POTENCIALES TERMODINÁMICOS

Introducción

En esta monografía se hizo un estudio sobre la termodinámica y sus potenciales termodinámicos para familiarizarse con el tema que se va a estudiar más a fondo durante este periodo escolar, lo primero que se hizo fue hacer una investigación para conocer los conceptos básicos de la termodinámica que se van a usar como las propiedades y el sistema de unidades así como un poco de historia.

Lo más importante del trabajo fue en la investigación de los potenciales termodinámicos donde se investigó a fondo cada concepto que fue la Entalpia, la Energía interna, la Energía libre de Gibbs, de Helmhotz y la entropía. Así como sus fórmulas que se utilizan en cada uno de los conceptos y sus propiedades importantes.

Objetivo

El objetivo de este trabajo es hacer un recuento de las propiedades termodinámicas que se van a estudiar para encontrar la relación que se tienen unas con otras y como se aplican.

Con este trabajo se pretende conocer e informarse sobre los potenciales termodinámicos cuyos temas son muy importante para comenzar el curso de máquinas térmicas y todo lo que tenga que ver con la termodinámica para saber sus principios, sus leyes y así saber resolver problemas reales para cuando estemos laborando en la industria.

Marco Teórico

CONCEPTOS BÁSICOS.

Termodinámica

Campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de sistemas macroscópicos de materia y energía. En general, la Termodinámica estudia la transferencia de energía que ocurre cuando un sistema sufre un determinado proceso (termodinámico) que produce un cambio llevando de un estado a otro del sistema

Sistema

Parte del universo que desea estudiarse. Se clasifican de la siguiente manera:

Estado de un sistema

El estado de un sistema macroscópico en equilibrio puede describirse mediante variables termodinámicas, propiedades medibles como la temperatura, la presión o el volumen (coordenadas PVT). Es posible identificar y relacionar entre sí muchas otras variables (como la densidad, el calor específico, la compresibilidad o el coeficiente de expansión térmica), con lo que se obtiene una descripción más completa de un sistema y de su relación con el entorno. Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinámico.

De la observación de muchos sistemas termodinámicos se deduce que no todas sus propiedades son independientes una de otra, y que su estado puede determinarse mediante los valores de sus propiedades independientes. Los valores para el resto de las propiedades termodinámicas se determinan a partir de este subconjunto independiente.

En ingeniería, las variables más comunes para describir el tipo de sistemas que se manejan son: presión, flujo másico y temperatura, por lo que es conveniente describir cada uno de ellas; estas propiedades dependen básicamente de las dimensiones fundamentales, conocidas también como unidades básicas.

Sistemas de unidades

Unidad: cantidad determinada conocida, por cuya aplicación constante se puede medir cualquier otra cantidad similar.

Sistema de unidades: orden lógico de cantidades definidas por cuya aplicación constante se pueden medir otras cantidades similares. Consta de tres componentes:

• Unidades básicas: son aquellas a partir de las cuáles se derivan todas las demás unidades; son siete: masa (M), longitud (L), tiempo (t), temperatura (T), concentración química (mol), intensidad de corriente eléctrica (i), intensidad luminosa.

• Unidades derivadas: son aquellas que surgen al relacionar las unidades básicas, como las unidades de velocidad (L/t), de aceleración (L/t2), de fuerza (ML/t2), etc.

• Múltiplos de las unidades: es el uso de notación científica para expresar valores muy pequeños o muy grandes, por ejemplo, el tamaño de un átomo o la distancia de la Tierra a la Luna

Propiedades Termodinámicas

Las variables medidas comúnmente son presión, flujo másico y temperatura, y a partir de ellas se desarrollan cálculos para determinar el valor de otras variables útiles para describir el sistema con el que se esté trabajando, tales como el calor transferido.

1. Medidas de cantidad o de tamaño

2. Temperatura.

La temperatura de un cuerpo es una función directa de la energía cinética de sus moléculas, y se utiliza como una medida indirecta de la cantidad de calor transferido en un proceso. La temperatura es la fuerza impulsora para la transferencia de energía en forma de calor.

3. Presión

La presión ejercida por un fluido sobre una superficie se define como la fuerza normal ejercida por el fluido por unidad de área de superficie, lo que se representa mediante la ecuación

4. Trabajo

Se realiza trabajo siempre que una fuerza actúe a través de una distancia. La cantidad de trabajo se define de la siguiente manera:

En termodinámica, el trabajo se acompaña de un cambio en el volumen del sistema (compresión o expansión).

5. Energía

Por lo general, se define a la energía como la capacidad un cuerpo o sistema de realizar un trabajo. Para esto, se considera la energía contenida en el sistema, la cual puede ser de tres tipos

Al cuerpo o conjunto sobre el que se concentra la atención se le llama sistema, y lo demás son los alrededores. Cuando se realiza trabajo, este lo hacen los alrededores sobre el sistema o viceversa, y la energía se transfiere de los alrededores al sistema o al revés. Durante la transferencia existe el trabajo, mientras que Ek, Ep y U residen en el sistema.

6. Energía interna

Es la energía de las moléculas de la sustancia en cuestión. La adición de calor a una sustancia aumenta su actividad molecular y así se provoca un aumento de energía interna (U). El trabajo hecho sobre la sustancia puede tener el mismo efecto.

En una escala submolecular, la energía se asocia con los electrones y los núcleos de los átomos, y con su energía de enlace resultante de las fuerzas que mantienen unidos a los átomos como moléculas. Es la energía interna, que termodinámicamente no tiene una definición concisa.

7. Calor

Cuando dos sistemas, a temperaturas diferentes, se ponen en contacto, la temperatura final que ambos alcanzan tiene un valor intermedio entre las dos temperaturas iniciales. Ha habido una diferencia de temperatura en estos sistemas. Uno de ellos ha perdido "calor" (su variación de temperatura es menor que cero ya que la temperatura final es menor que la inicial) y el otro ha ganado "calor" (su variación de temperatura es positiva). La cantidad de calor (cedida uno al otro) puede medirse, es una magnitud escalar que suele ser representada mediante la letra Q.

Durante mucho tiempo se pensó que el calor era una especie de "fluido" que pasaba de un cuerpo a otro (se le conocía como calórico). Hoy se sabe que el calor es una onda electromagnética (posee la misma naturaleza que la luz) y su emisión depende de la vibración de los electrones de los átomos que forman el sistema.

Ley Cero de la Termodinámica

R.H. Fowler, en 1931, enunció la ley cero de la termodinámica: “Cuando dos sistemas o cuerpos diferentes están en equilibrio termodinámico con un tercero, también están en equilibrio entre sí”.

Si uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno infinito situado a una determinada temperatura, el sistema acabará alcanzando el equilibrio termodinámico con su entorno, es decir, llegará a tener la misma temperatura que éste.

Energía Interna

La magnitud que designa la energía almacenada por un sistema de partículas se denomina energía interna (U). La energía interna es el resultado de la contribución de la energía cinética de las moléculas o átomos que lo constituyen, de sus energías de rotación, traslación y vibración, además de la energía potencial intermolecular debida a las fuerzas de tipo gravitatorio, electromagnético y nuclear.

La energía interna es una función de estado: su variación entre dos estados es independiente de la transformación que los conecte, sólo depende del estado inicial y del estado final.

Como consecuencia de ello, la variación de energía interna en un ciclo es siempre nula, ya que el estado inicial y el final coinciden:

Energía interna de un gas ideal

Para el caso de un gas ideal puede demostrarse que la energía interna depende exclusivamente de la temperatura, ya en un gas ideal se desprecia toda interacción entre las moléculas o átomos que lo constituyen, por lo que la energía interna es sólo energía cinética, que depende sólo de la temperatura. Este hecho se conoce como la ley de Joule.

La variación de energía interna de un gas ideal (monoatómico o diatómico) entre dos estados A y B se calcula mediante la expresión:

Donde n es el número de moles y Cv la capacidad calorífica molar a volumen constante. Las temperaturas deben ir expresadas en Kelvin.

Para demostrar esta expresión imaginemos dos isotermas caracterizadas por sus temperaturas TA y TB como se muestra en la figura.

Un gas ideal sufrirá la misma variación de energía interna (ΔUAB) siempre que su temperatura inicial sea TA y su temperatura final TB, según la Ley de Joule, sea cual sea el tipo de

...