conceptos básicos termodinámica, Apuntes de Termodinámica

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Área: Energía y Naturaleza Título: Teoría de la Termodinámica de procesos Compilador y Autor: Santiago Paúl Cabrera Anda Diseño y Diagramación: Verónica Paredes Número de ejemplares: 100 Reg. propiedad intelectual: Mayo 7 / 2010, N° 033264 Revisión: Marzo 2013

Ambato- Ecuador 2010

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definición de ciertas propiedades, así como la aplicación de la ley cero.

Capítulo Segundo: Analiza varias propiedades termodinámicas y su efecto sobre ciertos procesos reales e ideales, además presenta varios diagramas termodinámicos y sus líneas y puntos principales construidos a partir de una hoja electrónica de uso general.

Capítulo Tercero: Enfoca la conservación de la energía y sus posibles transformaciones, como ocurre para algunos sistemas cerrados convencionales: cilindros-pistón, y recipientes rígidos.

Capítulo Cuarto: Estudia la conservación de la energía y sus posibles transformaciones, que podrían aparecer en ciertos sistemas abiertos comunes: toberas, difusores, turbinas, compresores, bombas, intercambiadores de calor, entre otros.

Capítulo Cinco: Trata la entropía y las irreversibilidades en la naturaleza, y su efecto sobre la eficiencia de los procesos. Diferenciando bajo ese concepto a los reales o irreversibles y los ideales o reversibles, con sus respectivas direcciones de ocurrencia, con énfasis en la segunda ley y con enfoque hacia la tercera ley.

Capítulo Seis: Analiza reacciones químicas de combustión, sus elementos, características, así como el cálculo y estudio de calores de reacción y temperaturas de llama basándose en la primera ley de la termodinámica.

Los diversos temas se ilustran con esquemas, gráficos, constelación de ideas y mapas mentales que facilitan una comprensión rápida de los conceptos básicos y su interrelación con otros más avanzados.

Todas las magnitudes termofísicas se expresan en sistema internacional, a excepción de la temperatura la cual por razones docentes se expresa tanto en grados Celsius como en kelvin.

En general, en todos los capítulos se plantean situaciones innovadoras que requieren actividades de investigación y experimentación, enfatizando en el aprendizaje basado en: estudio de casos y problemas (ABP) relacionados con Energía y Naturaleza, enmarcados dentro del alcance de la Ingeniería Mecánica.

El compilador y autor

OBJETIVOS :

 Reconocer las partes constitutivas de diversos sistemas termodinámicos de aplicación en ingeniería y en la vida cotidiana.

 Clasificar los diferentes tipos de sistemas termodinámicos.

 Conceptualizar e identificar fases y estados, para diversos tipos de sustancias en la naturaleza.

 Definir ciertas propiedades termo físicas y termodinámicas.

 Establecer condiciones de equilibrio termodinámico.

 Plantear y representar gráficamente procesos termodinámicos comunes.

 Aplicar la ley cero de la Termodinámica.

1.1 TERMODINÁMICA Y SUS LEYES

Comprende el estudio del calor y del trabajo, y de aquellas propiedades de las sustancias que guardan relación con éstos. Se basa en la observación experimental, cuyos resultados se han formalizado en las tres leyes de la Termodinámica. Además se establece la ley cero (en desarrollo lógico precede a la primera, pero fue establecida en último lugar).

La primera ley de la termodinámica expresa el principio de conservación de la energía (durante una interacción la energía puede cambiar de una forma a otra, pero la cantidad total de energía permanece constante, por tanto ésta no puede crearse ni destruirse), y afirma que ésta es una propiedad termodinámica.

De acuerdo con la segunda ley, la energía tiene tanto calidad como cantidad, y los procesos reales tienden a la disminución de su calidad.

La primera y segunda leyes fueron postuladas simultáneamente en la década de 1850, principalmente por los trabajos de William Rankine, Rudolph Clausius y Lord Kelvin.

La Tercera Ley establece que la entropía de una sustancia cristalina pura es cero, a la temperatura del cero absoluto.

Fig. 1.2: Clasificación de sistemas térmicos

1.2.1 Sistema cerrado (masa de control). Aquel en el cual ninguna masa cruza las fronteras del sistema, pero la energía en forma de calor o trabajo si puede cruzarlas, así: sistema cerrado de volumen constante (Fig. 1.3:

calentamiento de una mezcla agua-vapor contenida dentro de una cámara rígida).

Fig. 1.3: Sistema cerrado isocórico

La Fig. 1.4, muestra un sistema cerrado de volumen variable (gas contenido dentro de un cilindro). Si se coloca una fuente de calor en la parte inferior, la temperatura del gas aumentará y el émbolo subirá, desplazando el límite superior del sistema. Esto implica que existe energía que cruza los límites del sistema, mientras que no existe ningún flujo de masa.

Fig. 1.4: Sistema cerrado isobárico

Son sistemas ideales, puesto que en la práctica únicamente se puede disponer de aislamientos reales, los cuales si permiten la circulación de energía en forma de calor, pero en pequeña cantidad.

1.2.4. Sistema simple compresible. Cuando para su análisis se desprecian efectos electromagnéticos, gravitacionales, superficiales y de tensión superficial, mientras que se consideran los cambios de volumen.

1.2.5 Análisis macro y microscópico de un sistema

El análisis microscópico involucra aproximación estadística y teoría de probabilidades que permitan tratar con promedios con la finalidad de reducir el número de ecuaciones y variables correspondientes al movimiento y posición de cada átomo, para intentar así describir por completo el comportamiento del sistema.

El análisis macroscópico trata con efectos globales o promedios de muchas moléculas, los cuales pueden ser percibidos por nuestros sentidos y medirse con instrumentos o sensores.

Involucra volúmenes muy grandes comparados con las dimensiones moleculares. Puesto que no nos interesa el comportamiento individual de las moléculas, trataremos la sustancia como continua.

La aplicación de este enfoque macroscópico al estudio de la termodinámica, que no requiere un conocimiento del comportamiento individual de las partículas recibe el nombre de Termodinámica Clásica.

Otra visión más elaborada fundamentada en el comportamiento promedio de grandes grupos de partículas individuales, recibe el nombre de Termodinámica Estadística.

1.3 FASE, ESTADO Y PROPIEDADES DE UNA SUSTANCIA

Si consideramos una masa de agua líquida, conocemos que se vuelve vapor al calentarla o se solidifica si se enfría. Es decir se habla de diferentes fases de una sustancia.

1.3.1 Fase. Cantidad de materia cuya composición química y estructura física es homogénea en todas sus partes. En la naturaleza existen tres fases: sólida, líquida y gaseosa. Algunas características de las fases del agua, se muestran en la Fig. 1.6.

Al existir varias fases, éstas se separan entre sí por límites de fase. En cada una de ellas la sustancia puede existir a varias presiones y temperaturas, o sea en varios estados.

Fig. 1.7: Cambios de fase de la materia

1.3.2 Estado. Condición de un sistema dada por un conjunto de sus propiedades macroscópicas observables (temperatura, presión, densidad, etc.). Un sistema puede cambiar de estado sin cambiar de fase.

En cierto estado, las propiedades de un sistema tienen valores fijos, si uno de ellos cambia, entonces se cambiará a otro diferente. Al especificar cierto número de propiedades, el resto toman valores de forma automática.

1.3.2.1 Postulado de estado. El estado de un sistema simple compresible se determina completamente por dos propiedades intensivas independientes.

Temperatura y volumen específico son propiedades independientes y ambas pueden fijar cierto estado, mientras que temperatura y presión son independientes únicamente en sistemas de una sola fase.

1.3.3 Propiedades. Son características de un sistema. Para una sustancia en un estado, cada una de ellas tiene un sólo valor definido, y tendrá siempre el mismo valor para dicho estado, sin importar como lo haya alcanzado. Se clasifican en dos clases: intensivas y extensivas, según se muestra en la Fig. 1.8.

1.3.3.1 Propiedad intensiva. Es independiente del tamaño o masa del sistema, así: presión, temperatura, densidad, volumen específico, energía interna, entalpía, etc. Para cierto sistema, éstas son iguales para todas sus partes.

1.3.3.2 Propiedad extensiva. Aquella cuyo valor varía directamente con el tamaño o la masa del sistema, así: masa, volumen total. Las propiedades extensivas por unidad de masa se llaman propiedades específicas.

Fig. 1.9: Comprobación de propiedades extensivas e intensivas

1.4 EQUILIBRIO TERMODINÁMICO

Las propiedades sólo están definidas cuando un sistema se encuentra en equilibrio. Cuando dicho sistema está en equilibrio en relación con cualquier posible cambio de estado, se dice que está en equilibrio termodinámico.

Si el sistema mantiene una composición química definida, y se mantiene siempre un equilibrio de fuerzas, se concluye por tanto que para el análisis de Equilibrio termodinámico se deberán considerar además condiciones de equilibrio térmico, mecánico y químico.

1.5 PROCESOS Y CICLOS

1.5.1 Proceso. Cambio de un sistema de un estado de equilibrio a otro. Se describe especificando los estados de equilibrio inicial y final, así como el camino (si se lo identifica) e interacciones a través de las fronteras durante el mismo.

1.5.2 Proceso en equilibrio. En realidad es difícil conseguir el equilibrio, esto se resuelve al definir un proceso ideal de cuasi equilibrio (desviación del equilibrio termodinámico infinitesimal, así aquellos estados que conforman el proceso se considerarían como en equilibrio).