Se denomina
energía térmica a la fuerza liberada en forma de calor. Puede ser obtenida de
la naturaleza o del sol, mediante una reacción exotérmica, como la combustión
de algún combustible; por una reacción nuclear de fisión o de fusión; mediante
energía eléctrica por efecto Joule o por efecto termoeléctrico; o por
rozamiento, como residuo de otros procesos mecánicos o químicos. Así mismo, es
posible aprovechar energía de la naturaleza que se encuentra en forma de
energía térmica calorífica, como la energía geotérmica o la energía solar
fotovoltaica.
La obtención de
energía térmica implica un impacto ambiental. La combustión libera dióxido de
carbono (CO2) y emisiones contaminantes. La tecnología actual en energía
nuclear da lugar a residuos radiactivos que deben ser controlados. Además deben
tenerse en cuenta la utilización de terreno de las plantas generadoras de
energía y los riesgos de contaminación por accidentes en el uso de los
materiales implicados, como los derrames de petróleo o de productos
petroquímicos derivados.
central termoeléctrica
Una central
termoeléctrica o central térmica es una instalación empleada para la generación
de energía eléctrica a partir de la energía liberada en forma de calor,
normalmente mediante la combustión de combustibles fósiles como petróleo, gas
natural o carbón. Este calor es empleado por un ciclo termodinámico
convencional para mover un alternador y producir energía eléctrica.
Algunas centrales
termoeléctricas contribuyen al efecto invernadero emitiendo dióxido de carbono.
No es el caso de las centrales de energía solar térmica que, al no quemar
ningún combustible, no lo hacen. También hay que considerar que la masa de este
gas emitida por unidad de energía producida no es la misma en todos los casos:
el carbón se compone de carbono e impurezas. Casi todo el carbono que se quema
se convierte en dióxido de carbono -también puede convertirse en monóxido de
carbono si la combustión es pobre en oxígeno-. En el caso del gas natural, por
cada átomo de carbono hay cuatro de hidrógeno que también producen energía al
convertirse en agua, por lo que contaminan menos por cada unidad de energía que
producen y la emisión de gases perjudiciales procedentes de la combustión de
impurezas -como los óxidos de azufre- es mucho menor.
Cuando el calor
se obtiene mediante la fisión controlada de núcleos de uranio la central se
llama central nuclear. Este tipo de central no contribuye al efecto
invernadero, pero tiene el problema de los residuos radioactivos que han de ser
guardados durante miles de años y la posibilidad de accidentes graves.
Termodinámica
Sistema termodinámico típico
mostrando la entrada desde una fuente de calor (caldera) a la izquierda y la
salida a un disipador de calor (condensador) a la derecha. El trabajo se extrae en este caso por una
serie de pistones
La termodinámica
(del griego θερμo, termo, que significa «calor»1 y δύναμις, dínamis, que
significa «fuerza»)2 es la rama de la física que describe los estados de
equilibrio a nivel macroscópico.3 Constituye una teoría fenomenológica, a
partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelizar
y sigue un método experimental.4 Los estados de equilibrio son estudiados y
definidos por medio de magnitudes extensivas tales como la energía interna, la
entropía, el volumen o la composición molar del sistema,5 o por medio de
magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura,
presión y el potencial químico; otras magnitudes tales como la imanación, la
fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en
general también pueden ser tratadas por medio de la termodinámica.
Es importante
recalcar que la termodinámica ofrece un aparato formal aplicable únicamente a
estados de equilibrio,6 definidos como aquel estado hacia «el que todo sistema
tiende a evolucionar y caracterizado porque en el mismo todas las propiedades
del sistema quedan determinadas por factores intrínsecos y no por influencias
externas previamente aplicadas».7 Tales estados terminales de equilibrio son,
por definición, independientes del tiempo, y todo el aparato formal de la
termodinámica --todas las leyes y variables termodinámicas--, se definen de tal
modo que podría decirse que un sistema está en equilibrio si sus propiedades
pueden ser descritas consistentemente empleando la teoría termodinámica.8 Los
estados de equilibrio son necesariamente coherentes con los contornos del
sistema y las restricciones a las que Esté
Sometido. Por
medio de los cambios producidos en estas restricciones (esto es, al retirar
limitaciones tales como impedir la expansión del volumen del sistema, impedir
el flujo de calor, etc), el sistema tenderá a evolucionar de un estado de
equilibrio a otro;9 comparando ambos estados de equilibrio, la termodinámica
permite estudiar los procesos de intercambio de masa y energía térmica entre
sistemas térmicos diferentes. Para tener un mayor manejo se especifica que
calor significa «energía en tránsito» y dinámica se refiere al «movimiento»,
por lo que, en esencia, la termodinámica estudia la circulación de la energía y
cómo la energía infunde movimiento. Históricamente, la termodinámica se
desarrolló a partir de la necesidad de aumentar la eficiencia de las primeras
máquinas de vapor.
Como ciencia
fenomenológica, la termodinámica no se ocupa de ofrecer una interpretación
física de sus magnitudes. La primera de ellas, la energía interna, se acepta
como una manifestación macroscópica de las leyes de conservación de la energía
a nivel microscópico, que permite caracterizar el estado energético del sistema
macroscópico.10 El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones
termodinámicas son los principios de la termodinámica, que postulan que la
energía puede ser intercambiada entre sistemas en forma de calor o trabajo, y
que sólo puede hacerse de una determinada manera. También se introduce una magnitud
llamada entropía,11 que se define como aquella función extensiva de la energía
interna, el volumen y la composición molar que toma valores máximos en
equilibrio: el principio de maximización de la entropía define el sentido en el
que el sistema evoluciona de un estado de equilibrio a otro.12 Es la mecánica
estadística, íntimamente relacionada con la termodinámica, la que ofrece una
interpretación física de ambas magnitudes: la energía interna se identifica con
la suma de las energías individuales de los átomos y moléculas del sistema, y
la entropía mide el grado de orden y el estado dinámico de los sistemas, y
tiene una conexión muy fuerte con la teoría de información.13 En la
termodinámica se estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas,
lo que lleva a definir conceptos como sistema termodinámico y su contorno. Un
sistema termodinámico se caracteriza por sus propiedades, relacionadas entre sí
mediante las ecuaciones de estado. Éstas se pueden combinar para expresar la
energía interna y los potenciales termodinámicos, útiles para determinar las
condiciones de equilibrio entre sistemas y los procesos espontáneos.
Con estas
herramientas, la termodinámica describe cómo los sistemas responden a los
cambios en su entorno. Esto se puede aplicar a una amplia variedad de temas de
ciencia e ingeniería, tales como motores, transiciones de fase, reacciones
químicas, fenómenos de transporte, e incluso agujeros negros. Los resultados de
la termodinámica son esenciales para la química, la física, la ingeniería
química, etc , por nombrar algunos.
Máquina térmica
Por el contrario, en una máquina
hidráulica, que es otro tipo de máquina de fluido, la variación de
densidad es suficientemente pequeña como para poder desacoplar el análisis de
los efectos mecánicos y el análisis de los efectos térmicos, llegando a
despreciar los efectos térmicos en gran parte de los casos. Tal es el caso de
una bomba hidráulica,
a través de la cual pasa líquido. Alejándose de
lo que indica la etimología de la palabra «hidráulica», también puede
considerarse como máquina hidráulica un ventilador, pues,
aunque el aire es
un fluido compresible, la variación de volumen
específico no es muy
significativa con el propósito de que no se desprenda la capa límite.
En una máquina térmica, la compresibilidad del fluido no es despreciable y es
necesario considerar su influencia en la transformación de energía.
