TERMODINÁMICA: INTRODUCCIÓN A LA TERMODINÁMICA

La termodinámica es la rama de la física que estudia la energía, la transformación entre sus distintas manifestaciones, como el calor, y su capacidad para producir un trabajo. La termodinámica se ocupa de la energía y sus transformaciones en los sistemas desde un punto de vista macroscópico.

Las propiedades termodinámicas de un sistema vienen dadas por los atributos físicos macroscópicos observables del sistema, mediante la observación directa o mediante algún instrumento de medida.

Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando no se observa ningún cambio en sus propiedades termodinámicas a lo largo del tiempo.

LEYES DE LA TERMODINÁMICA

PRINCIPIO DE LA LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA

Este principio o ley cero, establece que existe una determinada propiedad denominada temperatura empírica θ, que es común para todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado. En palabras "Si pones en contacto un objeto frío con otro caliente, ambos evolucionan hasta que sus temperaturas se igualan". Tiene una gran importancia experimental pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema pero no resulta tan importante en el marco teórico de la termodinámica.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

La primera ley de la termodinámica afirma que la energía total de cualquier sistema aislado se conserva. También conocida como ley de la conservación de la energía, la Primera ley de la termodinámica establece que si se realiza trabajo sobre un sistema, la energia interna del sistema variará. Se trata de la generalización de la segunda ley de Newton (conservación del movimiento), en este caso llamamos al calor “Q” y la adoptamos como una forma de energía y la energía interna “U” como una propiedad de la materia.

La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:

$E_{\text{entra}} - E_{\text{sale}} = \Delta E_{\text{sistema}} \,$

Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma:

$\Delta U = Q - W \,$

Donde U es la energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.

Esta última expresión es igual de frecuente encontrarla en la forma ∆U = Q + W.

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Esta ley marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen). También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, la segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el primer principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.

Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico.

La aplicación más conocida es la de las máquinas térmicas, que obtienen trabajo mecánico mediante aporte de calor de una fuente o foco caliente, para ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero frío. La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo mecánico obtenido.

Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio, destacándose el de Clausius y el de Kelvin.

Ciclo Carnot

VARIABLES TERMODINÁMICAS

Las variables que tienen relación con el estado interno de un sistema, se llaman variables termodinámicas o coordenadas termodinámicas, y entre ellas las más importantes en el estudio de la termodinámica son:

la masa

el volumen

la densidad

la presión

la temperatura

En termodinámica es muy importante estudiar sus propiedades, las cuáles podemos dividirlas en dos:

propiedades intensivas: son aquellas que no dependen de la cantidad de sustancia o del tamaño de un sistema, por lo que su valor permanece inalterado al subdividir el sistema inicial en varios subsistemas, por este motivo no son propiedades aditivas.

propiedades extensivas: son las que dependen de la cantidad de sustancia del sistema, y son recíprocamente equivalentes a las intensivas. Una propiedad extensiva depende por tanto del «tamaño» del sistema. Una propiedad extensiva tiene la propiedad de ser aditiva en el sentido de que si se divide el sistema en dos o más partes, el valor de la magnitud extensiva para el sistema completo es la suma de los valores de dicha magnitud para cada una de las partes.

PROCESOS TERMODINÁMICOS

Se dice que un sistema pasa por un proceso termodinámico, o transformación termodinámica, cuando al menos una de las coordenadas termodinámicas no cambia. Los procesos más importantes son:

Procesos isotérmicos: son procesos en los que la temperatura no cambia.

Procesos isobáricos: son procesos en los cuales la presión no varía.

Procesos isócoros: son procesos en los que el volumen permanece constante.

Procesos adiabáticos: son procesos en los que no hay transferencia de calor alguna.

Procesos diatérmicos: son procesos que dejan pasar el calor fácilmente.

Procesos isoentrópicos: procesos adiabáticos y reversibles. Procesos en los que la entropía no varía.

Por ejemplo, dentro de un termo donde se colocan agua caliente y cubos de hielo, ocurre un proceso adiabático, ya que el agua caliente se empezará a enfriar debido al hielo, y al mismo tiempo el hielo se empezará a derretir hasta que ambos estén en equilibrio térmico, sin embargo no hubo transferencia de calor del exterior del termo al interior por lo que se trata de un proceso adiabático.

PROPIEDADES TERMODINÁMICAS

Son características que se pueden observar, medir o cuantificar en las sustancias o en los sistemas. La cantidad y tipo de propiedades que se puedan establecer para un sistema dependen del tipo de observacion que se halla establecido para el analisis del sistema. Por ejemplo si el enfoque usado es el macroscopico se pueden establecer propiedades como temperatura(T), presión(P), energia(e), energía interna(u), y entalpia(h) y otras, que deningún modo serían establecidas utilizando el enfoque microscopico. Para apropiar mejor esta definicion, a continuacion se hace detalle sobre dos aspectos primordiales de las propiedades.

SISTEMAS DE UNIDADES

Al considerar el enfoque macroscopico (termodinámica clasica) se habla de manifestaciones fisicas del conjunto o propiedades de una sustancia; y para medir o cuantificar estas de forma directa o indirecta, se han planteado patrones de medida llamados sistemas de unidades.
Los sistemas de unidades son grupos o conjuntos de unidades patron establecidas para medir o cuantificar propiedades fisicas, permitiendo expresarlas de forma facil y precisa. Podemos decir que son como lenguajes adoptados inicialmente por regiones, son completos y sus unidades por lo general van estructuradas en tres clases: Las basicas o fundamentales, las derivadas, y las suplementarias.

Las unidades básicas como su nombre lo indica son bien definidas y se consideran independientes desde el punto de vista dimensional, entre estas se encuentran las unidades de cantidad de materia, de masa, de tiempo, de longitud, de temperatura, de intensidad de corriente electrica, de intensidad luminosa y en algunos sistemas la de fuerza. Las unidades derivadas son aquellas generadas a partir de la combinación de las unidades basicas mediante relaciones algebraicas que generan una magnitud correspondiente; como las de superficie, volumen, velocidad, aceleracion, presión, energía, trabajo, potencia etc., y en algunos sistemas la de fuerza.

En el ambito de la ingenieria, y aplicados en particular a la termodinamica, se utilizan cuatro sistemas de unidades que son: El sistema ingles internacional, el sistema ingles de ingeniería, el sistema metrico decimal, y el sistema internacional.

TABLAS DE LAS PROPIEDADES

Son arreglos de datos que representan las propiedades termodinámicas del vapor. Estos datos han sido obtenidos de forma experimental o mediante algoritmos matemáticos que logran una mayor exactitud.

Es necesario conocer el comportamiento de la sustancia con que se trabaja. Especificamente en lo que nos compete al agua y a sus cambios de fase. Ela gua presenta tres fases visualizadas de una mejor forma en un diagrama presión - temperatura.

El agua se utiliza para generación eléctrica, como refrigerante en reactores nucleares, y en otras aplicaciones. Para sua aprovechamiento solamente se utiliza en la fase liquida y en la gaseosa. Por esta razón las propiedades del agua sólida no son importantes en nuestro campo de estudio.

es necesario aclarar que el agua como fluido, puede presentarse en tres formas diferentes, como liquido comprimido, como una mezcla de liquido y vapor, o como vapor sobrecalentado. Es muy importante identificar en cual de estas zonas se encuentra la sustancia de trabajo. Observando el gráfico de Presión - Volumen se pueden identificar claramente las fases del agua.

Existen varios tipos de tablas dependiendo de las condicones de la sustancia.

Vapor saturado
Liquido comprimido
Vapor sobrecalentado

Estas tablas se utilizan para la determinación de propiedades específicas por medio de otras propiedades conocidas.

Las propiedades que podemos calcular a partir de las tablas de vapor, son las siguentes:

Presión (P)
Volumen (V)
Temperatura (T)
Entalpía (H)
Energia interna (U)
Entropía (S)

Sin embargo para calcular estas propiedades, es necesario conocer dos de estas que sean linealmente independientes.

Estas propiedades determinan la forma en la que debe ser usada la sustancia. Por ejemplo en el diseño de una máquina térmica, es necesario conocer las propiedades de la sustancia en los estados por los que pase.

En el domo de vapor que se observa en el gráfico p-v muestra las regiones de comportamiento crítico de la sustancia. Bajo el domo se encuentra la sustancia en forma de una mezcla de liquido y vapor, la cantidad de masa que se encuentra en cada uno de estos estados determina una nueva propiedad que se denomina calidad, la calidad es un grado de sequedad de la mezcla. Cuando se tiene liquido comprimido a presiones muy bajas, las propiedades de la sustancia se aproximan a las de liquido saturado a la temperatura dada. Esta aproximacón se puede realizar con presiones menores a 0.05 bar.

Como se utilizan

Primero se identifican las propiedades conocidas y se determina a que estado corresponde, es decir si es liquido comprimido, vapor saturado o vapor sobrecalentado.

Para esto nos vamos a la tabla de vapor saturado y comparamos con la temperatura de saturación en el estado que analizamos. Existen tres posibilidades.

Si a la presión o volumen dado, la temperatura de la sustancia es menor que la temperatura de saturación, entonces la sustancia es liquido comprimido.

Ejemplo:

Determine si la siguiente sustancia de análisis es liquido comprimido, vapor saturado, o vapor sobrecalentado.

T= 100 °C P= 15 bar

Tabla de vapor saturado

Comparando los dos valores es posible notar que 100 °C es menor que 198.3 °C, es decir que la sustancia esta por debajo de la linea de sautación en la zona de liquido comprimido. Si nos econtramos en este caso, para calcular las propiedades termodinámicas de la sustancia se debe utilizar la tabla de liquido comprimido.

Puede ocurrir que la temperatura de la sustancia sea igual a la temperatura de saturación. esta condición también se cumple si la sustancia posee una calidad determinada.

Ejemplo:

Determinar si la siguiente sustancia esta en la zona de liquido comprimido, vapor saturado o vapor sobrecalentado.

T= 188 °C P= 12 bar

Se nota que la temperatura de saturación es igual que la temperatura de la sustancia por lo que la sustancia es vapor saturado. Para encontrar las propiedades de la sustancia en este caso, es necesario ver las tablas da vapor saturado.

La tercera posibilidad es que la temperatura de saturación sea menor que la temperatura de la sustancia.

Ejemplo:

Determinar si la siguente sustancia esta en la zona de liquido comprimido, vapor saturado o vapor sobrecalentado.

P= 40 bar

Tabla de vapor sobrecalentado

Se observa que la temperatura de saturación es menor que la temperatura de la sustancia, por lo que se concluye que la sustancia se encuentra en la zona de vapor sobrecalentado.

Interpolación

En muchos casos es necesario hacer una interpolación lineal entre dos puntos ya que las propiedades conocidas no se encuentran directamente en las tablas.

Por ejemplo si se necesitara interpolar en la zon de vapor saturado una presión de 9.5 bar se tiene que los valores mas cercanos observados son: