción
Aunque el concepto de energía pueda resultar abstracto, los conceptos asociados de
transferencia de energía, tanto el calor como el trabajo no lo son tanto. Ambos, íntimamente
relacionados, son entendibles ya que el trabajo aporta movimiento, y el calor aparece por
diferencias de temperatura, pudiendo realizarse un trabajo con los dispositivos adecuados.
Sin duda, la obtención de energía a lo largo de la historia ha ido la piedra de toque de la
evolución. Desde el descubrimiento del fuego, los humanos han ido desarrollando nuevas
fuentes de energía buscando el mayor rendimiento posible, solo conseguido en parte en la
Revolución Industrial. Gracias a la máquina de vapor, se abriría la puerta a numerosas máquinas
y a ciclos que explicarían como maximizar el rendimiento de estas.
Contenida tanto a nivel de reacciones químicas como en la ingeniería a la hora de desarrollar las
máquinas, la Termodinámica es posiblemente una de las ramas más importantes de la Química
y de la Física, puesto que, sin ella, el desarrollo industrial y humano no habría sido posible. En el
presente tema se desarrollará todo lo relacionado con la Termodinámica, las diferencias entre
calor y trabajo y los ciclos, así como el máximo aprovechamiento de la energía por parte de las
máquinas.
II. Desarrollo
1. Calor y trabajo en los procesos termodinámicos
En Termodinámica, la energía interna es la suma de la energía cinética interna (asociada a las
energías cinéticas de las partículas) y la energía potencial interna (asociada a interacciones
conservativas las partículas) del sistema, es una propiedad del sistema. Por otro lado, el calor y
el trabajo son formas de transferencia de energía, con diferentes resultados. El trabajo tiene
como resultado el movimiento, y el calor un aumento (o descenso) de la temperatura.
1.1. Calor
El calor en Termodinámica se refiere a la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o
diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas,
transfiriéndose siempre del cuerpo a mayor temperatura al de menor temperatura. La cantidad
de calor necesaria para variar la temperatura es diferente para cada objeto, lo cual se conoce
como la capacidad calorífica de un sistema. Esta es definida como la cantidad de calor necesario
para elevar la temperatura un grado.
𝐶 = Δ𝑄/Δ𝑇
Siendo Δ𝑄 el calor absorbido y Δ𝑇 la diferencia de temperatura.
, Si se consideran intervalos infinitesimales:
𝑑𝑄
𝐶=
𝑑𝑇
El calor específico (c) de una sustancia se define como la capacidad calorífica por unidad de masa
(𝐽 /𝑔 ∙ 𝑔𝑟𝑎𝑑)
𝐶 1 𝑑𝑄
𝑐= =( )∙
𝑚 𝑚 𝑑𝑡
Donde m es la masa de la sustancia.
Si se toma como unidad de la cantidad de sustancia el mol, se obtiene la capacidad calorífica
molar (𝐽 /𝑚𝑜𝑙 ∙ ºC )
𝐶 1 𝑑𝑄
𝑐𝑀 = =( )∙
𝑛 𝑛 𝑑𝑇
Para un gas ideal se pueden distinguir los calores específicos a volumen constante 𝑐𝑣 y a presión
constante 𝑐𝑝 .
En una transformación a volumen constante
𝐶
𝑐𝑒 =
𝑚
El calor específico de una sustancia depende de la temperatura. Sin embargo, cuando
esta dependencia no es muy grande, suele tratarse como una constante.
Para un gas ideal, se definen dos capacidades caloríficas: a volumen constante (𝐶𝑣) y a
presión constante (𝐶𝑝). De acuerdo con la teoría cinética, los valores de 𝐶𝑝 y 𝐶𝑣 para sustancias
gaseosas dependerá del número de partículas que componen la molécula de gas:
Monoatómicos Diatómicos Triatómicos
𝑪𝒗 3⁄ 𝑅 5⁄ 𝑅 6⁄ 𝑅
2 2 2
𝑪𝒑 5⁄ 𝑅 7⁄ 𝑅 8⁄ 𝑅
2 2 2
donde R es la constante universal de los gases ideales (8,31 J/mol K).
Cuando tiene lugar un cambio de fase del sistema, el calor en juego no se traduce en un
cambio de temperatura. Este calor se denomina calor latente y su expresión para calcularlo es:
𝑄 = 𝑚𝐿
donde m es la masa de sustancia que está cambiando su estado de agregación.
Se denomina índice adiabático de un gas al cociente
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