Fundamentos de termodinámica

UNA INTRODUCCION A FUNDAMENTOS DE TERMODINAMICA

1. FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA La termodinámica surgió como una generalización de los estudios realizados entre la energía mecánica y el calor intercambiados por las máquinas térmicas, y de ahí el nombre de la disciplina. Sin embargo, poco a poco su campo de aplicación se fue ampliando hasta abarcar todos los procesos en los que exista alguna transformación de energía, sea esta del tipo que sea.

2. POSTULADOS DE TERMODINÁMICA Primer postulado de la termodinámica Un sistema termodinámico aislado termina alcanzando un estado de equilibrio termodinámico que no puede abandonar por sí mismo.

3. Segundo postulado de la termodinámica El calor se traslada de un cuerpo caliente a otro menos caliente.

4. Tercer postulado de la termodinámica Afirma que no se puede alcanzar el cero absoluto en un número finito de etapas y puede definirse así: Al llegar al cero absoluto, cualquier proceso de un sistema físico se detiene y al llegar al cero absoluto la entropía alcanza un valor mínimo y constante.

5. Principio cero de la termodinámica Si tenemos dos sistemas A y B en equilibrio entre sí y tenemos también un tercer sistema C en equilibrio con B , entonces C está en equilibrio con A.

6. CONCEPTOS BÁSICOS La termodinámica es una generalización de los estudios realizados entre la energía mecánica y el calor intercambiados por las máquinas térmicas. Un sistema termodinámico es cualquier región del espacio sobre la que centramos nuestro interés. Para delimitar esta región la limitamos con una pared (que puede ser real o imaginaria) que la recubre totalmente. La parte del espacio que no forma parte del sistema se denomina entorno o medio. El sistema y el entorno forman el universo.

7. En termodinámica vamos a estudiar la evolución de un sistema cuando este interacciona con el entorno que lo rodea, para ello vamos a emplear variables termodinámicas, que no son más que variables que nos dan la información sobre el estado del sistema, el estado dinámico en el que se encuentran las partículas del sistema.

8. Los sistemas se clasifican de acuerdo con la permeabilidad de la frontera al pasaje de: materia, calor o trabajo. Un sistema abierto es aquel en el cual tanto la materia, el calor y el trabajo pueden atravesar libremente.. Un sistema cerrado posee una frontera que impide el pasaje de materia pero sí permite el pasaje de calor y trabajo.

9. En termodinámica, las paredes de separación entre sistemas pueden clasificarse en dos tipos extremos: paredes adiabáticas y paredes diatérmicas . Un sistema con paredes adiabáticas impide el pasaje de calor y materia, aunque sí permite el pasaje de trabajo. Un ejemplo de este sistema es un termo, que tiene paredes de un material tal que impide el pasaje de calor y materia a través del mismo. Un sistema con paredes diatérmicas permite el pasaje de calor y, por ende, de trabajo, sin que haya transferencia de masa. Un ejemplo es la pared de este edificio.

10. PROPIEDADES TERMODINÁMICAS Una propiedad termodinámica es cualquier característica medible del sistema cuyo valor depende del estado determinado en que se encuentra el sistema. Éstas se dividen en: Propiedades extensivas. Propiedades intensivas.

11. Propiedades extensivas Las propiedades extensivas son aquellas que dependen del tamaño del sistema, por ejemplo: la masa , el volumen , y todas las clases de energía , son propiedades extensivas o aditivas , de manera que cuando las partes de un todo se unen, se obtiene el valor total. Si un sistema está constituido por N subsistemas, entonces el valor de una propiedad extensiva X para el sistema total, siendo X i la propiedad extensiva del subsistema i , será:

12. Propiedades intensivas Las propiedades intensivas son aquellas que son propias del sistema, es decir no dependen del tamaño del sistema, si un sistema se divide en dos partes, una propiedad intensiva mantiene el mismo valor en cada parte que poseía en el total, por lo tanto se definen en un punto. Son independientes del tamaño, masa o magnitud del sistema: por ejemplo la presión, temperatura, viscosidad y altura.

13. Algunos ejemplos de propiedades intensivas y extensivas se resumen en la siguiente tabla:

14. MÁQUINAS TÉRMICAS Y FRIGORÍFICAS Bajo esta denominación, abarcamos a los sistemas que permiten transformar el calor en trabajo y viceversa. Una máquina térmica es el sistema que cede trabajo al medio intercambiando calor a través de sus fronteras de un modo cíclico. Este intercambio de calor lo hace con dos focos caloríficos, uno caliente y otro frío. En concreto la máquina térmica recibe calor del foco caliente, cede calor al foco frío y suministra trabajo al medio. La máquina frigorífica es “lo contrario” que la máquina térmica. Al recibir trabajo del ambiente toma calor del foco frío y se lo cede al foco caliente. Por supuesto, tanto la máquina térmica como la frigorífica pueden funcionar entre varios focos.

15. Ahora, analicemos este ciclo, conocido como Ciclo de Carnot.

16. El ciclo de Carnot se produce cuando una máquina trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q 1 de la fuente de alta temperatura y cede un calor Q 2 a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. El rendimiento viene definido, como en todo ciclo, por:

17. Al invertir el ciclo, se considera como una máquina frigorífica, y cambian algunos detalles para su análisis: Ahora, resolveremos algunos ejemplos.