Estuvimos viendo cómo, aplicando la ley de Charles, podíamos emplear energía calorífica para generar un trabajo, pudiendo emplearlo para distintos fines, como para mover las ruedas de un tren. La energía calorífica generaba un trabajo elevando la tapa (un pistón) y aumentando su energía potencial la cual; dejada caer la tapa, disminuía dicha energía, generando un trabajo que podía ser empleado para distintos fines. Lo interesante es que esto no sólo ocurra una vez, sino que ocurra muchas veces, repetitivamente, cíclicamente. Para comprender qué es lo que ocurre en un ciclo es frecuente emplear diagramas, en los cuales aparezcan expresados los distintos estadios que se dan en la evolución del sistema. Con esto tienen que ver los famosos ciclos de Carnot, que veremos más adelante. Hoy vamos a tratar de aproximarnos a ello, representando en ejes de coordenadas los distintos estados, así como los tránsitos de unos a otros. De lo que se trata es de comprender cómo evoluciona el sistema, para lo cual la capacidad para leer los diagramas es más que beneficiosa. Se suele representar el volumen en las abscisas, y la presión en las ordenadas.
El ejemplo que vimos se trataba de un ejemplo sencillo, en el que la presión era constante, por lo que el diagrama se va a simplificar mucho, reduciéndose a una línea horizontal. ¿Por qué no ponemos en los ejes de coordenadas las dos magnitudes que varían en nuestro caso, el volumen y la temperatura? Lo normal es que la presión varíe, algo que acometeremos también enseguida; y lo cierto es que, para el estudio de la termodinámica, es más interesante observar la relación presión-volumen (enseguida veremos por qué), por lo que cuanto antes nos familiaricemos con ello mejor. Vamos a nuestro caso. Partimos de un estado inicial (1), en el que tenemos un volumen de un determinado gas V₁ a una T₁, y sometido a una presión P (que era igual a la resultante de sumar la ejercida por la tapa más la atmosférica), y que se mantiene constante, es decir, siempre va a seguir siendo P, no va a variar.
¿Qué es lo que ocurre a continuación? Pues que, al aumentar la temperatura a T₂, también aumenta el volumen del gas (a V₂) subiendo la tapa, y manteniéndose la presión constante —como sabemos—, pues recordemos que se trata de un proceso isobárico, en el que la tapa está sencillamente dejada caer. ¿Por qué decía que es interesante representar estos procesos en diagramas presión-volumen? Pues porque, de un modo intuitivo (aunque se pueda calcular también gráficamente) se puede saber enseguida cuál es el trabajo realizado en el proceso, que no es otro que el representado por el área encerrada por el rectángulo dibujado por el segmento que uno los puntos 1 y 2 y su proyección en el eje de abscisas. Esto es muy interesante, porque, una vez dibujados distintos ciclos, se puede ver de modo muy intuitivo cuál de ellos realiza más o menos trabajo.
Y esto, ¿por qué es así?, ¿por qué ese rectángulo nos da la magnitud del trabajo generado? La explicación es muy sencilla. Decíamos que el trabajo generado tenía que ver con el desplazamiento de la tapa hacia arriba una determinada altura, en virtud de la cual se alcanzaba ese incremento de energía potencial. Lo cierto es que, para calcular el trabajo generado, se puede hacer tanto a partir de la variación de energía del sistema como por el efecto de las fuerzas aplicadas: son dos modos de decir lo mismo, por decirlo así. En función de lo que sea más fácil, se puede emplear un procedimiento o el otro. Por lo que a nosotros compete, nos interesa aquí el segundo, en virtud del cual se define trabajo como el producto de una fuerza por el desplazamiento obtenido: W = F·d; y se mide en julios (J), que se define como el trabajo realizado por una fuerza de 1 newton para desplazar un objeto 1 metro: J = N·m.
Es fácil de ver que el gas, al calentarse, ha ejercido una fuerza hacia arriba a la tapa, motivo por el cual ha subido una determinada altura. Decíamos que el gas estaba inicialmente a una presión P, que era causada por la presión atmosférica y por el peso de la tapa (el cual no deja de ser una fuerza, el peso digo, la cual, dividida por la superficie de la tapa, nos daba la presión que ejercía). En este caso, sabida la presión P del gas, si queremos calcular la fuerza F ejercida habrá que multiplicarla por la superficie de la tapa: F = P·Stapa. En virtud de esa fuerza, la tapa ha ascendido una determinada altura, que se corresponde con el aumento de volumen del gas, el cual será igual al producto de la superficie de la tapa por la altura elevada de 1 a 2 (tal y como se calcula el volumen de un cilindro, o de cualquier prisma): ΔV = Stapa·h. De este modo tenemos que la distancia vertical que asciende la tapa, la altura, es igual al cociente entre el volumen obtenido y su superficie: h = ΔV/Stapa.
Como decíamos que el trabajo es igual a la fuerza realizada por el desplazamiento del objeto (la altura que ha subido la tapa), tenemos que: W = F·d = P·Stapa · ΔV/Stapa = P· ΔV. Este resultado, si volvemos al diagrama, equivale precisamente al cálculo del rectángulo sombreado, cuyo lado horizontal es ΔV = V₂₁ - V₁, y el vertical P. Algo que, por otro lado, nos indica una idea interesante, como es que, a efectos del trabajo realizado, no importa el tamaño de la superficie de la tapa, porque como la fuerza ejercida es proporcional a ella y el aumento de altura inversamente proporcional, se compensa y queda el trabajo únicamente en función del valor de la presión y del aumento de volumen.
Como dice Gómez Esteban (autor en el que me estoy inspirando) «el trabajo de expansión de un gas en un proceso isobárico es igual a la presión multiplicada por el aumento de volumen», algo que se observa perfectamente en el diagrama en cuestión. Cualquier otro caso, por ejemplo, que hubiera que subir la tapa una altura doble, la superficie de dicho rectángulo sería doble, del mismo modo que el trabajo a realizar también sería doble, pues habría que aplicar la misma fuerza durante el doble de altura. Y lo mismo valdría para el caso en que la presión no fuera constante: si bien cálcularlo matemáticamente, siendo posible, sería más engorroso al tener que emplear ecuaciones diferenciales, gráficamente es mucho más intutivo.
El mismo diagrama podría servirnos en el caso contrario, es decir, en vez de ir de 1 a 2, comenzar en 2 e ir a 1: en este caso el gas no ‘realiza’ un trabajo sino que lo ‘recibe’, convirtiéndose la energía mecánica (el descenso de la tapa) en energía calorífica (calentamiento del gas). Si nos damos cuenta, acabamos de definir un ciclo: estábamos en 1, en donde un gas calentado (externamente) ejercía un trabajo al enfriarse, expandiéndose y elevando la tapa, llegando a 2; luego partimos de 2, descendiendo la tapa, comprimiendo al gas y calentándolo. En definitiva, después de estos cambios el sistema ha vuelto al punto de partida, encontrándose al final igual que estaba al principio. Esto y no otra cosa es un ciclo. Ciertamente, en la realidad son más complejos que este desplazamiento 1 – 2 – 1; pero su comprensión es análoga a lo que acabamos de hacer. De todo ello seguiremos hablando.
No hay comentarios:
Publicar un comentario