Procesos termodinámicos Introducción ¿Qué es la termodinámica? “La termodinámica es la rama de la física que estudia los fenómenos de la energía y las propiedades de la materia, especialmente las leyes que rigen la transformación de calor en otras formas de energía y vice-versa”. La termodinámica es la rama de la ciencia que estudia la energía. La ingeniería termodinámica se refiere a la aplicación de la leyes de la termodinámica con el fin de diseñar máquinas y analizar sistemas de transformación de la energía. La termodinámica es tan importante que prácticamente interviene en todas las áreas donde existe intercambio de energía.
Procesos termodinámicos 1.1. Aplicaciones de la termodinámica Situaciones donde interviene la termodinámica
Calentador solar casero
El cuerpo humano
Procesos termodinámicos 1.1. Aplicaciones de la termodinámica Situaciones donde interviene la termodinámica
Ecosistemas
Red energética que fluye entre los ecosistemas, las fuentes de energías renovables y no renovables, los rocesos industriales y la economía.
Procesos termodinámicos 1.1. Aplicaciones de la termodinámica Situaciones donde interviene la termodinámica
Sistemas de aire acondicionado
Transportes
Procesos termodinámicos 1.1. Aplicaciones de la termodinámica Situaciones donde interviene la termodinámica
Sistemas de aire acondicionado
Sistemas de refrigeración
Procesos termodinámicos 1.1. Aplicaciones de la termodinámica Situaciones donde interviene la termodinámica
En el planeta a nivel de la atmósfera.
Plantas de generación de energía eléctrica
Procesos termodinámicos 1.1. Aplicaciones de la termodinámica Situaciones donde interviene la termodinámica
Calentadores de agua
Motores
Procesos termodinámicos 1.2. Sistemas y propiedades Alrededores
¿Qué es un sistema en termodinámica? Un sistema es la cantidad de materia o el espacio que queremos estudiar.
Sistema
Un sistema es delimitado por una frontera y al exterior del sistema se denomina alrededores.
Frontera
Frontera
Frontera Frontera
Alrededores Masa
Energía
Sistema
Alrededores Sistema
Energía
Interacción de masa ≠ 0 Interacción de energía ≠ 0
Interacción de masa = 0 Interacción de energía ≠ 0
a) Sistema abierto
b) Sistema cerrado
Alrededores Sistema
Interacción de masa = 0 Interacción de energía = 0
c) Sistema aislado
Procesos termodinámicos 1.2. Sistemas y propiedades Ejemplos reales de sistemas Entrada de aire
Eje del motor
frontera
Escape salida de gases Entrada de combustible
Frontera
Procesos termodinámicos 1.2. Sistemas y propiedades En mecánica el movimiento de los cuerpos se caracteriza por variables como son la velocidad y la aceleración.
En termodinámica los sistemas se caracterizan por sus propiedades tales como presión P, volumen V, temperatura T, masa m. Existen otras muchas propiedades como viscosidad, conductividad térmica, modulo de elasticidad, coeficiente de expansión, …, etc.
Procesos termodinámicos 1.2. Sistemas y propiedades Concepto de propiedades extensivas e intensivas Las propiedades que mencionamos anteriormente pueden ser extensivas e intensivas. Las propiedades extensivas son aquellas que dependen del tamaño del sistema, por ejemplo, el volumen, la masa total, …, etc. Las propiedades intensivas son aquellas que son independientes del tamaño o masa del sistema, tales como la temperatura la presión. Existen propiedades extensivas que al dividirlas entre la masa, se vuelven intensivas y se denominan variables específicas V V= (Volumen específico) m
E=
E (energía total específica) m
Procesos termodinámicos 1.3. Equilibrio y procesos Concepto de estado físico del sistema Por estado del sistema entendemos una condición física del sistema en la cual sus propiedades tienen cierto valor.
T = 120oC; P = 15 psi; V = 6 lts T = 18oC; P = 1018 mb
Procesos termodinámicos 1.3. Equilibrio y procesos Concepto de Equilibrio Termodinámico El estado de un sistema no permanece constante sino que cambia con el tiempo de acuerdo a las condiciones del sistema. La temperatura inicial (~70ºC) de este delicioso asado (sistema) no permanece constante con el tiempo, sino que varia cuando el sistema se enfría hasta alcanzar la temperatura del medio ambiente (~18ºC). En otras palabras, un sistema normalmente cambia en sus propiedades tales como presión, volumen, temperatura. Cuando las estas propiedades permanecen constantes se dice que el sistema esta en equilibrio termodinámico.
Procesos termodinámicos 1.3. Equilibrio y procesos Tipos de equilibrio en termodinámica Se clasifican como: ●
Equilibrio térmico (relacionado con la temperatura)
●
Equilibrio mecánico (relacionado con la presión)
●
Equilibrio químico (relacionado con la composición química)
Cuando se satisfacen todas estas condiciones, se dice que el sistema esta en equilibrio termodinámico. Ejemplo de un sistema que inicialmente esta en equilibrio térmico y mecánico pero no equilibrio químico.
Procesos termodinámicos 1.3. Equilibrio y procesos Procesos en termodinámica En termodinámica un proceso es un mecanismo por el cual un sistema pasa de un estado a otro. Los procesos se pueden representar en una gráfica. Cuando un proceso ocurre de forma tal forma que en cada paso del proceso el sistema permanece en estados cercanos al equilibrio termodinámico se dice que el proceso es cuasi-estático o en cuasi-equilibrio.
Compresión lenta (cuasi-estática)
Compresión rápida (no cuasi-estática)
Procesos termodinámicos 1.3. Equilibrio y procesos Procesos en termodinámica Los procesos pueden ser reversibles e irreversibles.
1-2 & 2 -1 = Proceso reversible cuasi-estático 3-4 & 4-3 = Proceso irreversible no cuasi-estático
