¿Qué es un proceso isotérmico en física?

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

Un proceso isotérmico es un proceso termodinámico en el que la temperatura de un sistema permanece constante. La transferencia de calor dentro o fuera del sistema ocurre tan lentamente que se mantiene el equilibrio térmico. La palabra 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.

El proceso isotérmico

En general, durante un proceso isotérmico hay un cambio en la energía interna, la energía térmica y el trabajo; aunque la temperatura siempre permanece constante, algo en el sistema funciona para mantener esa temperatura igual, un ejemplo ideal es el ciclo de Carnot, que básicamente describe cómo funciona una máquina térmica suministrando calor a un gas. Como resultado, el gas se expande en un cilindro y empuja un pistón para que haga el trabajo; después, el calor o el gas debe ser expulsado del cilindro (o descargado), con el fin de poder tener espacio para el siguiente ciclo de calor/expansión. Esta referencia que se menciona es un claro ejemplo de lo que sucede dentro del motor de un vehículo con motor de combustión.

Si el ciclo explicado es completamente eficiente, el proceso es isotérmico, porque la temperatura se mantiene constante mientras cambia la presión. 

Para entender los conceptos básicos del proceso isotérmico, debemos tener en cuenta 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 de energía interna durante un proceso isotérmico para un gas ideal es igual a 0; todo el calor agregado a un sistema realiza un trabajo para mantener el proceso isotérmico, siempre y cuando la presión permanezca constante. Cuando se considera un gas ideal, el trabajo que se realiza en el sistema para mantener la temperatura nos da a entender que el volumen del gas debe disminuir a medida que aumenta la presión en el sistema. Según la ley de los gases ideales, la presión varía linealmente con la temperatura y la cantidad, e inversamente con el volumen.

Procesos isotérmicos y estados de la materia

Los procesos isotérmicos son muchos y variados. La evaporación del agua en el aire es uno de ellos, así como lo es la ebullición del agua a un punto de ebullición específico. 

También hay muchas reacciones químicas que mantienen el equilibrio térmico, y en biología se dice que las interacciones de una célula con sus células circundantes (u otros materiales) dan como resultado 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 presione constantes.

Trazando un proceso isotérmico

En física, la representación gráfica de estas reacciones y procesos se realiza mediante diagramas (gráficos). En un diagrama de fases, un proceso isotérmico se traza siguiendo una línea vertical, o un plano en un diagrama 3D, 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 cuando su temperatura permanece constante; por lo tanto, la evaporación del agua a medida que hierve significa que la temperatura permanece igual conforme el sistema de presión y volumen cambian; esto se grafica con la temperatura (que permanece constante) a lo largo del diagrama.

Aplicaciones del estudio de los procesos isotérmicos

Cuando los científicos estudian procesos isotérmicos en los sistemas, en realidad están examinando el calor, la energía y la conexión entre ellos, y también la energía mecánica necesaria para cambiar o mantener la temperatura de un sistema. Esta comprensión ayuda a los biólogos a estudiar cómo los seres vivos regulan su temperatura. También se aplica a la ingeniería, la ciencia espacial, la ciencia planetaria, la 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. Estos dispositivos se utilizan para alimentar plantas generadoras de energía eléctrica y, como se mencionó anteriormente, automóviles, camiones, aviones y otros vehículos; además, estos sistemas existen también en los cohetes y las naves espaciales. Los ingenieros aplican principios de gestión térmica (en otras palabras, la gestión de la temperatura) para aumentar la eficiencia de estos sistemas y procesos.

Referencias

https://solar-energia.net/termodinamica/procesos-termodinamicos/proceso-isotermico

https://www.thermal-engineering.org/es/que-es-el-proceso-isotermico-definicion/

Física Universitaria, Sears y Zemansk, Addison-Wesley 2019