INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA 1 CONCEPTOS DE TERMODINAMICA La termodinámica estadística: se basa en el estudio del comportamiento de cada molécula del sistema. 1.1 INTRODUCCIÓN Como sabemos la termodinámica se refiere a la energía; indispensable para los seres vivos, además tiene diferentes aplicaciones en distintos procesos que se llevan a cado diariamente. La termodinámica es una teoría de una gran generalidad, aplicable a sistemas de estructura, muy elaborada con todas las formas de propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas complejas. El sistema termodinámico más simple se compone de una masa fija de un fluido isotrópico puro no influenciado por reacciones químicas o campos externos. Tales sistemas se caracterizan por las tres coordenadas mensurables: presión P, volumen V y temperatura T y se llaman sistemas PVT. Las industrias de proceso siempre han reconocido que desperdiciar energía reduce las ganancias, pero durante la mayor parte del siglo XX el costo de la energía constituyo casi una parte insignificante del costo total del proceso y se toleraban graves ineficiencias operacionales. En la década de 1970, el drástico aumento en el precio del gas natural y el petróleo elevo el costo de la energía en gran proporción e intensifico la necesidad de eliminar el consumo innecesario de la misma. Si una planta utiliza más energía que sus competidores, es posible que sus productos queden fuera de precio en el mercado. Una de las tareas principales del ingeniero al diseñar un proceso consiste en justificar con cuidado la energía y materia que entra y sale de cada unidad de proceso y determinar los requerimientos energéticos totales para este. Para ello, recurre a escribir los balances de energía de manera muy similar a los balances de materia que se describen para explicar los flujos de masa que entran y salen del proceso y sus unidades. 1.2 CONCEPTOS TERMODINAMICOS TERMODINAMICA: Rama de la física que estudia las interacciones de energía y la entropía. La termodinámica clásica: se ocupa de la energía y sus transformaciones en los sistemas desde un punto de vista macroscópico. Sus interacciones solo ocurren en un solo sentido del cuerpo más caliente al cuerpo más frio. Aunque todos tenemos una idea de este concepto, es difícil da una definición precisa de él. La energía es la capacidad para producir cambios en la naturaleza. La palabra termodinámica proviene de los vocablos griegos: Termos: calor y Dynamics : potencia Entonces la termodinámica describe los primeros esfuerzos por convertir el calor en potencia. Hoy día el mismo concepto abarca todos los aspectos de la energía y sus transformaciones, incluidas la producción de potencia, la refrigeración y las relaciones entre las propiedades de la materia. 1.3 Sistemas: Un sistema termodinámico, es una cantidad de materia o una región en el espacio elegida para estudio. La masa o región fuera del sistema recibe el nombre de alrededores. La superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores se llama la frontera. Los sistemas pueden ser: Sistema abierto: Por lo común encierra a un dispositivo que comprende un flujo de masa como un compresor, una turbina o una tobera, Se puede intercambiar tanto energía como materia entre el sistema y los alrededores. Ejemplo: Un calentador de agua, se quiere determinar cuánto calor se debe transferir al agua que está en el tanque para suministrar un flujo permanente de agua caliente. INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA Sistema cerrado: Consiste en una cantidad fija de masa, ninguna masa puede entrar o abandonar un sistema cerrado. Pero la energía, en forma de calor o trabajo, puede cruzar la frontera. El volumen de un sistema cerrado no tiene que ser fijo. Se puede intercambiar energía entre el sistema y los alrededores pero no materia. Sistema aislado: no se puede intercambiar ni energía ni materia entre el sistema y los alrededores. 1.3.1 Fronteras: Los sistemas interactúan con los alrededores intercambiando energía y materia. Los intercambios de energía pueden ser en forma de calor (q) y trabajo (W). Estos intercambios energéticos hacen variar la cantidad de energía total del sistema, su energía interna (U). Pared adiabática: cuando la transferencia de calor es nula entre el sistema y los alrededores. La frontera de un sistema es fija o móvil, la frontera es la superficie de contacto compartida tanto por el sistema como por los alrededores. Si la frontera es fija la transferencia de energía en forma de Trabajo mecánico es nula. Extensivas : Intensivas : Dependen de la cantidad de materia No dependen de la cantidad de materia Masa Volumen Peso Corriente eléctrica Densidad Temperatura de ebullición Temperatura de fusión Conductividad eléctrica Índice de refracción Las propiedades extensivas por unidad de masa se llaman propiedades específicas. Algunos ejemplos de propiedades específicas son el volumen especifica v=V/m. 1.5 1.5.1 Estado y equilibrio Estado El conjunto dado de propiedades del sistema en un momento dado. El estado de un sistema no depende de la forma o la configuración del sistema sino sólo de sus propiedades intensivas como la temperatura (T), la presión (P) y la composición. En un estado dado, todas las propiedades de un sistema tienen valores fijos. Si el valor de alguna propiedad cambia, el estado cambiará a uno diferente. Estado 1: m1=2 kg, T1=20 ºC y V1=1.5 m3 Estado 2: m2=2 kg, T2=20ºC y V2=2.5m3 La termodinámica estudia estados en equilibrio. La palabra equilibrio implica un estado de balance. En un estado de equilibro no hay potenciales desbalanceados dentro del sistema. Un sistema que está en equilibrio no experimenta cambios cuando se encuentra aislado de sus alrededores. Hay muchos tipos de equilibrio y un sistema está en equilibrio termodinámico si las condiciones de todos los tipos relevantes de equilibrio se satisfacen. 1.4 Propiedades de un sistema: Cualquier característica de un sistema se denomina propiedad. Algunos ejemplos son la presión P, la temperatura T, el volumen V y la masa (n). Las propiedades Propiedades intensivas y extensivas: Las propiedades intensivas: son aquellas cuyo valor numérico no dependen de la cantidad de sustancia empleada para medirlas. Las propiedades extensivas: son aquellas cuyo valor numérico varía con la cantidad de sustancia o masa empleada para medirlas. 1.5.2 Equilibrio térmico: Un sistema está en equilibrio térmico si la temperatura es la misma en todo el sistema. El sistema no implica diferenciales de temperatura, que son la fuerza accionadota del flujo térmico. Equilibrio mecánico: se relaciona con la presión y un sistema está en equilibro mecánico si no hay cambio en la presión en ningún punto del sistema. Equilibrio fase: Si un sistema implica dos fases, se encuentra en equilibrio cuando la masa de cada una de las fases permanece constante. Equilibrio químico: cuando la composición química del sistema no cambia con el tiempo, no ocurren reacciones químicas. INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA Qsistema Qalrededores 0 Un sistema se encuentra en equilibrio si se satisfacen todos los criterios relevantes de equilibrio. 1.6 Qsistema Qalrededores Procesos y ciclos Cualquier cambio que experimente un sistema de un estado de equilibrio a otro, se llama proceso, y la serie de estados por la cual pasa un sistema durante un proceso recibe el nombre de trayectoria del proceso. Para describir por completo un proceso, deben especificarse sus estados iniciales y final, así como la trayectoria que sigue y las interacciones con los alrededores. El proceso cuasiestático es un proceso en el cual el sistema permanece infinitesimalmente cercano a un estado de equilibrio. Ejemplo: Los diagramas de proceso que se grafican a partir de propiedades termodinámicas, como coordenadas son muy útiles en la visualización del proceso. Algunas propiedades comunes que se utilizan como coordenadas son la temperatura (t), presión (p) y el volumen V, La trayectoria del proceso indica una serie de estados de equilibrio, por los cuales pasa el sistema durante un proceso y tiene importancia solo para los procesos de cuasiequilibrio. El prefijo ISO se emplea para designar un proceso en el cual permanece constante una propiedad particular. Proceso isotérmico: temperatura constante Proceso isobárico: Presión es constante Procesos Isocórico: Volumen constante, entonces el W=0 1.7 de 1.8 ENERGIA DE UN SISTEMA CERRADO La energía total de un sistema cerrado se integra por la energía cinética, potencial e interna y se expresa como: E U EC EP U m *V 2 m * g * z (kJ ) 2 Las formas anteriores de energía constituyen la energía total de un sistema y pueden contenerse o almacenarse en él de esa forma es posible que se vean como forma estáticas de energía. 1.9 La primera ley de la termodinámica: Un sistema termodinámico posee una cierta energía que llamamos energía interna (U), debida a la propia constitución de la materia (enlaces de la moléculas, interacciones entre ellas, choques térmicos....). Por lo tanto, la energía total de un sistema es la suma de su energía interna, su energía potencial, su energía cinética, y la debida al hecho de encontrarse sometido a la acción de cualquier campo. Puesto que la energía interna del sistema se debe a su propia naturaleza, a las partículas que lo constituyen y la interacción entre ellas, la energía interna es una propiedad extensiva del sistema. La energía interna de un sistema se puede modificar de varias maneras equivalentes, realizando un trabajo o transfiriendo energía en forma de calor. Un sistema se somete a un ciclo si al término del proceso regresa a su estado inicial. En un ciclo los estados inicial y final idénticos. Propiedades termodinámicas no dependen trayectoria. El trabajo y el calor si dependen de la trayectoria. Así, el calor que pierde un sistema lo ganan sus alrededores y viceversa. la Ley de de la conservación de la energía: En las interacciones entre un sistema y sus alrededores, la energía total permanece constante, La energía ni se crea ni se destruye!! Si variamos la energía interna de nuestro sistema, la primera ley de la termodinámica nos dice, que esta variación viene acompañada por la misma variación de energía, pero de signo contrario en los alrededores. De modo que la energía total del sistema más el entorno, permanece constante. La energía del Universo permanece constante. La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma. La forma de expresar esta ley, centrándonos en el estudio del sistema cerrado, es: La energía interna es una función de estado ; y como tal su variación solo depende del INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA estado inicial y del estado final y no de la trayectoria o camino seguido para realizarlo. y la realización por el sistema de un de trabajo equivalente sobre el entorno”. 1.10 Segundo Principio de la Termodinámica Importante Teóricamente la conversión total de calor en trabajo es posible, lo imposible es diseñar una máquina que convierta totalmente el calor en trabajo y que pueda operar de forma cíclica. Cualquier proceso que ocurre espontáneamente produce un aumento de entropía del universo” En el siglo XIX a partir del trabajo de Carnot sobre el rendimiento de las máquinas de vapor, se obtuvo la expresión matemática que permite medir cuantitativamente la tendencia de los sistemas a evolucionar, y en qué sentido lo hacen, es decir, el cambio de entropía: Las unidades en las que se mide S son J/K. La entropía es una función de estado. En cualquier proceso ΔS se determina midiendo el Q que se transferiría en un proceso isotérmico reversible que conectara el estado final (2) y el estado inicial (1). Esto implica que si el proceso es irreversible el Q transferido no nos permite evaluar directamente ΔS, por otra parte si el proceso no es isotérmico, la integral tampoco es inmediata. Si el sistema termodinámico está en equilibrio con sus alrededores, no hay cambio en el sistema ni en los alrededores, por tanto ΔSsistema = - ΔS alrededores Como consecuencia: A la expresión como desigualdad de Clausius se le conoce Si imaginamos el proceso reversible e isotérmico esquematizado anteriormente, en el que se hace una transferencia de Q desde la fuente hacia el sistema (gas ideal encerrado en un embolo con un pistón móvil), el gas se expandirá realizando el W equivalente, pero si no se enfría de nuevo el gas, el pistón no vuelve a la posición inicial, con lo que la máquina no funciona de modo continuo, (el pistón se saldrá del cilindro). El rendimiento (o eficiencia) de la máquina, es la fracción de energía útil (trabajo) que se obtiene a partir de la energía consumida. Existen muchos tipos de máquinas térmicas sencillas, que se diferencian en el tipo de etapa/s en el que se toma energía de la fuente, se cede energía al foco frío y/o se realiza el trabajo. La máquina más sencilla sería la llamada máquina reversible de Carnot, constituida por dos etapas isotérmicas y dos adiabáticas. Al calcular el rendimiento de una máquina de Carnot se 1.11 Entropía y rendimiento de máquinas térmicas Puesto que la introducción del concepto de entropía surge del estudio del rendimiento de las máquinas de vapor (esquematizada en la figura), uno de los posibles enunciados del segundo principio es: “Es imposible que un sistema realice un proceso cíclico cuyos únicos efectos sean la transferencia de calor desde una fuente térmica al sistema, obtiene que: lo que se ha enunciado cómo el Segundo Principio de Termodinámica. 1.12 BIBLIOGRAFÍA Abbott, M.M., Vanness, H.C., (1991): Termodinámica. 2a. ed. México: McGraw-Hill. Callen, H.B., (1985): Thermodynamics. New York: Wiley & Sons. Reif, F., (1983): Berkeley physics course - volumen 5. Barcelona: Reverté. Grupo Noriega Editores, principios elementales de los procesos químicos, Mexico 95.