Es un proceso donde no se producen cambios con el tiempo en el volumen de control estudiado. Las propiedades pueden cambiar de un punto a otro, pero permanecen iguales en ese punto durante todo todo el proceso.
La termodinámica trata con el valor del cambio de energía en un sistema después de un proceso, no del valor absoluto de la energía en un estado dado. Así, a la energía total de un sistema es posible asignarle un valor de cero (E = 0) en un punto de referencia adecuado. La energía total de un sistema por unidad de masa se denota:
Es la energía que un sistema posee respecto a un marco inercial de referencia exterior, como la energía cinética (EC) y potencial (EP)
Se relacionan con la estructura molecular de un sistema y con el grado de actividad molecular que tiene y es independiente de un marco exterior. La suma de todas las formas de energías microscópicas de un sistema se denomina energía interna U. :
Energía cinética Energía potencial Energía térmica Energía mecánica Energía eléctrica Energía magnética Energía química Energía nuclear
referencia fijo.
; Donde V es la velocidad del sistema en relación a un marco de
; Donde g es la aceleración gravitacional y z es la elevación del centro
de gravedad del sistema respecto a un plano de referencia
Ante la ausencia de efectos magnéticos, eléctricos y de tensión superficial la energía total de un sistema se puede expresar como la suma de las energías cinética, potencial e interna.
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En general se puede decir que es una propiedad que define cuan frío o caliente se encuentra un objeto. Se relaciona con la energía cinética interna microscópica de un sistema. A mayor temperatura mayor energía interna del sistema. Más estrictamente se define como la cuantificación de la actividad molecular de la materia.
Si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, entonces, están en equilibrio térmico entre si. (La igualdad de temperatura es el único requisito para el equilibrio térmico)
Una escala de temperatura permite una base común para determinar dicha temperatura.
En general las escalas de temperaturas se basan en algunos estados fáciles de producir como los puntos de congelamiento y ebullición del agua
Las escalas más usadas son: Sistema Internacional: Celsius (°C); Kelvin (K) Sistema Inglés: Fahrenheit (°F); Rankine (R)
En la escala Celsius (°C) al punto de congelamiento del agua se le asigna el valor 0 °C y al punto de ebullición 100 °C (a 1 atmósfera)
Los valores correspondientes en la escala Fahrenheit son 32 y 212 °F respectivamente.
Un inconveniente de la escala Celsius o Fahrenheit es que depende de las propiedades de una sustancia. La escala termodinámica de temperatura relacionada con la segunda ley de la termodinámica supera este inconveniente. En el sistema internacional (SI) la escala termodinámica de temperatura se mide en Kelvin (K) y en el sistema inglés en Rankine (R)
RELACIONES ENTRE LAS DISTINTAS ESCALAS
La escala Kelvin se relaciona con la Celsius por:
La escala Rankine se relaciona con la Fahrenheit por:
La escala Rankine se relaciona con la Kelvin por:
La escala Fahrenheit se relaciona con la Celsius por:
Cuando se trabaja con diferencias de temperatura en lugar de sólo una temperatura específica, se debe tener en cuenta lo siguiente 1. La magnitud de cada división de 1 K es igual a la de 1 °C 2. La magnitud de cada división de 1 R es igual a la de 1 °F Por lo tanto, el intervalo de temperatura entre la escala Kelvin y Celsius es igual. Lo mismo entre la escala Rankine y Fahrenheit
T (K) = T (°C) T (R) = T (°F) Algunas ecuaciones termodinámicas involucran sólo la temperatura en lugar de una diferencia de temperatura. Frente a esta situación siempre se debe usar la escala Kelvin en el sistema internacional y la escala Rankine en el sistema inglés Si la ecuación involucra diferencia de temperaturas se puede emplear cualquier escala (K o °C en el sistema internacional; R o °F en el sistema ingles)
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Una sustancia que tiene una composición química fija se denomina una sustancia pura. Una mezcla de diferentes elementos también se puede considerar una s ustancia pura si la mezcla es homogénea. Cuando una misma sustancia se encuentra en 2 fases (ej. hielo y agua) se sigue considerando una sustancia pura siempre y cuando la composición química de ambas fases sea la misma.
Es frecuente usar el subíndice f para indicar un líquido saturado y el subíndice g para un vapor saturado Ejemplo: vf = volumen específico de líquido saturado vg = volumen específico de vapor saturado vfg = diferencia entre v f y vg
En el caso de la entalpía, hfg es la entalpía de vaporización o calor latente de vaporización y representa la energía necesaria para evaporar una masa unitaria de líquido saturado a una presión y temperatura determinada. Cuando aumenta la presión o temperatura esta entalpía de vaporización disminuye hasta llegar a 0 en el punto crítico.
Durante un proceso de evaporación una sustancia se encuentra como una mezcla de líquido saturado y vapor saturado. Para poder analizarla en una forma adecuada se debe determinar que cantidad de sustancia corresponde a líquido saturado y que a vapor saturado. Para poder determinar esto se introduce la la masa total de la mezcla líquido-vapor.
Donde:
que es la razón entre la masa de vapor y
La calidad sólo tiene significado en la región de mezcla líquido-vapor y su valor va de 0 a 1. Si la calidad es 0 (0 %) significa que sólo hay líquido saturado y si es 1 (100%) significa que sólo hay vapor saturado. Las propiedades del líquido saturado son las mismas ya s ea que esté sólo o en una mezcla de líquido-vapor. Al comenzar a evaporarse en un cambio de fase, el líquido sólo disminuye su proporción respecto al vapor saturado que empieza a generarse, pero no cambia sus propiedades. Para simplificar el análisis conviene considerar a la mezcla de líquido-vapor durante un cambio de fase como una mezcla homogénea y tomar los valores medios de sus propiedades. Tomando como ejemplo el volumen se tiene
Y considerando que:
Se tiene:
En general en la literatura no se encuentran muchos datos sobre los líquidos comprimidos debido a la poca influencia que tiene la presión sobre estos (un aumento de 100 veces la presión provoca un cambio menor al 1 % en las propiedades de un líquido comprimido) Es una práctica usual considerar el líquido comprimido como un líquido saturado a la temperatura dada debido a que sus propiedades tienen mayor dependencia de la temperatura que de la presión. Sin embargo, se debe tener presente que la entalpía h se ve influenciada en un mayor grado por la presión que el resto de las propiedades por lo que a altas presiones no se puede considerar la entalpía de un líquido comprimido igual a la entalpía de un líquido saturado.
Una alternativa a las tablas de propiedades es la ecuación de estado. •
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Cualquier ecuación que relacione la presión, temperatura y volumen una sustancia es llamada ecuación de estado .
específico de
Existen varias ecuaciones de estado, pero la más conocida y sencilla para sustancias en la fase gaseosa es la ecuación de estado de gas ideal la cual predice el comportamiento P-v-T de un gas con exactitud suficiente dentro de una región adecuada de estados. Robert Boyle determinó que la presión de los gases es inversamente proporcional a su volumen. Charles y Gay-Lussak determinaron que a bajas presiones el volumen de un gas es proporcional a su temperatura
De lo anterior obtenemos la ecuación de gas ideal
P= Presión absoluta v = volumen específico R = Constante de Gas T = Temperatura absoluta La constante de gas R es diferente para cada gas y se determina de :
) (
Donde Ru es la constante universal de los gases y M es la masa molar del gas particular. La constante Ru es la misma para todos los gases y su valor en distintas unidades son los siguiente:
La masa molar M es la masa de un mol de una sustancia en gramos (gmol) o en kilogramos (kgmol). La masa de un sistema es igual a su masa molar M por el número de moles N. m =MN (kg)
La ecuación de estado de gas ideal se puede escribir de diferentes maneras Se debe aclarar que un gas ideal es una sustancia imaginaria, sin embargo, el comportamiento de los gases reales a bajas densidades se mo dela bien con la ecuación de estado de gas ideal. La densidad de un gas disminuye a altas temperaturas y bajas presiones.
Cp es siempre mayor que Cv ya que para mantener la presión constante se debe expandir un sistema para lo cual se debe agregar la energía que lo expande. Para expresar el calor específico a volumen constante en términos de otras propiedades termodinámicas se considera una masa fija en un sistema cerrado. Por el principio de conservación de la energía, la energía que entra al sistema menos la energía que sale de él debe ser igual a la variación de energía del sistema, esto es El lado izquierdo de esta ecuación representa la energía neta transferida al sistema que por definición de C v es
Cp es siempre mayor que Cv ya que para mantener la presión constante se debe expandir un sistema para lo cual se debe agregar la energía que lo expande. Para expresar el calor específico a volumen constante en términos de otras propiedades termodinámicas se considera una masa fija en un sistema cerrado. Por el principio de conservación de la energía, la energía que entra al sistema menos la energía que sale de él debe ser igual a la variación de energía del sistema, esto es
El lado izquierdo de esta ecuación representa la energía neta transferida al sistema que por definición de C v es
de manera similar, el calor específico a presión constante C p es
donde dT es el cambio diferencial en temperatura. Puesto que el calor específico es una propiedad su valor depende de un estado particular del sistema que queda fijado por 2 propiedades intensivas independientes, por lo que su valor cambia a diferentes presiones y temperaturas, pero normalmente este cambio no es muy grande por lo que en general en aplicaciones prácticas se toma un valor fijo, aunque si la variación de temperatura es muy grande se debe considerar un valor promedio o tener una relación matemática que represente la variación del calor específico con la temperatura. Al ser las ecuaciones de los calores específicos relaciones de propiedades son independientes del tipo de proceso y son válidas para cualquier sustancia sometida a cualquier proceso. Claramente se ve que Cv es una medida de la variación de la energía interna de una sustancia con la temperatura y Cp una medida de la variación de la entalpía con la temperatura. Se debe entender, sin embargo, que la energía interna y la entalpía de una sustancia puede variar por otras formas de energía además del calor. La unidad comunes para el calor específico es
Estas unidades son iguales ya que ΔT(°C) = ΔT(K) y por lo tanto, un cambio de 1 °C equivale a un cambio de 1 K.
