Conceptos básicos de la termodinámica

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO

“SANTIAGO MARIÑO”

EXTENSIÓN BARCELONA[pic 1]

UNIDAD I

SISTEMA TERMODINÁMICO

Autores:

Elinor Leonett

                                                                CI: 21.612.927

Hecdomar Perfecto

CI: 31.831.227

Alejandro Garcia

CI: 30.205.645

Introducción

La termodinámica es una rama fundamental de la física y la ingeniería que estudia las interacciones entre el calor, el trabajo y la energía en diversos sistemas. Los sistemas termodinámicos, que pueden ser abiertos, cerrados o aislados, son modelos utilizados para entender y predecir el comportamiento de la materia y la energía en distintas condiciones. A través de leyes y principios bien establecidos, como la conservación de la energía, la entropía y las transformaciones de fase, la termodinámica se aplica en múltiples disciplinas, desde la ingeniería mecánica hasta la química y la biomedicina. Este trabajo explora los conceptos clave de los sistemas termodinámicos, su clasificación y la importancia de su análisis en el desarrollo de tecnologías sostenibles y eficientes.

CONCEPTOS BÁSICOS DE LA TERMODINÁMICA

Termodinámica

La termodinámica es la rama de la física que estudia las relaciones entre el calor, la energía y el trabajo en los sistemas físicos. Se basa en leyes que describen cómo la energía se transfiere o se transforma dentro de un sistema.

Sistema termodinámico: Es la porción del universo que se estudia, separada por límites reales o imaginarios.

Entorno: Todo lo que rodea al sistema y puede intercambiar energía o materia con él.

Frontera: Límite que separa el sistema del entorno, puede ser fija o móvil, real o ideal.

Sistema termodinámico abierto: Es un sistema que intercambia energía y materia con su entorno.

Ejemplo: Una taza de café caliente sin tapa: pierde calor (energía) y puede evaporar agua (materia).

Sistema termodinámico cerrado: Es un sistema que intercambia solo energía, pero no materia con su entorno.

Ejemplo: Una botella cerrada con agua caliente: el calor puede salir o entrar, pero el agua permanece dentro.

Propiedades de un sistema termodinámico

Las propiedades son características medibles que describen el estado del sistema. Se dividen en dos tipos:

1. Propiedades intensivas: No dependen de la cantidad de materia.

Ejemplos: temperatura, presión, densidad.

1. Propiedades extensivas: Dependen de la cantidad de materia.

Ejemplos: masa, volumen, energía interna.

Algunas propiedades importantes:

• Temperatura (T): Mide el grado de calor.
• Presión (P): Fuerza por unidad de área.
• Volumen (V): Espacio que ocupa el sistema.
• Energía interna (U): Energía total de las partículas dentro del sistema.
• procesos termodinámicos
• Un proceso termodinámico es el cambio de estado de un sistema debido a la interacción con su entorno (intercambio de calor o trabajo).
• Tipos comunes de procesos:
• Isotérmico: Temperatura constante (T = constante).
• Isobárico: Presión constante (P = constante).
• Isocórico o isométrico: Volumen constante (V = constante).
• Adiabático: No hay intercambio de calor (Q = 0).

Ciclos termodinámicos

Un ciclo termodinámico es una serie de procesos que devuelve al sistema a su estado inicial. Durante el ciclo, el sistema puede realizar trabajo y transferir energía.

Ejemplos:

Ciclo de Carnot: Ciclo ideal de máxima eficiencia.

Ciclo Otto: Usado en motores de gasolina.

Ciclo Rankine: Usado en plantas de generación eléctrica con vapor.

En termodinámica, densidad y volumen específico son propiedades fundamentales que se usan para describir el estado de una sustancia.

Densidad (ρ)

Es la masa por unidad de volumen.

Fórmula:

[pic 2][pic 3]

ρ= densidad (kg/m³)

m= masa (kg)

V= volumen (m³)

Se usa para saber cuánta masa hay en un determinado volumen de una sustancia, muy útil en cálculos de energía y flujo.

Volumen específico (v)

Es el volumen ocupado por unidad de masa.

Fórmula:

[pic 4][pic 5]

v= volumen específico (m³/kg)

V= volumen

m= masa

Presión (P)

La presión (P) se define como la fuerza normal (perpendicular) ejercida por un fluido (gas o líquido) por unidad de área sobre una superficie. A nivel microscópico, esta fuerza surge de las innumerables colisiones de las partículas del fluido (moléculas, átomos) con las paredes del recipiente que lo contiene o con cualquier superficie dentro del sistema. Cuanto mayor sea la frecuencia y la fuerza de estas colisiones, mayor será la presión ejercida.

Matemáticamente, la presión se expresa como:

P = F / A

Donde:

• P es la presión.
• F es la magnitud de la fuerza normal.
• A es el área sobre la cual se distribuye la fuerza.

La presión es una propiedad intensiva de un sistema, lo que significa que su valor no depende de la cantidad de materia presente en el sistema. Es una magnitud escalar, aunque la fuerza asociada a la presión tiene una dirección (perpendicular a la superficie).

En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de presión es el pascal (Pa), que se define como un newton por metro cuadrado (N/m²).

Tipos de Presión en un Sistema Termodinámico

En el contexto de sistemas termodinámicos, es importante distinguir entre diferentes tipos de presión:

1. Presión Absoluta (Pabs): Es la presión real o total que ejerce un fluido sobre una superficie, medida con respecto al vacío perfecto o cero absoluto de presión. Es la presión que se utiliza en la mayoría de las ecuaciones de estado y cálculos termodinámicos.

1. Presión Manométrica (Pman): También conocida como presión relativa o presión de calibre, es la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica local. Los manómetros y otros instrumentos de medición de presión suelen indicar la presión manométrica. Puede ser positiva (cuando la presión absoluta es mayor que la atmosférica) o negativa (cuando la presión absoluta es menor que la atmosférica, en cuyo caso se denomina presión de vacío).

Pman = Pabs – Patm

1. Presión Atmosférica (Patm): Es la presión ejercida por la atmósfera terrestre en un punto dado. Su valor varía con la altitud y las condiciones climáticas. A nivel del mar, la presión atmosférica estándar es de aproximadamente 101,325 Pa (1 atm).

1. Presión Hidrostática (Phid): Es la presión ejercida por un fluido en reposo debido a la fuerza de la gravedad. En un líquido, la presión hidrostática aumenta con la profundidad. Se calcula como:

Phid = ρgh

Donde:

• ρ es la densidad del fluido.
• g es la aceleración debido a la gravedad.
• h es la profundidad bajo la superficie del fluido.

1. Presión de Vapor (Pvap): Es la presión a la que un líquido se encuentra en equilibrio con su vapor a una temperatura dada. Depende de la temperatura y de la naturaleza del líquido. Cuando la presión de un sistema alcanza la presión de vapor del líquido a esa temperatura, ocurre la ebullición.

1. Presión Parcial (Pi): En una mezcla de gases, la presión parcial de un componente es la presión que ejercería ese componente si ocupara solo el volumen total de la mezcla a la misma temperatura. La ley de Dalton de las presiones parciales establece que la presión total de una mezcla de gases ideales es la suma de las presiones parciales de sus componentes.

Ptotal = P1 + P2 + ... + Pn

Ejemplos de Presión en un Sistema Termodinámico

1. Un gas encerrado en un cilindro con un pistón:

• La presión absoluta del gas dentro del cilindro determina la fuerza que ejerce sobre el pistón.
• Si se mide la fuerza necesaria para mantener el pistón en su posición, y se conoce el área del pistón, se puede calcular la presión absoluta del gas.
• Si el cilindro está abierto a la atmósfera y se mide la presión dentro del gas con un manómetro, este indicará la presión manométrica, que es la diferencia entre la presión absoluta del gas y la presión atmosférica exterior.

• Al calentar el gas, la energía cinética de sus moléculas aumenta, lo que resulta en colisiones más frecuentes y con mayor fuerza con las paredes del cilindro y el pistón, incrementando la presión absoluta.

1. Agua en un tanque de almacenamiento:

• En el fondo del tanque, el agua ejerce una presión hidrostática debido al peso de la columna de agua que se encuentra por encima. Esta presión aumenta linealmente con la profundidad.
• Si el tanque está abierto a la atmósfera, la presión absoluta en cualquier punto dentro del agua será la suma de la presión atmosférica en la superficie y la presión hidrostática a esa profundidad.

1. Una olla de presión:

• Al calentar agua dentro de una olla sellada, el agua líquida comienza a evaporarse, aumentando la cantidad de vapor en el espacio cerrado. Este vapor ejerce una presión de vapor que aumenta con la temperatura.
• La presión total dentro de la olla será la suma de la presión parcial del vapor de agua y la presión parcial del aire inicialmente presente (si lo había). Esta presión total es significativamente mayor que la presión atmosférica, lo que permite que el agua hierva a una temperatura más alta, cocinando los alimentos más rápido.

1. Un sistema de refrigeración:

• El refrigerante circula a través de diferentes componentes del sistema, experimentando cambios de fase (líquido a gas y viceversa) a diferentes presiones.
• En el evaporador, el refrigerante a baja presión absorbe calor y se evapora. En el compresor, la presión del refrigerante gaseoso se aumenta significativamente. En el condensador, el refrigerante a alta presión libera calor y se condensa. La presión es una variable clave para controlar los puntos de ebullición y condensación del refrigerante y, por lo tanto, la eficiencia del ciclo de refrigeración.

[pic 6][pic 7]

Ejemplos de manómetros para medir presión.

Temperatura (T)

La temperatura es una propiedad física que describe la energía cinética promedio de las partículas que componen un sistema. A nivel microscópico, cuanto mayor es la temperatura, mayor es la velocidad promedio de las moléculas, átomos o iones que constituyen el sistema. Macroscópicamente, la temperatura determina la dirección del flujo de calor entre dos sistemas en contacto térmico: el calor fluye espontáneamente del sistema de mayor temperatura al de menor temperatura hasta que alcanzan el equilibrio térmico.

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