Termodinamica

CAPÍTULO 3: TERMODINÁMICA

3.1 SISTEMAS Y VARIABLES TERMODINÁMICAS:

La termodinámica estudia las transformaciones energéticas.

Un sistema termodinámico es una región del espacio que está sometida al estudio que se esté adelantando y que la limita una superficie que puede ser real o imaginaria. La región externa al sistema que interactúa con él se denomina entorno del sistema. El sistema termodinámico interactúa con su entorno a través del intercambio de materia y / o energía.

Una manera de clasificar los sistemas termodinámicos es considerando el modo de relación que tenga con su entorno:

Sistemas abiertos: Aquellos que intercambian materia y energía con su entorno.

Sistemas cerrados: Aquellos que intercambian energía pero no materia con su entorno.

Sistemas aislados: Aquellos que no intercambian ni materia ni energía con su entorno.

Una olla a presión tapada y con agua, teniendo como límite su superficie externa, es un sistema aislado. Si la olla a presión se somete a calentamiento en una estufa, se comporta inicialmente como un sistema cerrado. Cuando la olla “pita” debido al flujo de vapor, es un sistema abierto.

No se pueden considerar sistemas que intercambian materia pero no energía con sus alrededores, ya que la materia tiene implícito un contenido energético.

Un sistema termodinámico se caracteriza por un cierto número de variables llamadas variables termodinámicas o propiedades termodinámicas del sistema. Los valores de estas variables constituyen el estado termodinámico del sistema, y por esto a dichas variables se les conoce también con el nombre de variables de estado. Un cambio en el estado de un sistema debido a una interacción con su entorno se traduce en el cambio de por lo menos una de sus propiedades.

Una manera de clasificar las variables de estado es como variables externas y variables internas. Una propiedad externa es aquella cuyo valor no depende de la sustancia que está dentro de los límites del sistema sino de la posición en el espacio de cuerpos exteriores al sistema, por ejemplo, el volumen de un gas en un cilindro con un pistón o un campo eléctrico. Una propiedad interna es aquella cuyo valor depende de la naturaleza del medio que constituye el sistema, por ejemplo, la presión, la temperatura o la densidad. Son propiedades independientes una de otra cuando el sistema puede realizar un cambio de estado de tal manera que una de ellas varíe mientras la otra permanece constante. El acoplamiento de un sistema con su entorno se hace a través de las variables externas, que condicionan el valor de las otras variables, siendo por ello las variables externas las independientes por excelencia. Durante el cambio de fase de una sustancia pura, la presión y la temperatura permanecen constantes, siendo dependientes, mientras que el volumen sí cambia y puede formar con la presión o con la temperatura una pareja de propiedades con la que se puede definir el sistema.

Otra clasificación de las variables de estado depende de su dependencia con la masa: variables extensivas y variables intensivas. Las extensivas dependen de la masa y son proporcionales a ella, por ejemplo, el volumen o la masa. Las intensivas no dependen de la masa, por ejemplo, la presión o la densidad. Dentro de las magnitudes intensivas se consideran también las magnitudes específicas y molares, es decir, magnitudes extensivas referidas a la unidad de masa o al mol, respectivamente.

3.2 ENERGÍA, CALOR Y TRABAJO:

La energía se define como la capacidad que tiene un sistema para producir trabajo.

Se consideran dos tipos de energía: (a) La energía almacenada en un sistema: Energía cinética, energía potencial, energía interna, energía química, energía de presión; (b) La energía en tránsito entre el sistema y su entorno: calor y trabajo. Son los medios mediante los cuales un sistema puede intercambiar energía con su entorno o con otros sistemas.

Energía potencial: Es debida a la posición que guarda un cuerpo sobre el nivel de referencia. Para elevar un cuerpo o una masa de fluido en un campo gravitatorio es preciso realizar un trabajo contra las fuerzas del campo, trabajo que queda almacenado en el cuerpo en forma de energía potencial.

EP = m*g*z [kg*m/s2*m] = [julio].

Energía cinética: Es la energía que tiene un cuerpo en movimiento.

EC = m*v2/2 [kg*m2/s2] = [Julio].

Energía mecánica: Es la energía que se introduce a un sistema por medio de una bomba o que se extrae de un sistema por medio de una turbina.

Energía de fricción: Representa la energía perdida debido a la fricción cuando un fluido pasa a través de las diferentes partes de un sistema, como por ejemplo, a través de la tubería, de codos, de válvulas, etc.

Energía interna: Es una función de estado porque únicamente depende del estado en que se encuentre el sistema sin depender del proceso mediante el cual el sistema ha llegado a ese estado. Está relacionada con los constituyentes del sistema y es la suma de la energía cinética debido al movimiento de traslación de las moléculas, la energía cinética debida a la rotación de las moléculas, la energía cinética debida a la vibración de los átomos pertenecientes a la molécula y la energía potencial debida a las fuerzas intermoleculares.

U = U ct + U cr + U cv + U p

Energía de presión: Es la parte de la energía interna de un cuerpo que puede realizar trabajo.

EP e = P*V [(kg/m2)*m3] = kg*m

Energía química: Es la liberada o absorbida durante una reacción química.

TRABAJO: Se define como la aplicación de una fuerza a través de una distancia.

W = F*d = m*a*d [(kg*m/s2)*m] = [N*m] = [Julio]

Otras unidades usadas para el trabajo son:

1 kg*m = 9,81 julios

1 pie*lb = 1,3569 julios = 0,1383 kg*m.

El trabajo de flujo es el trabajo necesario para hacer que un fluido circule a través de una máquina.

0 1 2

Máquina

Por la sección 1 (entrada a la máquina) entra fluido, que ha de vencer una resistencia dada por p1A1; por ello, para que entre la porción de fluido comprendida entre 0 y 1 debe realizarse sobre el fluido un trabajo que es igual a:

W f1 = - p1* A1*l01 = - p1*V1

El signo menos indica que el trabajo se realiza sobre el sistema. El término l01 es la distancia entre 0 y 1.

En la sección 2 el fluido sale de la máquina y el trabajo de flujo está dado por:

W f2 = p2*V2.

El signo positivo indica que el trabajo se realiza sobre los alrededores del sistema.

El trabajo de flujo total del fluido es la suma algebraica de los trabajos de flujo a la entrada y a la salida:

W f = p2*V2 – p1*V1

El trabajo de flujo es una función de estado (sólo depende del estado en que se encuentre el sistema y no depende del proceso seguido para llegar a ese estado).

El trabajo mecánico o trabajo de frontera es aquel que se realiza en un sistema de volumen variable. Considérese un gas encerrado en un cilindro de sección A con un émbolo, inicialmente a una presión p1 y ocupando un volumen V1. Sobre el émbolo actúa una fuerza F debida a la presión atmosférica y a cualquier otra fuerza exterior. Si el gas se expande dentro del cilindro (aumenta su volumen) lo hace porque realiza un trabajo contra esa fuerza exterior:

δ W = F*dl = p*A*dl = p*dV

y el trabajo total entre los estados 1 y 2 viene dado por:

W = ∫12 p*dV

Esta integral depende de cuál sea la evolución de la presión p durante la expansión del gas y, entonces, el trabajo es una función de proceso.

Si el proceso es una expansión el trabajo es positivo pues es realizado por el sistema. Si el proceso es una compresión el trabajo es negativo ya que es realizado sobre el sistema.

CALOR: Es un mecanismo de intercambio de energía asociado al movimiento microscópico de los constituyentes del sistema, o sea, la energía que se intercambia en forma de calor proviene de la energía cinética de agitación molecular. Cuando dos sistemas se ponen en contacto térmico, las moléculas del que se encuentra a temperatura más alta ceden parte de su energía cinética a las moléculas del otro a través de colisiones. Hay transmisión de energía en forma de calor cuando la causa de esa transferencia es una diferencia de temperaturas.

El calor depende del proceso particular por el cual haya tenido lugar el intercambio de energía en forma de calor, es decir, no es una función de estado sino de proceso.

El criterio de signos empleado para el calor es: Un calor aportado al sistema es positivo y un calor cedido por el sistema es negativo.

La adición de calor a un sistema aumenta la energía de un sistema, generalmente la energía interna. La energía calorífica se suele medir en Kcal o en BTU. Los experimentos de Joule demostraron lo siguiente:

1 BTU = 778 lb-pie

1 Kcal = 4185 julios = 426,6 kgm.

Potencia: El trabajo realizado en un cierto tiempo recibe el nombre de potencia. La unidad de potencia más usada es el vatio o el HP (Horse power, en el sistema inglés de unidades).

P = W / θ

Procesos: Si una o

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