TERMODINAMICA

1. termodinámica que estudia las transformaciones de la energía que incluyen el calor, el trabajo mecánico y otros aspectos de la energía y cómo todas estas transformaciones se relacionan con las propiedades de la materia. La termodinámica constituye una parte fundamental de los fundamentos de la física, la química y las ciencias de la vida como por ejemplo la bioquímica, y además tiene aplicaciones fundamentales en la ingeniería de motores, máquinas refrigeradoras, procesos bioquímicos y la estructura de las estrellas. La termodinámica es la rama de la física que describe los estados de equilibrio termodinámico a nivel macroscópico

2. Ecuación de estado Si un sistema homogéneo se halla en equilibrio, sus coordenadas termodinámicas pueden considerarse constantes en cada uno de sus puntos, por lo que sus valores definen el estado físico del mismo. Son muchas las magnitudes que pueden tomarse como coordenadas termodinámicas de un sistema: la masa y la composición química de cada una de sus partes, los volúmenes, las presiones, las tensiones superficiales, la viscosidad, las constantes dieléctricas, etc. Sin embargo, basta con muy pocas magnitudes para definir de forma unívoca el estado físico de un sistema, ya que las demás pueden expresarse a partir de las magnitudes elegidas. Por ejemplo, en el caso de un fluido homogéneo no sujeto a campos eléctricos o magnéticos, una, vez conocidas su masa y su naturaleza química, bastan el volumen y la presión, o una de éstas y la temperatura.

3. La trayectoria o camino de un proceso se refiere a la especificación de la serie de estados a través de los cuales pasa el sistema. Proceso cuasi-estático o cuasi-equilibrio: 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 cuasiequilibrio.

4. Ciclo de Stirling En este ciclo termodinámico el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones isocóricas (a volumen constante), tal como se puede observar en la figura adjunta : El ciclo Rankine opera con vapor, y es el utilizado en las centrales termoeléctricas. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor, que se hace incidir sobre los álabes de una turbina, donde pierde presión produciendo energía cinética. Prosigue el ciclo hacia un condensador donde el fluido se licúa, para posteriormente introducirlo en una bomba que de nuevo aumentará la presión, y ser de nuevo introducido en la caldera

5. Propiedades Extensivas e Intensivas Propiedad extensiva 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 Xi la propiedad extensiva del subsistema i, será:

6. Los sistemas termodinámicos se clasifican según el grado de aislamiento que presentan con su entorno.1 Aplicando este criterio pueden darse tres clases de sistemas:

6.1. • Sistema aislado: Es aquel que no intercambia ni materia ni energía2 con su entorno, es decir se encuentra en equilibrio termodinámico. Un ejemplo de esta clase podría ser un gas encerrado en un recipiente de paredes rígidas lo suficientemente gruesas (paredes adiabáticas) como para considerar que los intercambios de energía calorífica3 sean despreciables y que tampoco puede intercambiar energía en forma de trabajo.

6.2. • Sistema cerrado: Es el que puede intercambiar energía pero no materia con el exterior. Multitud de sistemas se pueden englobar en esta clase. Una lata de sardinas también podría estar incluida en esta clasificación

6.3. • Sistema abierto: En esta clase se incluyen la mayoría de sistemas que pueden observarse en la vida cotidiana. Por ejemplo, un vehículo motorizado es un sistema abierto, ya que intercambia materia con el exterior cuando es cargado, o su conductor se introduce en su interior para conducirlo, o es provisto de combustible al repostarse, o se consideran los gases que emite por su tubo de escape pero, además, intercambia energía con el entorno.5 Solo hay que comprobar el calor que desprende el motor y sus inmediaciones o el trabajo que puede efectuar acarreando carga.

7. CLASIFICACIÓN DE SISTEMAS TERMODINÁMICOS. Entendemos por sistema termodinámico, una parte del universo, separada idealmente del resto del mismo mediante una frontera o superficie. Esta superficie puede ser real (como las paredes de una pecera) o imaginarias (como las líneas que aparecen en un mapa). El sistema está integrado por un gran número de individualidades, moléculas, átomos, iones, partículas elementales, etc. El resto del Universo que se encuentra fuera, al otro lado, y se le conoce como alrededores. Sistemas termodinámicos que utilizamos con frecuencia son, calderas, condensadores, turbinas, motores de combustión interna, compresores, reactores nucleares, compresores, intercambiadores de calor, etc. Un sistema puede cambiar de masa y energía con los alrededores, por ejemplo, un vaso de agua. A medida que lo calentamos vemos como se produce un movimiento de masa hacia el exterior en forma de vapor de agua, y si acercamos la mano notaremos que este está caliente, por lo que podemos deducir que existe también un movimiento de energía que fluye a través de la frontera (en este caso la frontera estaría constituida por la capa mas externa del líquido). En función de este intercambio, podemos clasificar los sistemas de la siguiente manera

7.1. Equilibrio termodinámico. Sistema que se halla en equilibrio mecánico si la resultante de las fuerzas que actúan sobre él es nula. Se halla en equilibrio térmico si todas las partes o cuerpos que lo forman están a la misma temperatura, y se halla en equilibrio químico si en su interior no se produce ninguna reacción química. De un sistema que está en equilibrio mecánico, térmico y químico se dice que está en equilibrio termodinámico. Esta definición implica que si un sistema no se halla en equilibrio termodinámico tenderá de modo espontáneo y con independencia de cualquier acción extema hacia un estado en que este equilibrio sea satisfecho. De un sistema en equilibrio termodinámico en el que todas las partes, dentro de determinados límites de subdivisión, tienen las mismas propiedades se dice que es un sistema homogéneo, o que está constituido por una sola fase. En otros casos el sistema está constituido por varias fases, cada una de las cuales por sí misma es homogénea, pero difiere de las demás en al menos una característica {sistema heterogéneo).

7.2. Sistema aislado. No se produce intercambio de masa ni de energía. Por ejemplo un termo.

7.3. • Sistema cerrado._ Aquellos que no permiten el paso de masa pero si de energía. Por ejemplo, un radiador. Este no permite el paso del fluido caliente que circula por él, sin embargo permite el paso de la energía necesaria para calentar la vivienda.

8. Los procesos termodinámicos son los fenómenos físicos o químicos que involucran un flujo de calor (energía) o trabajo entre un sistema y sus alrededores. Cuando se habla de calor, racionalmente viene a la mente la imagen del fuego, la cual es la manifestación por excelencia de un proceso que libera mucha energía térmica. La Termodinámica es la ciencia que estudia las transformaciones de energía de todo tipo (mecánica, térmica, eléctrica, química…) y su relación con las propiedades físicas macroscópicas de las sustancias afectadas por dichas transformaciones. Así pues, esta ciencia es de interés para todas las partes de la física y para otras partes de prácticamente todas las ciencias y es fundamental en la formacion de un ingeniero. Por otra parte, si se tiene en cuenta la utilización de energía en los países industrializados es un factor importante para un crecimiento sostenido. Es posible consluir entonces que la contribución de la termodinámica es y continuará siendo muy relevante. La termodinámica es una ciencia fenomenológica que, al igual que otras partes de la física (mecánica, fluidodinámica, electromagnetismo…) está basada en unos principios matemáticamente indemostrables, extraídos de la generalización de innumerables estudios experimentales y que no son más que restricciones que la naturaleza impone a las transformaciones de energía. A diferencia de otras ciencias fenomenológicas, el tiempo no es una variable a considerar, ni las coordenadas espaciales juegan prácticamente ningún papel, pues esta ciencia no describe evoluciones sino estados de equilibrio de la materia y su estructura formal no es la de una teoría de campos. Las propiedades termodinámicas y las relaciones de energía pueden estudiarse mediante el análisis del comportamiento a escala macroscópica de una sustancia o bien mediante mediante el promedio estadístico del comportamiento de las partículas individuales que componen la sustancia. Los estudios de la termodinámica clásica se efectúan sin recurrir a la naturaleza de las partículas individuales y sus interacciones, es decir, no se hace uso de ninguna hipótesis acerca de la estructura detallada de la materia a escala microscópica. En cosnecuencia, las leyes de la termodinámica clásica no sufren cambio alguno con los nuevos descubrimientos acerca de la naturaleza de la materia. Sin embargo, al no introducir hipótesis microscópicas en la termodinámica clásica, nunca es posible identificar un proceso microscópico mediante razonamientos puramente termodinámicos, limitando así la profundidad en el estudio de las propiedades físicas. A cualquier transformación de un sistema entre dos estados de equilibriotermodinámico se le denomina proceso

9. Ciclo de Ericsson En este ciclo termodinámico, también reversible y por tanto nos da el rendimiento máximo que se puede obtener de la máquina, el fluido evoluciona realizando dos transformaciones isotermas y dos isobáricas, tal como se puede observar en la figura adjunta:

10. PROPIEDADES Cualquier característica de un sistema se denomina se denomina propiedad Algunos ejemplos son la presión, temperatura, volumen, masa, viscosidad, coeficiente de expansión térmico reversibilidad entre otros. PROPIEDADES EXTENSIVAS Son las que si dependen de la cantidad de sustancias del sistema, y son recíprocamente equivalen tes a las intensivas. Algunos ejemplos de propiedades extensivas son la masa, el volumen, el peso, cantidad de sustancia, etc. dependiendo del tamaño o extensión del sistema masa, volumen y energía las propiedades extensivas

11. Procesos de Cuasi-Equilibrio Ocurre una transformación en el sistema si, como mínimo, cambia de valor una variable de estado del sistema a lo largo del tiempo. Si el estado final es muy próximo al estado inicial, la transformación es infinitesimal. En el estudio termodinámico a menudo estamos interesados en planear procesos entre estados a través de coordenadas termodinámicas, es decir como una sucesión de estados. s el conjunto de las transformaciones termodinámicas de un fluido, en un sistema que retorna a las condiciones iniciales después de haber realizado un trabajo. En los motores de combustión interna, como en el caso de los automóviles, el trabajo obtenido proviene de la transformación parcial del calor producido por la combustión. Generalmente, el estudio de los ciclos ter-modinámicos se lleva a cabo suponiendo que se trata de un fluido perfecto, que funciona en una máquina igualmente perfecta, es decir, suponiendo que el ciclo está constituido por una serie de transformaciones termodinámicas ideales, como las transformaciones adiabáticas (sin intercambio de calor con el exterior), isobáricas (a presión constante), las isocoras (a volumen constante) e isotérmicas (a temperatura constante).