Capítulo 1 “Introducción y conceptos básicos”
La termodinámica se puede definir como la ciencia de la energía. La energía se puede considerar como la capacidad para causar cambios. El término termodinámica proviene de las palabras griegas therme (calor) y dynamis (fuerza), lo cual corresponde a lo más descriptivo de los primeros esfuerzos por convertir el calor en energía. Una de las más importantes y fundamentales leyes de la naturaleza es el Principio de conservación de la energía. Éste expresa que durante una interacción, la energía puede cambiar de una forma a otra pero su cantidad total permanece constante. Es decir, la energía no se crea ni se destruye, entendiéndose entonces que el cambio en el contenido energético de un cuerpo o de cualquier sistema es igual a la diferencia entre la entrada y la salida de energía. La primera ley de la termodinámica es simplemente una expresión del principio de conservación de la energía, y sostiene que la energía es una propiedad termodinámica. La segunda ley de la termodinámica afirma que la energía tiene calidad así como cantidad, y los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la cantidad de energía. La ciencia de la termodinámica surgió como tal hasta que Thomas Savery en 1697 y Thomas Newcomen en 1712 construyeron en Inglaterra las primeras máquinas de vapor atmosféricas exitosas, las cuales eran muy lentas e ineficientes, pero abrieron el camino para el desarrollo de una nueva ciencia. La Termodinámica puede analizarse de dos formas: la Termodinámica clásica, en donde observa un enfoque macroscópico al estudio de la termodinámica, el cual no requiere conocer el comportamiento de cada una de las partículas y proporciona un modo directo y fácil para la solución de problemas de ingeniería. El otro enfoque es el de la Termodinámica estadística el cual es un método más elaborado, basado en el comportamiento promedio de grupos grandes de partículas individuales, este método microscópico es bastante complicado. Cualquier cantidad física se caracteriza mediante dimensiones. Las magnitudes asignadas a las dimensiones se llaman unidades. Algunas dimensiones básicas como la masa, longitud, tiempo y temperatura se seleccionan como dimensiones primarias o fundamentales, mientras que otras como la velocidad, energía y volumen se expresan en términos de las dimensiones primarias y se llaman dimensiones secundarias o dimensiones derivadas.
Un sistema se define como una cantidad de materia o una región en el espacio elegido para análisis. La masa o región fuera del sistema se conoce como alrededores. La superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores se llama frontera. Los sistemas se pueden considerar como cerrados o abiertos, dependiendo de si se elige para estudio una masa fija o un volumen fijo en el espacio. Un sistema cerrado (conocido también como una masa de control) consta de una cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar su frontera. Si, como caso especial, incluso se prohíbe que la energía cruce la frontera, entonces se trata de un sistema aislado.
Un sistema abierto, o a volumen de control, como suele llamarse, es una región elegida apropiadamente en el espacio. Generalmente encierra un dispositivo que tiene que ver con flujo másico, como un compresor, turbina o tobera. El flujo por estos dispositivos se estudia mejor si se selecciona la región dentro del dispositivo como el volumen de control. Tanto la masa como la energía pueden cruzar la frontera de un volumen de control. Las fronteras de un volumen de control se conocen como superficie de control y pueden ser reales o imaginarias; así también el volumen de control puede ser fijo en tamaño y forma, como en el caso de una tobera, o bien podría implicar una frontera móvil.
Cualquier característica de un sistema se llama propiedad; se considera que las propiedades son intensivas o extensivas. Las propiedades intensivas son aquellas independientes de la masa de un sistema, como temperatura, presión y densidad. Las propiedades extensivas son aquellas cuyos valores dependen del tamaño o extensión del sistema, como masa total, volumen total y cantidad de movimiento total; las propiedades extensivas por unidad de masa se llaman propiedades específicas. La materia está constituida por átomos que están regularmente espaciados en la fase gas. Sin embargo, es muy conveniente no tomar en cuenta la naturaleza atómica de una sustancia y considerarla como materia continua, homogénea y sin ningún hueco, es decir un continuo. La densidad se define como la masa por unidad de volumen.
El reciproco de la densidad es el volumen específico, que se define como el volumen por unidad de masa.
En general la densidad de una sustancia depende de la temperatura y la presión. La densidad de la mayoría de los gases es proporcional a la presión e inversamente proporcional a la temperatura. Algunas veces la densidad de una sustancia se da como relativa a la densidad de una sustancia bien conocida; por lo tanto es llamada densidad relativa, y se define como el cociente de la densidad de una sustancia entre la densidad de alguna sustancia estándar a la temperatura especificada.
El peso de un volumen unitario de sustancia se llama peso especifico y se expresa como
Si se considera un sistema que no experimenta ningún cambio: en estas circunstancias, todas las propiedades se pueden medir o calcular en el sistema, lo cual da un conjunto de propiedades que describe por completo la condición, o el estado, del sistema. La termodinámica trata con estados de equilibrio; esta última palabra define un estado de balance. En un estado de equilibrio no hay potenciales desbalanceados (o fuerzas impulsoras) dentro del sistema, y éste no experimenta cambios cuando es aislado de sus alrededores. Un sistema está en equilibrio térmico si tiene la misma temperatura en todo él. El equilibrio mecánico se relaciona con la presión, y un sistema lo posee si con el tiempo no hay cambio de presión en alguno de sus puntos. En un sistema existen dos fases: La fase de equilibrio cuando la masa de cada fase alcanza un nivel de equilibrio y permanece allí. Por otro lado, un sistema está en equilibrio térmico si su composición química no cambia con el tiempo, es decir, si no ocurren reacciones químicas. Un sistema no estará en equilibrio a menos que se satisfagan los criterios de equilibrio necesarios.
El estado de un sistema se describe mediante sus propiedades, pero no es necesario obtener cada una de ellas; una vez especificadas suficientes propiedades, el resto asume automáticamente ciertos valores. El número de propiedades requeridas para fijar el estado se determina mediante el postulado de estado: El estado de un sistema compresible simple se especifica por completo mediante dos propiedades intensivas independientes. Se trata de un sistema compresible simple cuando carece de efectos eléctricos, magnéticos, gravitacionales, de movimientos y tensión superficial. El postulado de estado requiere que las dos propiedades especificadas sean independientes para fijar el estado; y son independientes si una de ellas puede variar mientras la otra se mantiene constante. Cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro experimentado por un sistema es un proceso, y la serie de estados por los que pasa un sistema durante este proceso es una trayectoria del proceso, cuando un proceso se desarrolla de tal manera que todo el tiempo el sistema permanece infinitesimalmente cerca de un estado de equilibrio, estamos ante un proceso cuasiestático o de cuasi equilibrio. Un proceso de este tipo puede considerarse lo suficientemente lento como para permitirle al sistema ajustarse internamente de modo que las propiedades de una de sus partes no cambien mas rápido que las otras. Los diagramas de proceso trazados mediante el empleo de propiedades termodinámicas en forma de coordenadas son muy útiles para tener una representación visual del proceso, es común utilizar diagramas con coordenadas de temperatura, presión y volumen. El prefijo iso- se usa con frecuencia para designar un proceso en el que una propiedad particular permanece constante, por ejemplo: isotérmico, es aquel en el que la temperatura permanece constante; isobárico, aquel cuya presión es constante; isométrico, en el cual el volumen permanece constante. En ingeniería, un gran número de dispositivos operan por largos periodos bajo las mismas condiciones y se clasifican como dispositivos de flujo estacionario. Los procesos en los que se utilizan tales dispositivos se pueden representar por un proceso idealizado, llamado proceso de flujo estacionario, es decir, las propiedades del fluido pueden cambiar de un punto a otro, pero en algún punto fijo permanecen sin cambio durante todo el proceso. La ley cero de la termodinámica establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí. Para la medición de temperatura, existen escalas que permiten usar una base común para las mediciones de
temperatura, como son: escala Celsius, escala Fahrenheit, escala Kelvin, escala Rankine, teniendo sus propias conversiones entre cada una de ellas, las cuales ya son conocidas. La presión se define como una fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de área. Se habla de presión sólo cuando se trata de gas o líquido, mientras que la contraparte de la presión en los sólidos es el esfuerzo normal. La presión de un fluido se incrementa con la profundidad debido a que una mayor cantidad de éste descansa sobre las capas más profundas y el efecto de este “peso extra” en una capa inferior se equilibra mediante un aumento de presión. La presión absoluta se mide respecto al vacío absoluto. Un manómetro consta principalmente de un tubo en U de vidrio o de plástico que contiene uno o más fluidos como mercurio, agua, alcohol o aceite, y se usa para medir diferencias de presión pequeñas y moderadas, esto gracias a la diferencia en alturas en las columnas del liquido en donde
La presión atmosférica se mide mediante un dispositivo conocido como barómetro: así, la presión atmosférica se denomina por lo común barométrica, tomando el mismo principio de la columna de líquido.
Capítulo 2 “Energía, transferencia de energía y análisis general de energía”
La energía puede existir en varias formas: térmica, mecánica, cinética, potencial, eléctrica, magnética, química y nuclear, cuya suma conforma la energía total E de un sistema, la cual se denota por unidad de masa mediante e, donde:
Las formas macroscópicas de energía son las que posee un sistema como un todo en relación con cierto marco de referencia exterior, como las energías cinética y potencial. Las formas microscópicas de energía son las que se relacionan con la estructura molecular de un sistema y el grado de la actividad molecular, y son independientes de los marcos de referencia externos. La suma de todas las formas microscópicas de energía se denomina energía interna (U). La energía que posee un sistema como resultado de su movimiento en relación a cierto marco de referencia se llama energía cinética (EC)
Por otra parte la energía que posee un sistema como resultado de su elevación en un campo gravitacional se llama energía potencial (EP)
Además
La mayor parte de los sistemas cerrados permanecen estacionarios durante un proceso y, por lo tanto, no experimentan cambios en sus energías cinética y potencial. Los sistemas cerrados cuya velocidad y elevación del centro de gravedad permanecen constantes durante un proceso comúnmente se denominan sistemas estacionarios.
Los volúmenes de control en general tienen que ver con el flujo de un fluido durante largos periodos, y es conveniente utilizar el flujo másico, que es la cantidad de masa que fluye por una sección transversal por unidad de tiempo, así como también el flujo volumétrico, correspondiente al volumen de un fluido que fluye por una sección transversal por unidad de tiempo, en donde:
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La energía interna se relaciona con la estructura molecular y el grado de actividad molecular y se puede considerar como la suma de las energías cinética y potencial de las moléculas; así, según con lo que este relacionado la energía interna tiene diferentes nombres: la porción de la energía interna de un sistema relacionada con la energía cinética de las moléculas se llama energía sensible; la energía interna relacionada con la fase de un sistema se llama energía latente; la energía interna relacionada con los enlaces atómicos en una molécula se llama energía química; las fuerzas nucleares son mucho mayores que las que unen a los electrones con el núcleo. Esta enorme cantidad de energía relacionada con los fuertes enlaces dentro del núcleo del átomo se llama energía nuclear. Las únicas dos formas de interacción de energía relacionadas con un sistema cerrado son las de transferencia de calor y el trabajo. La energía mecánica se puede definir como la forma de energía que se puede convertir completamente en trabajo mecánico de modo directo mediante un dispositivo mecánico como una turbina ideal. Las formas más familiares de energía mecánica son la cinética y la potencial. La energía puede cruzar la frontera de un sistema cerrado en dos formas distintas: calor y trabajo; el calor está definido como la forma de energía que se transfiere entre dos sistemas (o entre un sistema y sus alrededores) debido a una diferencia de temperatura. Es decir, una interacción de energía es calor sólo si ocurre debido a una diferencia de temperatura. Entonces se deduce que no puede haber ninguna transferencia de calor entre dos sistemas que se hallan a la misma temperatura. El calor es energía en transición y se reconoce solo cuando cruza la frontera de un sistema. El calor se transfiere mediante tres mecanismos: conducción, convección y radiación. La conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas de una sustancia a las adyacentes menos energéticas, como resultado de la interacción entre
partículas. La convección es la transferencia de energía entre una superficie sólida y el fluido adyacente que se encuentra en movimiento, y tiene que ver con los efectos combinados de la conducción y el movimiento del fluido. La radiación es la transferencia de energía debida a la emisión de ondas electromagnéticas (o fotones). La energía puede cruzar la frontera de un sistema cerrado en forma de calor o trabajo; entonces, si la energía que cruza la frontera de un sistema cerrado no es calor, debe ser trabajo. De manera más específica, el trabajo es la transferencia de energía relacionada con una fuerza que actúa a lo largo de una distancia; el trabajo realizado por unidad de tiempo se llama potencia. Hay dos requisitos para que se presente una interacción de trabajo entre un sistema y sus alrededores: debe haber una fuerza que actúe sobre los límites y éstos deben moverse. Algunos ejemplos de modos no mecánicos de trabajo son el trabajo eléctrico, en el que la fuerza generalizada es el voltaje (el potencial eléctrico) y el desplazamiento generalizado es la carga eléctrica. El trabajo magnético donde la fuerza generalizada es la intensidad del campo magnético y el desplazamiento generalizado es el momento dipolar magnético. El trabajo de polarización eléctrica en el que la fuerza generalizada es la intensidad de campo eléctrico y el desplazamiento generalizado es la polarización del medio. La primera ley de la termodinámica, conocida también como el principio de conservación de la energía, brinda una base sólida para estudiar las relaciones entre diversas formas de interacción de la energía. A partir de observaciones experimentales, la primera ley de la termodinámica establece que la energía no se puede crear ni destruir durante un proceso; sólo puede cambiar de forma. Una consecuencia importante de la primera ley es la existencia y definición de la propiedad energía total. El principio de conservación de la energía se expresa: el cambio neto (incremento o disminución) en la energía total del sistema durante un proceso es igual a la diferencia entre la energía total que entra y la energía total que sale del sistema durante el proceso. Esta relación es más conocida como balance de energía y es aplicable a cualquier tipo de sistema que experimenta cualquier clase de proceso. La energía se puede transferir hacia o desde un sistema en tres formas: calor, trabajo y flujo másico. Las interacciones de energía se reconocen en las fronteras del sistema cuando lo cruzan, y representan la energía que gana o pierde un sistema durante un proceso. Las únicas formas de interacción de la energía relacionadas con una masa fija o sistema cerrado son las transferencias de calor y de trabajo.
Transferencia de calor. La transferencia de calor hacia un sistema (ganancia de calor) incrementa la energía de las moléculas y por lo tanto la del sistema; asimismo, la transferencia de calor desde un sistema (pérdida de calor) la disminuye, ya que la energía transferida como calor viene de la energía de las moléculas del sistema. Transferencia de trabajo. Una interacción de energía que no es causada por una diferencia de temperatura entre un sistema y sus alrededores es trabajo. La transferencia de trabajo desde un sistema (es decir, el trabajo realizado por el sistema) la disminuye, puesto que la energía transferida como trabajo viene de la energía contenida en el sistema. Flujo másico. El flujo másico que entra y sale del sistema funciona como un mecanismo adicional de transferencia de energía. Cuando entra masa a un sistema, la energía de este aumenta debido a que la masa lleva consigo energía (de hecho la masa es energía). De igual modo, cuando una cantidad de masa sale del sistema, la energía de éste disminuye porque la masa que sale saca consigo algo.
Eficiencia es uno de los términos más usados en termodinámica, e indica qué tan bien se realiza un proceso de conversión o transferencia de energía.
La eficiencia de equipo que quema combustible se basa en el poder calórico del combustible, el cual es la cantidad de calor liberado cuando se quema por completo una cantidad unitaria de combustible y los productos de la combustión se enfrían a la temperatura ambiente. En ausencia de irreversibilidades como la fricción, la energía mecánica de puede convertir por ejemplo de una forma de energía mecánica a otra, y la eficiencia mecánica de un dispositivo o proceso se puede definir
