Definición de Termodinámica
La termodinámica es la ciencia que estudia la energía, sus transformaciones y las relaciones existentes entre las propiedades de las sustancias, que permiten evaluar su energía disponible, con el fin de obtener trabajo y/o calor, en algunas máquinas, equipos o procesos térmicos.
Ley cero de la Termodinámica
La Ley cero de la termodinámica nos dice que si tenemos dos cuerpos llamados A y B, con diferente temperatura uno de otro, y los ponemos en contacto, en un tiempo determinado t, estos alcanzarán la misma temperatura, es decir, tendrán ambos la misma temperatura. Si luego un tercer cuerpo, que llamaremos C se pone en contacto con A y B, también alcanzará la misma temperatura y, por lo tanto, A, B y C tendrán la misma temperatura mientras estén en contacto.
Primera Ley de la Termodinámica
Es una afirmación del principio de conservación de la energía, que estipula: «La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma». Es una ley basada en observaciones físicas.
Segunda Ley de la Termodinámica
La segunda ley es un principio basado en la experiencia, que describe el sentido espontáneo de realización de los procesos y además proporciona herramientas para medir la calidad de la energía y la eficiencia de las transformaciones termodinámicas.
Surgió a partir de la observación de fenómenos físicos para los cuales la primera ley era incapaz de explicar completamente su comportamiento energético. La primera ley no entrega información acerca del sentido de realización de determinados procesos, sólo permite cuantificar las cantidades de energías transferidas.
La segunda ley reconoce la naturaleza unidireccional de la transferencia de calor y de la transformación del trabajo en calor. De su análisis nace una nueva propiedad de estado, llamada «entropía»
Enunciado de Clausius
«Es imposible construir una máquina cíclica, que no tenga otro efecto que transferir calor continuamente de un cuerpo hacia otro, que se encuentre a una temperatura más elevada».
Enunciado de Kelvin-Planck
«Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no tenga otro efecto que absorber la energía térmica de una fuente y realizar la misma cantidad de trabajo».
Entalpía
Energía térmica que posee un fluido.
H = U + Wf [J]
h = u + p*v [J/kg]
Primera Ley de la Termodinámica para Sistemas Cerrados
Si se supone que el calor y trabajo entran al sistema (positivos).
Q + W = DU [J]
q + w = Du [J/kg]
Primera Ley de la Termodinámica para Sistemas Abiertos
*La masa por unidad de tiempo (ṁ) que entra al sistema es constante e igual a la que sale. No hay acumulación ni disminución de masa.
*Las energías que entran al sistema (de estado y de transferencia) son iguales a las que salen. No se acumula ni disminuye la energía del sistema a lo largo del tiempo.
*El estado de la sustancia de trabajo en cualquier punto del sistema permanece constante a lo largo del tiempo
Wf = p*V [J]
wf = p*v [J/kg]
Turbina a vapor
h1 = q + w + h2 [J/kg]
w = h1 – h2 – q [J/kg]
Pot = m*w [W]
Sustancias de Trabajo
Es un fluido, que permite almacenar o entregar energía. Es el medio de transporte de la energía que está presente en todas las máquinas térmicas y procesos termodinámicos. Por ejemplo: el vapor de agua en una planta térmica, el aire en un compresor, agua líquida en una bomba, mezcla de aire y combustible en un motor a combustión interna, etc.
Sistemas Termodinámicos
Es una porción de materia o espacio, que se aísla para su estudio. Existen dos clases de sistemas:
- Sistemas Cerrados.
- Sistemas Abiertos.
Sistemas Cerrados
Son aquellos en el cual no hay intercambio de masa con el ambiente. La cantidad de materia del sistema permanece constante y encerrada.
Sistemas Abiertos
Son aquellos donde existe transferencia de masa a través de los límites del sistema, es decir, existe una circulación de fluido, que entra y sale del sistema
Propiedades
Es toda característica o atributo cuantificable de una sustancia que permite evaluar cambios de energía. Las propiedades termodinámicas más comunes son la temperatura (T), la presión (p) y el volumen específico (v). Otras propiedades que también se usan son la energía interna (u), la entalpía (h) y la entropía (s), todas estas propiedades son independientes de la masa del sistema o sustancia y se denominan propiedades intensivas.
Estado
Es la condición de una sustancia definida y determinada por sus propiedades. Cada una de las propiedades de una sustancia en un estado tiene un valor definido y tendrá siempre el mismo valor en esa condición, sin importar la forma corno alcanzó ese estado. Para definir el estado de una sustancia pura se requiere conocer dos propiedades intensivas independientes. Las restantes pueden determinarse de tablas, gráficos o bien pueden calcularse.
Fases
La fase es la característica física que puede poseer una sustancia.
- Sólido.
- Líquido.
- Gaseoso (gas o vapor.)
Energías
Las energías podían ser clasificadas de dos formas, energías almacenadas y energías de transferencia.
Energías Almacenadas
*Energía Cinética (K).
*Energía Potencial (P).
*Energía Interna (U).
a) Energía Cinética (K): Es la energía observable macroscópicamente asociada al movimiento o velocidad de un sistema de masa «m».
m = masa [kg]
m = masa [kg]
= velocidad [m/s]
b) Energía Potencial (P): Es la energía debida a la posición del sistema en un campo gravitacional.
P = m * g * z
m = Masa [Kg.]
g = Aceleración gravedad [m/s2]
z = Altura respecto a un nivel de referencia [m]
c) Energía Interna (U): Es la energía asociada al movimiento, configuración y composición de las partículas que conforman la materia (nivel microscópico).
Energía Total (E): Se considera, en termodinámica, como energía total de un sistema, en un estado determinado, a la suma de:
E = K + P + U [J]
Por lo tanto, si un sistema realiza un proceso termodinámico existirá una variación de su energía total que será igual a:
DE1-2 = DK1-2 + DP1-2 + DU1–2
También puede ser expresado en términos específicos o por unidad de masa.
De = Dk + Dp + Du [J/kg]
Densidad relativa de una sustancia
Es el cociente entre su densidad y la de otra sustancia diferente que se toma como referencia o patrón. Para sustancias líquidas se suele tomar como sustancia patrón el agua cuya densidad a 4 °C es igual a 1000 kg/m3. Para gases la sustancia de referencia la constituye con frecuencia el aire que a 0 °C de temperatura y 1 atm de presión tiene una densidad de 1,293 kg/m3. Como toda magnitud relativa, que se obtiene como cociente entre dos magnitudes iguales, la densidad relativa carece de unidades físicas.
s=
Densidad absoluta
Es la masa de la unidad de volumen de un cuerpo. Ella depende del peso molecular y de la cantidad de moléculas contenidas en ese volumen, o sea, del grado de aglomeración de las mismas, condición que depende a su vez, de las fuerzas de atracción intermolecular y de la temperatura, agregándose en los gases otro factor importante que es la presión. Si bien la densidad y el peso específico son términos que se utilizan en forma indistinta en ciertos contextos, lo correcto es diferenciarlos.
Presión (p)
Es la fuerza ejercida sobre una superficie, por unidad de área. En termodinámica el concepto de presión se restringe generalmente a la fuerza ejercida por un fluido por unidad de área de la superficie que lo encierra. Su unidad depende del sistema de unidades que se use, así se tiene el pascal, bar, kg /cm2, lbf /plg2, mm columna de Hg, metros columna de agua, etc.
Las tablas de propiedades y gráficos de estados, expresan esta variable en forma de presión absoluta, es decir, aquella medida a partir del vacío absoluto.
La presión medida por sobre o debajo (vacío) de la presión atmosférica local se denomina presión manométrica, dado que se la mide con un instrumento llamado manómetro.
Calor Latente
Es aquel calor transferido que no hace variar la temperatura de un cuerpo o sistema. Tal es el caso del calor en los procesos de cambio de fase, que ocurren a temperatura constante. Por ejemplo: el calor latente de fusión y el calor latente de vaporización.
La magnitud de este calor no puede calcularse con la expresión anterior, ya que no existe un DT, pero se demostrará más adelante que este calor se cuantifica con la variación de entalpía o de energía interna, de acuerdo al tipo de proceso.
Calor sensible: Se denomina calor sensible al que aplicado a una sustancia hace subir su temperatura.