Introducción a los Conceptos Termodinámicos y de Conversión de Energía
Unidad de Apoyo para el Aprendizaje
IniciarIntroducción a los Conceptos Termodinámicos y de Conversión de Energía
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IniciarLas interacciones entre el ambiente, el espacio (u objeto) y el ser humano tienen muchas naturalezas, tanto físicas, como psíquicas o espirituales. Para los fines de este estudio, el enfoque será dirigido a las interacciones de naturaleza física que comprenden, de manera particular, aquellas en donde se intercambia materia y energía.
Un proceso termodinámico, definido como un cambio de propiedades entre un momento del sistema y otro, consiste en una serie de transformaciones que implican el intercambio y conversión de energía entre diferentes entes físicos que traen, en consecuencia, cambios de propiedades físicas de los entes materiales que intervienen obedeciendo siempre al principio de conservación de materia y al principio de conservación de la energía.
En este tema aprenderás las bases termodinámicas fundamentales que rigen los sistemas físicos, las formas en que la energía contenida en dichos sistemas se convierten y las características de los sistemas termodinámicos, los cuales podrás identificar en el diseño de tus espacios, objetos y ambientes.
Proceso de transferencia de calor y equilibrio térmico
Los espacios en los que habitamos o que forman parte de éstos, a diferentes escalas, pueden estudiarse como sistemas termodinámicos. La termodinámica es la ciencia que estudia la propagación del calor (energía térmica) y su relación con el trabajo mecánico. Se basa en tres leyes:
Ley cero o del equilibrio térmico
El calor (energía térmica) se transfiere en la materia de donde hay mayor cantidad de calor a donde hay menor cantidad de calor. Si dos cuerpos, A y B, teniendo A mayor contenido de calor (mayor temperatura) y B menor contenido de calor (menor temperatura), están en contacto, se dará un flujo de calor de A a B hasta que los dos cuerpos contengan la misma cantidad de calor y, por tanto, alcancen la misma temperatura. Cuando A y B contengan la misma cantidad de calor y alcancen la misma temperatura, entonces el flujo de calor cesará y A y B entrarán en equilibrio térmico.
Flujo de calor y equilibrio térmico
En los sistemas que componen la Tierra, las diferentes formas de energía constantemente se están transformando en otras diferentes. Por ejemplo, cuando la energía electromagnética proveniente del sol incide sobre la atmósfera terrestre, ésta calienta la materia ahí presente y se convierte en energía térmica.
El hombre ha encontrado mecanismos para transformar diversas formas de energía en otras que le son útiles para sus actividades diarias, así como para su desarrollo como humanidad. Por ejemplo, el hombre transforma constantemente la energía química almacenada en las fuentes de origen fósil (petróleo, carbón, etc.) en otros tipos de energía como la energía térmica y la energía mecánica. La energía almacenada en el material fósil alguna vez en la historia se creó a partir de la energía electromagnética proveniente del sol. Nuestra principal fuente de energía en la Tierra es nuestro sol.
Por lo tanto, el rango de flujo de calor es la cantidad de energía térmica (joule) entre unidad de tiempo (segundo); al rango de flujo de calor también se le llama potencia y se mide en watts (W) (J/s = watt). La densidad de ese flujo de calor, es la cantidad de potencia por unidad de área (W/m2). Dependiendo de la dirección del flujo de calor, ciertos cuerpos pueden considerarse como fuentes de calor o como sumideros de calor.
Una fuente de calor es un cuerpo u elemento de donde “emana” el calor y, por tanto, la dirección del flujo de calor va desde éste hacia un punto a una cierta distancia de éste. Ejemplos de fuentes de calor son el sol, la flama de una chimenea, fogata o estufa, y una resistencia eléctrica.
Ejemplos de fuente de calor
Un sumidero de calor es un cuerpo u elemento que “absorbe” el calor, y por tanto, la dirección del flujo de calor va desde un punto hacia el sumidero de calor. Ejemplos de sumideros de calor son el agua fresca, la tierra fresca o el cielo nocturno.
Ejemplos de sumideros de calor
El hombre ha utilizado las diferentes formas de energía presentes en la Tierra a lo largo de su historia para sus actividades diarias, así como para su desarrollo. Actualmente, en el área del diseño de espacios habitables, así como de los elementos que conforman espacios habitables, es indispensable la implementación de algunas formas de energías para el desarrollo del hombre. En general, la energía ha sido descrita como capacidad de realizar un trabajo. La energía es inmaterial, pero con ella se puede llevar a cabo un movimiento, un esfuerzo físico o un cambio material, es decir, con la energía se puede realizar un cierto tipo de trabajo. La energía puede manifestarse de muchas formas: térmica, eléctrica, mecánica, potencial, etcétera.
Ejemplos de tipos de energía
Como se mencionó anteriormente, es aquella cuya partícula elemental es el fotón. El fotón es considerado como un “paquetito” de energía en una cierta cantidad; en el Universo existe un espectro de fotones con diferentes cantidades de energía. El fotón viaja en línea recta a la velocidad de la luz, creándose un campo eléctrico y un campo magnético. La energía proveniente del sol es energía electromagnética, principalmente, dentro del espectro ultravioleta, visible (luz) e infrarroja (IR). Por tanto, la energía electromagnética es la energía “contenida” en un fotón y que se manifiesta en la longitud y amplitud de las ondas eléctricas y magnéticas.
Es la energía producto de una reacción química, es decir, cuando se rompen enlaces (liberación de energía) entre átomos y/o moléculas o cuando se crean enlaces (absorción de energía) entre átomos y/o moléculas de ciertas sustancias para transformarse en otras sustancias de propiedades diferentes. Ejemplos de energía química es la que se produce a partir de la combustión del carbón, de la leña, del petróleo; la fotosíntesis; digestión de alimentos. La ventaja de la energía química es que puede darse en grandes cantidades; sin embargo, una desventaja es que siempre hay sustancias “desecho”, producto de las reacciones químicas y que pueden ser contaminantes.
Representación de energía química
La energía mecánica es la que tiene capacidad de producir movimiento o alguna transformación en la materia. Existen dos formas de energía mecánica: la cinética y la potencial.
Representación de energía mecánica
Es el trabajo que se necesita para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde su estado de reposo hasta alcanzar una cierta velocidad y que lo hace desplazarse una cierta distancia. Por tanto, es la energía que posee debido a su movimiento. Una vez que el cuerpo se aceleró y consiguió una velocidad determinada, la energía cinética se mantiene de forma constante, a menos que su velocidad cambie. Si la energía cinética aumenta, la velocidad aumenta también; si la energía cinética disminuye, la velocidad también disminuirá. En consecuencia, si un cuerpo regresa a su estado de reposo, entonces se habrá realizado un trabajo negativo de la misma magnitud a la de la energía cinética.
Representación de energía cinética
Es la energía mecánica asociada a la localización de un cuerpo dentro de un campo de fuerzas (gravitatorias, electrostáticas, etc.) o a la existencia de un campo de fuerzas al interior de un cuerpo (energía elástica). Por tanto, la energía potencial que posee el sistema físico representa la energía “almacenada” en virtud de su posición y/o configuración, por contraposición con la energía cinética que tiene un cuerpo debido a su movimiento.
Representación de energía potencial
Es aquella producida por el flujo de electrones a lo largo de un cuerpo material que generalmente es buen conductor de electrones, como los metales. Los electrones fluyen de un polo negativo (exceso de electrones) a un polo positivo (carencia de electrones), ya que las distintas cargas eléctricas (uno negativo y otro positivo) intentan compensarse. Al esfuerzo de compensación se le llama tensión eléctrica, y se mide en unidades llamadas voltios o vatios (V). La cantidad de electrones que fluyen por unidad de segundo, es decir, el flujo de electrones se mide en amperios (A) y equivale a 1 culombio por segundo. Este flujo se denomina como intensidad eléctrica y se abrevia con la letra I. Un culombio equivale a 6.25 x 1018 electrones. De aquí se desprende el térmico de flujo eléctrico o corriente eléctrica. La potencia eléctrica se mide en watts (W) y equivale al producto de la tensión (V) por la corriente (I), descrita por la siguiente ecuación:
P = V * I
Dónde:
P es potencia
V es voltaje
I es intensidad o corriente eléctrica
Representación de energía eléctrica
La energía eléctrica es una de las formas de energía más utilizadas por el hombre porque puede convertirse fácilmente en muchos otros tipos de energía para el uso en las actividades diarias del hombre. La corriente eléctrica puede ser directa (CD) o alterna (CA). La corriente eléctrica directa es aquella que presente una magnitud de intensidad y voltaje siempre constante y a su vez la polaridad del voltaje es siempre la misma. Este tipo de corriente es la que se da en baterías o celdas fotovoltaicas. La corriente eléctrica alterna es la que cambia cíclicamente de magnitud de voltaje e intensidad a lo largo del tiempo, así como el sentido de los polos. La corriente alterna es la que más se utiliza y la que se entrega generalmente a los puntos de consumo (tableros eléctricos, contactos, etc.), ya que es más fácil y eficiente de transportarse. Por tanto, la mayoría de nuestros equipos eléctricos funcionan con corriente eléctrica.
Representación de corriente alterna y directa
Es también denominada como calor (Q). Es el tipo de energía que hace vibrar y rotar a moléculas y átomos. Nuestra principal fuente de calor es el sol.
Energía térmica transferida por diferentes mecanismos
Es la energía que mantiene a los neutrones y protones de un átomo unidos. Esta energía puede ser liberada cuando se divide el núcleo, ya que la fuerza nuclear se debilita, dándose una reacción llamada fisión, o cuando se unen dos núcleos dándose una reacción llamada fusión.
Representación gráfica de energía nuclear
Por otro lado, la energía puede convertirse de un tipo de mayor energía a uno de menor energía, pero no en el sentido opuesto. Ejemplos de transformación de energía:
Ejemplo 1: Combustión de fuente fósil para crear fuego para crear calor.
Ejemplo 2: Reacción de fisión → para crear vapor → para hacer rotar una turbina → para generar electricidad.
Ejemplo 3: Movimiento de agua para hacer rotar una turbina que produzca electricidad.
Representación gráfica de una planta hidroeléctrica
Ejemplo 4: Energía eléctrica que pasa por una resistencia eléctrica para emitir radiación electromagnética visible.
Ejemplo 5: Fotones visibles y ultravioletas solares que generan movimiento de electrones en un material fotovoltaico para la generación de energía eléctrica.
Energía electromagnética visible y UV
Radiación solar
Energía eléctrica
Ejemplo 6: energía eléctrica que pasa por una resistencia eléctrica para emitir radiación electromagnética infrarroja y que se percibe como calor.
Ejemplo 7: Energía eléctrica para girar unos engranes y convertirla en energía mecánica
Un espacio puede considerarse como un sistema termodinámico en donde se intercambia calor del medio exterior al medio interior y viceversa. El hombre se puede considerar a su vez como un sistema termodinámico que forma parte del medio exterior o del medio interior y, por tanto, intercambiando energía con el medio (interior o exterior). El ambiente interior de un sistema está delimitado del ambiente exterior por una frontera. Esta frontera puede ser “permeable” o no a la energía. La frontera de un sistema termodinámico puede ser material o energética.
Es aquel en donde no hay intercambio ni de energía ni de materia entre el medioambiente exterior y el medioambiente interior.
Es aquel en donde no hay intercambio de materia, pero sí de materia entre el medioambiente exterior y el medioambiente interior.
Es aquel en donde sí hay intercambio de energía y de materia entre el medioambiente exterior y el medioambiente interior.
García, L. (2018). Representación gráfica de sistemas termodinámicos, aislado, cerrado y abierto.
Se puede analizar bajo condiciones estacionarias o condiciones dinámicas:
Las características de un sistema termodinámico son base de las interacciones que tiene con el ambiente, el espacio, objeto y el mismo ser humano.
La naturaleza física de los intercambios de materia y energía, los cambios que se producen con los mismos, implican a la termodinámica y su aplicación para el diseño de espacios, ambientes y objetos.
Tanto las leyes de la termodinámica como los conceptos básicos de conversión de energía te serán muy útiles al implementar, diseñar o proponer tecnologías o estrategias de diseño de aprovechamiento de energías renovables. Por ello, debes tener claros estos conceptos.
Fuentes de información
Çengel, Y. y Boles, M. (2012). Termodinámica (7.ª ed.). México: McGraw-Hill.
García, J. (2010). De lo mecánico a lo termodinámico: por una definición energética de la arquitectura y del territorio. Barcelona: Gustavo Gili.
Young, H. y Freedman, R. (2009). Física universitaria de Sears y Zemansky (vol. 1, 12.ª ed.). México: Pearson Educación.
Cómo citar
Lira, A. (2018). Introducción a conceptos termodinámicos y de conversión de energía. Unidades de Apoyo para el Aprendizaje. CUAED-UNAM/Facultad de Arquitectura. Consultado el (fecha) de (vínculo)
