Proyecto de Termodinámica

 

 

Daniel de Jesús Camacho López Ingeniería Química Grupo: 251

Segundo Semestre

Mtro. Luis Romeo Guillén Palacio Termodinámica Proyecto de Investigación 16 – 05 – 2018

 

Termodinámica y la vida cotidiana Quizá asistir a un concierto no sea algo que pueda considerarse como parte de la “vida cotidiana”,

pues no se asiste todos los días a uno diferente. En mi caso, asistir a un concierto es muy importante si el artista o la banda que se presenta es de mi agrado agr ado y, casi siempre, si uno quiere estar más cerca del escenario, entonces tendrá que estar en pista, esto es de pie, rodeado de aproxamademente diez personas y experimentando empujones, gritos y mucho calor. Pero no contaré mi experiencias en la pista de los conciertos, hay algo muy interesante en lo mencionado anteriormente, que es lo últimoacerca de la sensación de calor al estar rodeado de mucha gente, y es que en realidad no importa si el auditorio donde se están presentando está al aire libre o cerrado, la sensación de calor es la misma y, una vez terminado el concierto y que la gente se ha dispersado, existe una sensación de frío. Si bien, todo en esta vida está regida por las cuatro leyes de la termodinámica, el cuerpo del ser humano no es una excepción, aunque en este proyecto de investigación únicamente me enfocaré en la ley cero, primera y segunda ley de la termodinámica para poder interpretar este fenómeno. Si imagináramos que nos encontramos en esta situación mencionada, no existe duda alguna de que empezaríamos a experimentar en poco tiempo mucho calor y, debido al aumento de temperatura del cuerpo, empezaríamos a sudar. Este proceso lo aprovecha el cuerpo humano para poder enfriarse. Aquí entra la ley de cero de la termodinámica, la cual establece que si dos sistemas que están en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí a pesar de no estar en contacto. Si pensamos el lugar en el que nos encontramos como un sistema cerrado y que se encuentra a una menor temperatura que la del cuerpo humano, entonces, el cuerpo emitirá energía en forma de calor al espacio en el que se encuentra hasta que se llegue a un equilibrio térmico, pues siempre se transfiere calor del cuerpo con una mayor m ayor temperatura al de menor temperatura. Debido a que es tanta gente la que se encuentra presente, el fenómeno descrito anteriormente, eventualmente resultará en un aumento perceptible de la temperatura o, como dirían coloquialmente, haría mucho calor en el lugar. Aunque es importante establecer que no existe el calor y tampoco existe el frío, simplemente se definan como la medida de que tan lejos se encuentran dos cuerpos del equilibrio térmico. Pero si definimos que el cuerpo humano y el espacio que nos rodea (el aire) se encuentran en equilibrio térmico, ¿entonces porqué sentimos mucho calor? Jeffery W. Walker, un profesor de fisiología de la Universidad de Arizona, tiene una respuesta bastante interesante a esto. Él establece una analogía del cuerpo humano con un motor que está generando constantemente grandes cantidades de calor y su radiador, por así decirlo, libera el calor de una manera muy poco efectiva mientras la temperatura exterior sea mayor. (Scientific American, 2018).  2018).  El calor humano es algo inevitable, pues todo el tiempo está realizando diferentes trabajos, desde el intercambio gaseoso al respirar, pasando por las contracciones de los músculos del corazón, hasta

 

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las reacciones bioquímicas que descomponen los alimentos, todo esto genera calor corporal de manera continua, todo esto generala necesidad crítica de disipar el calor en el entorno. Esto lo logra haciendo circular sangre cerca de la superficie de la piel, exhalando aire (dióxido de carbono) tibio y humificando y evaporando el sudor. Todos estos procesos se llevan a cabo de manera más eficiente a una temperatura confort para el ser humano, que va alrededor de los 21 grados Celsius, y sirven para poder mantener la temperatura del cuerpo alrededor de los 36 grados Celsius. (Scientific American, 2018). 2018).   Pero cuando existe un equilibrio con los alrededores y el cuerpo, entonces los mecanismos de dispersión no son óptimos, y esto resulta en una sensación de calor, sobre todo si la humedad es alta, pues ésta tiene un efecto significativo debido a que el agua en el cuerpo absorbe enormes cantidades de calor y luego lo disipa por evaporación. Cualquier cosa que interfiera con esta vaporización del agua como el aire húmedo, la falta de aire, o la ropa pesada, nos hace sentir especialmente calientes e incómodos. (Scientific American, 2018). Entonces, volviendo al tema de los conciertos, sabemos que el aire a nuestro alrededor está, por decirlo de una manera subjetiva, caliente y, además, saturado de humedad debido al proceso de respiración y evaporización del sudor de cada quién, entonces ya no podemos intercambiar calor con nuestro entorno de manera eficiente, por eso tenemos esa sensación de calor cuando el aire está a nuestra misma temperatura. Entonces recurrimos al sudor, gracias a la homeostasis, aunque su eficacia disminuye cuando hay humedad en el aire, y entonces es difícil que nuestro sudor se evapore debido a la elevada humedad del aire, pero aún así, lo hace. El sudor absorbe y absorbe más y más energía en forma de calor, por lo que se evaporará evaporará provista del cuerpo, cuerpo, haciendo que que se evapore, siendo un sistema más desordenado y trasnfiriendo calor al aire, lo que hace que se eleve la temperatura del entorno. Implícitamente ya hablé acerca de la primera ley y segunda ley de la termodinámica, en el fenómeno mencionado anteriormente; la primera ley indica que la energía no puede crearse ni destruirse en un proceso, sólo puede convertirse de una forma a otra. (Atkins, 2014). Exsiten tres formas en la que el calor puede ser transferido, por radiación, calor emitido por un cuerpo a su puntos temperatura, existeque contacto entre losacuerpos; transferencia de calordebido entre dos de un no cuerpo se encuentran diferenteconducción, temperatura sin que se produzca una transferencia de materia entre ellos; y convección, aquí interviene un fluido en movimiento que transporta la energía térmica entre dos zonas. Pode mos sentir Podemos sent ir en forma form a subjet su bjetiva iva si un objet o bjeto o está e stá frío o calien ca liente te en rela relaci ción ón con con nu nues estr tro o cuer cuerpo po,, pero pero no podemos recordar, después de un tiempo, qué tan caliente o frío estaba dicho objeto. Tampoco podremos determinar cuál es la diferencia de temperatura de un cuerpo con respecto a otro. (Jiménez, 2014). En pocas palabras, se puede decir que no hay pérdidas de calor, éste es meramente transferido, debido a estas transferencias, el cuerpo humano es capaz de discriminar sobre lo caliente y lo frío. En el primer caso, es debido a que los alrededores presentan una temperatura mayor que la de la piel. En cambio, la sensación de frío es debida a que la temperatura de nuestro cuerpo es mayor la dede losuna alrededores y rmodinámica, estamos transmitiendo Esta ley establece el intercambio de calor aque través variable termodinámica, te la energíacalor. interna.

 

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“Como el propósito del sistema termorregulador del cuerpo es mantener esencialmetne la

temperatura interna del cuerpo constante en 37 ºC, con fluctuaciones fluct uaciones normales de ±1 ºC, puede asumirse que para larrgas exposiciones a un ambiente constante o moderado, existe un balance térmico o de energía en el cuerpo, es decir, la producción de energía en forma de calor será igual al calor disipado”. (Jiménez, 2014).  

H – Ed  –– Esw  –– Ere  –– L = Q K = Q R + Q c  Donde: H = Producción de calor interno en el cuerpo humano. Ed = Pérdida de calor por difusión del vapor de agua a través de la piel. Esw = Pérdida de calor por evaporación del sudor desde la superficie de la piel. Ere = Pérdida de calor latente a través de la respiración. L = Pérdida de calor por respiración seca. Q K = Calor transferido desde la piel a la superficie externa de la ropa por conducción. Q R = Pérdida de calor por radiación desde la superficie exterior de la ropa y los objetos circundantes al ambiente. Q C = Pérdida de calor por convección desde la superficie externa de la ropa y el ambiente. Este balance es necesario para que el cuerpo se mantenga dentro de la comodidad térmica o confort, si este balance se rompe por adición o disipación de calor por parte del cuerpo, entonces existe una sensación de calor o de frío, respectivamente. (Jiménez, 2014). Por último, pero no menos importante. Sabemos que la energía transitoria en su forma conocida como calor, es un concepto bastante abstracto, pues no es algo que podamos ver físicamente, se pueden percibir ca mbios de t emperatura y, gracias a ello, es que se define, subjetivamente, el calor. La Segunda Ley de la Termodinámica impone, que para que esta forma de energía pueda ser transferida de un cuerpo a otro debe existir una diferencia de temperatura en entr tree ell ellos os y la la dir direc ecci ción ón ser seráá desde desd e el cuerpo cuer po de mayor may or temperat temp eratura ura al que tiene tie ne menor temperatura. (Jiménez, 2014). Todos los procesos que ocurren en la vida cotidiana se pueden dividir en dos clases: espontáneos y no espontáneos, es decir, aquellos que ocurren por sí solos sin que nada los inicie. La Segunda Ley establece que la energía tiende a dispersarse espontáneamente si nada se lo impide. (Atkins, 2014). En este caso vemos a la ley cero, primera ley y segunda ley en acción, en donde no hay pérdidas de calor, simplemente es transferido (se dispersa) y alcanza un equilibrio con máxima entropía. Es importante entender a la entropía como una función de estado que aumenta a medida que un proceso espontáneo se lleva a cabo, pues mide la l a energía suministrada en forma de calor en cada etapa de la trayectoria dividida por la temperatura a la que se produce el calentamiento. (Atkins, 2014).   2014).

 

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Conclusiones Las leyes de la termodinámica aplican para prácticamente cualquier ámbito de la vida cotidiana, sin importar cuál sea. En este caso, encontré un enfoque hacia los conciertos a los que, seguramente, cualquier persona ha asistido al menos a uno en toda su vida y ha pasado por lo descrito en el proyecto. Y puede haber muchas más aplicaciones dentro del mismo tema, por ejemplo, la preparación de los alimentos en los puestos de comida o el enfriamiento de las bebidas que venden, el sistema de sonido y como se encuentran las bocinas y las luces acomodadas, entre otras. Se puede concluir, de igual forma, que el ser humano está, continuamente, generando energía debido al trabajo realizado por diversas acciones metabólicas o reacciones bioquímicas para sobrevivir, está energía será, de igual manera, continuamente intercambianda en forma de calor con los alrededores y éste siempre será transferido de quien presente una mayor temperatura a una menor temperatura, es decir la del ambiente y la de la piel. De esta manera influyen las primeras tres de las cuatro leyes de la termodinámica, pero lo más interesante es, quizá, que siempre, cualquier cuerpo, tiende a llegar a un equilibrio, ya sea térmico, mécanico, químico o físico, estos cambios se pueden describir con las leyes de la termodinámica. Pero un sistema siempre se pretende cambiar, de un estado inicial que se encuentre en equilibrio, a un estado final que se encuentre igual en equilibrio, pero siempre y cuando este cambio tenga un aumento en la entropía del sistema, indicando que el proceso sería espontáneo.

Referencias Bibliográficas Atkins, P. & Paula, J. (2014). Atkin’s (2014). Atkin’s Physical Chemistry. Chemistry. (10th ed.). United Kingdom: OXFORD UNIVERSITY PRESS. Jiménez, J. (2014).  El Frío y la Ausencia de Calor. Recuperado el 12 de mayo de 2018, de Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal, de: http://www.redalyc.org/html/870/87031229005/ Scientific American. (2018). When air is the same temperature as our body, why do we feel hot?. Recuperado el 12 de mayo de 2018, de Scientific American, de: https://www.scientificamerican.com/article/why-people-feel-hot/

 

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