Calentamiento global y la modificacin de los ciclos biogeoqumicosEn la actualidad, la mayoria de los sectores de la sociedad aceptan que estamos en presencia de un CALENTAMIENTO GLOBAL DEL PLANETA, el que imfluira directamente en un cambio climatico , tambien global. De acuerdo a lo que se conoce, el calentamiento global ha sido consecuencia del enorme aumento de las emiciones de ciertos gases hacia la atmosfera producto de la actividad humana, a partir de la hera industrial. La concentracion de dioxido de carbono (CO2) y otros gases, como el oxido nitroso (n2o), a generado un incremento del efecto imvernadero natural, aumentando la temperatura del planeta, fenomeno conocido como CALENTAMIENTO GLOBAL. El calentamiento global a provocado, ademas, cambios en la dinmica de los ciclos biogeoquimicos.Si las concentraciones de carbono y nitrgeno atmosfrico estn aumentando. que ocurre ocurre con el ciclo natural de estos gases ?Los ciclos del carbono y del nitrgeno se han modificado producto de la utilizacin de combustibles fsiles, la deforestacion y algunos procesos agrcolas e industriales. Esto ha acelerado el flujo de estos gases hacia la atmsfera, probocando un cambio en su composicin qumica.

Leyes de la termodinmicaPrimera ley de la termodinmicaPermtase que un sistema cambie de un estado inicial de equilibrio , a un estado final de equilibrio , en un camino determinado, siendo el calor absorbido por el sistema y el trabajo hecho por el sistema. Despus calculamos el valor de . A continuacin cambiamos el sistema desde el mismo estado hasta el estado final , pero en esta ocasin por un camino diferente. Lo hacemos esto una y otra vez, usando diferentes caminos en cada caso. Encontramos que en todos los intentos es la misma. Esto es, aunque y separadamente dependen del camino tomado, no depende, en lo absoluto, de cmo pasamos el sistema del estado al estado , sino solo de los estados inicial y final (de equilibrio).Del estudio de la mecnica recordar, que cuando un objeto se mueve de un punto inicial a otro final , en un campo gravitacional en ausencia de friccin, el trabajo hecho depende solo de las posiciones de los puntos y no, en absoluto, de la trayectoria por la que el cuerpo se mueve. De esto concluimos que hay una energa potencial, funcin de las coordenadas espaciales del cuerpo, cuyo valor final menos su valor inicial, es igual al trabajo hecho al desplazar el cuerpo. Ahora, en la termodinmica, encontramos experimentalmente, que cuando en un sistema ha cambiado su estado al , la cantidad dependen solo de las coordenadas inicial y final y no, en absoluto, del camino tomado entre estos puntos extremos. Concluimos que hay una funcin de las coordenadas termodinmicas, cuyo valor final, menos su valor inicial es igual al cambioen el proceso. A esta funcin le llamamosfuncin de la energa interna.Representemos la funcin de la energa interna por la letra. Entonces la energa interna del sistema en el estado,, es solo el cambio de energa interna del sistema, y esta cantidad tiene un valor determinado independientemente de la forma en que el sistema pasa del estado al estadof: Tenemos entonces que:Como sucede para la energa potencial, tambin para que la energa interna, lo que importa es su cambio. Si se escoge un valor arbitrario para la energa interna en un sistema patrn de referencia, su valor en cualquier otro estado puede recibir un valor determinado. Esta ecuacin se conoce comola primera ley de la termodinmica,al aplicarla debemos recordar que se considera positiva cuando el calor entra al sistema y que ser positivo cuando el trabajo lo hace el sistema.A la funcin interna, se puede ver como muy abstracta en este momento. En realidad, la termodinmica clsica no ofrece una explicacin para ella, adems que es una funcin de estado que cambia en una formapredecible. ( Porfuncin del estado, queremos decir, que exactamente, que su valor depende solo del estado fsico del material: su constitucin, presin, temperatura y volumen.) La primera ley de la termodinmica, se convierte entonces en un enunciado de la ley de la conservacin de la energa para los sistemas termodinmicos.La energa total de un sistema de partculas , cambia en una cantidad exactamente igual a la cantidad que se le agrega al sistema, menos la cantidad que se le quita.Podr parecer extrao que consideremos que sea positiva cuando el calor entra al sistema y que sea positivo cuando la energasaledel sistema como trabajo. Se lleg a esta convencin, porque fue el estudio de las mquinas trmicas lo que provoc inicialmente el estudio de la termodinmica. Simplemente es una buena forma econmica tratar de obtener el mximo trabajo con una maquina de este tipo, y minimizar el calor que debe proporcionrsele a un costo importante. Estas naturalmente se convierten en cantidades de inters.Si nuestro sistema slo sufre un cambio infinitesimal en su estado, se absorbe nada ms una cantidad infinitesimal de calor y se hace solo una cantidad infinitesimal de trabajo , de tal manera que el cambio de energa interna tambin es infinitesimal. Aunque y no son diferencias verdaderas, podemos escribir la primera ley diferencial en la forma:.Podemos expresar la primera ley en palabras diciendo:Todo sistema termodinmico en un estado de equilibrio, tiene una variable de estado llamada energa internacuyo cambioen un proceso diferencial est dado por la ecuacin antes escrita.La primera ley de la termodinmica se aplica a todo proceso de la naturaleza que parte de un estado de equilibrio y termina en otro. Decimos que si un sistema esta en estado de equilibrio cuando podemos describirlo por medio de un grupo apropiado de parmetros constantes del sistema como presin ,el volumen, temperatura, campo magntico y otros la primera ley sigue verificndose si los estados por los que pasa el sistema de un estado inicial (equilibrio), a su estado final (equilibrio), no son ellos mismos estados de equilibrio. Por ejemplo podemos aplicar la ley de la termodinmica a la explosin de un cohete en un tambor de acero cerrado.Hay algunas preguntas importantes que no puede decir la primera ley. Por ejemplo, aunque nos dice que la energa se conserva en todos los procesos, no nos dice si un proceso en particular puede ocurrir realmente. Esta informacin nos la da una generalizacin enteramente diferente, llamada segunda ley de la termodinmica, y gran parte de los temas de la termodinmica dependen de la segunda ley.Segunda ley de la termodinmica.Las primeras mquinas trmicas construidas, fueron dispositivos muy eficientes. Solo una pequea fraccin del calor absorbido de la fuente de la alta temperatura se poda convertir en trabajo til. Aun al progresar los diseos de la ingeniera, una fraccin apreciable del calor absorbido se sigue descargando en el escape de una mquina a baja temperatura, sin que pueda convertirse en energa mecnica. Sigue siendo una esperanza disear una maquina que pueda tomar calor de un depsito abundante, como el ocano y convertirlo ntegramente en un trabajo til. Entonces no seria necesario contar con una fuente de calor una temperatura ms alta que el medio ambiente quemando combustibles. De la misma manera, podra esperarse, que se diseara un refrigerador que simplemente transporte calor, desde un cuerpo fro a un cuerpo caliente, sin que tenga que gastarse trabajo exterior. Ninguna de estas aspiraciones ambiciosas violan la primera ley de la termodinmica. La mquina trmica slo podra convertir energa calorfica completamente en energa mecnica, conservndose la energa total del proceso. En el refrigerador simplemente se transmitira la energa calorifica de un cuerpo fro a un cuerpo caliente, sin que se perdiera la energa en el proceso. Nunca se ha logrado ninguna de estas aspiraciones y hay razones para que se crea que nunca se alcanzarn.La segunda ley de la termodinmica, que es una generalizacin de la experiencia, es una exposicin cuyos artificios de aplicacin no existen. Se tienen muchos enunciados de la segunda ley, cada uno de los cuales hace destacar un aspecto de ella, pero se puede demostrar que son equivalentes entre s. Clausius la enuncio como sigue:No es posible para una mquina cclica llevar continuamente calor de un cuerpo a otro que est a temperatura ms alta, sin que al mismo tiempo se produzca otro efecto (de compensacin).Este enunciado desecha la posibilidad de nuestro ambicioso refrigerador, ya que ste implica que para transmitir calor continuamente de un objeto fro a un objeto caliente, es necesario proporcionar trabajo de un agente exterior. Por nuestra experiencia sabemos que cuando dos cuerpos se encuentran en contacto fluye calor del cuerpo caliente al cuerpo fro. En este caso, la segunda ley elimina la posibilidad de que la energa fluya del cuerpo fro al cuerpo caliente y as determina la direccin de la transmisin del calor. La direccin se puede invertir solamente por medio de gasto de un trabajo.Kelvin (con Planck) enuncio la segunda ley con palabras equivalentes a las siguientes:es completamente imposible realizar una transformacin cuyo nico resultado final sea el de cambiar en trabajo el calor extrado de una fuente que se encuentre a la misma temperatura.Este enunciado elimina nuestras ambiciones de la mquina trmica, ya que implica que no podemos producir trabajo mecnico sacando calor de un solo depsito, sin devolver ninguna cantidad de calor a un depsito que est a una temperatura ms baja.Para demostrar que los dos enunciados son equivalentes, necesitamos demostrar que si cualquiera de los enunciados es falso, el otro tambin debe serlo. Supngase que es falso el enunciado de Clausius, de tal manera que se pudieran tener un refrigerador que opere sin que se consuma el trabajo. Podemos usar una mquina ordinaria para extraer calor de un cuerpo caliente, con el objeto de hacer trabajo y devolver parte del calor a un cuerpo fro.Pero conectando nuestro refrigerador perfecto al sistema, este calor se regresara al cuerpo caliente, sin gasto de trabajo, quedando as utilizable de nuevo para su uso en una mquina trmica. De aqu que la combinacin de una maquina ordinaria y el refrigerador perfecto formar una mquina trmica que infringe el enunciado de Kelvin-Planck. O podemos invertir el argumento. Si el enunciado Kelvin-Planck fuera incorrecto, podramos tener una mquina trmica que sencillamente tome calor de una fuente y lo convierta por completo en trabajo. Conectando esta mquina trmica perfecta a un refrigerador ordinario, podemos extraer calor de un cuerpo ordinario, podemos extraer calor de un cuerpo caliente, convertirlo completamente en trabajo, usar este trabajo para mover un refrigerador ordinario, extraer calor de un cuerpo fro, y entregarlo con el trabajo convertido en calor por el refrigerador, al cuerpo caliente. El resultado neto es una transmisin de calor desde un cuerpo fro, a un cuerpo caliente, sin gastar trabajo, lo infringe el enunciado de Clausius.La segunda ley nos dice que muchos procesos son irreversibles. Por ejemplo, el enunciado de Clausius especficamente elimina una inversin simple del proceso de transmisin de calor de un cuerpo caliente, a un cuerpo fro. Algunos procesos, no slo no pueden regresarse por s mismos, sino que tampoco ninguna combinacin de procesos pueden anular el efecto de un proceso irreversible, sin provocar otro cambio correspondiente en otra parte.Tercera ley de la termodinmica.En el anlisis de muchas reacciones qumicas es necesario fijar un estado de referencia para la entropia. Este siempre puede escogerse algn nivel arbitrario de referencia cuando solo se involucra un componente; para las tablas de vapor convencionales se ha escogido 320F. Sobre la base de las observaciones hechas por Nernst y por otros, Planck estableci la tercera ley de la termodinmica en 1912, as:la entropia de todos los slidos cristalinos perfectos es cero a la temperatura de cero absoluto.Un cristal perfecto es aquel que esta en equilibrio termodinmica. En consecuencia, comnmente se establece la tercera ley en forma ms general, como:La entropia de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinamico tiende a cero a medida que la temperatura tiende a cero.La importancia de la tercera ley es evidente. Suministra una base para el calculo de las entropas absolutas de las sustancias, las cuales pueden utilizarse en las ecuaciones apropiadas para determinar la direccin de las reacciones qumicas.Una interpretacin estadstica de la tercera ley es ms bien sencilla, puesto que la entropia se ha definido como:En dondekes la constante de Bolzmall es la probabilidad termodinmica. En vista de la anterior disertacin, la tercera ley equivale a establecer que:cuando0.Esto significa que slo existe una forma de ocurrencia del estado de energa mnima para una sustancia que obedezca la tercera ley.Hay varios casos referidos en la literatura en donde los clculos basados en la tercera ley no estn desacuerdo con los experimentos. Sin embargo, en todos los casos es posible explicar el desacuerdo sobre la base de que la sustancia no es pura, esto es, pueda haber dos o ms istopos o presentarse molculas diferentes o, tambin, una distribucin de no equilibrio de las molculas. En tales casos hay ms de un estado cuntico en el cero absoluto y la entropia no tiende a cero.

Entropa.La entropa, como todas las variables de estado, dependen slo de los estados del sistema, y debemos estar preparados para calcular el cambio en la entropa de procesos irreversibles, conociendo slo los estados de principio y al fin.

DEFINICIN DE TRABAJO Y CALOR

Son intercambios energticos que tienen lugar como consecuencia de las interacciones que pueden experimentar los sistemas termodinmicos. Tanto el calor como el trabajo son manifestaciones externas de la energa y nicamente se evidencian en las fronteras de los sistemas y solamente aparecern cuando estos experimenten cambios en sus estados termodinmicos. En las interacciones que experimentan los sistemas, estos pueden recibir o ceder energa. La energa se considera como una magnitud algebraica establecindose el siguiente criterio: trabajo que proporciona el sistema positivo y el que recibe negativo. As mismo, el calor suministrado al sistema se considera positivo y el cedido por l negativo.La principal diferencia entre ambas es la forma en la que se transfieren. El calor se transfiere entre dos cuerpos que tienen diferente temperatura. El trabajo se transfiere cuando entre dos cuerpos se realizan fuerzas que provocan desplazamientos o cambios dimensionales.

La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio o fro que puede ser medida con un termmetro. En fsica, se define como una magnitud escalar relacionada con la energa interna de un sistema termodinmico, definida por el principio cero de la termodinmica. Ms especficamente, est relacionada directamente con la parte de la energa interna conocida como energa cintica, que es la energa asociada a los movimientos de las partculas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida de que sea mayor la energa cintica de un sistema, se observa que ste se encuentra ms caliente; es decir, que su temperatura es mayor.

Motores elctricosEl motor elctrico es un dispositivo que transforma la energa elctrica en energa mecnica por medio de la accin de los campos magnticos generados en sus bobinas. Son mquinas elctricas rotatorias compuestas por un esttor y un rotor.Algunos de los motores elctricos son reversibles, ya que pueden transformar energa mecnica en energa elctrica funcionando como generadores o dinamo. Los motores elctricos de traccin usados en locomotoras o en automviles hbridos realizan a menudo ambas tareas, si se disean adecuadamente.Son utilizados en infinidad de sectores tales como instalaciones industriales, comerciales y particulares. Su uso est generalizado en ventiladores, vibradores para telfonos mviles, bombas, medios de transporte elctricos, electrodomsticos, esmeriles angulares y otras herramientas elctricas, unidades de disco, etc. Los motores elctricos pueden ser impulsados por fuentes de corriente continua (DC), y por fuentes de corriente alterna (AC).

Motor de CombustinSe denomina motor de combustin a un motor capaz de transformar en movimiento la energa proveniente de la combustin de sustancias adecuadas, denominadas combustibles.

Cuando la combustin se produce dentro de un recinto cerrado se denominan motores de combustin interna, normalmente utilizados en automviles.

Tambin existen motores de combustin externa, en los cuales la combustin se realiza en una cmara exterior al motor llamada caldera, como las mquinas de vapor.

Motor de combustin internaUn motor de combustin interna, motor a explosin o motor a pistn, es un tipo de mquina que obtiene energa mecnica directamente de la energa qumica de un combustible que arde dentro de la cmara de combustin. Su nombre se debe a que dicha combustin se produce dentro de la propia mquina, a diferencia de, por ejemplo, la mquina de vapor.

Motor de combustin externaUn motor de combustin externa es una mquina que realiza una conversin de energa calorifca en energa mecnica mediante un proceso de combustin que se realiza fuera de la mquina, generalmente para calentar agua que, en forma de vapor, ser la que realice el trabajo, en oposicin a los motores de combustin interna, en los que la propia combustin, realizada dentro del motor, es la que lleva a cabo el trabajo.

Los motores de combustin externa tambin pueden utilizar gas como fluido de trabajo (aire, H2 y He los ms comunes) como en el ciclo termodinmico Stirling.

EficienciaAlrededor del 70% del consumo de energa se debe al funcionamiento de los motores. Es significativo el hecho de que los motores, suministran en su mayor parte, la energa que mueve los accionamientos de una embarcacin, por lo que la operacin y conservacin de los motores en la misma, representa uno de los campos ms frtiles de oportunidades en el ahorro, que se traducen en una reduccin en los costos y en una mayor eficiencia.

El ahorro comienza desde la seleccin apropiada de los motores. Siempre hay uno adecuado a las necesidades que se tienen, tanto en lo que respecta a su tipo por condiciones de operacin, as como por su tamao o potencia. Los mayores ahorros se obtienen cuando el motor y su carga operan a su mxima eficiencia.