La Termodinámica en la Ingeniería Química. Parte II: Fundamentos de la Termodinámica

La Termodinámica en la Ingeniería Química. Parte II: Fundamentos de la Termodinámica

Por lo general un curso previo de física constituye previa contextualización de algunas nociones fundamentales como energía y su conservación, trabajo, movimiento, calor, temperatura etc. Se da por descontado que todas ellas se conocen en alguna medida al abordar la materia por primera vez.
Esas nociones primitivas se profundizan; se estudian todas las formas de energía que pueden tener que ver con un sistema, se distinguen claramente aquellas magnitudes físicas que son propiedades termodinámicas de aquellas que no lo son, y se diferencian clases de sistemas (abierto, cerrado, aislado, etc). Es en esta etapa donde se tiene un primer feliz encuentro con un racionamiento tan poderoso que será en adelante el santo grial de la interpretación matemática de una enorme cantidad de situaciones físicas prácticas: El principio del balance.
Lo que ingresa + Lo que se genera = Lo que sale + Lo que se acumula
Si se aplica para la materia en un sistema, se habla de la bien conocida ley de la conservación de la masa, que no se considera una ley de la termodinámica, pero es en todo caso de obligatorio cumplimiento. Cuando se aplica a la energía en un sistema, se habla de la conservación de la energía, el balance energético, o bien del primer principio o primera ley de la termodinámica. Incluso, si se asimila como filosofía de vida puede aplicarse con éxito en llevar con orden las finanzas personales.
Con la primera ley, se puede entender algo de enorme importancia para la tradición de la tecnología: una máquina térmica en la forma de un ciclo de vapor de agua. Es mucho más que una aplicación trivial, pues fue esa idea la que permitió la invención de la máquina de vapor durante la revolución industrial, lo cual condujo históricamente a que se sentaran las bases de la termodinámica como la conocemos hoy.
El estudio de esa máquina térmica consiste básicamente en conocer lo que le ocurre al vapor de agua cuando pasa por una caldera, una turbina, una bomba, un enfriador y una válvula, junto con el significado de todos esos términos. Adicionalmente, se trata de un rito de iniciación en el que los ojos del o la aprendiz de ingeniero(a) químico(a) ven por primera vez la luz de un proceso industrial de transformación con materia y energía interactuando.
Si se aplica apropiadamente el principio del balance a una magnitud física a la que todo mundo llama entropía, se entra en los terrenos del segundo principio o segunda ley de la termodinámica. Hasta aquí evité emplear la palabra entropía, pero mencionada la segunda ley ya no hay remedio.
No soy tan avezado como para intentar contestar aquí a la pregunta ¿qué es la entropía? Solo mencionaré que ese espinoso asunto es paso obligado por cualquier proceso de aprendizaje de los fundamentos y acto seguido confesaré que no sé qué rayos es la entropía. Para poner un hasta aquí a ese particular, me limitaré a citar lo que dijo el físico estadounidense Arnold Sommerfeld cuando se le preguntó por qué no había escrito un libro de termodinámica:
“La termodinámica es un tema divertido. La primera vez que pasas por la materia, no la entiendes del todo. La segunda vez, crees entenderla salvo por uno o dos pequeños puntos. La tercera vez estás completamente seguro de que no la entiendes, pero para entonces estás tan acostumbrado a eso que ya no te importa”.
(Cengel, Y.; Boles, M. Thermodynamics: An engineering approach, 5 Ed. 2005.)
Sin embargo, sí me referiré a la segunda ley. Ésta establece que la primera no es criterio suficiente para decidir qué proceso es posible y qué proceso no lo es. Así, se convierte en la expresión de las restricciones que impone la naturaleza: no todo es posible y lo que es posible, tiene un límite y tiene un costo.
Si bien la energía se conserva a lo largo de una transformación tras otra, no siempre estará disponible para que nos podamos valer de ella; eventualmente llegará un momento en que, habiendo la misma energía que en un principio, se tendrá que ya no es energía útil. En esa condición, sacarle partido a esa energía “muerta” no resulta posible. Esa degradación paulatina de la que es objeto la energía, es en realidad una pérdida, un potencial que se tuvo pero se consumió; es un precio que hubo que pagar. La implicación es que no es posible usar energía sin que una porción se pierda, y el costo consiste en renovar lo perdido.
Una consecuencia muy famosa de la segunda ley es que resulta imposible la existencia de las llamadas máquinas de movimiento perpetuo, o aquellas que usan la misma energía una y otra y otra vez hasta la eternidad, sin que se degrade y sin que pierda disponibilidad. Este hecho está incluso arraigado en la cultura popular; una muestra de ello está en aquella ocasión en la que la inquieta Lisa Simpson presenta orgullosa a su padre, Homero, una máquina de movimiento perpetuo. Él la reprende diciéndole “señorita, en esta casa respetamos las leyes de la termodinámica”.
Otra interpretación de la segunda ley, particularmente útil para la ingeniería química, está en el hecho de que todo proceso de transformación tiene una condición extrema de máximo rendimiento, mínima degradación y máxima disponibilidad de la energía, que solo es posible de alcanzar en teoría. Se trata de aquel límite que tiene todo aquello que es posible. Tal proceso imaginario, será lo más cercano a algo perfecto sin violar ni la primera ni la segunda leyes.
En el caso de la máquina térmica, la que cuenta con esas características tan particulares, se le estudia como el Ciclo de Carnot en honor al ingeniero francés así llamado, quien por vez primera concluyó que una máquina de vapor real podría tener en sus más atrevidos sueños un aprovechamiento energético máximo bastante inferior al 100%. Cualquier esfuerzo adicional por mejorar la eficiencia, sería completamente inútil.
Todo esto es, gruesamente, una pasada por el cuerpo teórico básico de la termodinámica clásica. Su estudio y apropiada comprensión es absolutamente necesaria; sin esos cimientos firmes, no se prosperará en las aplicaciones. Como bien reza el refrán: “no hay nada más práctico que una buena teoría"