Resumen del capítulo 1. “Introducción y conceptos básicos”

Del libro de termodinámica de Yunes A. Çengel.

Resumen del capítulo 1.

“Introducción y conceptos básicos”

1.-La termodinámica y la energía:

La termodinámica se puede definir como la ciencia de las energía y por su parte la energía se puede considerar como la capacidad de causar cambios y algo muy importante es el principio de conservación de la energía, el cual enuncia lo siguiente; “le energía no se crea ni se destruye”. Esta es una de las leyes de la naturaleza mas importantes y fundamentales, sobre este principio se basa toda la primera ley de la termodinámica.

La segunda ley de la termodinámica afirma que la energía tiene calidad así como cantidad y los procesos reales de transferencia de energía ocurren hacia donde disminuye la calidad de la energía.

La termodinámica es una ciencia que ha existido desde la creación del universo y es algo inmerso en todos los procesos y sistemas que se presentan en la naturaleza. Sin embargo esta ciencia surgió como tal a partir del año 1850 y se comenzó a escribir del tema hasta 1859, pero es una ciencia en vías de evolución y con el paso del tiempo se va esclareciendo, perfeccionándose e inhabilitando términos o conceptos que han sido erróneos.

Se sabe bien que una sustancia está constituida por un gran número moléculas y que las propiedades de dicha sustancia dependen por supuesto del comportamiento de dichas partículas, esto es un tema de estudio de la micro termodinámica. Al enfoque macroscópico de la termodinámica que no requiere conocer el comportamiento de cada una de las partículas se le conoce como termodinámica clásica y este proporciona un modo directo y fácil para la solución de problemas de ingeniería. Al método mas elaborado, basado en el comportamiento promedio de grupos grandes de partículas individuales se le conoce como termodinámica estadística.

2.- Áreas de aplicación de la termodinámica:

En la naturaleza, todas las actividades tienen que ver con cierta interacción entre la energía y la materia; por lo tanto es difícil imaginar un área que no se relacione con la termodinámica. Comúnmente la termodinámica se encuentra en muchos sistemas de la ingeniería y otros aspectos de la vida, en sistemas corporales por ejemplo, el calor corporal, el bombeó de la sangre del corazón, etc. También hay ejemplos de la termodinámica en una casa ordinaria, una escuela, una fabrica, etc. En cualquier momento donde interaccionen la energía y la materia.

3.- Importancia de las dimensiones y las unidades:

Cualquier cantidad física se caracteriza mediante dimensiones, las magnitudes asignadas a las dimensiones se llaman unidades. Existen dimensiones primarias y otras que se expresan en función de estas, llamadas dimensiones secundarias o derivadas.

En 1960 la CGPM produjo el SI “sistema internacional de unidades” el cual se basa en seis unidades fundamentales; el metro (m) para longitud, el kilogramo (kg) para mas, el segundo (s) para el tiempo, ampere (A) para la corriente eléctrica, el grado Kelvin (K) para temperatura y candela (cd) para intensidad luminosa. En 9171 se añadió una séptima llamada mol (mol) para la cantidad de materia. Con la interacción de estas surgen las dimensiones derivadas, como la velocidad (m/s), la fuerza (N) (kgm/s^2), la densidad (p) (kg/m^3) etc.

Una dimensión importante y que causa confusión es la del peso, se usa con frecuencia de manera incorrecta para expresar la masa, pero a diferencia de la masa el peso es una fuerza, la fuerza direccional aplicada a un cuerpo y se mide en Newtons. El peso del volumen unitario de una sustancia se llama peso específico (γ) y se determina a partir de la formula γ=pg donde p es la densidad y g es la gravedad. La masa de un cuerpo es la misma sin importar su ubicación en el universo; sin embargo su peso se modifica con el cambio de la aceleración gravitacional.

Se debe de observar que la fuerza de gravedad se debe a la interacción entre las masas y, por lo tanto, es proporcional a las magnitudes de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas.

El trabajo, que es una manera de transmitir energía, se puede definir como la fuerza multiplicada por la distancia, por lo que su unidad es el newton-metro o conocido como joule (J) (Nm).

La homogeneidad dimensional es algo muy importante, pues en un problema de ingeniería se debe de trabajar con una ecuación que debe tener el mismo tipo de unidad, por esto es importante manejar las relaciones de conversión de unidades, por ejemplo, pasar unidades del sistema ingles al SI y viceversa, si no se hace una conversión adecuada de unidades en la resolución de un problema, al final todo el resultado será completamente erróneo.

4.- Sistemas y su propiedades:

Un sistema se define como una cantidad de materia o una región del espacio elegido para análisis. La masa o región fuera del sistema se conoce como alrededores. La superficie real o imaginaria que separa al sistema de su alrededores se conoce como frontera, la frontera de un sistema puede ser fija o móvil. En términos matemáticos la frontera de un espacio tiene un espesor cero y por lo tanto no puede contener ninguna masa ni ocupar un volumen en el espacio.

Los sistemas de pueden considerar en cerrado, abiertos o adiabáticos. Un sistema cerrado (conocido también como masa de control) consta de una cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar su frontera, pero la energía en forma de calor o el trabajo pueden cruzar la frontera. Si se prohíbe que ni la materia ni ningún tipo de energía o trabajo cruce la frontera, se trata de un sistema adiabático. En el sistema abierto (conocido como volumen de conrol) hay un flujo de energía y de materia que atraviesan la frontera, permitiendo la entrada y salida de materia o energía. Cabe mencionar que no existe un sistema cerrado perfecto, pues en un momento, con el paso del tiempo y del desgaste hay fugas de materia. Mucho menos existe un sistema adiabático, pues en todo sistema, hay siempre e inevitablemente un flujo de energía.

Las fronteras de un sistema pueden ser fijas, que nunca modifican su posición, o pueden tener fronteras flexibles, esto es cuando una de estas sufre un desplazamiento o una deformación, ampliando o reduciendo el volumen interior

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