NATURALEZA DE LA TERMIDINÁMICA Y SU RELACIÓN CON OTRAS ÁREAS DE LA INGENIERÍA

NATURALEZA DE LA TERMIDINÁMICA Y SU RELACIÓN CON OTRAS ÁREAS DE LA INGENIERÍA

1.1.1 DEFINICIONES E INTRODUCCIÓN

La termodinámica se define como el estudio de la energía, sus formas y transformaciones, así como sus interacciones con la materia. Antes de iniciar este estudio, es útil reflexionar sobre el lugar y utilidad que tiene esta disciplina, no sólo en el currículo del ingeniero y del científico sino en el marco mismo de la sociedad.

La ciencia de la termodinámica nació en el siglo diecinueve como una necesidad de describir el funcionamiento de las máquinas de vapor y de establecer límites a lo que éstas podían hacer. Es así como el nombre mismo significa potencia generada por el calor, y sus aplicaciones iniciales fueron las máquinas térmicas, de las cuales la máquina de vapor es un ejemplo. Sin embargo, los principios observados como válidos para las máquinas pronto se generalizaron en postulados, los cuales se conocen ahora como la primera y segunda leyes de la termodinámica.

Estas leyes no tienen demostración en el sentido matemático; su validez se sustenta en la ausencia de experiencia contraria a lo establecido por ellas. Así, la termodinámica forma parte, junto con la mecánica y el electromagnetismo, del conjunto de leyes básicas de la física. A través de un proceso de deducción matemática, estas leyes conducen a un conjunto de ecuaciones que encuentran aplicación en todas las ramas de la ciencia y la ingeniería. El ingeniero químico debe enfrentar una gama muy amplia de problemas. Entre ellos se encuentra el cálculo de los requerimientos de calor y trabajo para procesos físicos y químicos, así como la determinación de las condiciones de equilibrio para reacciones químicas y para la transferencia de especies químicas entre fases.

Las consideraciones termodinámicas no establecen la rapidez con la que se llevan a cabo los procesos químicos o físicos. Esta rapidez depende tanto de las fuerzas impulsoras como de la resistencia. Aunque las fuerzas impulsoras son variables termodinámicas, las resistencias no lo son. Ningún planteamiento termodinámico, que es una formulación de una propiedad macroscópica, puede revelar los mecanismos microscópicos (moleculares) de los procesos físicos o químicos. Por otra parte, el conocimiento del comportamiento microscópico de la materia puede ser útil en el cálculo de propiedades termodinámicas.

La aplicación de la termodinámica a cualquier problema real comienza con la identificación de un cuerpo particular de materia como foco de atención. Este cuerpo de materia recibe el nombre de sistema, y el estado termodinámico de éste se define en términos de unas cuantas propiedades macroscópicas medibles. Estas propiedades dependen de las dimensiones fundamentales utilizadas en ciencia, de las cuales la longitud, el tiempo, la masa, la temperatura y la cantidad de sustancia

son las de mayor interés

Valor de la energía

La disponibilidad de la energía y la habilidad de las personas para aprovechar esa energía en forma útil ha transformado nuestra sociedad. Hace apenas unos siglos, la mayoría de la población luchaba por subsistir produciendo la comida de consumo local. Actualmente, en muchos países una pequeña fracción de la fuerza de trabajo total produce abundante comida para toda la población y mucha de esta gente queda libre para otras actividades.

Es posible viajar grandes distancias en poco tiempo mediante la elección de transportes (incluyendo tanto viajes a la órbita de la tierra como a nuestro satélite natural más cercano, por ejemplo); es posible la comunicación instantánea con personas en cualquier lugar de la tierra; se tienen los medios para controlar grandes cantidades de energía a nuestro antojo personal en forma de automóviles, herramientas eléctricas, aparatos y condicionamiento del bienestar en las viviendas.

Cómo se produjeron esos cambios? Fueron el resultado de una combinación de inventiva e ingenio, acoplados con una esmerada construcción teórica por algunos grandes científicos e ingenieros a través de los años. La historia de este desarrollo de la ciencia básica y de la ingeniería tal como ahora se conocen es, además de interesante, una fuente de inspiración, pero resulta muy larga para resumirla aquí.

Dada su generalidad, la termodinámica es la ciencia básica que sirve de punto de partida para el estudio de muchos otros temas de ingeniería; el más obvio es la transferencia de calor, el cual se refiere a cómo la energía pasa de un material o de un lugar a cierta temperatura, a otro material o a otro lugar a una temperatura diferente; la mecánica de fluidos se refiere a los fluidos en movimiento bajo la acción de fuerzas externas y a las transformaciones de la energía entre las formas mecánica y térmica durante dicho movimiento; muchos temas de la ciencia de materiales como aquéllos que consideran las cantidades relativas de varias formas estructurales de los materiales presentes en los sólidos y la manera en que estas cantidades relativas cambian en diferentes condiciones; y, en cierta forma, todos los temas que se refieren a la energía en cualquiera de sus formas.

Otra forma de observar el alcance de la termodinámica en los estudios que interesan a los ingenieros consiste en examinar sus muchos y diversos campos de aplicación. Entre éstos se incluyen

...