Definiciones Básicas

Termodinámica: Se define como la ciencia de la energía entre un sistema y su alrededor.

Termodinámica clásica: Es el enfoque macroscópico de la termodinámica sin estudiar el comportamiento de sus partículas.

Termodinámica estadística: Es un enfoque más profundo que estudia el comportamiento de grandes grupos de partículas.

Sistema termodinámico: Es una parte del universo que se aísla para estudiarlo. El aislamiento puede ser real, por ejemplo, una máquina térmica, o de manera ideal, como la máquina de Carnot.

Propiedades de un Sistema Termodinámico

Propiedades: Son todas y cualquier característica de un sistema termodinámico.

• Intensivas: Son aquellas propiedades que no dependen de la masa, como la temperatura, presión, voltaje, densidad, volumen específico, índice de refracción, volumen molar.
• Extensivas: Son las propiedades que dependen del tamaño o extensión del sistema, como energía interna, capacidad calórica, peso, entalpía, entropía, volumen, trabajo, calidad.

Procesos y Trayectorias

Proceso: Es cualquier cambio de un estado termodinámico en equilibrio a otro estado.

Trayectoria: Es la serie de estados por la que pasa un sistema durante un proceso.

Proceso cuasiestático: Es cuando el proceso se desarrolla de tal manera que todo el tiempo el sistema permanece infinitesimalmente cerca del estado de equilibrio.

• Proceso isotérmico: Es aquel donde la temperatura es constante.
• Proceso isobárico: Es aquel donde la presión es constante.
• Proceso isométrico: Es aquel donde el volumen es constante.
• Proceso adiabático: Es aquel donde el sistema no crea ni recibe calor.

Postulado de Estado y Energía

Postulado de estado: Establece que el número de propiedades independientes es el número de formas distintas de cambiar la energía de sistema, como el calor y cada uno de los modos de trabajo cuasiestático.

Energía interna (U): Es la magnitud que designa la energía almacenada por un sistema de partículas. Es el resultado de la contribución de la energía cinética de las moléculas o átomos que constituyen al sistema, de sus energías de rotación, traslación y vibración.

NOTA: Se llaman sistemas simples aquellos en los que se considera un tipo de trabajo cuasiestático.

Leyes de la Termodinámica

Primera Ley de la Termodinámica: La energía no se crea ni se destruye, solo se conserva.

Segunda Ley de la Termodinámica: Afirma que la energía tiene calidad, así como cantidad, y los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la calidad de energía.

Tercera Ley o Ley Cero de la Termodinámica: Cuando dos o más cuerpos que se encuentran a distinta temperatura alcanzan, pasado un tiempo, el equilibrio térmico (misma temperatura). Este hecho se conoce como principio cero de la termodinámica.

Trabajo y Calor

Trabajo (W): Es la cantidad de energía transferida de un sistema a otro mediante una fuerza cuando se produce un desplazamiento.

Calor (Q): Es la energía transferida de un sistema a otro (o de un sistema a sus alrededores) debido en general a una diferencia de temperatura entre ellos.

Sustancias Puras y Sistemas Termodinámicos

Sustancias Puras: Es una sustancia que tiene una composición química fija. Una sustancia pura puede ser una mezcla de distintos elementos o compuestos, siempre y cuando sea homogénea. Una mezcla de dos o más fases de una sustancia pura es siempre y cuando la composición química de la fase sea la misma, como el agua y el hielo.

• Sistema Termodinámico Aislado: Es el que no intercambia ni materia ni energía con los alrededores.
• Sistema Termodinámico Cerrado: Es aquel que intercambia energía, pero no materia con su alrededor.
• Sistema Termodinámico Abierto: Es aquel que intercambia tanto materia como energía con su alrededor.

Paredes de un Sistema

• Pared diatérmica: Conduce calor y permite el intercambio de calor entre el sistema y su alrededor.
• Pared adiabática: Se caracteriza por no permitir la interacción térmica del sistema con su alrededor. Es construida por materiales no conductores del calor.

Temperatura, Presión y Entropía

Temperatura de saturación: Es la temperatura a la cual una sustancia pura empieza a hervir dada una presión.

Presión de saturación: Es la presión a la cual en una sustancia pura la fase líquida y la fase gaseosa se encuentran.

Estado de referencia: Es la forma más estable de una sustancia en condición estándar (P=1 atm y T=298 K).

Entropía: Es la magnitud físico-termodinámica que mide la parte no utilizable de la energía contenida de un sistema.

Transferencia de calor: Es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura.

Ciclos Termodinámicos y Cambios de Fase

¿Por qué la energía interna no es constante?

R: Porque va en función de la temperatura.

Ciclos termodinámicos: Es cualquier proceso en el que un sistema, partiendo de un estado inicial, sufre una serie de transformaciones tras las cuales llega a un estado final que es igual al inicial.

NOTA: Los cambios de fases ocurren a temperatura constante y son en función de la presión.

• Líquido comprimido: Se trata de un líquido que no está cerca de evaporarse.
• Líquido saturado: Es aquel líquido que está a punto de evaporarse.
• Vapor saturado: Es cuando el vapor está a punto de condensarse.
• Mezcla líquido-vapor: Cuando la fase líquida y el vapor coexisten en equilibrio.
• Vapor sobrecalentado: Es aquel vapor que no está a punto de condensarse.

Procedimiento para Definir un Estado Termodinámico

La descripción de un estado termodinámico está fundamentada por la definición del postulado de estado, el cual hace referencia de un estado comprensible simple se define con dos propiedades intensivas.

1. Se debe contar con una propiedad tales como P, T, v, u, h, s, x.
2. Se debe disponer de dos propiedades intensivas cualquiera, generalmente una combinación de P o T con el resto de las propiedades (Se asume primero que el estado es saturado).
3. De las dos propiedades intensivas se fija una, generalmente P o T (esto generalmente debido a la información de la tabla de datos termodinámicos en el que el estado saturado solo hay tabla de temperatura y tabla de presión). La otra propiedad es la variable de comparación (esta variable es la que se busca en la tabla de datos termodinámicos).
4. La variable de comparación, es decir, la variable que no se ha fijado, la cual se compara con la variable o propiedad del sistema, es la variable del problema.

Fases de una Sustancia Pura

• Sólida: Es cuando las moléculas están separadas por pequeñas distancias y existe una gran fuerza de atracción entre ellas, ocupan posiciones fijas, pero pueden oscilar dependiendo de la temperatura.
• Líquida: Las moléculas están de forma parecida a las de la fase sólida, exceptuando que no mantienen una posición fija y flotan en grupo.
• Gaseosa: En esta fase las moléculas están separadas unas de las otras, no existe orden molecular y se mueven desordenadamente en el espacio.

Desarrollo

¿Cómo se define el postulado de estado para un sistema comprensible simple?

R: El postulado de estado aplicado a este sistema arroja que hacen falta dos propiedades intensivas para establecer el estado.

¿Cómo se relaciona la energía interna como las formas microscópicas de la energía de un sistema?

R: Se relaciona con la estructura molecular del sistema y el grado de su actividad molecular independientemente de los marcos de referencia externos.

¿Cuáles son las condiciones de proporcionalidad para los modos de transferencia de calor?

1. Conducción: Es proporcional al gradiente de temperatura y el área de una sección recta.
2. Convección: Es proporcional al área del cuerpo y a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el fluido a su alrededor.
3. Radiación: Es proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre el cuerpo y el medio que lo rodea.

¿Cuándo se trata de un sistema comprensible simple?

R: Cuando carece de efectos eléctricos, magnéticos, gravitacionales, movimiento y tensión superficial.

¿Qué es un proceso de cuasiequilibrio?

R: Es un proceso en el cual el sistema alcanza sucesivos estados de equilibrio infinitamente pequeños.

¿Diferencia entre presión manométrica y absoluta?

R: La presión absoluta se mide en relación a un vacío perfecto y la manométrica se mide con respecto a la presión atmosférica.

¿Diferencia entre calor y trabajo?

R: La principal diferencia entre ambas es la forma en la que se transfieren. El calor se transfiere entre dos cuerpos que tienen diferente temperatura. El trabajo se transfiere cuando entre dos cuerpos se realizan fuerzas que provocan desplazamientos o cambios dimensionales.

Identifique las diferentes formas de energía que constituyen la energía total.

R: Macroscópica, microscópica, dinámica y estática.

¿Es cierto que el agua hierve a menor temperatura en presiones más altas?

R: Sí, porque la presión es proporcional a la temperatura.

La mayor parte de la energía que se genera en el motor se transfiere al aire mediante el radiador. ¿Es un sistema cerrado o abierto?

R: Es abierto porque hay entrada y salida de flujo.

Verdadero y Falso

¿Cuando a un sistema cerrado se le suministra energía debe aumentar la cantidad de vapor?

R: Falso. Se le puede suministrar calor para que varíe la energía.

¿Son propiedades intensivas temperatura, presión y densidad?

R: Verdadero.

¿Hfg representa la cantidad de energía que se necesita para pasar de vapor saturado a líquido saturado?

R: Falso. Hfg representa la cantidad de energía necesaria para que una sustancia entre en fase de mezcla.

¿Si se tiene la temperatura y presión de un sistema en un estado de equilibrio determinado por una sustancia pura que se encuentra en fase de mezcla, entonces no se puede definir completamente el estado en estas dos propiedades de acuerdo a lo establecido por el postulado de estado?

R: Verdadero.

¿La primera ley de la termodinámica establece que si dos cuerpos en equilibrio y uno de ellos se encuentra en equilibrio con un tercer cuerpo, entonces el primer cuerpo está en equilibrio con el tercero?

R: Falso. Esta es la tercera ley.

Completación

La termodinámica se define como la ciencia que estudia los cambios de estado.

Proporciona un modo directo y fácil para la solución de problemas en la ingeniería es la termodinámica clásica.

Una región elegida en el espacio que interrelaciona masa y energía es un sistema.