Eficiencia energética en las instalaciones de calefacción y acs en los edificios. ENAC0108
En el SI el volumen se expresa en m3.
Sabía que...
La ecuación del gas ideal P · V = n · R · T relaciona magnitudes intensivas y extensivas de un sistema termodinámico.
Energía interna, entalpía y entropía
Además de las propiedades anteriormente estudiadas, la energía interna de un sistema, su entalpía y su entropía son también parámetros característicos que definen un determinado estado del sistema.
2.2. Concepto de energía y calor
La energía es el motor que produce el cambio en cualquier sistema, además la energía presenta sus variaciones del sistema en distintas formas, por ejemplo: energía mecánica, energía calorífica, energía química, energía eléctrica, etc.
Caldera de un tren de vapor
La unidad de la energía en el SI es el Julio (J); aunque también podemos encontrar la energía expresada en calorías (cal) o kilocalorías (kcal), siendo su equivalencia: 1 cal = 4,18 J.
Energía en un sistema termodinámico
Los sistemas termodinámicos se basan en el intercambio de energía, tales como energía mecánica, energía química, calor, etc. Dentro de un mismo sistema termodinámico podemos encontrar los siguientes tipos:
1 Energía mecánica. La energía mecánica se descompone en energía cinética (Ec) y energía potencial (Ep). La energía cinética se genera cuando un sistema está en movimiento o produce una variación del mismo.La energía potencial puede ser gravitatoria, eléctrica o magnética. En el caso de los sistemas termodinámicos, esta suele ser gravitatoria.Donde: m = la masa del sistema medida en kilogramos (kg). g = es la gravedad (en el caso de la tierra, g = 9,8 m/s2). h = es la diferencia de altura del sistema estudiado, medida en metros (m).
2 Energía interna. Es la energía que presenta toda masa contenida dentro de un sistema debido al movimiento de sus átomos y moléculas. Ejemplo: si calentamos un recipiente que contiene agua, las moléculas de esta comenzarán a moverse, produciéndose un mayor rozamiento entre las moléculas e incrementando, por tanto, su energía interna.
Variación de la energía interna de un líquido
Para que se produzcan cambios energéticos en un sistema, este debe interactuar con el entorno. Estas interacciones se pueden producir de tres formas distintas:
1 Intercambio de masa. Se realiza cuando un sistema y un entorno intercambian masa (solido, líquido y/o gas).
2 Intercambio mecánico. Se produce cuando la aplicación de fuerzas genera desplazamientos o movimientos entre el sistema y el entorno. La interacción mecánica se conoce por “trabajo” (W), cuyas unidades en SI se expresan en J y que también equivalen a J = N · m.
3 Intercambio térmico. El calor es el intercambio térmico o diferencia de temperatura existente entre el sistema y el entorno.
Calor
El calor (Q) es energía que se desplaza de un sistema a otro debido a la diferencia de temperatura entre ambos. Cuando dos sistemas están en contacto el calor de ambos tiende a igualarse, dando como resultado un equilibrio térmico. El calor es una energía y por tanto sus unidades son el Julio.
Sabía que...
¿Es correcto decir en verano la expresión “tengo calor”?
Según la termodinámica, el calor es energía en constante movimiento, transfiriéndose de un sistema o cuerpo a otro. Por lo tanto, un objeto o sistema no posee calor, sino una temperatura diferente que puede ser comparada con otro sistema, como la temperatura ambiente.
Actividades
2. Llene un vaso de agua directamente del grifo hasta la mitad y mida su temperatura con un termómetro. A continuación, coloque el vaso en la nevera y, transcurrido un tiempo, vuelva a realizar la medición. ¿A qué se debe el cambio en la lectura de la medida? ¿Cuál es el entorno y cuál el sistema? ¿Será la misma temperatura que midió al principio si llena el resto del vaso con agua del grifo nuevamente?
2.3. Escalas termométricas
Como ya se ha estudiado, la temperatura debe expresarse en el SI en grados Kelvin; sin embargo, en la actualidad existen varias escalas termométricas que, dada su importancia en diferentes campos de la ciencia, siguen manteniéndose como válidas. Es por ello indispensable conocer las distintas escalas y tener la capacidad de convertir los valores a cada una de ellas.
La ciencia que se encarga del estudio de la variación térmica es la termometría, y el instrumento empleado para ello es el termómetro.
Termómetro de mercurio
La existencia de las distintas escalas gráficas o termómetros se debe a que cada uno de ellos parte desde distintas ideas de sus creadores y, por tanto, desde distintos puntos de medición. La transformación de valores entre las distintas escalas es posible porque todos guardan una misma relación, la medición de la variación térmica de un cuerpo respecto de otro, lo que significa que si tratamos de medir la temperatura de un cuerpo, la variación térmica que se produzca entre el entorno y el cuerpo o sistema será siempre la misma, independientemente de la escala empleada.
La construcción de un termómetro es posible gracias al Principio Cero de la Termodinámica, enunciado por Ralph H. Fowler, quien expuso que “si un sistema A está en equilibrio con otro sistema B y este a su vez está en equilibrio con un sistema C, entonces los sistemas A, B y C están en equilibrio térmico entre sí”.
Proceso de medición de temperatura mediante un termómetro
Ejemplo
Supongamos que tenemos un termómetro, que es un sistema y queremos medir agua en un vaso que procede de la nevera, que en este caso sería otro sistema “B”. Si se introduce el termómetro en el vaso, ambos sistemas se equilibrarían rápido y al ser la masa del termómetro menor que la del vaso obtendría rápidamente el valor de la temperatura sin producir alteración. No obstante, a medida que vaya pasando el tiempo, la temperatura del agua irá equilibrándose con la del entorno o sistema “C”, y finalmente tanto el agua como el termómetro y el entorno tendrán la misma temperatura.
Además del principio cero de la termodinámica, un termómetro debe presentar las siguientes características:
1 Una masa muy pequeña con respecto al sistema a medir, de esta forma se evita la alteración de la medida por culpa del propio termómetro.
2 Facilidad de variación, para obtener unos valores lo más rápido posible.
3 Capacidad de dilatación termométrica del material empleado