La Termodinámica

Es la rama de la física que estudia el movimiento del calor y de los cambios energéticos resultantes. Aunque gran parte de ella incluye difíciles concepciones matemáticas y teóricas, tiene muchas aplicaciones prácticas, como la predicción o la valoración de la eficiencia de los diferentes diseños de los motores térmicos.

Cuando un cuerpo -por ejemplo, una masa de gas– recibe energía, la energía que absorbe aumenta el movimiento de sus moléculas, elevando al hacerlo su temperatura (y presión, si el gas no se puede dilatar libremente). De ese modo, aumenta la energía interna del gas, que es la energía cinética media de sus moléculas. En cambio, si el gas se dilata al ser calentado, parte de toda la energía térmica absorbida se emplea en el trabajo externo de ejercer una presión contra las paredes de su recipiente.

La totalidad del aumento en energía interna y el trabajo externo desempeñado es igual a la cantidad de energía térmica recibida por el gas. Esto es una consecuencia de la primera ley de la termodinámica, que afirma que la cantidad total de la energía existente en un sistema cerrado es constante. Esta ley constituye otra manera de afirmar el principio de conservación de la energía (la energía no se crea ni se destruye).

Otro principio fundamental es la segunda ley de la termodinámica, que afirma que, sin ayuda externa, el calor no puede pasar de un cuerpo frío a otro más caliente.

Si se trata de utilizar el calor, tiene que circular del cuerpo más caliente hacia el más frío. En las máquinas y en los motores térmicos (como los de gasolina y diesel), máquinas de vapor, reactores y motores de cohetes, se calienta una masa de gas haciéndola dilatarse y trabajar. En un motor de gasolina, por ejemplo, se enciende y dilata una mezcla de aire y gasolina, obligando al pistón a moverse. Un autorreactor de aviación admite aire, que es calentado (por un combustible ardiente), por lo que se dilata, saliendo del motor con los gases de escape en forma de rapidísimo chorro. En toda clase de motores, el proceso en su conjunto consiste en una obtención de energía de un gas, que se convierte en energía interna y trabajo externo. El gas vuelve después al medio externo a una temperatura más baja. A mayor temperatura inicial del gas, habrá más energía térmica disponible para su conversión en trabajo; y cuanto más baja sea su temperatura final, tendrá menor energía interna y será mayor el trabajo desempeñado. De ese modo, a mayor margen de temperaturas de funcionamiento de una máquina térmica
mayor será la cantidad de trabajo que hace. En la práctica, ese margen se sitúa entre la temperatura a que se quema el combustible para calentar el gas y la temperatura de los gases de escape cuando salen de la máquina.

El motor de un cohete trabaja a base de quemar combustible para producir gases de escape, que salen de él con tremenda energía, dando lugar por lo tanto a un empuje colosal. La cantidad de trabajo que puede producir cualquier motor depende de la diferencia existente entre las temperaturas de combustión y de escape. En el motor de un cohete esta diferencia es muy grande y por esa razón puede producir un trabajo enorme.