Procesos isotérmicos

Procesos isotérmicos

Cuando una masa m de gas se dilata isotérmicamente en contra de una presión exterior, la variación de la energía interna es nula, con lo que el calor que se suministra al sistema es igual al trabajo que realiza el gas. En estas condiciones se verifica la Ley de Boyle:

Donde:

Q: calor transferido, Cal

P1: presión del gas al inicio del proceso, N/m2

V1: volumen del gas al inicio del proceso, m3

W: trabajo efectuado por el gas, Joule = N.m

Vf: volumen final del gas, m3

Vo: volumen inicial del gas, m3

Diagramas Termodinámicos:

7.2.1 Diagrama de Clapeyron:

En este ejemplo (compresión de 1 a 2), el trabajo de compresión será el área V1-1-2-V2 si no hay trasvasijamiento y el área p1-1-2-p2 en el caso con trasvasijamiento. En ambos casos está el supuesto de compresión sin roce.

En el caso de un sistema con cambio de fase la representación p-V es un poco más compleja. Esta la podemos ver ilustrada en la siguiente figura.

La curva de cambio de fase está en negro. Se define una campana celeste que es la zona donde se produce el cambio de fase. A la izquierda (en azul) está la zona de líquido saturado y a la derecha la zona de vapor sobrecalentado (color damasco). Las líneas que aparecen son isotermas. De ellas destaca la isoterma crítica. Cuando el vapor de agua está sobre esa temperatura crítica (K), por mucho que se comprima el vapor, este no condensa. Esto define la zona amarilla de Gas.

También se debe tener claro que en la fase líquida, las isotermas son casi verticales. Esto se debe a que el agua es fluido casi incompresible.

En rigor la ecuación de estado de un fluido es una superficie entre sus variables principales. En un diagrama p-V la ecuación de estado de un gas perfecto se puede representar por una sucesión de hipérbolas pV = Cte, que corresponden a isotermas.

7.2.2 Diagrama T-S:

El diagrama T-S tiene varias propiedades interesantes que lo hacen util para visualizar procesos y ciclos. A continuación ilustraremos algunas de estas propiedades importantes.

En un diagrama T-S un ciclo de Carnot queda representado por dos horizontales (isotermas) y dos verticales (isentrópicas). Por lo tanto un ciclo de Carnot es un rectángulo.

Además el área encerrada dentro de un ciclo (o bajo la curva) representa los calores intercambiados con el exterior o en cada evolución.

Lo anterior se debe a que si la evolución es reversible, se cumple que dQ = T•dS.

En el ejemplo que se ilustra, el calor absorbido es el área S1-2-3-S2 y el calor cedido es el área S1-1-4-S2.

Un concepto interesante que surge de este diagrama es el de Ciclo de Carnot correspondiente. Si en un diagrama T-S se traza un ciclo cualquiera, el rectángulo que circunscribe

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