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derber de investigacion

1. ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO

INTEGRANTES:
Shirley Córdova, José Antuash, Miguel Naanch y Jenny López


Sistemas Termodinámicos



Abstract:

A thermodynamicsystem is defined as the part of the universe understudy. The thermodynamicsystem can be defined
by real or imaginary walls, it contains what is called an object of study, this thermodynamic system can undergo
internal transformations and exchange energy and / or matter with the external environment. The system is s eparated
from the environment by the system limit, the limit can be fixed or mobile, there are also types of systems in which
we can find, the open system, closed system, isolated system, each of these have certain characteristics to that can be
easily identified. The purpose of this research work is that the student or the reader can get an idea in the interpretation
of the presented topic, and thus be able to contribute to their knowledge about the topic.

Keywords:

Open system, closed system, isolated system,
bordert

Resumen:

Un sistema termodinámico se define como la parte del universo objeto de estudio. El sistema termodinámico puede
estar definido por paredes reales o imaginarias, contiene lo que se llama un objeto de estudio, este sistema
termodinámico puede experimentar transformaciones internas e intercambiar energía y/o materia con el entorno
externo. El sistema está separado del entorno por el límite del sistema, el límite puede ser fijo o móvil, además existen
tipos de sistemas en los que podemos encontrar, el sistema abierto, sistema cerrado, sistema aislado, cada uno de estos
cuentan con ciertas características para que se puedan identificar fácilmente. La finalidad de este trabajo de
investigación es que el alumno o el lector pueda obtener una idea en la interpretación del tema presentado, y así poder
contribuir en su conocimiento acerca del tema.

Palabras Clave:

Sistema abierto, sistema cerrado, sistema aislado,
frontera


Introducción

La termodinámica es fundamentalmente una ciencia
fenomenológica, es decir una ciencia macroscópica
basada en leyes generales inferidas del experimento
independiente de cualquier “modelo” microscópico de
la materia. Su objetivo es a partir de unos cuantos
postulados (leyes de la termodinámica), obtener
relaciones entre propiedades macroscópicas de la
materia, cuando ésta se somete a toda una variedad
de procesos.
La termodinámica se desarrolló como una tecnología
mucho antes de convertirse en ciencia; una de las
preguntas más motivadoras de este desarrollo surgió
de cuestiones prácticas, como poder calcular la
cantidad de trabajo que se puede obtener al quemar
una cantidad conocida de carbón u otro combustible.












Es por ello que, prácticamente no hay rama de la ingeniería
y de la física o química en sus aspectos más aplicativos
que puedan prescindir del conocimiento de esta rama tan
importante de la física.
Un sistema es la parte del universo que se estudia. Un
sistema termodinámico debe ser suficientemente grande, es
decir debe poseer un gran número de partículas (o gran
número de grados de libertad). Los sistemas que consisten en
un número reducido de partículas (o que
tienen pocos grados de libertad) nunca constituirán un
sistema termodinámico.

2. Los sistemas termodinámicos se clasifican según la
transferencia de masa y de energía a través de las
fronteras del sistema y el efecto que esas
interacciones ejercen sobre el estado del sistema.
Según lo anterior, se clasifican en sistemas abiertos,
cerrados y aislados.

Sistema
cerrado
Es un sistema termodinámico donde hay intercambio
de energía con el resto del universo, pero sin
haber intercambio físico de materia con el universo
esto quiere decir que la materia que se encuentre
dentro del sistema podrá cambar su temperatura
dependiendo del entorno, así como su volumen, pero
su peso se no sufrirá ningún cambio. Ninguna masa
puede entrar o abandonar un sistema cerrado.
Aunque en un sistema cerrado la cantidad de materia
es fija (constante), se permite a la energía traspasar
sus límites en forma de trabajo y calor.
El volumen de un sistema cerrado no tiene que ser
fijo. La materia también puede cambiar de
composición química dentro del sistema La cantidad
de materia bajo observación suele denominarse
masa.
Ejemplos de sistemas cerrados:
Un reloj a cuerda, que para su
funcionamiento necesita que no exista modificación
por la temperatura o el medio externo.
Un termo perfectamente construido para que
la temperatura se conserve sin cambios en lo más
mínimo.
El planeta tierra (intercambia energía, pero
no materia).

Sistema
abierto
Es un sistema que interactúa continuamente con su
entorno. Un sistema abierto es lo contrario al sistema
aislado ya que no intercambia energía, materia o
información con el medio ambiente. Todos o casi todos
los sistemas naturales están abiertos.
En los sistemas termodinámicos, el sistema abierto no
puede existir en el estado de equilibrio puesto que hay un
intercambio de energía y materia entre el sistema y los
alrededores.
En muchos casos es mejor pensar en término de una
región dada del espacio a través de la cual fluye la masa.
Esta región se denomina también volumen de control.
El flujo a través de estos dispositivos se estudia mejor al
seleccionar la región dentro del dispositivo como el
volumen de control.
Tanto masa puede cruzar la frontera de un volumen de
control, así como también la energía puede hacerlo en
forma de trabajo y calor.
El término volumen o masa de control también se usa en
un sistema cerrado.





El término sistema abierto se usa intercambiablemente con
el de volumen de control.
Cuando se usan los términos masa de control o volumen de
control, el contorno del sistema recibe el nombre de
superficie de control.
Ejemplos de sistemas abiertos:
* La célula, pues cuenta con una membrana
semipermeable que produce el intercambio con el exterior.
* Una planta, que en el proceso de fotosíntesis realiza un
notorio intercambio de energía.
* Un curso de agua como un río, que recibe afluentes y envía
a otros cursos.
* Cada uno de los órganos o sistemas del cuerpo
humano puede interpretarse como un sistema abierto.







Sistema aislado
Un sistema termodinámico aislado es un sistema que no
puede interactuar con el resto del universo debido a que
su frontera es impermeable tanto a la materia como a la
energía. Un sistema aislado es, por lo tanto, un tipo
especial de sistema cerrado cuya frontera es adiabática y
además es rígida e impermeable a los campos de fuerzas.
Lo importante del concepto del sistema termodinámico
aislado no es que haya o no sistemas perfectamente
aislados, sino que es posible considerar muchos sistemas
como aislados a efectos prácticos: los efectos que delatan
que no están aislados son de escasa importancia en el
fenómeno que se está estudiando. Ejemplos de sistemas
aislados:
Una bombona de gas, contenido a presión en su
interior, el gas está aislado de la materia y la energía a su
alrededor en condiciones normales.
Los alimentos enlatados, en condiciones
normales, estos alimentos se encuentran lejos de
cualquier intercambio de materia o de energía.
Una caja fuerte, el contenido en las cajas fuertes
está separado por gruesas capas herméticas de metal de
su entorno, aislado de la materia y de la energía,
Los trajes de neopreno, un hombre embutido en
estos trajes, usualmente para el buceo o submarinismo,
se encuentra protegido durante un período de tiempo del
intercambio calórico entre el agua y su cuerpo.

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La primera ley de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica piensa en grande: se
refiere a la cantidad total de energía en el universo, y en
particular declara que esta cantidad total no cambia. Dicho
de otra manera, la Primera ley de la termodinámica dice que
la energía no se puede crear ni destruir, solo puede cambiarse
o transferirse de un objeto a otro



















La segunda ley de la termodinámica
A primera vista, la primera ley de la termodinámica
puede parecer una gran noticia. Si la energía nunca se
crea ni se destruye, eso significa que la energía puede
simplemente ser reciclada una y otra vez, ¿cierto?
Pues... sí y no. La energía no puede ser creada ni
destruida, pero puede cambiar de formas más útiles a
formas menos útiles. La verdad es que, en cada
transferencia o transformación de energía en el mundo
real, cierta cantidad de energía se convierte en una
forma que es inutilizable (incapaz de realizar trabajo).
En la mayoría de los casos, esta energía inutilizable
adopta la forma de calor.
Aunque de hecho el calor puede realizar trabajo bajo
las circunstancias correctas, nunca se puede convertir
en otros tipos de energía (que realicen trabajo) con una
eficiencia del 100%. Por lo que cada vez que ocurre
una transferencia de energía, cierta cantidad de
energía útil pasa de la categoría de energía útil a la
inútil.
.
Fronteras
El sistema termodinámico puede estar separado del resto
del universo (denominado alrededores del sistema) por
paredes reales o imaginarias. Las paredes que separan
un sistema de sus alrededores pueden ser aislantes
(llamadas paredes adiabáticas) o permitir el flujo de calor
(diatérmicas). [3]
La frontera de un sistema puede ser:
• Fija (las paredes de un recipiente) o móvil (un
émbolo o pistón de un motor de explosión).
• b) Permeable a la masa o impermeable a ella.
En el primer caso se dice que t e n e m o s
un sistema abierto (p.ej. un motor en el que
entra combustible por un lado y salen gases por
otro) y en el segundo uno cerrado (p.ej. en el
circuito

• de refrigeración de una nevera, el gas freón que
circula por los tubos nunca sale al exterior).
• c) Permeable al calor o impermeable a él. Si al
poner en contacto el sistema con el ambiente se
produce una transferencia de energía debido a la
diferencia de temperaturas, se dice que la
frontera es diatermia. Si el calor no puede
atravesar la frontera se dice que ésta es
adiabática.




Equilibrio termodinámico
En Termodinámica se dice que un sistema se
encuentra en equilibrio termodinámico cuando las
variables intensivas que describen su estado no
varían a lo largo del tiempo.

Cuando un sistema no está aislado, el equilibrio
termodinámico se define en relación con los
alrededores del sistema. Para que un sistema esté
en equilibrio, los valores de las variables que
describen su estado deben tomar el mismo valor
para el sistema y para sus alrededores. Cuando un
sistema cerrado está en equilibrio, debe estar
simultáneamente en equilibrio térmico y mecánico.

• Equilibrio térmico: la temperatura del sistema
es la misma que la de los alrededores.
• Equilibrio mecánico: la presión del sistema es
la misma que la de los alrededores.

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Ley cero, calor y temperatura
La importancia práctica de la Termodinámica radica
fundamentalmente en la diversidad de fenómenos
físicos que describe, y por
tanto, la enorme productividad tecnológica que ha
derivado de su conocimiento. Aunque en un principio
los desarrollos tecnológicos,
como las llamadas máquinas de vapor o los
termómetros, se llevaron a cabo de manera empírica,
fue hasta el siglo XIX cuando
científicos como Carnot y Joule formalizaron sus
resultados y determinaron las causas teóricas de su
funcionamiento.
Las ideas de “caliente” y “frío” han formado parte de las
experiencias sensoriales del hombre desde tiempos
inmemoriales. De
hecho, dos de los primeros científicos que expresaron
estas ideas fueron Leonardo Da Vinci y Galileo,
quienes sabían que al contacto
con un tercer cuerpo, usualmente el aire, dos o más
cuerpos en contacto con él “se mezclaban de una
manera apropiada hasta
alcanzar una misma condición”. Esta condición era
alcanzada debido a la tendencia de los cuerpos
calientes de difundir su energía a
los cuerpos más fríos. Este flujo de energía es
denominado calor. Así, podemos percibir la tendencia
del calor a difundirse de
cualquier cuerpo caliente hacia otros más fríos en sus
alrededores, hasta que el calor se distribuye entre ellos
de una manera tal que
ninguno es capaz de tomar más que los restantes












Procesos Termodinámicos y Trabajo
Procesos cuasi estático, reversible e irreversible
La termodinámica tiene como uno de sus objetivos
fundamentales el de establecer relaciones entre las
variables de un sistema
cuando éste sufre cambios entre estados de equilibrio. En
general estos cambios se efectúan en virtud de influencias
externas y se
dice entonces que el sistema experimenta un proceso.
Es posible visualizar dicho proceso en el espacio de
estados como una trayectoria entré dos puntos
cualesquiera del espacio. Al
hablar de trayectoria, geométricamente implicamos la
existencia de una curva que une a los dos puntos en
cuestión. Si esta curva
puede trazarse en el espacio de estados, cada punto de
ella corresponde a un estado de equilibrio termodinámico
del sistema, y el proceso en este caso, consiste en una
sucesión de estados de equilibrio. Para tales estados es
válida, por consiguiente una ecuación
de estado. Este proceso recibe el nombre de proceso
cuasi estático.
En general, la clase de procesos idealizados que tienen la
característica de ser cuasi estáticos y ocurren sin fricción,
se designan
como procesos reversibles. Estos procesos poseen la
propiedad de que un cambio muy pequeño en las
condiciones que permiten su
evolución en una dirección, es suficiente para permitir que
el proceso ocurra en dirección opuesta. En otras palabras,
un proceso
reversible es aquel que ocurre de tal manera que al
finalizar el mismo, tanto el sistema como el medio exterior
pueden ser reintegrados
a sus estados iniciales, sin ocasionar ningún cambio en el
resto del universo.
Puede darse el caso, sin embargo, que aún teniendo dos
estados de equilibrio (y por tanto representados en el
espacio de
estados por dos puntos), el proceso entre dichos puntos
no tenga una representación geométrica porque los
estados intermedios no
corresponden a estados de equilibrio, y entonces no se
pueda asignar valores numéricos a las variables
termodinámicas; en este
caso hablamos de un proceso irreversible o no cuasi
estático.










Ejemplos de cálculo del trabajo termodinámico
Fluido sujeto a una presión hidrostática uniforme
Consideremos un fluido encerrado en un volumen V de
forma geométrica arbitraria y sea A, el área que
encierra dicho volumen.
Supongamos que la presión que los alrededores
ejercen sobre esta superficie es uniforme y tiene un
valor Pe
.
Consideremos una transformación durante la cual la
frontera del sistema (recipiente) sufre una expansión a
una cierta posición

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Si observamos un pequeño elemento de la superficie
del recipiente ds veremos que se desplazará una cierta
distancia dn en
la dirección perpendicular a la superficie.
Ahora si P es la presión que ejerce el sistema sobre
sus alrededores, el trabajo realizado por el sistema
sobre sus alrededores
al pasar de A a A’ es:



donde la integral nos permite realizar el cálculo del
trabajo de cada elemento ds de tal forma que
obtengamos el trabajo total
realizado por el sistema.
Para evaluar esta integral, es necesario suponer que el
proceso es cuasi estático, para que todo estado
intermedio sea un estado
de equilibrio y la presión P esté definida, esto es, sea
una variable termodinámica. Por otra parte, es
necesario suponer que no hay
fuerzas disipativas (fricción) y poder así igualar los
valores de ambas presiones (P = Pe) . De no cumplirse
esta última hipótesis, las
presiones internas y externas tendrían que ser
desiguales para sobreponerse a la fricción. En estas
condiciones, para un proceso
cuasi estático y sin fricción esto es, un proceso
reversible, (se lleva a cabo lentamente) tenemos:






Las expresiones correspondientes a un proceso
reversible en el caso de un alambre sujeto a tensión y
el de una membrana sujeta a
tensión superficial, se pueden escribir de inmediato. Si
ι es la tensión a la que está sujeto el alambre y dL la
elongación, entonces tenemos:


y para una membrana, si ι es la tensión superficial y dA
el incremento en la superficie:



• Expansión libre de un gas
Consideremos un gas encerrado en un recipiente de
paredes rígidas, de manera que ocupe un volumen V V
del recipiente y esté
separado de V por una membrana perforable.
Supongamos que la membrana se perfora y el gas se
deja expandir libremente hasta
ocupar todo el volumen V + V’ . Evidentemente, en este
proceso el trabajo de expansión no es posible escribirlo
como - P∆V, el signo
menos resulta de la conversión de signos (ver
15.3.5.2.2), pues el proceso de expansión no es un
proceso cuasi estático, o sea que
el sistema no atraviesa estados de equilibrio y los
estados intermedios no pueden, en consecuencia,
definirse por medio de variables
termodinámicas. Ahora bien, que el proceso es
isocórico (trabajo cero), es inmediato, pues si bien hay
un cambio en el volumen del
sistema, también es claro que el desplazamiento de las
fronteras del sistema es nulo, y el trabajo total realizado
por el gas sobre los
alrededores es cero. Este proceso se conoce como
expansión libre de un gas.











• Sistemas en campos eléctricos o magnéticos
Algunas de las aplicaciones más interesantes de la
termodinámica surgen en conexión con cambios en las
propiedades macroscópicas
de sistemas que están bajo la influencia de campos
eléctricos o magnéticos. Para llevar a cabo el estudio
de sus propiedades
termodinámicas, debemos encontrar primero una
expresión apropiada para el trabajo realizado por o
sobre el sistema, por un campo
externo. Debido a las herramientas necesarias para
este análisis omitimos este tema en estas notas.

Tipos de Procesos Termodinámicos
Para aplicar la Primera Ley de la Termodinámica a
sistemas específicos es útil definir primero algunos
procesos termodinámicos comunes.
• Proceso Adiabático
Un proceso adiabático se define como un proceso en
el cual el sistema no absorbe ni cede calor, es decir Q
= 0 entonces, de la primera ley:

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Este proceso se puede lograr ya sea aislando
térmicamente el sistema de sus alrededores o
realizando el proceso rápidamente.
Como el flujo de calor es algo lento, cualquier proceso
puede hacerse prácticamente adiabático si se efectúa
con suficiente rapidez.
Realizando un proceso adiabático en un gas, podemos
observar que si se expande, W es positivo y por lo tanto
∆U es negativo
y el gas se enfría. De manera recíproca, si se comprime
adiabáticamente, el gas se calienta.
Los procesos adiabáticos son muy importantes en la
ingeniería. Algunos ejemplos de procesos adiabáticos
comunes incluyen la
expansión de gases calientes en máquin as de
combustión interna, la licuefacción de los gases en
sistemas de enfriamiento y la fase
de compresión en un motor diesel.

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Agradecimientos









Referencias

[1] Fernández, M. D. C. L. (2001). Termodinámica (Vol. 53).
Universidad de Sevilla, pp. 10-19.

[2] Oriol Planas. Sistema termodinámico, tipos de sistemas y
definición. (2020), De ingeniero técnico, pp. 1-2.

[3] Rolle, K. C. (2006). Termodinámica. Pearson Educación.
Pearson educación, México, 2006, pp. 34-40.

[4] Sears, F.W., & Salinger, G.L. (1978). Termodinámica
teoría cinética y termodinámica estadística. Reverte, pp. 1-5.

[5] Zemasnsky, M.W, & Dittman, R.H. (1997). Calor y
Termodinámica (Vol.18). Aguilar. Ciudad de México, pp. 24-
26.

[6] Dugan, R.E., & Jones, J.B. (1996). Ingeniería
termodinámica. Prentice Hall, pp. 11-17.