Comprender el concepto fundamental de la termodinámica.

UNIDAD 1. INTRODUCCIÓN

        Objetivo: Comprender el concepto fundamental de la termodinámica.

        La termodinámica es una ciencia que comprende el estudio de las transformaciones energéticas y de las relaciones entre las propiedades físicas de las sustancias afectadas por dichas transformaciones. Tradicionalmente, la ingeniería termodinámica ha abarcado el estudio de campos tan distintos como son los dispositivos productores de potencia fijos y móviles, los procesos de refrigeración y acondicionamiento de aire, los expansores y compresores de fluidos, los motores de aviación y cohetes, los procesos químicos habidos en las refinerías de petróleo y la combustión de combustibles hidrocarbonados (carbón, petróleo y gas natural). Más recientemente se han desarrollado otras áreas de interés. Por ejemplo el empleo de unidades de energía solar activa y pasiva, incluyendo los estanques solares. La producción comercial de potencia a partir de fluidos calentados por fuentes geotérmicas que se encuentran en el subsuelo. Además, los sistemas de potencia producida por el viento que cada vez más se incorporan con más fuerza en la red eléctrica de potencia. La potencia generada a partir de las mareas, al igual que el uso de la diferencia de temperaturas entre la superficie y las capas más profundas de los océanos (OTEC). Se sigue estudiando el ciclo de potencia magnetohidrodinámico (MHD),  que genera electricidad haciendo pasar un gas a alta temperatura a través de un campo magnético. Otros procesos de interés son los que incluyen dispositivos termoiónicos y fotovoltaicos, así como las aplicaciones biomédicas.

La historia revela que la ciencia termodinámica no es un tema reciente, exclusivo de nuestra época. Su conocimiento se refleja en el uso que de la pólvora llevaron a cabo los antiguos chinos, en la edificación de las pirámides por los egipcios, en el perfeccionamiento del arco por los celtas, y en muchos otros sucesos históricos. En la siguiente tabla se presentan fechas y eventos que fueron notables en la evolución de esta interesante materia.

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La termodinámica es muy peculiar. Abarca cosas y fenómenos que nos son muy familiares, objetos que vemos y utilizamos todos los días: automóviles, aviones de reacción, agua hirviente, refrigeración, etc. Sin embargo, en ello estriba su dificultad, pues eso nos conduce a creer que tal familiaridad permite una fácil solución de los procesos termodinámicos que se efectúan en cada caso, aunque requiere el uso de varios conceptos que nos conducirán a las leyes de la termodinámica que gobiernan tales fenómenos.

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En conclusión la termodinámica se puede definir como la ciencia de la energía, incluyendo sus transformaciones, generación de potencia, acondicionamiento y las relaciones entre las propiedades de la materia.

PUNTOS DE VISTA MACROSCOPICO Y MICROSCOPICO.

         La termodinámica clásica utiliza el punto de vista macroscópico o de gran escala, en vez del microscópico. El desarrollo de la materia según este último punto de vista, ha sido llamado termodinámica estadística. Este enfoque considera las moléculas y su estructura interna.  Históricamente la ciencia termodinámica se estableció en forma experimental y se desarrollo con ayuda de las matemáticas sin considerar la constitución de la materia. Esto se ve claramente en la historia de la termodinámica, si nos remontamos al siglo XIX cuando surgió la necesidad de describir el funcionamiento de las máquinas de vapor y establecer los límites de lo que éstas podían realizar. Así, como su nombre lo indica, la termodinámica es la potencia desarrollada por el calor, con aplicaciones obvias a las máquinas térmicas, de las cuales la máquina de vapor representa el primer ejemplo. De cualquier modo, los principios observados, válidos para las máquinas, se han generalizado sin dificultad y ahora se conocen como la primera y la segunda leyes de la termodinámica. Estas leyes no tienen demostración en sentido matemático; su validez estriba en la ausencia de experiencias contradictorias. Así, la termodinámica comparte con la mecánica y el electromagnetismo la base sobre la que se sustentan las leyes básicas, que no se deducen de algo más.

LEYES DE LA TERMODINAMICA

Las consideraciones termodinámicas no establecen la rapidez de los procesos químicos o físicos. La rapidez depende de las fuerzas impulsoras y de la resistencia; las fuerzas impulsoras son variables termodinámicas, pero las resistencias no. Ninguna formulación termodinámica, es decir, de características macroscópicas, revela los mecanismos microscópicos (moleculares) de los procesos físicos o químicos. Por otra parte, el conocimiento del comportamiento microscópico de la materia puede ser útil en el cálculo de las propiedades termodinámicas. Los valores de las propiedades son esenciales para el uso práctico de la termodinámica. El ingeniero químico se ocupa de muchas especies químicas y a menudo no cuenta con datos experimentales, lo cual ha conducido al desarrollo de las "correlaciones generalizadas" que proporcionan estimaciones de la propiedad cuando se carece de información.

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