CONCEPTOS BÁSICOS EN TERMODINÁMICA

1. Conceptos básicos en termodinámica C
ONCEPTOS BÁSICOS EN TERMODINÁMICA La termodinámica se define como la ciencia de la energía. Así, la primera ley de la termodinámica es simplemente una expresión del principio de la conservación de la energía, aseverando que esta es una propiedad termodinámica. El segundo principio de la termodiná
mica además apunta a que la energía tiene calidad, aparte de cantidad y que los procesos ocurren en el sentido de disminuir la calidad de la energía. La termodinámica no emerge como ciencia hasta la construcción de las primeras máquinas de vapor en Inglaterra por Thomas Savery en 1697 y Thomas Newcomen en 1712. Estas máquinas eran lentas e ineficaces pero abrieron el camino para el desarrollo de esta nueva ciencia. La primera y segunda ley de la termodinámica emergieron de forma simultánea en la década de los 1850 a partir de los trabajos de William Rankine, Rudolph Clausius, y Lord Kelvin (anteriormente William Thomson). El término termodinámica fue adoptado por primera vez por Lord Kelvin en 1849. El primer tratado sobre termodinámica fue debido en 1859 a William Rankine, profesor de la universidad de Glasgow. (William John) Macquorn Rankine (1820‐1872). ____________________________________________________________________________1 1. Conceptos básicos en termodinámica 1.1. SISTEMAS Y VOLUMENES DE CONTROL En termodinámica un sistema se suele definir en función de una cantidad determinada de materia o bien de una región espacial acotada. Así, los sistemas pueden ser considerados como abiertos o cerrados dependiendo de si se considera para el estudio una masa fija o un volumen fijo. Un sistema cerrado (masa de control) consiste en una masa fija de análisis sin que haya entrada o salida de la misma a través de las fronteras del sistema (estas fronteras pueden ser fijas o móviles). En sistemas cerrados puede darse sin embargo entrada o salida de energía en forma de calor o trabajo. En el caso especial de que tampoco haya intercambio de energía con el exterior, al sistema se le denomina aislado. Un sistema abierto o volumen de control implica normalmente una máquina que implica un flujo de masa a su través como son los casos de turbinas, compresores, toberas, etc. En estos sistemas se intercambia masa y energía con el exterior. 1.2.
PROPIEDADES DE UN SISTEMA Cualquier característica de un sistema se denomina propiedad. Así, la presión, temperatura, volumen, masa, etc. Son propiedades de un sistema. Otras menos familiares podrían incluir la viscosidad, conductividad resistividad, velocidad, etc. Las propiedades son extensivas cuando dependen del tamaño del sistema (masa, volumen, etc) o intensivas si son independientes del tamaño del sistema (temperatura, presión, densidad, etc.). Las propiedades extensivas por unidad de masa se denominan específicas (por ejemplo el volumen específico). 1.3. ESTADOS Y EQUILIBRIO Las propiedades de un sistema que se mantienen fijas definen un estado de sistema. En el momento que una propiedad cambia, el sistema pasará a estar definido por un nuevo estado. La termodinámica basa sus estudios en el concepto de estado de equilibrio. El equilibrio implica que no hay fuerzas impulsoras que hagan al sistema evolucionar hacia un estado distinto. Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando todos los tipos relevantes de equilibrio se cumplen de forma simultánea. Así, por ejemplo, el equilibrio térmico se cumple cuando hay uniformidad en la temperatura en todo el sistema, el equilibrio mecánico se refiere a diferencias de presión en el sistema. El equilibrio de fases implica la no transferencia ____________________________________________________________________________2 1. Conceptos básicos en termodinámica de masa entre fases. El equilibrio químico se relaciona con la composición, es decir que este equilibrio se alcanza cuando no se desarrolla ninguna reacción química. 1.4. EL POSTULADO DE ESTADO “El estado de un sistema simple monofásico compresible queda completamente especificado por dos propiedades intensivas independientes”. Este tipo de sistemas comunes en termodinámica se definen en ausencia de efectos eléctricos, magnéticos, gravitacionales, etc. Si existen, debe considerarse una nueva variable para definir. En contraste, cuando dos fases están en equilibrio, el estado del sistema es determinado cuando se especifica sólo una de dichas propiedades. Por ejemplo, la mezcla de vapor y agua líquida en equilibrio a 101.33 kPa sólo puede existir a 100°C. Es imposible cambiar la temperatura sin cambiar también la presión si se desea que el vapor y el líquido continúen existiendo en equilibrio. El número de variables independientes que debe fijarse de manera arbitraria para establecer el estado intensivo de cualquier sistema, esto es, el número de grados de libertad F del sistema, está dado por la célebre regla de las fases de J. Willard Gibbs, quien la dedujo en 1875 a partir de consideraciones puramente teóricas. A continuación se presenta esta regla sin demostración, en la forma que se aplica a los sistemas donde no hay reacciones químicas: F=2 ‐ + N (1.1) donde  = número de fases, y N = número de especies químicas. Una fase es una región homogénea de materia. Un gas o mezcla de gases, un líquido o una solución líquida y un cristal sólido son ejemplos de fases. Para poder aplicar la regla de las fases es necesario que éstas se encuentren en equilibrio. 1.5. PROCESOS Y CICLOS Cualquier cambio experimentado por un sistema desde un estado de equilibrio hasta otro se denomina proceso. Los estados intermedios por los que el sistema pasa en el proceso constituyen el camino de proceso. Para definir completamente un proceso se deben especificar los estados inicial y final así como el camino e interacciones con el exterior. Cuando un proceso ocurre de tal manera que el sistema pasa a través de etapas infinitesimales cercanas al equilibrio, se le denomina cuasiestático o de cuasiequilibrio. Un proceso de cuasiequilibrio es un proceso suficientemente lento que permite al sistema autoajustarse de forma interna de tal manera que las propiedades en una parte del sistema no ____________________________________________________________________________3 1. Conceptos básicos en termodinámica cambian significativamente del resto (ejemplo de un pistón). En este punto hay que reseñar que los procesos de cuasiequilibrio son simples idealizaciones de los procesos reales y que como tales no existen. En cualquier caso muchos procesos reales pueden aproximarse al cuasiequilibrio. El estudio de este tipo de procesos es importante debido a su sencillez de análisis y a que son modelos con los que comparar los procesos reales dado que proporcionan la mayor cantidad de trabajo y también consumen la menor cantidad de trabajo. Los diagramas de proceso que emplean propiedades termodinámicas son muy útiles a la hora de visualizar procesos. Algunas propiedades que se utilizan más comúnmente son temperatura, presión, volumen específico, entropía, entalpía, etc. El camino representado en estos sistemas corresponden a estados de equilibrio, en el caso de procesos de no cuasiequilibrio la unión entre estados inicial y final se hace con línea discontínua. Por otro lado, un sistema se somete a un ciclo cuando retorna a las condiciones iniciales de partida. 1.6 PROCESOS DE ESTADO ESTACIONARIO El término estacionario implica la no existencia de cambios con el tiempo, mientras que el término uniforme se refiere a la ausencia de cambios con respecto a la posición. Numerosos equipos en termodinámica operan en estado estacionario sin cambios temporales en las propiedades que componen el sistema incluida la masa. Tal es el caso de turbinas, compresores, bombas, etc. ____________________________________________________________________________4