Termodinamica, resumen de conceptos básicos

[Richard R Richard]

El objeto de esta entrada del blog es hacer una presentación y análisis de los principales procesos termodinámicos usados en ingeniería, pero para tener un vocabulario más elevado a la hora de describirlos, esta primera entrada estará dedicada a dar definiciones básicas




Termodinámica

La termodinámica es la rama de la física encargada del estudio de la interacción entre el calor y otras manifestaciones de la energía, ofrece un aparato formal aplicable únicamente a estados de equilibrio, osea aquel estado a que todo sistema tiende a evolucionar por definición, independientes del tiempo.


Equilibrio termodinámico

El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo en el cual las variables empíricas usadas para definir o dar a conocer un estado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial, coordenadas en el plano x, y) no son dependientes del tiempo.
Toda sustancia por encima de los 0 kelvin (-273,15 °C) emite calor. Si dos sustancias en contacto se encuentran a diferente temperatura, una de ellas emitirá más calor y calentará a la más fría. El equilibrio térmico se alcanza cuando ambas emiten, y reciben la misma cantidad de calor, lo que iguala su temperatura.


Sistema

Se puede definir un sistema como un conjunto de materia, que está limitado por unas paredes, reales o imaginarias, impuestas por el observador.
• Un sistema abierto se da cuando existe un intercambio de masa y de energía con los alrededores; es por ejemplo, un coche. Le echamos combustible y él desprende diferentes gases y calor.
• Un sistema cerrado se da cuando no existe un intercambio de masa con el medio circundante, solo se puede dar un intercambio de energía; un reloj de cuerda, no introducimos ni sacamos materia de él. Solo precisa un aporte de energía que emplea para medir el tiempo.
• Un sistema aislado se da cuando no existe el intercambio ni de masa y energía con los alrededores; ¿Cómo encontrarlo si no es posible interactuar con él? Sin embargo, un termo lleno de comida caliente es una aproximación, ya que el envase no permite el intercambio de materia e intenta impedir que la energía (calor) salga de él.


Medio externo

Se llama medio externo o ambiente o universo a todo aquello que no está en el sistema pero que puede influir en él. Por ejemplo, considérese una taza con agua, que está siendo calentada por un mechero: en un sistema formado por la taza y el agua, el medio está formado por el mechero, el aire, etcétera.



Calor

Se denomina calor a la energía en tránsito que se reconoce solo cuando se cruza la frontera de un sistema termodinámico. Una vez dentro del sistema, o en los alrededores, si la transferencia es de adentro hacia afuera, el calor transferido se vuelve parte de la energía interna del sistema o de los alrededores, según su caso. El término calor, por tanto, se debe de entender como transferencia de calor y solo ocurre cuando hay diferencia de temperatura y en dirección de mayor a menor. De ello se deduce que no hay transferencia de calor entre dos sistemas que se encuentran a la misma temperatura.

$Q = m\dst \int\limits_{T_{\mathrm i}}^{T_{\mathrm f}} C \, \mathrm dT=n\dst \int\limits_{T_{\mathrm i}}^{T_{\mathrm f}} C_m \, \mathrm dT$


Energía interna

La energía interna (U) de un sistema intenta ser un reflejo de la energía a escala macroscópica. Si pensamos en constituyentes atómicos o moleculares, será el resultado de la suma de la energía cinética de las moléculas o átomos que constituyen el sistema (de sus energías de traslación, rotación y vibración) y de la energía potencial intermolecular (debida a las fuerzas intermoleculares) e intramolecular de la energía de enlace.Más concretamente, es la suma de:

• La energía cinética interna, es decir, de las sumas de las energías cinéticas de las individualidades que forman un cuerpo respecto al centro de masas del sistema,
• La energía potencial interna, que es la energía potencial asociada a las interacciones entre estas individualidades.

• La energía interna no incluye la energía cinética traslacional o rotacional del sistema como un todo. Tampoco incluye la energía potencial que el cuerpo pueda tener por su localización en un campo gravitacional o electrostático externo.
• En un gas ideal monoatómico bastará con considerar la energía cinética de traslación de sus átomos. para un gas monoatómico,${\displaystyle {\hat {c}}_{V}}$ es el calor específico adimensional a volumen constante, ≈ 3/2
• En un gas ideal poliatómico, deberemos considerar además la energía vibracional y rotacional de las mismas.${\displaystyle {\hat {c}}_{V}}$ es ≈ 5/2
• En un líquido o sólido deberemos añadir la energía potencial que representa las interacciones moleculares.${\displaystyle {\hat {c}}_{V}}$ 3 para moléculas complejas.

La magnitud que designa la energía almacenada por un sistema de partículas se denomina energía interna (U).
La energía interna es una función de estado: su variación entre dos estados es independiente de la transformación que los conecte, sólo depende del estado inicial y del estado final. Como consecuencia de ello, la variación de energía interna en un ciclo es siempre nula, ya que el estado inicial y el final coinciden:

$\Delta U_{AB} = \dst \int \limits_{A}^{B}dU =U_B-U_A=\hat {c}_{V}nR(T_B-T_A)$

$\Delta U_{BA} = \dst \int \limits_{B}^{A} dU =U_A-U_B=\hat {c}_{V}nR(T_B-T_A)$

$\Delta U_{AA} =\Delta U_{AB} +\Delta U_{BA}= \dst \oint dU =U_A-U_A=0$



En un gas ideal puede demostrarse que la energía interna depende exclusivamente de la temperatura, ya en un gas ideal se desprecia toda interacción entre las moléculas o átomos que lo constituyen, por lo que la energía interna es sólo energía cinética, que depende sólo de la temperatura. Este hecho se conoce como la ley de Joule.
La variación de energía interna de un gas ideal (monoatómico o diatómico) entre dos estados A y B se calcula mediante la expresión:

${\displaystyle U={\hat {c}}_{V}nRT}$

donde $n$ es el número de moles y ${\hat {c}}_{V}$ la capacidad calorífica molar a volumen constante. Las temperaturas deben ir expresadas en Kelvin.
Para demostrar esta expresión imaginemos dos isotermas caracterizadas por sus temperaturas $T_A$ y $T_B$ como se muestra en la figura.



El trabajo en termodinámica

En el caso de un sistema termodinámico, el trabajo no es necesariamente de naturaleza puramente mecánica, ya que la energía intercambiada en las interacciones puede ser también calorífica, eléctrica, magnética o química, por lo que no siempre podrá expresarse en la forma de trabajo mecánico.
No obstante, existe una situación particularmente simple e importante en la que el trabajo está asociado a los cambios de volumen que experimenta un sistema (v.g., un fluido contenido en un recinto de forma variable) el trabajo realizado será:

$W_{AB} = \dst \int\limits_{VA}^{VB} P dV$



La teoría de la termodinámica se basa en cuatro pilares llamados principios de la termodinámica

Principio cero de la termodinámica

Es el principio que nos permite afirmar que si se pone un objeto con cierta temperatura en contacto con otro a una temperatura distinta, ambos intercambian calor hasta que sus temperaturas se igualan.
El principio afirma que existe una propiedad, denominada temperatura empírica, que es común en todos los sistemas en estado de equilibrio mutuo con otro sistema dado.
Algunas conclusiones que se extraen son que

• Todo el calor es del mismo tipo.
• Todas las paredes diatérmicas son equivalentes
• Si dos sistemas están por separado en equilibrio con un tercero, entonces también deben estar en equilibrio entre ellos.
• Si tres o más sistemas están en contacto térmico y todos juntos en equilibrio, entonces cualquier par está en equilibrio por separado.

Permite formular matemáticamente a la termodinámica, afirmando que toda relación de equilibrio térmico es una relación de equivalencia lo que permite existencia física de termómetros válidos.


Primer principio de la termodinámica

Es un principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará.
La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:

Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico,
para evaluar el sentido de los intercambios de energía según la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) es el siguiente:

• Positivo (+), para el trabajo y el calor que entran al sistema e incrementan la energía interna.

• Negativo (-), para el trabajo y el calor que salen del sistema y disminuyen la energía interna.1

El Primer principio de la termodinámica queda de la forma:

$Q=W+\Delta U$

Donde $\Delta U$ es la variación energía interna del sistema (aislado), $Q$ es la cantidad de calor aportado al sistema y $W$ es el trabajo realizado por el sistema.

En palabras simples:

• "La energía total del Universo se mantiene constante. No se crea ni se destruye, sólo se transforma".

• En un sistema cerrado adiabático (que no hay intercambio de calor con otros sistemas o su entorno, como si estuviera aislado) que evoluciona de un estado inicial a otro estado final, el trabajo realizado no depende ni del tipo de trabajo ni del proceso seguido.

Segundo principio de la termodinámica

El principio establece la irreversibilidad de los fenómenos físicos, especialmente durante el intercambio de calor. El segundo principio introduce la función de estado entropía, por lo general asimilada a la noción de desorden que no puede más que crecer en el curso de una transformación termodinámica real.

• La cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse en el tiempo.

• marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario
• El sentido de evolución de los procesos reales es único ya que son irreversibles.
• establece la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo a otro sin pérdidas. De esta forma, el segundo principio impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta solo el primer principio.
• Aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.
• Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico.
• La aplicación más conocida es la de las máquinas térmicas, que obtienen trabajo mecánico mediante aporte de calor de una fuente o foco caliente, para ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero frío. La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo mecánico obtenido.

$dS\geqslant \dfrac{\delta Q}{dT}$


Enunciado de Clausius

No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada

Enunciado de Kelvin—Planck

Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito, con la realización de una cantidad igual de trabajo.
Es imposible construir una máquina que, operando cíclicamente, produzca como único efecto la extracción de calor de un foco y la realización equivalente de trabajo
Es imposible construir una máquina térmica cíclica que transforme calor en trabajo sin aumentar la energía termodinámica del ambiente


Tercer principio de la termodinámica

La tercera ley de la termodinámica o también llamada el teorema de Nernst o postulado de Nernst dice que la entropía de un sistema en el cero absoluto es una constante definida.
Es imposible por cualquier procedimiento alcanzar la isoterma T = 0 en un número finito de pasos
Si la entropía de cada elemento en algún estado cristalino (perfecto) se tomase como cero en el cero absoluto de temperatura, cada sustancia tiene una entropía finita y positiva, pero en el cero absoluto de temperatura la entropía puede llegar a ser cero y eso lo convierte en el caso de una sustancia cristalina perfecta.
Con el desarrollo de la mecánica estadística, la tercera ley de la termodinámica pasó de ser una ley fundamental justificada por experimentos a una ley derivada de leyes aún más básicas como la definición estadístico-mecánica de la entropía de un sistema grande:

$S - S_0 = k_B \ln \, \Omega$

donde:
$S$ es la entropía,
$kB$ es la constante de Boltzmann, y
$\Omega$ es el número de microestados consistentes con la configuración macroscópica.


Proceso termodinámico
se denomina proceso termodinámico a la evolución de determinadas magnitudes (o propiedades) propiamente termodinámicas relativas a un determinado sistema termodinámico. Desde el punto de vista de la termodinámica, estas transformaciones deben ocurrir desde un estado de equilibrio inicial a otro final; es decir, que las magnitudes que sufren una variación al pasar de un estado a otro deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial y final. De esta forma los procesos termodinámicos pueden ser interpretados como el resultado de la interacción de un sistema con otro tras ser eliminada alguna ligadura entre ellos, de forma que finalmente los sistemas se encuentren en equilibrio (mecánico, térmico y/o material) entre sí.

Los Procesos Termodinámicos


Termodinamica, resumen de conceptos básicos
Proceso Isentrópico o isoentrópico y proceso adiabático: proceso a entropía constante
Proceso Isocórico:proceso a volumen constante
Proceso Isobárico: proceso a presión constante
Proceso Isotérmico: proceso a temperatura constante
Proceso Isoentálpico: proceso a entalpía constante
Procesos Politrópicos:generalidades de los procesos termodinámicos.


Fuentes
Wikipedia https://es.wikipedia.org/wiki/Termodin%C3%A1mica
Dto Fisica aplicada Universidad de Sevilla http://laplace.us.es/wiki/index.php/...p%C3%ADa_(GIE)
Curso de física básica http://www2.montes.upm.es/dptos/digf...aciones2p.html
Termodinamica técnica https://slideplayer.es/slide/4073550/