Aprende más sobre el proceso isobárico

Si la Física y la Química son lo tuyo, no te muevas de este post. Aquí hablamos sobre un tipo de fenómeno en particular, que tiene leyes propias y que cualquier profesional del área debería conocer: se trata del proceso isobárico. Descubre en qué consiste, cómo se produce, cuál es su origen y qué aplicaciones prácticas tiene.

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¿Qué es el proceso isobárico?

Para definir bien un concepto, nada mejor que recurrir en principio a su etimología. La palabra “isobárico” viene del griego “iso” (igual) y “baros” (peso). De acuerdo con los expertos, un proceso isobárico consiste en un fenómeno termodinámico donde la presión siempre es constante.

Tal evento suele darse cuando se permite que un volumen se contraiga o se expanda de forma que consiga neutralizar todo cambio de presión que eventualmente genere una transferencia o pasaje de calor. Las alteraciones energéticas se dan de forma interna y el trabajo es llevado a cabo por el sistema. Debido a la transferencia de calor, ninguna cantidad presente en la 1° Ley de la Termodinámica queda fácilmente en 0 (cero).

Existe una ecuación matemática que permite calcular de manera sencilla el trabajo a presión constante, y es la siguiente: W = p * Δ V. En esta fórmula, los símbolos representan unos datos bien precisos:

• W equivale a “trabajo” (proviene del inglés “work”).
• P significa “presión”, que en todos los casos es de signo positivo.
• Δ V representa la alteración del volumen.

Dada la expresión de esta ecuación, un proceso isobárico puede presentar alguno de los 2 resultados siguientes:

• En caso de que Δ V sea positivo, el sistema se expandirá haciendo un trabajo de signo positivo y al revés.
• En caso de que Δ V sea negativo, el sistema se contraerá desplegando un trabajo de signo negativo y viceversa.

En este breve apartado has conocido en qué consiste un proceso isobárico y cuál es la fórmula fija que lo define, como así también sus posibles resultados. Te recomendamos seguir leyendo para acceder a ejemplos concretos de este procedimiento en la realidad.

Ejemplos del proceso isobárico

En la sección anterior dilucidamos qué es en sí mismo un proceso isobárico; no obstante, de nada serviría tanta teoría si no fuéramos capaces de llevarla a la práctica. Así que ahora podrás conocer algunas situaciones, problemas u objetos a los cuales ha sido aplicado tal proceso, o en los que el mismo juega un rol fundamental.

• Si posees un tubo con un gran pistón y se eleva la temperatura del gas, este elemento se expande a causa de la suba en la energía. Tal fenómeno coincide con la denominada “Ley de Charles”, según la cual el volumen de determinado gas resulta proporcional a su temperatura. El peso del pistón hace que la presión se mantenga constante; entonces, es posible calcular el trabajo hecho sabiendo del cambio del volumen en el gas y el nivel de presión. El pistón se mueve debido a la alteración del volumen gaseoso, a la vez que la presión queda constante. Por otra parte, si el pistón está fijo y permanece así por el calentamiento del gas, la presión sube más que el volumen gaseoso. Aquí no nos encontramos delante de un proceso isobárico pues la presión es inconstante.
• Otro ejemplo es el agua puesta a hervir en una olla sin tapa. Como el contenedor se encuentra abierto, el fenómeno se da a una presión atmosférica constante. Cuando el agua alcanza el punto de ebullición, su temperatura no sube mediante el incremento de calor, sino que simplemente se da un cambio de estado (de líquido a gaseoso: el agua comienza a evaporarse).
• Un caso interesante es este que mostramos en el siguiente enlace.

De cualquier manera, más allá de estos ejemplos, cabe aclarar que en ocasiones conviene recurrir a la entalpía en vez de a la energía interna, sobre todo con respecto a la 1° Ley de la Termodinámica. ¿En qué consiste la entalpía? Se trata de la expresión favorita de la energía del sistema, que se altera en una gran cantidad de mediciones físicas, químicas y biológicas bajo presión constante.

De hecho, resulta tan útil que suele tabularse en tablas de vapor combinada con el volumen concreto y la energía interna determinada. La entalpía vuelve más simple la descripción del proceso de traspaso energético. Bajo una presión constante, un cambio en la entalpía coincide con la energía ambiental traspasada por medio del calentamiento o con un trabajo no expansivo. Sin embargo, en fenómenos de presión inconstante tal diferencia resulta poco visible.

Leyes relacionadas con el proceso isobárico

En este apartado pasaremos revista a algunos postulados teóricos esenciales que permiten comprender de manera unívoca el proceso físico que estamos analizando.

Primera Ley de la Termodinámica

Como seguramente sabes, la versión tradicional de la 1° Ley de la Termodinámica se puede expresar en estos términos: dU = dQ – dW. En tal ecuación, el primer miembro hace referencia al “trabajo de límites”: en un proceso isobárico con gas ideal, una proporción del calor añadido al sistema se empleará para realizar el trabajo, y otra parte incrementará la energía interna (es decir, se alzará la temperatura). En consecuencia, aquí conviene recurrir a la entalpía en vez de la explicación de la energía interna.

Esta ley se puede expresar mediante la fórmula dH = dQ + Vdp, o bien dH = TdS + Vdp (cualquiera de las dos resulta válida). En tal expresión, “Vdp” se refiere al flujo de trabajo, el cual se utiliza en sistemas de flujo abierto bajo la forma de bombas o turbinas donde existe un “dp” (una alteración en la presión). Por otro lado, no se registran alteraciones en el volumen de control.

Como resulta evidente, esta expresión de la 1° Ley de la Termodinámica vuelve más simple la descripción del proceso de pasaje energético. Frente a una constante presión, el cambio en la entalpía equivale a la energía ambiental que se traslada por medio de un calentamiento. La ecuación que expresa esta relación es dH = dQ → Q = H2 – H1.

Ecuación del Gas Ideal

Imagina que se da el añadido de calor isobárico al interior de un gas ideal (cuyas moléculas no presentan volumen y no interaccionan entre sí). Según la Ley de Gases Ideales, la presión cambia de forma directamente proporcional a la cantidad y a la temperatura, y de forma inversa al volumen.

Este proceso se encuentra representado por el diagrama p-V: en el mismo, el fenómeno se da a lo largo de una recta (la isobara) que posee una ecuación p = constante. La fórmula es la siguiente: pV = nRT. Allí:

• p representa la presión absoluta en el gas.
• n indica la cantidad de material o sustancia.
• T se refiere a la temperatura con valor absoluto.
• V quiere decir volumen.
• R significa la constante de gas universal, que equivale a otras fórmulas (constantes de Boltzmann y Avogadro).

En tal ecuación, el símbolo “R” representa una constante (la del “gas universal”) que implica idéntico valor para cualquier gas (R = 8,31 J / mol K). Entonces, el proceso isobárico puede expresarse a través de la Ley del Gas Ideal como V/T = Contante o bien V1/T1 = V2/T2.

Según la propuesta del Gas Ideal, el fenómeno de energía interna puede ser calculado con esta fórmula: ΔU = m cv ΔT. Allí, la propiedad cv (J / mol K) se denomina “calor específico” a volumen/presión constante, pues en ciertos contextos se vincula el cambio de temperatura en un sistema con la dosis de energía agregada por el calor a traspasar. En la adición de ambas ecuaciones, se obtiene la fórmula de calor Q = m cv ΔT + m R ΔT = m (cv + R) ΔT = m cp ΔT.

Ley de Charles

En el proceso isobárico también interviene la conocida Ley de Charles, que data de fines del siglo XVIII y fue formulada por un científico francés con este apellido. El estudioso se dedicó a analizar el vínculo entre la temperatura y volumen de determinado gas sometido a una presión constante pero relativamente baja.

Los resultados de sus experimentos llevaron a Charles a afirmar que para una masa de gas fija sometida a presión constante, el volumen resulta directamente proporcional a la temperatura Kelvin. Esto implica –pongamos por caso- que si se triplica el calor, se triplicará el volumen; al mismo tiempo, si desciende en un 20% la temperatura, lo mismo sucederá con el volumen en términos de porcentajes.

La Ley de Charles se expresa con la fórmula V = constante . T aunque también la fórmula puede reorganizarse como una ecuación del tipo pV = nRT, para dividir los dos lados por p y obtener V = nR / p. T. Las referencias a los símbolos las revisamos en el apartado anterior, así que puedes buscarlas para comprender el sentido global de la expresión.

¿Lo has comprendido todo? Pues bien, entonces ahora puedes decir que eres un experto en el proceso isobárico. No dejes de seguirnos por el resto de nuestros posts para descubrir muchísimos otros procesos.