2.2 SISTEMAS TERMODINÁMICOS

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1 2.2 SISTEMAS TERMODINÁMICOS En termodinámica se puede definir como sistema a toda aquella parte del universo que se separa para su estudio. Esta separación se hace por medio de superficies que pueden ser reales, como las paredes de un equipo (tanque, compresor, etc.), o pueden ser imaginarias, como la delimitación de una determinada cantidad de fluido que circula a través de una tubería. El resto del universo y por supuesto, todos los otros sistemas termodinámicos que estén por fuera de esta frontera se llamarán alrededores o ambiente. Dependiendo del tipo de interacciones entre el sistema y los alrededores permitidas por la frontera, los sistemas se pueden clasificar como abiertos, cerrados o aislados. En un sistema abierto, la frontera permite el intercambio de materia entre el sistema y los alrededores, además podrá también permitir el flujo de energía. Sistema cerrado es aquel en el cual la frontera permite el flujo de energía (como calor o trabajo) pero es impermeable al paso de la materia y por lo tanto este tipo de sistemas mantienen su masa constante. En un sistema aislado la frontera no permite el flujo de materia ni de energía entre el sistema y los alrededores. Siempre que se consideren un sistema y sus alrededores juntos, estos constituirán un sistema aislado. Se puede observar de la clasificación anterior, que un sistema termodinámico puede presentar interacción con los alrededores como: flujo o intercambio de materia y flujo o intercambio de energía (el cual se divide en flujo de calor y flujo de trabajo). En la figura 2.1 se presentan diferentes tipos de sistemas. La frontera puede también recibir un nombre específico dependiendo de sus características: una frontera rígida es aquella que no permite que el volumen del sistema cambie; una frontera diatérmica es la que permite el flujo de energía en forma de calor hacia o desde el sistema, cuando dos o más sistemas están conectados por medio de una frontera diatérmica se dice que están en contacto térmico; una frontera adiabática es aquella que no permite el intercambio de energía térmica entre el sistema y los alrededores. Las fronteras reales que se encuentran en la naturaleza son generalmente diatérmicas y aunque una frontera adiabática es una situación ideal, puede suponerse que existe una frontera adiabática entre un sistema y sus alrededores si la cantidad de energía térmica transmitida es muy pequeña comparada con las cantidades de otros tipos de interacción energética. En años recientes se han desarrollado materiales llamados súper-aislantes que pueden ser considerados para todos los propósitos como una frontera diabática. 13

2 FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA CLÁSICA Transferencia de calor Fluido Frontera a. Sistema cerrado: el fluido Frontera del sistema Entrada de la sustancia Transferencia de calor Salida de la sustancia Entrada de trabajo b. Sistema abierto: la sustancia que está en la bomba. Pared adiabática T A > T B Bloque A Bloque B Frontera del sistema c. Sistema aislado: Bloques A y B. Figura 2.1 Ejemplo de sistema cerrado, abierto y aislado. 14

3 2.3 PROPIEDADES TERMODINÁMICAS Y SUSTANCIA DE TRABAJO. La sustancia que constituye el sistema y que permite las diferentes transformaciones energéticas mediante la variación de algunas de sus características macroscópicas distintivas es llamada la sustancia de trabajo, la cual puede ser una sustancia pura o una mezcla de sustancias puras. Las características distintivas de la sustancia de trabajo reciben el nombre de propiedades y son las cantidades que se pueden especificar para dar una descripción macroscópica de la sustancia. Estas propiedades pueden ser de medición directa (por ejemplo masa, volumen, temperatura, presión, etc.) o pueden ser medidas indirectamente o calculadas por medio de relaciones matemáticas (como entropía). Cualquier tipo de combinación entre propiedades, como por ejemplo el producto o suma de varias propiedades es también una propiedad, o en otras palabras, se pueden obtener nuevas propiedades mediante una relación matemática de otras propiedades, esta es una característica que será de gran utilidad en estudios termodinámicos. Para describir completamente la condición física de una sustancia en un instante dado es necesario caracterizarla por medio del conocimiento de la magnitud de sus propiedades observables y el conocimiento de la fase (o fases) en que se encuentra la sustancia. Una descripción de este tipo es llamada el estado termodinámico de una sustancia. Por ejemplo, el estado termodinámico de una sustancia en un momento dado puede ser: una masa de 60 Kg la cual ocupa un volumen de 80 l que está en fase líquida y vapor (dos fases) cuando se mantiene a la temperatura y presión del ambiente. El valor de las propiedades que caracterizan a una sustancia debe ser independiente de la forma como se llegó a ese estado. Es decir, que si un sistema esta cambiando sus propiedades (su estado termodinámico) el valor que ellas alcancen no dependerá de como se realice este cambio. Las propiedades que cumplen la anterior condición son llamadas propiedades de estado o propiedades de punto. Las propiedades que toman diferentes valores dependiendo de la forma como se han efectuado estos cambios son llamadas funciones de línea o de trayectoria. Considere, por ejemplo, la figura 2.2 en la cual la propiedad h puede cambiar entre los estados 1 y 2 por tres trayectorias diferentes. La propiedad h será una propiedad termodinámica de estado si el cambio en su valor es independiente de la trayectoria seguida: cambio en la propiedad = dh = h 2 - h 1 = h (2.2)

4 FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA CLÁSICA h a b 2 1 c Estado termodinámico Figura 2.2 Función de estado Las propiedades se pueden clasificar también como intensivas o extensivas. Las propiedades intensivas son aquellas que no dependen de la cantidad de sustancia que hace parte del sistema (como presión, temperatura, concentración). Las propiedades extensivas son las que dependen de la masa del sistema, algunas de estas propiedades son la masa, el volumen, la energía, etc. Las propiedades extensivas pueden transformarse a propiedades intensivas mediante su división por la masa o por la cantidad de sustancia (moles) del sistema, este tipo de propiedades son llamadas propiedades especificas. Considerando nuevamente la propiedad h anteriormente mencionada en la fig. 2.2 se puede decir que el valor especifico (h) de la propiedad extensiva (H) se puede obtener de la siguiente manera: h = H M o se puede obtener el valor especifico molar (h) como: h = H número de moles 2.4 EQUILIBRIO Y PROCESOS TERMODINÁMICOS Se dice que una sustancia está en equilibrio termodinámico con sus alrededores si es incapaz de experimentar espontáneamente algún cambio en su estado cuando está sometido a las condiciones que le imponen los alrededores. Se dice que cualquier sistema aislado alcanzará el equilibrio termodinámico después de permanecer un tiempo prolongado sin estar sometido a interacciones. Si en un sistema todas las fuerzas dentro de él se contrarrestan exactamente y a su vez contrarrestan a las fuerzas externas, se dice que el sistema y los alrededores están en equilibrio mecánico. Si la temperatura dentro del sistema es uniforme e igual a la temperatura de los alrededores, se tendrá entonces un equilibrio térmico. Cuando la composición química del sistema no sufre ningún cambio entonces se dice que el 16

5 sistema esta en equilibrio químico. El equilibrio termodinámico implica que los equilibrios mecánico, térmico y químico deben cumplirse al mismo tiempo. Cuando un sistema está cambiando de un estado termodinámico a otro, se dice que está experimentando un proceso y el conjunto de todos los estados por los que pasa un sistema durante un proceso es denominado la trayectoria del proceso. Las características particulares de una trayectoria son utilizadas muchas veces para dar nombre a los procesos: Proceso isométrico: es aquel que se da por medio de una trayectoria a volumen constante. Proceso isobárico: es el proceso que se realiza a presión constante. Proceso isotérmico: se realiza mediante una trayectoria a temperatura constante. Proceso adiabático: es el que se lleva a cabo por una trayectoria en la cual no hay transferencia de energía en forma térmica ( no hay flujo de calor). Proceso cíclico: muchas veces llamado simplemente ciclo, es un proceso mediante el cual la sustancia de trabajo, después de sufrir una serie de transformaciones, siempre regresa a sus condiciones iniciales. O sea, que el cambio neto de las propiedades del sistema es cero cuando se lleva a cabo un proceso de esta naturaleza. Proceso reversible e irreversible: Un proceso reversible puede ser definido como aquel que ocurre de tal manera que es posible de algún modo regresar el sistema y los alrededores a sus estados iniciales. Un proceso que no cumpla con esta condición es un proceso irreversible. Considere, por ejemplo, el dispositivo mostrado en la figura 2.3. Si el bloque B (el sistema) se puede deslizar lentamente sin fricción por el plano inclinado y si tampoco hay fricción cuando la cuerda se desliza por la polea, entonces el bloque B levantará al bloque A hasta el punto L (aumentando su energía potencial). Si posteriormente se permite que el bloque A descienda este regresará al bloque B hasta su posición inicial. En el limite, si el proceso se lleva a cabo a una velocidad infinitesimal, el sistema y los alrededores regresarán a sus condiciones iniciales lo cual constituye un proceso reversible. Si se considera ahora que en el dispositivo anterior hay fricción cuando el desplazamiento tiene lugar, entonces el sistema (bloque B) levantará al bloque A hasta un punto por debajo del nivel L (el resto de la energía potencial se ha disipado como calor debido a la fricción). Cuando el bloque A descienda nuevamente no podrá llevar al bloque B hasta su posición inicial y seria necesaria la intervención de una fuerza externa para lograrlo. Este proceso es entonces irreversible. 17

6 FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA CLÁSICA B A B L A Figura 2.3 Proceso reversible e irreversible El análisis de los procesos irreversibles no es una tarea fácil (tal como ocurre la mayoría de las veces en procesos reversibles) y una parte importante de un estudio termodinámico es conocer y determinar los factores que generan irreversibilidades para así poder diseñar nuevos procesos que las eviten. Las fuentes de irreversibilidades aparecen en procesos en los cuales hay fricción de cualquier clase (mecánica, de flujo viscoso o resistencia eléctrica), siempre que se encuentre un desequilibrio (térmico, mecánico o químico) dentro del sistema y cuando hay deformación de sustancias sólidas. Como se dijo anteriormente, una de las condiciones para que un proceso sea reversible es que se debe llevar a cabo a una velocidad infinitamente pequeña. Sin embargo, muchas transformaciones pueden ocurrir a una velocidad finita pero de tal manera que el sistema alcanza el equilibrio en cada instante y sus propiedades sólo cambian infinitesimalmente de un estado de equilibrio a otro. Este tipo de proceso es llamado también proceso internamente reversible. La trayectoria seguida por el sistema en un proceso de estas características se puede representar como una serie de estados de equilibrio separados solo infinitesimalmente entre sí. En termodinámica clásica se supone que cualquier transformación irreversible que ocurra en la naturaleza, también puede lograrse con un proceso reversible entre los mismos estados. 18

7 Ejemplo 2.3 Extraer información concerniente al tipo de sistema, de proceso y de frontera en los siguientes casos: a). Una taza de café a 65 C que se enfría hasta 25 C, mediante intercambio de calor con la atmósfera. b). Un tanque aislado térmicamente con 1 kg de líquido con una densidad determinada al cual se adicionan 2 kg de un fluido diferente. c). 1 kg de un fluido que viaja entre dos puntos en una tubería aislada térmicamente. d). El flujo a través de una bomba. Desarrollo a). Considerando como sistema al café contenido en la taza, se puede decir, que se trata de un sistema abierto (debido a la evaporación de la sustancia). El proceso es un enfriamiento isobárico ( a presión atmosférica ) y la frontera es real y diatérmica. b). Si el sistema es el tanque y su contenido, entonces se trata de un sistema abierto (entra masa al sistema), el proceso es un llenado adiabático de un tanque y la frontera del sistema es real, rígida y adiabática. c). Escogiendo como sistema solamente a un kilogramo de fluido (el cual está rodeado por el resto del fluido), entonces se tratará de un sistema cerrado en un proceso de flujo a través de una tubería con una frontera imaginaria, móvil y diatérmica (puede existir flujo de calor entre el sistema y el resto de fluido que lo rodea). d). En este caso se puede escoger como sistema al fluido que está en la bomba en cada instante y entonces tendremos un sistema abierto con frontera rígida, real y diatérmica. 19

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