Unidad I Fundamentos De La Termodinamica

Unidad I: Fundamentos de la Termodinámica

Debe quedar claro que la Termodinámica es una ciencia y, quizá la herramienta más importante en la ingeniería, ya que se encarga de describir los procesos que implican cambios en temperatura, la transformación de la energía, y las relaciones entre el calor y el trabajo.

Sistema termodinámico: es una cantidad de materia en estudio separada del especio exterior por un limites (frontera) fijos o movibles. Así todo lo que lo rodea es entonces el entorno o el medio donde se encuentra el sistema.

La envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa de sus inmediaciones (entorno) se llama frontera del sistema y puede pensarse que tiene propiedades especiales que sirven para:

a) aislar el sistema de su entorno

b) permitir la interacción de un modo específico entre el sistema y su ambiente.

Es muy importante definir la frontera del sistema como una superficie y no otro sistema, debe quedar claro que el espesor de una superficie es matemáticamente cero por lo que la frontera no puede contener materia u ocupar algún lugar en el espacio. El valor de una propiedad que es medida en el punto exacto de la frontera debe ser por tanto el valor del sistema así como del entorno, ya que después de todo el sistema y el entorno están en contacto en ese punto.

Los sistemas termodinámicos se pueden clasificar como:

1. Aislados

2. Cerrados

3. Abiertos

Sistemas aislados: es el sistema que no puede intercambiar materia ni energía con su entorno, cuya frontera o límite del sistema impide cualquier tipo de intercambio.

Sistema cerrado: es el sistema que sólo puede intercambiar energía con su entorno, pero no materia, es decir, aquel cuya frontera admite únicamente el intercambio de energía (no hay variación en la masa).

Sistema abierto: es el sistema que puede intercambiar materia y energía con su entorno (hay variación de masa).

Al trabajar con dispositivos tales como motores es a menudo útil definir el sistema dentro de un volumen identificable ya sea fijo o deformable donde se presentan tanto flujo de entrada como flujo de salida. Esto se llama un volumen de control.

Estado de un sistema: refiere a la condición de un sistema descrito por sus propiedades, o sea, la existencia de un sistema termodinámico en un determinado instante de tiempo se describe por un conjunto interrelacionado de cantidades susceptibles de ser medidas llamadas Propiedades Termodinámicas. La condición descrita por dichas propiedades define un Estado.

Podemos decir que una propiedad termodinámica es una característica macroscópica y observable de un sistema, tales como: masa, volumen, energía, presión, temperatura, y sus valores dependen estrictamente de la condición instantánea durante la cual son medidos. Para describir un sistema y predecir su comportamiento se requiere del conocimiento de sus propiedades.

Las propiedades termodinámicas cuyos valores dependen del tamaño del sistema son llamadas propiedades extensivas (masa, volumen, capacidad calorífica, entropía, etc.). Las propiedades extensivas son aditivas, así, si el sistema se divide en un número de subsistemas, el valor de la propiedad para el sistema entero es igual a la suma de los valores de los subsistemas.

Por otro lado las propiedades intensivas no dependen de la cantidad presente de materia y éstas no son aditivas, y pueden variar de un punto a otro dentro del sistema, como es el caso de la temperatura, la presión, la viscosidad, volumen especifico, etc. Propiedades especificas son las propiedades extensivas por unidad de masa, ejemplo: volumen especifico (v = V/m), energía total especifica (e = E/m).

Las propiedades intensivas podrían ser funciones del espacio y del tiempo, mientras que las extensivas en su mayoría varían con el tiempo.

Para mostrar la diferencia entre las propiedades extensivas e intensivas veamos el siguiente ejemplo, sea una cantidad de materia cuya temperatura es uniforme, si la divide en dos partes. La masa total es la suma de cada masa parcial y el volumen total es la suma de los volúmenes parciales, sin embargo, la temperatura total no es la suma de las temperaturas de cada parte, ya que es la misma para cada parte. La masa y el volumen son extensivas y se denotan con letras en minúscula, pero la temperatura es intensiva, se denotan con letras en mayúscula.

Equilibrio: Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando no se observa ningún cambio en sus propiedades termodinámicas a lo largo del tiempo. Los estados de equilibrio son, por definición, estados independientes del tiempo.

Un sistema en equilibrio termodinámico satisface:

1. Equilibrio mecánico (ningunas fuerzas desequilibradas)

2. Equilibrio térmico (ningunas diferencias de la temperatura)

3. Equilibrio químico.

Un estado de no equilibrio es un estado con intercambios netos de masa o energía y sus parámetros característicos dependen en general de la posición y del tiempo. Si no dependen del tiempo, pero necesitan de la intervención del entorno para mantener sus valores se dice que se trata de un estado estacionario fuera del equilibrio.

Proceso: es una transformación que produce un cambio de estado en un sistema, se refiere al cambio de estado desde un estado inicial hasta un estado final. Conocer el proceso significa conocer no sólo los estados final e inicial sino las interacciones experimentadas por el sistema mientras está en comunicación con su medio o entorno (transferencia de trabajo, transferencia de calor, transferencia de masa, transferencia de entropía). La trayectoria o ruta del proceso es la sucesión de estados que ha seguido o recorrido el sistema desde el estado inicial hasta el estado final. Proceso isotérmico: es aquel durante el cual la temperatura es constante, proceso isobárico: es aquel durante el cual la presión es constante y proceso isocórico o isométrico: es aquel durante el cual el volumen especifico permanece constante. Para describir un proceso se deben especificar su estado inicial y final así como la trayectoria que siguen las iteraciones con el medio (Fig. IA)

Un ciclo termodinámico es un proceso especial en el cual el estado inicial coincide con el estado final. Esto significa que las propiedades del sistema al inicio y la final del proceso son iguales. Supongamos que el estado de un sistema cualquiera sea función de dos propiedades por ejemplo la presión (P) y el volumen especifico (v) y que A es el estado inicial (Fig. IB), un proceso es AMB; si del estado B se continua con el segundo proceso BNA, el sistema vuelve a sus estado inicial, entones diremos que ha recorrido un ciclo. Aunque un sistema ha vuelto a su estado original y ha

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