Termodinámica

TERMODINÁMICA

La Termodinámica es la ciencia de la energía y sus transformaciones.

Areas de aplicación de la termodinámica:

Cualquier actividad de ingeniería implica una interacción entre energía y materia. Muchos utensilios y aparatos domésticos se diseñan por completo o en parte con aplicación de los principios de la termodinámica. La estufa eléctrica o de gas, los sistemas de calefacción, o de aire acondicionado, el refrigerador, la olla de presión, el calentador de agua, la televisión, computadores, etc. A una escala mayor el diseño y análisis de motores de automóvil, cohetes, centrales eléctricas o nucleares.

Sistemas cerrados y abiertos

Un sistema termodinámico, o simplemente un sistema, es una cantidad de materia o una región en el espacio elegida para estudio. La masa o región fuera del sistema recibe el nombre de alrededores. La superficie real o imaginaria que separa el sistema de sus alrededores se llama frontera.

Sistema cerrado: consiste en una cantidad fija de masa que de ella puede cruzar su frontera, o sea ninguna masa puede entrar o abandonar un sistema cerrado, pero la energía en forma de calor o trabajo, puede cruzar la frontera y el volumen de un sistema cerrado no tiene que ser fijo.

Sistema Abierto: Cuando el sistema intercambia tanto materia como energía a través de su frontera .

Sistema aislado: Cuando el sistema no intercambia ni materia ni energía a través de las fronteras.

Formas de energía:

Existen varias formas de energía: térmica, mecánica, cinética, potencial, eléctrica, magnética, química y nuclear. La suma de todas estas constituye la energía total del sistema.

La termodinámica no proporciona información acerca del valor absoluto de la energía total de un sistema. Solo trata con el cambio de la energía total. El cambio en la energía total de un sistema es independiente del punto de referencia elegido.

En el análisis termodinámico, con frecuencia es útil considerar en dos grupos las diversas formas de energía que conforman la energía total del sistema: macroscópicas y microscópicas.

Entre las energías macroscópicas están la energía cinética y la potencial (marcos de referencia exterior). Y entre las microscópicas: energía cinética trasnacional, rotacional y vibracional. Estas se relacionan con la estructura molecular de un sistema y el grado de actividad molecular, independientes de los marcos de referencia externos. A la suma de todas las formas de energía microscópica se denomina Energía interna.

La energía interna también se asocia con las fuerzas intermoleculares de un sistema. Son más intensas en los sólidos y más débiles en los gases.

Propiedades de un sistema

Cualquier característica de un sistema se denomina propiedad. Ejemplo: la presión, la temperatura, el volumen, la masa, pueden ser intensivas o extensivas.

Estado y equilibrio

Estado: conjunto de propiedades que describen por completo la condición del sistema.

En un estado dado, todas las propiedades de un sistema tiene valores fijos. Si el valor de alguna propiedad cambia, el estado cambiará a uno diferente.

La termodinámica estudia estados en equilibrio. Cualquier cambio que experimente un sistema de un estado de equilibrio a otro se llama proceso. Y la serie de estados por la cual pasa un sistema durante un proceso se llama trayectoria del proceso. Para describir por completo un proceso, deben especificarse sus estados inicial y final, así como la trayectoria que sigue y las interacciones con los alrededores.

Tipos de procesos:

- Isotérmico: cuando el cambio se realiza a temperatura constante.

- Isobárico: cuando el cambio se realiza a presión constante.

- Isométrico (o isocórico) : cambio de estado a volumen constante.

- Adiabático: Proceso en el cual no hay intercambio de calor entre el sistema y el medio.

También podemos considerar los procesos como irreversibles: que ocurre en una sola etapa, un proceso rápido o brusco que ocurre en una dirección determinada. Los procesos naturales son irreversibles. Reversible: cuando un cambio de estado se realiza en una forma muy lenta a través de una serie de estados de equilibrio, de tal manera que por un cambio infinitesimal de una de las variables se pueda regresar al último punto de partida. Cíclico: cuando el sistema regresa al estado inicial o punto de partida después de realizar una serie de cambios de estado. Espontáneo: es aquel que se realiza si la ayuda de una fuerza o de una energía externa al sistema considerado. Si para que el proceso se realice es necesario realizar un trabajo neto sobre el sistema, el proceso no es espontáneo.

Calor y trabajo

Calor: forma de energía que se transfiere entre dos sistemas debido a una diferencia de temperatura. Si el calor es absorbido por el sistema se considera positivo, si es desprendido por el sistema, negativo.

Modos de transferencia de calor:

Por conducción: transferencia de energía de partículas más energéticas de una sustancia a las adyacentes menos energéticas.

Por convección: es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y un líquido o gas adyacente que están en movimiento.

Por radiación: es la energía emitida por la materia mediante ondas electromagnéticas (o fotones), como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas (no requiere presencia de un medio entre el sistema y sus alrededores.)

Trabajo: es una interacción de energía entre un sistema y sus alrededores. El trabajo es la transferencia de energía asociada con una fuerza que actúa a lo largo de una distancia. Ejemplo: la elevación de un émbolo.

El trabajo es también una forma de energía como el calor, las unidades son por lo tanto las de energía: KJ.

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