¿Qué es la Termodinámica?
Según Erich A. Müller La palabra termodinámica se origina del griego y significa literalmente el estudio de las fuerzas (dynamis; dunamiz) que originan el calor (thermo; termh). Hoy en día esta traducción no tiene mucho que ver con la esencia de lo que estudiamos bajo el concepto de termodinámica. La definición original ya no es válida pues la termodinámica no sólo estudia el calor, sino todo tipo de formas de energía (mecánica, eléctrica, química, nuclear, etc.). Además, la termodinámica clásica (de la que trata este curso se ocupa de estados de equilibrio y no de estados dinámicos, para los cuales las fuerzas son importantes. (1)
Hoy en día, la termodinámica abarca campos tan diversos como la ingeniería, la biología, la química, la medicina entre otras. Se podría decir (2) que la termodinámica es la ciencia que estudia las transformaciones energéticas.
La termodinámica es una ciencia exacta que se origina a mediados del siglo XVIII como consecuencia de una necesidad de describir, predecir y optimizar la operación de las máquinas de vapor. Las leyes de la termodinámica como las planteamos hoy son el resultado de más de 250 años de experimentación e interpretación teórica. (3)
El hecho de que la termodinámica pretenda describir matemáticamente hechos observables nos da a nosotros una gran ventaja, ya que inadvertidamente conocemos muchos aspectos de nuestra propia experiencia cotidiana. La termodinámica se fundamenta en cuatro leyes universales denominadas las leyes cero, primera, segunda y tercera. Cronológicamente sólo la tercera está correctamente numerada. La segunda ley fue formulada en 1824 y la primera ley unos veinte años después. La tercera y la ley cero se enunciaron a comienzos del siglo XX. (4)
Fundamentos de la Termodinámica
Para el estudio de las transformaciones de la energía y las relaciones entre las propiedades termodinámicas se han establecido algunas leyes básicas las cuales se basan en observaciones experimentales y se describen a continuación:
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| Conceptos básicos de la Termodinámica- Ing. Luis Velázquez Araque Ph.D. |
Alcance e importancia de la Termodinámica
La termodinámica ha incluido áreas diversas orientadas a lograr la transformación y la mejor utilización de la energía. Áreas tales como:
- Plantas de Potencia:
- Plantas de Turbinas a Gas
- Plantas Termoeléctricas i
- Plantas Hidráulicas
- Motores de Combustión Interna:
- Motores de encendido por chispa.
- Motores de ignición.
- Sistemas de Refrigeración
- Por compresión de vapor
- Por compresión de gas
- Por absorción
- Sistemas de Bombeo
- Bombas Centrifugas
- Bombas de pozo profundo
- Bombas sumergibles
- Bombas reciprocantes
- Pilas eléctricas de combustible.
- Plantas separadoras de Aire.
- Intercambiadores de Calor
- Caldera ó generadores de vapor
- Condensadores
- Torres de Enfriamiento
- Evaporadores
- Calentadores
- Compresores de Gas
- Alternativos
- Centrífugos
- De tornillo
- Turbinas
- De vapor
- A gas
- Hidráulicas
- Toberas y Difusores
- Dispositivos de estrangulamiento de fluidos (Válvulas de expansión)(5)
Métodos de estudio de la Termodinámica
Microscópico: Es el enfoque que recurre a la naturaleza de las partículas individuales y sus interacciones. Consiste en estudiar la materia fijando la atención en las interacciones moleculares.
Macroscópico
Este punto de vista da lugar a lo que se conoce como termodinámica clásica, la cual basa su estudio partiendo de la premisa que la materia se comporta como un continuo (mínima cantidad de la sustancia en la que no se toman en cuenta los efectos moleculares), el cual impone que las propiedades de la materia en estudio no varían entre el grupo de partículas que se encuentren limitadas por la misma frontera y a las mismas condiciones termodinámicas.
Continuo
Es la mínima cantidad de una sustancia en la que no se toman en cuenta los efectos moleculares, es decir es la mínima cantidad a partir de la cual se puede establecer que todas las partículas que constituyen la sustancia mantienen un comportamiento promedio.
Sistemas de unidades
El Sistema Internacional de Unidades (SI)
El sistema fundamental de unidades que se utiliza en todo el mundo para el trabajo científico es el Sistema Internacional (SI). El SI utiliza siete dimensiones primarias: masa, longitud, tiempo, temperatura, corriente eléctrica, intensidad luminosa y cantidad de sustancia
El Sistema Inglés de Unidades
En Estados Unidos con frecuencia se utiliza el Sistema Inglés de unidades. Este sistema presenta como dimensiones primarias las siguientes: masa, longitud, tiempo, corriente eléctrica, intensidad luminosa, temperatura y fuerza.
Sistema:
Porción del espacio elegida arbitrariamente, limitada por una superficie real o imaginaria, que contiene una cantidad fija de materia e invariable en cuanto a su identidad (composición química) y sobre la cual se enfoca la atención para analizar desde el punto de vista termodinámico.
Tipos de Sistemas:
- Sistema Aislado: Es aquel que no puede intercambiar ni materia ni energía con su entorno.
- Sistema Cerrado: Es aquel que puede intercambiar energía con su entorno; pero no materia(masa).
- Sistema Abierto (Volumen de control): Es aquel que puede intercambiar energía y materia con su entorno. También se le conoce como volumen de control y a la frontera se le llama superficie de control
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| Conceptos básicos de la Termodinámica- Ing. Luis Velázquez Araque Ph.D. |
Alrededores
Región externa al sistema afectada termodinámicamente por los eventos del sistema objeto de estudio.
Límites o Frontera
Envoltura real o imaginaria que separa al sistema de los alrededores y tiene propiedades especiales que sirven para aislar al sistema del entorno y permitir la interacción de un modo específico entre el sistema y el entorno. Cuando las fronteras del sistema son reales, se distinguen dos tipos de paredes, a saber:
- Paredes Adiabáticas: Son aquellas que no permiten el intercambio de energía a través de ella entre el sistema y los alrededores, ejemplos de paredes adiabáticas son las que están constituidas de materiales aislantes tales como el asbesto, fieltros, lana de vidrio y se representa como una región cruzada con diagonales.
- Paredes Diatérmicas: Son aquellas que permiten que el sistema influya térmicamente sobre otro sistema o sus alrededores
Propiedades
Es cualquier característica de un sistema que pueda ser utilizado para definir o fijar el estado termodinámico. Las propiedades se determinan experimentalmente y se les pueden asignar valores numéricos, es decir que se puede diseñar un experimento que directa o indirectamente cuantifique su valor.
Clasificación de las Propiedades: Las propiedades se clasifican como extensivas o intensivas dependiendo de su comportamiento al variar la extensión o la masa del sistema.
- Intensivas: No dependen de la masa y son independientes del tamaño del sistema, ejemplo: temperatura, densidad, volumen específico, presión. Se denotan con letras minúsculas.
- Extensivas: Si dependen de la masa y en consecuencia del tamaño o extensión del sistema, ejemplo: Volumen total, masa, entalpía total (H), energía interna total (U), entropía total (S). Se denotan con letras mayúsculas
- Específicas: Son aquellas propiedades intensivas que están expresadas por unidad de masa o molar.
Estado de un sistema
Es el instante cuando un sistema no sufre ningún cambio, tal que sea posible la determinación de las propiedades, que describen por completo esa condición. Definir el estado de un sistema termodinámico significa, especificar el número mínimo de propiedades independientes e intensivas, que es necesario conocer para que el estado del sistema quede determinado. El número mínimo de propiedades independientes que es necesario especificar para la definición del estado dependerá de la fase del sistema.
Postulado de estado
Como regla general se puede identificar por completo el estado termodinámico de un sistema o de una sustancia, a partir de dos propiedades intensivas que sean termodinámicamente independientes T.I. (a esta regla se le conoce como postulado de estado).
Fase
Es una cantidad de materia homogénea en todas sus partes. Cambio de Fase Es un cambio de apariencia física, es decir la sustancia puede mostrarse en fase sólida, es decir no se adapta al recipiente que la contiene y ofrece resistencia al corte, en fase líquida, la cual se adapta al recipiente que la contiene y no ofrece ninguna resistencia al corte y en fase gaseosa, donde la tendencia natural es a abandonar el recipiente que la contiene.
Características de las Fases
Propiedades o funciones de estado
Cualquier propiedad que tenga un valor fijo en un estado de equilibrio determinado, independientemente de la manera en que el sistema haya llegado a dicho estado, se dice que es una función ó variable de estado. Partiendo de esta definición se puede afirmar que: El cambio que ocurre en el valor de una propiedad cuando se altera un sistema desde un estado de equilibrio hasta otro es siempre el mismo, independientemente del método que se haya empleado para producir el cambio. Si, al pasar de un estado a otro, siempre se mide el mismo valor de una determinada cantidad, dicha cantidad es una medida del cambio en alguna propiedad.
Ciclo
Es un conjunto de procesos que secuencialmente retornan la sustancia de trabajo a sus condiciones iniciales. Cuando un sistema sigue una trayectoria cerrada, es decir, pasa a través de varios estados partiendo de un estado inicial y finalmente regresa al mismo, se considera que ha efectuado un Ciclo. La figura muestra un ciclo compuesto por los procesos A y B, se parte desde el estado 1 por la ruta del proceso A de tal modo que se alcanza el estado 2 y se sigue por la ruta del proceso B hasta finalizar el ciclo en el estado 1.
Bibliografia
1,3,4 Muller, E. (2002). Consultoria Kemiteknik. Termodinámica Básica. Caracas: Universidad Simón Bolivar.
2 La Real Academia de la Lengua Española la define como: “Parte de la física, en que se estudian las relaciones entre el calor y las restantes formas de energía”. Observe como termodinámica se define en función de “energía”, un término que apenas discutiremos varios capítulos más adelante.
5 Velazquez, L. (2015). Conceptos básicos de la Termodinámica . Guayaquil: Universidad de Guayaquil.
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