¿Qué es un proceso isotérmico en física?

La ciencia de la física estudia objetos y sistemas para medir sus movimientos, temperaturas y otras características físicas. Se puede aplicar a cualquier cosa, desde organismos unicelulares hasta sistemas mecánicos, planetas, estrellas y galaxias y los procesos que los gobiernan. Dentro de la física, La termodinámica es una rama que se concentra en los cambios. de energía (calor) en las propiedades de un sistema durante cualquier reacción física o química.

El "proceso isotérmico", que es un proceso termodinámico en el que la temperatura de un sistema permanece constante. los transferencia de calor dentro o fuera del sistema sucede tan lentamente que equilibrio termal es mantenido. "Térmico" es un término que describe el calor de un sistema. "Iso" significa "igual", por lo que "isotérmico" significa "calor igual", que es lo que define el equilibrio térmico.

En general, durante un proceso isotérmico hay un cambio interno energía, energía térmicay trabajo, a pesar de que la temperatura sigue siendo la misma. Algo en el sistema funciona para mantener esa temperatura igual. Un ejemplo ideal simple es el ciclo de Carnot, que básicamente describe cómo funciona un motor térmico suministrando calor a un gas. Como resultado, el gas se expande en un cilindro, y eso empuja un pistón para hacer algo de trabajo. El calor o el gas deben ser empujados fuera del cilindro (o descargados) para que pueda tener lugar el siguiente ciclo de calor / expansión. Esto es lo que sucede dentro del motor de un automóvil, por ejemplo. Si este ciclo es completamente eficiente, el proceso es isotérmico porque la temperatura se mantiene constante mientras la presión cambia.

Para comprender los conceptos básicos del proceso isotérmico, considere la acción de los gases en un sistema. La energía interna de un gas ideal depende únicamente de la temperatura, por lo que el cambio en la energía interna durante un proceso isotérmico para un gas ideal también es 0. En dicho sistema, todo el calor agregado a un sistema (de gas) realiza un trabajo para mantener el proceso isotérmico, siempre que la presión permanezca constante. Esencialmente, cuando se considera un gas ideal, el trabajo realizado en el sistema para mantener la temperatura significa que el volumen del gas debe disminuir a medida que aumenta la presión en el sistema.

Los procesos isotérmicos son muchos y variados. La evaporación del agua en el aire es una, al igual que la ebullición del agua en un punto de ebullición específico. También hay muchas reacciones químicas que mantienen el equilibrio térmico, y en biología, las interacciones de una célula con sus células circundantes (u otra materia) se dice que es un proceso isotérmico.

La evaporación, la fusión y la ebullición también son "cambios de fase". Es decir, son cambios en el agua (u otros fluidos o gases) que tienen lugar a temperatura y presión constantes.

En física, el trazado de tales reacciones y procesos se realiza mediante diagramas (gráficos). en un diagrama de fases, un proceso isotérmico se traza siguiendo una línea vertical (o plano, en un 3D diagrama de fases) a lo largo de una temperatura constante. La presión y el volumen pueden cambiar para mantener la temperatura del sistema.

A medida que cambian, es posible que una sustancia cambie su Estado de la materia incluso mientras su temperatura se mantiene constante. Por lo tanto, la evaporación del agua a medida que hierve significa que la temperatura se mantiene igual a medida que el sistema cambia la presión y el volumen. Esto se traza con el templado permaneciendo constante a lo largo del diagrama.

Cuando los científicos estudian los procesos isotérmicos en los sistemas, realmente están examinando el calor y la energía y conexión entre ellos y la energía mecánica que se necesita para cambiar o mantener la temperatura de un sistema. Tal comprensión ayuda a los biólogos a estudiar cómo los seres vivos regulan sus temperaturas. También entra en juego en ingeniería, ciencia espacial, ciencia planetaria, geología y muchas otras ramas de la ciencia. Los ciclos de potencia termodinámicos (y, por lo tanto, los procesos isotérmicos) son la idea básica detrás de los motores térmicos. Los humanos usan estos dispositivos para alimentar plantas generadoras eléctricas y, como se mencionó anteriormente, automóviles, camiones, aviones y otros vehículos. Además, tales sistemas existen en cohetes y naves espaciales. Los ingenieros aplican principios de gestión térmica (en otras palabras, gestión de temperatura) para aumentar la eficiencia de estos sistemas y procesos.

Editado y actualizado por Carolyn Collins Petersen.