De la taza de café al motor en Colombia: Termodinámica explicada

La relación entre calor, trabajo, temperatura y las propiedades de la materia.

Incluye cómo la energía se transforma en sistemas físicos y químicos.

Parte del universo que estudiamos, separada del entorno por una frontera.

Ejemplo: el café en tu taza es un sistema abierto.

Si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio entre sí.

Permite definir la temperatura de forma precisa.

La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.

ΔU = Q - W, donde ΔU es el cambio de energía interna.

Energía transferida como calor al sistema.

Si Q > 0, el sistema gana calor (ej: café caliente).

Trabajo realizado POR el sistema SOBRE el entorno.

Si W > 0, el sistema pierde energía (ej: motor que empuja un carro).

La entropía del universo siempre aumenta en procesos irreversibles.

Explica por qué el café se enfría y no se calienta solo.

Medida del desorden o aleatoriedad en un sistema.

Ejemplo: el humo de un bus en Medellín se dispersa aumentando la entropía.

Es imposible alcanzar el cero absoluto de temperatura.

A 0 K, la entropía de un cristal perfecto es cero.

Pierde energía térmica al entorno más frío hasta alcanzar equilibrio.

La entropía del café + entorno aumenta.

Convierte energía química (combustible) en trabajo mecánico usando calor.

Usa la expansión de gases a alta temperatura para mover pistones.

Relación entre el trabajo útil obtenido y la energía consumida.

Ningún motor es 100% eficiente por la segunda ley.

El pan de yuca tiene menor capacidad calorífica que el de queso.

Pierde calor más rápido al ambiente.

No, la entropía total siempre aumenta o se mantiene constante.

Ejemplo: un nevera reduce la entropía dentro, pero aumenta la del cuarto.

No, siempre hay pérdidas por calor al entorno.

La eficiencia máxima está limitada por el ciclo de Carnot.

ΔU = Q - W

Cambio de energía interna es calor menos trabajo.

Q = m $\cdot$ c $\cdot$ $\mathrm{\Delta }$ T

Depende de la masa, el calor específico y el cambio de temperatura.

S = $k_B$ $\ln$ $\mathrm{\Omega }$

$k_B$ es la constante de Boltzmann y Ω el número de microestados.

$\eta$_{máx} = 1 - \frac ParseError: Unexpected end of input in a macro argument, expected '}' at end of input: \frac{$T_{fr\acute{ı}o}$}{$T_{caliente}$}

Depende solo de las temperaturas absoluta del foco frío y caliente.

El motor quema combustible para mover el bus; los frenos disipan energía como calor.

La segunda ley explica por qué los frenos se calientan.

Tienen mayor relación de compresión, lo que aumenta la temperatura y eficiencia.

Usados comúnmente en buses intermunicipales.

El café caliente transfiere energía al hielo hasta fundirlo.

La entropía del sistema café + hielo aumenta.

Extrae calor del interior y lo expulsa al exterior usando trabajo.

La entropía del universo aumenta porque el trabajo se disipa como calor.

Para enfriar el aire, debe transferir calor al entorno más caliente.

Requiere más trabajo cuando la diferencia de temperatura es grande.

Proceso donde no hay intercambio de calor con el entorno (Q=0).

Ejemplo: compresión rápida de aire en un compresor.

El tostado del café involucra transferencia de calor y reacciones químicas.

Controlar la temperatura es clave para el sabor.

Identificar en qué proceso la entropía del universo aumenta más.

Ejemplo: fusión de hielo en agua a 20°C.

Usar $\eta$ = 1 - $T_{fr\acute{ı}o}$/$T_{caliente}$ con temperaturas en Kelvin.

¡No olvides convertir °C a K sumando 273!