(termodinámica). Rama de la física que estudia las relaciones entre el calor, el trabajo, la presión, la temperatura y las transformaciones de energía en los gases y en los sistemas térmicos.

La termodinámica clásica es una rama de la física desarrollada antes de la formulación moderna de la teoría atómica, y se basa en el análisis macroscópico de los sistemas. En este enfoque, las sustancias se consideran continuas y sus propiedades se describen mediante variables como presión, volumen, temperatura y energía. Un ejemplo fundamental es la definición de densidad, expresada como ρ = lim (Δm / ΔV), que permite caracterizar una sustancia en un punto cuando el volumen tiende a cero.

Este modelo continuo resulta válido siempre que el volumen considerado contenga un número suficientemente grande de átomos o moléculas. Aunque a escala microscópica la materia está formada por partículas discretas, el modelo macroscópico permite describir con precisión la mayoría de los sistemas de interés en ingeniería. Sin embargo, el enfoque microscópico puede aportar mayor comprensión en ciertos casos, especialmente cuando se requiere analizar propiedades desde el punto de vista molecular o estadístico.

Uno de los objetivos centrales de la termodinámica es predecir variables macroscópicas que describen el comportamiento de un sistema. Estas variables están relacionadas con la energía interna, que depende del estado del sistema y de factores como la temperatura. La termodinámica clásica proporciona herramientas para analizar estos cambios y establecer relaciones entre las distintas formas de energía involucradas.

Las leyes de la termodinámica establecen condiciones de equilibrio, es decir, situaciones en las que no hay cambios macroscópicos en el sistema. Un sistema en equilibrio no experimenta variaciones espontáneas, pero en la práctica interesa estudiar cómo evolucionan los sistemas cuando intercambian energía con su entorno.

Para analizar estos cambios, se introduce el concepto de proceso cuasiestático (quasi-equilibrium process). Este tipo de proceso se aproxima a una sucesión de estados de equilibrio, lo que permite aplicar las ecuaciones de la termodinámica de manera válida. Aunque en la realidad los procesos nunca son perfectamente cuasiestáticos, esta idealización facilita el análisis y la comprensión del comportamiento del sistema.

El uso de procesos cuasiestáticos permite estudiar fenómenos complejos como la expansión de gases o el funcionamiento de máquinas térmicas. En estos casos, el sistema se modela como si pasara por estados intermedios bien definidos, lo que simplifica el tratamiento matemático y conceptual.

Sistemas abiertos y cerrados

A closed system

An open system

• Sistema cerrado. (Closed system)
• Sistema abierto. (Open system)
• Gas bajo presión. (Gas under pressure)
• Gas comprimido. (Compressed gas)
• Trabajo mecánico. (Work)
• Transferencia de calor. (Heat)
• Frontera del sistema. (System boundary)
• Volumen de control. (Control volume)
• Entrada de masa. (Mass in)
• Salida de masa. (Mass out)
• Peso aplicado. (Weight)
• Intercambio de energía. (Energy exchange)
• Proceso termodinámico. (Thermodynamic process)
• Flujo de energía. (Energy flow)
• Transferencia de trabajo. (Work transfer)

Figura: Representación de sistemas termodinámicos: sistema cerrado con intercambio de calor y trabajo, y sistema abierto con flujo de masa, energía y volumen de control.

En termodinámica, es fundamental definir el concepto de sistema y su relación con el entorno. Un sistema es la porción del universo que se desea estudiar, mientras que el entorno es todo aquello que lo rodea. Según la interacción con el entorno, los sistemas se clasifican en dos tipos principales.

Un sistema cerrado (closed system) es aquel en el que no hay intercambio de masa con el entorno, aunque sí puede existir intercambio de energía en forma de calor o trabajo. Un ejemplo típico es un gas contenido en un recipiente cerrado, donde la masa permanece constante, pero puede haber transferencia de energía.

Por otro lado, un sistema abierto (open system) permite el intercambio tanto de masa como de energía con el entorno. En este caso, se utiliza el concepto de volumen de control (control volume), que define la región del espacio donde se analizan los flujos de entrada y salida. Este tipo de sistema es fundamental en el estudio de turbinas, compresores, intercambiadores de calor y otros dispositivos de ingeniería.

En un sistema abierto, la masa puede entrar y salir del volumen de control, transportando consigo energía. Además, puede haber transferencia de calor y trabajo a través de las fronteras del sistema. Esto hace que el análisis sea más complejo, pero también más representativo de los procesos reales en ingeniería.

El análisis de sistemas cerrados se centra en los cambios de energía interna debidos a interacciones con el entorno, como transferencia de calor o trabajo mecánico. En cambio, en sistemas abiertos, el balance de energía debe considerar también la energía transportada por la masa que entra y sale del sistema.

El concepto de volumen de control es clave en este contexto, ya que permite aplicar principios de conservación a sistemas donde hay flujo de masa. Este enfoque es ampliamente utilizado en ingeniería para analizar dispositivos como bombas, turbinas y sistemas de tuberías.

Para describir completamente un sistema termodinámico, es necesario identificar sus propiedades. Estas pueden clasificarse en propiedades intensivas y propiedades extensivas. Las propiedades intensivas, como la temperatura o la presión, no dependen de la cantidad de materia. En cambio, las propiedades extensivas, como la masa o el volumen, sí dependen del tamaño del sistema.

Los sistemas pueden estar formados por sustancias puras (pure substances), que presentan composición química uniforme. Estas sustancias pueden existir en diferentes fases (phases), como sólido, líquido y gas. El comportamiento de cada fase depende de las condiciones de presión y temperatura.

Un sólido tiene forma y volumen definidos, mientras que un líquido tiene volumen definido pero adopta la forma del recipiente. Un gas, en cambio, no tiene forma ni volumen definidos y se expande para llenar el espacio disponible. Estas diferencias son fundamentales para comprender el comportamiento de los sistemas termodinámicos.

Cuando un sistema presenta más de una fase o múltiples componentes, es necesario especificar un conjunto adecuado de variables para describir completamente su estado. La relación entre el número de variables, componentes y fases se expresa mediante la regla de las fases de Gibbs: V = C − P + 2. Esta ecuación permite determinar cuántas variables independientes son necesarias para definir el estado de equilibrio de un sistema.

El estudio de la termodinámica clásica proporciona una base fundamental para comprender cómo se transforma la energía en sistemas físicos. Desde la generación de energía eléctrica hasta el funcionamiento de motores y sistemas industriales, los principios termodinámicos permiten analizar, diseñar y optimizar procesos.

La combinación de conceptos como equilibrio, sistemas abiertos y cerrados, propiedades de la materia y balance de energía permite abordar problemas complejos de ingeniería con un enfoque sistemático. Aunque el modelo macroscópico simplifica la realidad, sigue siendo una herramienta poderosa para describir el comportamiento de sistemas reales.

Términos relacionados :

• Termodinámica clásica. (Classical thermodynamics)
• Modelo continuo. (Continuum model)
• Densidad de la sustancia. (Density of a substance)
• Volumen diferencial. (Differential volume)
• Variables macroscópicas. (Macroscopic variables)
• Energía interna. (Internal energy)
• Temperatura del sistema. (System temperature)
• Estado de equilibrio. (Equilibrium state)
• Proceso cuasiestático. (Quasi-equilibrium process)
• Cambios de energía. (Energy changes)
• Transferencia de calor. (Heat transfer)
• Trabajo mecánico. (Mechanical work)
• Sistema termodinámico. (Thermodynamic system)
• Entorno del sistema. (Surroundings)
• Sistema cerrado. (Closed system)
• Sistema abierto. (Open system)
• Volumen de control. (Control volume)
• Frontera del sistema. (System boundary)
• Flujo de masa. (Mass flow)
• Balance de energía. (Energy balance)
• Propiedades del sistema. (System properties)
• Propiedades intensivas. (Intensive properties)
• Propiedades extensivas. (Extensive properties)
• Sustancia pura. (Pure substance)
• Fase de la materia. (Phase of matter)
• Estado sólido. (Solid state)
• Estado líquido. (Liquid state)
• Estado gaseoso. (Gaseous state)
• Regla de las fases de Gibbs. (Gibbs phase rule)
• Variables independientes. (Independent variables)

En resumen, la termodinámica clásica estudia los sistemas desde una perspectiva macroscópica, utilizando variables como presión, volumen y temperatura. Introduce conceptos clave como equilibrio, procesos cuasiestáticos, sistemas abiertos y cerrados, y propiedades intensivas y extensivas. Además, proporciona herramientas como la regla de las fases de Gibbs para analizar sistemas complejos.

Estos conceptos permiten comprender cómo la energía se transforma y se transfiere en distintos procesos, lo que resulta esencial en múltiples aplicaciones de ingeniería. La termodinámica no solo describe el comportamiento de los sistemas, sino que también permite predecir su evolución y optimizar su funcionamiento en condiciones reales.

TERMODINÁMICA: Rama de las ciencias; trata con las relaciones entre el calor y la acción mecánica.

La termodinámica y sus ciclos en los motores de combustión

Los motores de combustión interna, tanto los de gasolina como los motores Diesel, funcionan gracias a la transformación de la energía contenida en el combustible. En estos motores el combustible líquido se pulveriza y se mezcla con el aire dentro de la cámara de combustión. En el caso del motor Diesel, el combustible es inyectado a presión en forma muy fraccionada, mientras que en el motor de gasolina la mezcla se produce previamente en el carburador antes de entrar al cilindro.

Durante el funcionamiento del motor los gases presentes en el interior del cilindro experimentan variaciones de presión, volumen y temperatura. En el ciclo de cuatro tiempos, el aire o la mezcla aire-combustible es admitido inicialmente a presión atmosférica y temperatura ambiente. Posteriormente se comprime dentro del cilindro, lo que provoca un aumento considerable de su presión y temperatura. Durante la combustión se generan temperaturas muy elevadas, y finalmente los gases se expulsan durante el tiempo de escape.

Para estudiar estas variaciones se utilizan representaciones gráficas llamadas diagramas termodinámicos. Uno de los más utilizados es el diagrama de Clapeyron, en el cual se representa la presión en el eje vertical y el volumen en el eje horizontal. Este tipo de representación permite analizar cómo cambian las condiciones del gas dentro del cilindro durante el funcionamiento del motor.

Figura a. Representación de una transformación isócora sobre un diagrama de Clapeyron. El volumen V es constante, pero la presión pasa de P₁ a P₂.

Figura b. Representación de una transformación isóbara sobre un diagrama de Clapeyron.

Dentro del estudio de la termodinámica se distinguen diferentes tipos de transformaciones que pueden experimentar los gases. Estas transformaciones describen cómo varían las variables fundamentales del estado de un gas, como la presión, el volumen y la temperatura.

La transformación isotérmica es aquella en la que la temperatura del gas permanece constante. En este tipo de proceso, cuando el volumen del gas disminuye, la presión aumenta, y viceversa. Esta relación está expresada por la conocida ley de Boyle o Mariotte, según la cual el producto entre la presión y el volumen permanece constante.

Este tipo de transformación puede representarse en el diagrama de Clapeyron mediante una curva característica que muestra cómo la presión aumenta a medida que el volumen disminuye manteniendo la temperatura constante.

La transformación isócora o isovolumétrica se produce cuando el volumen del gas permanece constante. En este caso, cualquier variación de temperatura se refleja directamente en una variación de presión. Este proceso puede presentarse cuando el pistón permanece inmóvil dentro del cilindro mientras se produce una combustión o un aporte de calor.

En este tipo de transformación la relación entre presión y temperatura es proporcional, siempre que el volumen permanezca fijo.

En la transformación isóbara la presión del gas permanece constante mientras el volumen varía. Para que esta condición se mantenga es necesario que exista un aporte o una extracción de calor que compense las variaciones del volumen. Este tipo de proceso puede observarse en algunos momentos del funcionamiento de motores o en sistemas donde la presión del gas está regulada.

En este caso la temperatura absoluta del gas se relaciona directamente con el volumen, de modo que cuando el volumen aumenta también lo hace la temperatura.

Transformación adiabática

Figura : La temperatura absoluta varía en la siguiente relación:

\( \frac{T_2}{T_1} = \left(\frac{V_1}{V_2}\right)^{\gamma - 1} \)

La transformación adiabática también se conoce con el nombre de transformación isentrópica, y así es nombrada en algunos tratados de Termodinámica.

La transformación adiabática se caracteriza porque no existe intercambio de calor con el exterior. En los motores de combustión interna, los procesos de compresión y expansión del gas se aproximan a este tipo de transformación. En una transformación adiabática la relación entre presión y volumen sigue una ley característica que depende del coeficiente adiabático del gas.

Este tipo de proceso también se conoce como transformación isentrópica en muchos textos de termodinámica, ya que ocurre sin transferencia de calor con el entorno.

Finalmente, en la práctica real de los motores se observa que muchos procesos no son perfectamente adiabáticos ni isotérmicos. En estos casos se habla de una transformación politrópica. Este tipo de transformación representa con mayor precisión lo que ocurre dentro de los cilindros durante la compresión y expansión del gas, ya que puede existir cierta transferencia de calor durante el movimiento del pistón.

El estudio de estas transformaciones termodinámicas permite comprender con mayor claridad el comportamiento de los gases en los motores y constituye la base teórica para analizar su rendimiento y mejorar su diseño.

Los ciclos termodinámicos en los motores térmicos

En los motores térmicos, como los motores de combustión interna, las turbinas de gas y las máquinas de vapor, el funcionamiento se basa en una sucesión periódica de estados del gas caracterizados por diferentes valores de presión, volumen y temperatura. Esta serie de transformaciones que experimenta el gas dentro del motor se denomina ciclo termodinámico.

Figura : Diferentes fases del ciclo termodinámico de un motor Diesel representadas sobre un diagrama de Clapeyron.

Durante el funcionamiento del motor, el fluido de trabajo atraviesa distintas etapas en las cuales se modifican sus propiedades físicas. Estas transformaciones pueden representarse gráficamente mediante un diagrama de Clapeyron, también conocido como diagrama presión-volumen (P–V). En este tipo de gráfico se representa la presión del gas en el eje vertical y el volumen en el eje horizontal. El área encerrada por la curva del ciclo representa el trabajo realizado por el motor.

El análisis de estos diagramas permite comprender el comportamiento de los gases dentro del cilindro de un motor. En el caso del motor Diesel, el ciclo completo incluye varias fases que corresponden a los tiempos del motor: admisión, compresión, combustión y escape. Durante la admisión el aire entra en el cilindro a presión atmosférica. Luego, durante la compresión, el pistón reduce el volumen del gas, lo que provoca un aumento significativo de la presión y de la temperatura.

Cuando el pistón alcanza el punto muerto superior, se produce la inyección del combustible y la combustión dentro de la cámara. Durante esta etapa se generan presiones muy elevadas que impulsan el pistón hacia abajo, produciendo trabajo mecánico. Finalmente, durante el tiempo de escape, los gases quemados se expulsan del cilindro y el ciclo vuelve a comenzar.

La repetición continua de estas fases explica por qué se utiliza el término ciclo para describir el funcionamiento de los motores térmicos. Cada repetición del proceso produce una cantidad determinada de trabajo mecánico que es transmitido al cigüeñal del motor.

Desde el punto de vista teórico, uno de los ciclos termodinámicos más importantes es el ciclo de Carnot, que representa el modelo ideal de funcionamiento de una máquina térmica. Este ciclo está compuesto por cuatro transformaciones fundamentales: dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones adiabáticas.

Figura : Ciclo de Carnot. De 1 a 2, expansión isotérmica. De 2 a 3, expansión adiabática. De 3 a 4, compresión isotérmica. De 4 a 1, compresión adiabática.

En la primera etapa se produce una expansión isotérmica, durante la cual el sistema absorbe calor de una fuente caliente mientras realiza trabajo. En la segunda etapa ocurre una expansión adiabática, donde el gas continúa expandiéndose sin intercambio de calor con el exterior. Posteriormente se produce una compresión isotérmica, en la cual el sistema cede calor al exterior mientras recibe trabajo mecánico. Finalmente tiene lugar una compresión adiabática que devuelve el sistema a su estado inicial.

El ciclo de Carnot es considerado un ciclo reversible ideal y establece el límite máximo de eficiencia que puede alcanzar una máquina térmica que opere entre dos temperaturas determinadas. Aunque los motores reales no pueden reproducir exactamente este ciclo ideal, su estudio resulta fundamental para comprender el rendimiento de los motores y las limitaciones impuestas por las leyes de la termodinámica.

A partir de las diferentes transformaciones termodinámicas —isotérmicas, isócoras, isóbaras y adiabáticas— se pueden construir diversos tipos de ciclos utilizados en máquinas térmicas. Entre los más importantes se encuentran los ciclos a temperatura constante, los ciclos a volumen constante, los ciclos a presión constante y otros ciclos aplicados a motores específicos. El análisis de estos ciclos permite diseñar motores más eficientes y comprender mejor el comportamiento energético de los sistemas térmicos.

Términos relacionados :

• 1. Termodinámica. (Thermodynamics)
• 2. Ciclo termodinámico. (Thermodynamic cycle)
• 3. Combustible líquido. (Liquid fuel)
• 4. Cámara de combustión. (Combustion chamber)
• 5. Inyector. (Fuel injector)
• 6. Gasóleo. (Diesel fuel)
• 7. Carburador. (Carburetor)
• 8. Mezcla aire-combustible. (Air–fuel mixture)
• 9. Gas de combustión. (Combustion gases)
• 10. Presión del gas. (Gas pressure)
• 11. Volumen del gas. (Gas volume)
• 12. Temperatura del gas. (Gas temperature)
• 13. Diagrama de Clapeyron. (Clapeyron diagram / P-V diagram)
• 14. Transformación termodinámica. (Thermodynamic transformation)
• 15. Transformación isotérmica. (Isothermal transformation)
• 16. Ley de Boyle-Mariotte. (Boyle–Mariotte law)
• 17. Transformación isócora. (Isochoric transformation)
• 18. Transformación isóbara. (Isobaric transformation)
• 19. Transformación adiabática. (Adiabatic transformation)
• 20. Transformación isentrópica. (Isentropic transformation)
• 21. Transformación politrópica. (Polytropic transformation)
• 22. Pistón o émbolo. (Piston)
• 23. Compresión del gas. (Gas compression)
• 24. Expansión del gas. (Gas expansion)
• 25. Ciclo de cuatro tiempos. (Four-stroke cycle)