PARTE III · Materia, energía y universo
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Energía, calor y entropía
por qué conservar no es poder aprovechar
En este capítulo
Una máquina térmica puede convertir parte del calor que recibe en trabajo, pero no todo. ¿Qué determina ese límite y adónde va el resto? Para responder, hay que seguir las transferencias de energía y distinguir calor de trabajo; esas distinciones también explican la dirección de muchos procesos.
14.1. La energía como contabilidad de transformaciones#
Una masa elevada, un resorte deformado y un objeto en movimiento pueden producir cambios en otros cuerpos. Sus mecanismos son distintos, pero existe una magnitud que permite relacionar cuantitativamente esas transformaciones: la energía. No es una sustancia invisible que tenga que imaginarse circulando como agua. Es una propiedad medible de los sistemas, cuyo balance restringe qué transformaciones pueden ocurrir. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 1, § 8.3.
Decir que un sistema posee energía no explica por sí solo cómo puede aprovecharse. Importan su forma, la configuración del sistema, el entorno y los procesos disponibles. Una habitación y un pequeño depósito a temperatura elevada pueden contener cantidades de energía interna muy diferentes, pero la cantidad total no decide cuál permite accionar una máquina térmica en unas condiciones dadas.
La palabra «energía» también aparece en expresiones sobre entusiasmo o bienestar. Esos usos pueden ser metáforas legítimas, pero no quedan respaldados automáticamente por las leyes físicas. Para que una afirmación sea física debe especificar qué magnitud se mide, en qué unidades y mediante qué interacción.
14.2. Trabajo y energía mecánica#
El trabajo mecánico describe una transferencia de energía asociada a una fuerza y a un desplazamiento. Para una fuerza constante aplicada a un punto:
Ejemplo construido. Una fuerza de 15 N desplaza su punto de aplicación 4 m en la misma dirección. Transfiere 60 J mediante trabajo. Si el desplazamiento es perpendicular a esa fuerza, el trabajo de esa fuerza es cero. No se ha afirmado que no actúen otras fuerzas ni que el dispositivo que la mantiene carezca de pérdidas internas.
La energía cinética de traslación de un cuerpo de masa
La dependencia cuadrática es importante. Duplicar la rapidez cuadruplica esa energía; duplicar la masa solamente la duplica. Su valor depende de la referencia respecto de la cual se mide la velocidad. La energía cinética no es una propiedad independiente del estado de movimiento del observador. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 1, § 7.2.
Ejemplo construido. Un carro de 4 kg tiene 8 J de energía cinética a 2 m/s y 32 J a 4 m/s. El aumento no es de 8 J, sino de 24 J. Una intuición puramente lineal subestima cómo crecen las exigencias de cambiar el movimiento.
La energía potencial representa la parte del balance asociada a una configuración y a una interacción. Cerca de la superficie terrestre, elevar una masa una altura
14.3. Potencia: la rapidez de la transferencia#
La potencia es energía transferida o transformada por unidad de tiempo. La potencia media es
Ejemplo construido. Un equipo que funciona a potencia constante de 500 W durante dos horas transforma la misma cantidad de energía que otro de 1 000 W durante una hora: 1 kWh. Como una hora tiene 3 600 segundos, un kilovatio-hora equivale a
Esta diferencia permite interpretar capacidades sin inventar rendimientos. Un sistema que almacena 6 kWh no puede entregar necesariamente 6 kW: la energía almacenada y la potencia máxima de salida son características distintas. Incluso con potencia suficiente, el tiempo de funcionamiento depende de las pérdidas y de cuánta energía resulte accesible bajo las condiciones de uso.
| Magnitud | Pregunta que responde | Relación ilustrativa |
|---|---|---|
| Energía | ¿Cuánto se transfirió o transformó? | 1 kWh = 3,6 MJ |
| Potencia | ¿A qué ritmo ocurrió? | 1 kW = 1 000 J/s |
| Rendimiento | ¿Qué proporción alcanzó el efecto definido como útil? |
Las conversiones son exactas; «útil» requiere definir la finalidad y la frontera. Una misma salida puede ser aprovechable para calefacción e indeseable para refrigeración. Elaboración conceptual a partir de las definiciones de energía y potencia.
14.4. Temperatura no es cantidad de calor#
La temperatura es una variable que permite caracterizar el equilibrio térmico y la dirección del intercambio espontáneo de energía por diferencia térmica. Dos sistemas en equilibrio térmico no presentan transferencia neta de calor entre sí. La temperatura no es la suma de la energía de todas sus partículas ni una medida del tamaño del sistema. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 2, § 1.1.
El calor es energía transferida a causa de una diferencia de temperatura. No es una sustancia contenida en los cuerpos. Un cuerpo tiene energía interna; recibe o cede energía mediante calor. La energía interna incluye contribuciones microscópicas de movimiento e interacción que no se contabilizan como movimiento o posición globales del sistema. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 2, § 3.3.
La escala kelvin permite expresar temperatura termodinámica absoluta. Para convertir una temperatura Celsius a kelvin se suma 273,15. Un cambio de un kelvin tiene el mismo tamaño que un cambio de un grado Celsius, pero el origen de ambas escalas difiere. Por eso 20 °C no es «el doble de temperatura absoluta» que 10 °C. NIST, s. f., «Kelvin: Introduction».
La energía necesaria para cambiar una temperatura depende también de la masa y de la sustancia. Cuando no hay cambio de fase y el calor específico puede aproximarse como constante:
Ejemplo construido. Dos muestras de la misma sustancia experimentan el mismo incremento de temperatura. Si una tiene el triple de masa, requiere aproximadamente el triple de transferencia de energía en el régimen de la fórmula. Medir únicamente la temperatura final no permite inferir cuánto se transfirió.
14.5. La primera ley: no perder la cuenta#
Para un sistema cerrado, sin cambios relevantes de energía cinética o potencial globales, una convención habitual escribe:
Ejemplo construido. Un sistema recibe 900 J por calor y realiza 250 J de trabajo. Su energía interna aumenta 650 J. No se han «consumido» los otros 250 J: han cruzado la frontera mediante trabajo. Si después cede 650 J por calor sin otro intercambio, retorna al mismo valor de energía interna.
La palabra pérdida tiene así dos sentidos que conviene separar. Puede significar una salida de energía del sistema estudiado o una transformación que reduce su utilidad para la tarea. Ninguno equivale a desaparición de energía. Una máquina que entrega menos trabajo del esperado obliga a seguir el resto del balance: calentamiento, vibraciones, movimiento no aprovechado y transferencias al entorno. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 1, § 8.3.
Pero el balance de energía no basta. Una transferencia imaginaria desde un cuerpo frío hacia otro más caliente podría conservar la cantidad total. Falta una regla que explique por qué no ocurre espontáneamente como único resultado.
14.6. Entropía: más preciso que «desorden»#
La entropía, símbolo
En un sistema aislado, la entropía total no disminuye en los procesos termodinámicos macroscópicos. Puede permanecer constante en el límite reversible o aumentar en un proceso irreversible. Un subsistema no aislado sí puede reducir su entropía si el balance conjunto incluye un incremento suficiente en el entorno. La segunda ley no prohíbe toda organización local. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 2, § 4.6.
La interpretación estadística conecta la entropía con el número de configuraciones microscópicas compatibles con una descripción macroscópica. En el caso ideal de microestados equiprobables,
Llamar a la entropía «desorden» puede orientar una primera imagen, pero no proporciona una definición física. Una habitación que alguien juzga desordenada no determina por eso una medida termodinámica. La apariencia, el significado humano y la multiplicidad de estados físicos pertenecen a descripciones distintas.
Ejemplo construido. Dos grandes depósitos se mantienen aproximadamente a 400 K y 300 K. Si pasan 100 J del caliente al frío, el cambio total de entropía es:
El depósito caliente pierde entropía y el frío gana una cantidad mayor. La energía transferida es la misma en ambos términos; las temperaturas explican por qué el balance entrópico no se anula. Se suponen depósitos tan grandes que la transferencia no cambia apreciablemente sus temperaturas.
14.7. Por qué una máquina térmica necesita diferencias#
Una máquina térmica cíclica toma energía mediante calor de una fuente caliente, entrega parte como trabajo y cede otra parte a un entorno más frío. Volver al estado inicial permite repetir el ciclo, pero no convertir íntegramente en trabajo el calor extraído de un único depósito sin otros efectos. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 2, § 4.2.
Para una máquina reversible entre dos depósitos a temperaturas absolutas
Las temperaturas deben expresarse en kelvin. La fórmula no describe cualquier convertidor de energía ni predice automáticamente el rendimiento de una máquina real. Establece un límite para máquinas térmicas bajo esas condiciones. Las irreversibilidades reales reducen el rendimiento respecto del límite. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 2, § 4.5.
Ejemplo construido. Entre 600 K y 300 K, el máximo reversible es 50 %. Entre 400 K y 300 K, es 25 %. Una misma cantidad de calor disponible no ofrece la misma posibilidad de producir trabajo cuando cambia la diferencia de temperaturas. La cantidad de energía y su aprovechamiento potencial son preguntas diferentes.
La termodinámica no afirma que «ningún dispositivo puede convertir casi toda su electricidad en calor». Eso es precisamente lo que puede hacer una resistencia dentro de una frontera adecuada. El límite anterior concierne a convertir calor en trabajo mediante un ciclo, no a todas las transformaciones posibles.
Representación textual del diagrama
flowchart TB
H["DEPÓSITO CALIENTE, Th"] -->|Qh| M["MÁQUINA"]
M -->|trabajo W| W["Trabajo"]
M -->|Qc| C["DEPÓSITO FRÍO, Tc"]Qh y Qc representan aquí cantidades positivas de energía recibida y cedida mediante calor. El esquema no especifica una tecnología. Elaboración conceptual de esta obra.
14.8. Refrigeradores y bombas de calor: trasladar no es crear#
Un refrigerador utiliza trabajo para extraer energía de una región fría y transferirla a otra más caliente. Una bomba de calor empleada para calefacción utiliza la misma clase de proceso, pero considera útil la entrega al lado caliente. El coeficiente de desempeño compara el calor transferido útil con el trabajo suministrado. Puede ser mayor que uno porque el aparato traslada energía que ya estaba en el entorno, además de recibir trabajo. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 2, § 4.3.
Ejemplo construido. Un dispositivo recibe 1 kWh de trabajo eléctrico y extrae 2 kWh de una fuente exterior. Puede entregar 3 kWh al interior del edificio. Su coeficiente de desempeño en calefacción es 3. No tiene un rendimiento energético de creación del 300 %: la entrada total contabilizada es también de 3 kWh.
El ejemplo muestra por qué los indicadores necesitan una frontera explícita. Comparar solo la electricidad recibida con el calor entregado responde una pregunta útil sobre consumo eléctrico, pero no permite afirmar que se creó energía. Tampoco garantiza ese desempeño en cualquier clima, temperatura de entrega o condición de operación.
14.9. Cómo pasa la energía de un lugar a otro#
La conducción transmite energía mediante interacciones microscópicas sin transporte macroscópico neto de materia. La convección involucra movimiento de un fluido. La radiación electromagnética puede transferir energía incluso a través del vacío. Un objeto puede perder energía por los tres mecanismos a la vez; el mecanismo dominante depende de materiales, geometría, temperaturas y entorno. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 2, § 1.6.
Un aislamiento reduce determinadas tasas de transferencia; no produce por sí mismo una fuente inagotable de calor ni detiene necesariamente todos los intercambios. La radiación tampoco requiere que un cuerpo brille visiblemente. La emisión térmica abarca longitudes de onda que dependen de la temperatura, con propiedades modificadas por la superficie y el material. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 2, § 1.6.
Estas distinciones conectan termodinámica, clima e ingeniería. Describir una temperatura exige explicar entradas, salidas, almacenamiento y mecanismos de transferencia. El equilibrio de una temperatura no demuestra ausencia de flujos: entradas y salidas pueden compensarse, igual que una existencia constante puede ocultar circulación continua en el capítulo 8.
14.10. Conservar energía no resuelve por sí solo una necesidad#
La energía proporciona una restricción necesaria, pero no una explicación completa de la producción, los ecosistemas o la tecnología. Saber cuántos julios entran en una fábrica no indica qué materiales puede transformar, con qué equipos, en cuánto tiempo ni bajo qué organización. Inversamente, ninguna mejora de organización elimina las restricciones físicas de los procesos que utiliza.
La termodinámica permite distinguir imposibilidad física de dificultad técnica y conveniencia económica. Son tres juicios diferentes. Una máquina que produzca trabajo indefinidamente sin entrada ni cambio de sus reservas contradice un balance físico. Una tecnología que respete esos balances puede ser difícil de fabricar. Una tecnología fabricable puede no resultar adecuada para un objetivo particular.
El concepto que debe conservarse no es «todo se pierde», sino uno más preciso: la energía se contabiliza, las transformaciones tienen dirección y la posibilidad de aprovecharlas depende de diferencias, mecanismos y restricciones. La entropía no sustituye el análisis concreto; evita que el análisis ignore una parte de él.
Pregunta de transferencia 14. Un equipo recibe 2 kWh de electricidad y entrega 7 kWh de calor a una habitación. ¿Basta esa información para declarar que viola la conservación de energía? ¿Qué transferencia adicional permitiría un balance coherente? ¿Por qué una máquina térmica que intentase transformar íntegramente en trabajo el calor de un único depósito plantea una cuestión diferente?
Términos esenciales: energía, trabajo, energía cinética, energía potencial, potencia, julio, vatio, kilovatio-hora, rendimiento, temperatura, calor, energía interna, calor específico, kelvin, entropía, reversibilidad, máquina térmica, coeficiente de desempeño, conducción, convección, radiación.