Hay muchos lugares para buscar la diferencia entre un proceso isotérmico y un proceso adiabático, incluido en línea, cualquier texto introductorio de física, etc. Pero creo que hay razones reales por las que estos dos procesos a menudo se confunden entre sí, y se basa en algunos malentendidos fundamentales.
En resumen: isotérmico simplemente significa temperatura constante. Entonces, cualquier proceso termodinámico que ocurre a temperatura constante es isotérmico. Un proceso adiabático , por otro lado, es cualquier proceso en el que no se intercambió calor con el objeto o sistema que se describe . El error común es que si no se intercambia calor con un sistema, eso no significa que su temperatura sea constante. O, por el contrario, si la temperatura es constante, eso no significa que no se haya intercambiado calor.
Veamos un par de ejemplos. (a) Suponga que coloca un cubito de hielo a 0 ° C en la mesa y simplemente observa cómo se derrite para convertirse en agua a 0 ° C. Para el cubo de hielo, ese fue un proceso isotérmico ya que su temperatura no cambió a medida que pasó de sólido a líquido. Pero para derretirse, tenía que absorber el calor de los alrededores (la mesa y el aire), por lo que el proceso no fue adiabático. (b) Suponga que coloca un cubo de hielo en una taza de agua tibia, pero la taza es un aislante térmico perfecto. El cubo de hielo puede derretirse y el agua fría puede calentarse un poco a medida que el agua tibia se enfría. Por lo tanto, este proceso no es isotérmico ni para el hielo ni para el agua. Pero el sistema de hielo y agua no absorbió ni emitió ningún calor porque el contenedor era un aislante perfecto. En ese sentido, el proceso fue adiabático.
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Pero la pregunta surge con mayor frecuencia con respecto a los procesos termodinámicos en gases ideales. Es decir, considere un cilindro de pistón con un gas ideal contenido. El estado de ese gas se puede representar en un diagrama pV , es decir, un gráfico de la presión del gas en función de su volumen. Ahora consideremos dos casos en los que el gas se expande de un volumen más pequeño a uno más grande haciendo que el pistón se mueva ‘hacia afuera’. Tal proceso puede ocurrir bajo varias condiciones. Es decir, la presión puede mantenerse constante agregando calor al sistema a medida que aumenta el volumen, y eso también aumentará la temperatura. Pero los dos casos que quiero describir, porque aquí es donde a menudo ocurre mucha confusión, son una expansión isotérmica y una expansión adiabática .
Expansión isotérmica . Si el volumen se expande mientras se suministra calor continuamente al gas contenido de tal manera que se mantenga constante la temperatura, se llama isotérmico. Pero según la ley de los gases ideales, pV = nRT , si la temperatura es constante, a medida que aumenta el volumen, la presión tiene que disminuir simultáneamente. Pero si la temperatura no cambia, este proceso también garantiza que la energía interna del gas sea constante, ya que la temperatura es una medida de la energía interna de un gas ideal. Pero debido a que el volumen aumentó, el gas hizo un trabajo al empujar el pistón hacia afuera, por lo que la primera ley de la termodinámica requería que se suministrara algo de calor para dar cuenta de la cantidad de trabajo realizado. Así que el calor fue absorbido, el trabajo fue realizado por el gas y no hubo cambio de energía interna.
Expansión adiabática. Si se produjera el mismo cambio de volumen en este problema, pero no se hubiera agregado calor, sería, por definición, adiabático . Pero como el gas habría trabajado contra el pistón en esta expansión, esa energía habría tenido que venir de algún lado. Si no se agregó calor al sistema (como en la expansión isotérmica), la única fuente de energía es la energía interna del propio gas. Entonces, en la expansión adiabática, habría una disminución en la energía interna, lo que significaba una caída en la temperatura y, por lo tanto, una mayor caída en la presión que ocurrió durante la expansión isotérmica anterior. Por lo tanto, no se absorbió calor, el gas hizo trabajo y la energía interna del gas disminuyó, lo que significa que la temperatura bajó.
Ambos procesos se pueden mostrar en un diagrama pV como este:
La confusión común de los dos procesos es doble. Se ven similares cuando se muestran en un diagrama pV si no está claro que un proceso sigue a una isoterma y el otro cae de una isoterma de temperatura más alta a una más baja. La otra confusión común tiene que ver con el uso impreciso, a veces común, de las palabras calor, temperatura y energía interna. La temperatura mide la energía interna, el calor es una transferencia de energía térmica. La transferencia de calor cero no significa temperatura constante.
Hay un ejemplo muy simple que distingue entre un proceso (casi) isotérmico y uno (casi) adiabático: coloque la mano justo en frente de la boca y sople contra ella de dos maneras diferentes. (a) Si tu boca está bastante abierta, sientes aire cálido. Por supuesto, el aire proviene de los pulmones a la temperatura corporal, y la temperatura de la piel es ligeramente más baja que eso. Eso es casi una expansión isotérmica a medida que el aire se escapa, y se siente el aire cálido. (b) Ahora frunza los labios para que el aire salga por un pequeño agujero. Ese aire se siente fresco. ¿Por qué? (No, sus labios no se enfriaron, ¡ninguno de ustedes quiere creer eso!) Al atravesar un pequeño orificio, ese aire se expande rápidamente. En esa rápida expansión, empuja algo de aire fuera del camino. La energía para hacer ese trabajo contra la atmósfera provino de su propia energía interna, por lo que la temperatura bajó. Y sientes el aire enfriado.
