Conceptos básicos de la Termodinámica

Transcripción

1 República del Ecuador Universidad de Guayaquil Facultad de Ingeniería Química Termodinámica I Conceptos básicos de la Termodinámica Compilado por: Ing. Luis Velázquez Araque Ph.D. Guayaquil, 2015

2 Termodinámica: Se define como la ciencia de la energía. La palabra proviene de dos vocablos griegos Thermos (Calor) y dynamics (potencia), que describe entonces los primeros esfuerzos en convertir calor en potencia. Hoy día el concepto abarca todos los aspectos de la energía y sus transformaciones, incluidas la producción de potencia, la refrigeración y las relaciones entre las propiedades de la materia. Fundamentos de la Termodinámica Para el estudio de las transformaciones de la energía y las relaciones entre las propiedades termodinámicas se han establecido algunas leyes básicas las cuales se basan en observaciones experimentales y se describen a continuación: Nº Postulado Definición 1 Ley Cero Se refiere al equilibrio térmico entre cuerpos en contacto. 2 1era Ley Es un principio de conservación y trata sobre la cantidad de energía 3 2da Ley No es un principio de conservación y trata sobre la calidad de la energía, esto implica que algunas formas de energía son más útiles que otras para la sociedad. 4 3era Ley Son enunciados que se refieren a las propiedades termodinámicas. Alcance e importancia de la Termodinámica La termodinámica ha incluido áreas diversas orientadas a lograr la transformación y la mejor utilización de la energía. Áreas tales como: a. Plantas de Potencia: i. Plantas de Turbinas a Gas ii. Plantas Termoeléctricas iii. Plantas Hidráulicas b. Motores de Combustión Interna: i. Motores de encendido por chispa. ii. Motores de ignición. c. Sistemas de Refrigeración i. Por compresión de vapor ii. Por compresión de gas iii. Por absorción d. Sistemas de Bombeo i. Bombas Centrifugas ii. Bombas de pozo profundo iii. Bombas sumergibles iv. Bombas reciprocantes e. Pilas eléctricas de combustible.

3 f. Plantas separadoras de Aire. g. Intercambiadores de Calor i. Caldera ó generadores de vapor ii. Condensadores iii. Torres de Enfriamiento iv. Evaporadores v. Calentadores h. Compresores de Gas i. Alternativos ii. Centrífugos iii. De tornillo i. Turbinas i. De vapor ii. A gas iii. Hidráulicas j. Toberas y Difusores k. Dispositivos de estrangulamiento de fluidos (Válvulas de expansión) Métodos de estudio de la Termodinámica: Microscópico: Es el enfoque que recurre a la naturaleza de las partículas individuales y sus interacciones. Consiste en estudiar la materia fijando la atención en las interacciones moleculares. Macroscópico Este punto de vista da lugar a lo que se conoce como termodinámica clásica, la cual basa su estudio partiendo de la premisa que la materia se comporta como un continuo (mínima cantidad de la sustancia en la que no se toman en cuenta los efectos moleculares), el cual impone que las propiedades de la materia en estudio no varían entre el grupo de partículas que se encuentren limitadas por la misma frontera y a las mismas condiciones termodinámicas. Continuo Es la mínima cantidad de una sustancia en la que no se toman en cuenta los efectos moleculares, es decir es la mínima cantidad a partir de la cual se puede establecer que todas las partículas que constituyen la sustancia mantienen un comportamiento promedio. Sistemas de unidades El Sistema Internacional de Unidades (SI) El sistema fundamental de unidades que se utiliza en todo el mundo para el trabajo científico es el Sistema Internacional (SI). El SI utiliza siete dimensiones primarias: masa, longitud, tiempo, temperatura, corriente eléctrica, intensidad luminosa y cantidad de sustancia

4 El Sistema Inglés de Unidades En Estados Unidos con frecuencia se utiliza el Sistema Inglés de unidades. Este sistema presenta como dimensiones primarias las siguientes: masa, longitud, tiempo, corriente eléctrica, intensidad luminosa, temperatura y fuerza. Las unidades y símbolos de estas dimensiones son: Sistema: Porción del espacio elegida arbitrariamente, limitada por una superficie real o imaginaria, que contiene una cantidad fija de materia e invariable en cuanto a su identidad (composición química) y sobre la cual se enfoca la atención para analizar desde el punto de vista termodinámico. Tipos de Sistemas: Sistema Aislado: Es aquel que no puede intercambiar ni materia ni energía con su entorno. Sistema Cerrado: Es aquel que puede intercambiar energía con su entorno; pero no materia(masa). Sistema Abierto (Volumen de control): Es aquel que puede intercambiar energía y materia con su entorno. También se le conoce como volumen de control y a la frontera se le llama superficie de control

5 Alrededores Región externa al sistema afectada termodinámicamente por los eventos del sistema objeto de estudio. Límites o Frontera Envoltura real o imaginaria que separa al sistema de los alrededores y tiene propiedades especiales que sirven para aislar al sistema del entorno y permitir la interacción de un modo específico entre el sistema y el entorno. Cuando las fronteras del sistema son reales, se distinguen dos tipos de paredes, a saber: Paredes Adiabáticas: Son aquellas que no permiten el intercambio de energía a través de ella entre el sistema y los alrededores, ejemplos de paredes adiabáticas son las que están constituidas de materiales aislantes tales como el asbesto, fieltros, lana de vidrio y se representa como una región cruzada con diagonales. Paredes Diatérmicas: Son aquellas que permiten que el sistema influya térmicamente sobre otro sistema o sus alrededores Propiedades Es cualquier característica de un sistema que pueda ser utilizado para definir o fijar el estado termodinámico. Las propiedades se determinan experimentalmente y se les pueden asignar valores numéricos, es decir que se puede diseñar un experimento que directa o indirectamente cuantifique su valor. Clasificación de las Propiedades: Las propiedades se clasifican como extensivas o intensivas dependiendo de su comportamiento al variar la extensión o la masa del sistema. Intensivas: No dependen de la masa y son independientes del tamaño del sistema, ejemplo: temperatura, densidad, volumen específico, presión. Se denotan con letras minúsculas. Extensivas: Si dependen de la masa y en consecuencia del tamaño o extensión del sistema, ejemplo: Volumen total, masa, entalpía total (H), energía interna total (U), entropía total (S). Se denotan con letras mayúsculas Específicas: Son aquellas propiedades intensivas que están expresadas por unidad de masa o molar.

6 Estado de un sistema Es el instante cuando un sistema no sufre ningún cambio, tal que sea posible la determinación de las propiedades, que describen por completo esa condición. Definir el estado de un sistema termodinámico significa, especificar el número mínimo de propiedades independientes e intensivas, que es necesario conocer para que el estado del sistema quede determinado. El número mínimo de propiedades independientes que es necesario especificar para la definición del estado dependerá de la fase del sistema. Postulado de estado Como regla general se puede identificar por completo el estado termodinámico de un sistema o de una sustancia, a partir de dos propiedades intensivas que sean termodinámicamente independientes T.I. (a esta regla se le conoce como postulado de estado). Fase Es una cantidad de materia homogénea en todas sus partes. Cambio de Fase Es un cambio de apariencia física, es decir la sustancia puede mostrarse en fase sólida, es decir no se adapta al recipiente que la contiene y ofrece resistencia al corte, en fase líquida, la cual se adapta al recipiente que la contiene y no ofrece ninguna resistencia al corte y en fase gaseosa, donde la tendencia natural es a abandonar el recipiente que la contiene. Características de las Fases Fase Volumen Forma Sólida Conserva Conserva Líquida Conserva No conserva Gaseosa No conserva No conserva Proceso Es cualquier transformación de un sistema desde un estado de equilibrio hasta otro. Trayectoria de un proceso Es la especificación de la serie de estados por los que atraviesa un sistema para ir desde un estado de equilibrio a otro. La descripción de un proceso por lo general requiere los estados de equilibrio inicial y final, la trayectoria, y las interacciones que ocurren a través de las fronteras durante el proceso. Cuando en un proceso una propiedad permanece constante, a este se le identifica mediante el prefijo iso aplicado a la propiedad que se mantuvo constante.

7 Tipos de Procesos: Proceso Isotérmico: Procesos en los que permanece constante la temperatura. Proceso Isobárico: Procesos en los que permanece constante la presión. Proceso Isocórico ó Isométrico: Procesos en los que permanece constante el volumen. Proceso Cíclico: Es aquel proceso en el que el sistema vuelve a su estado inicial. El cambio en el valor de cualquier propiedad para este tipo de proceso es cero. Proceso Cuasi-estático: Es un proceso ideal (imaginario), durante el cual se puede asumir que el sistema se mantiene en equilibrio termodinámico, por tal razón este proceso debe realizarse de tal manera que en cualquier instante el sistema se desvía solo infinitesimalmente del equilibrio termodinámico y todos los estados por los que pasa el sistema durante el proceso Cuasi-estático se consideran estados de equilibrio termodinámico; tal proceso se puede realizar mediante cambios extremadamente lentos. Proceso Adiabático: Es cualquier proceso realizado en ausencia de transferencia de calor entre el sistema y el medio exterior. Si un proceso es adiabático no necesariamente es isotérmico y viceversa. Propiedades o funciones de estado Cualquier propiedad que tenga un valor fijo en un estado de equilibrio determinado, independientemente de la manera en que el sistema haya llegado a dicho estado, se dice que es una función ó variable de estado. Partiendo de esta definición se puede afirmar que: El cambio que ocurre en el valor de una propiedad cuando se altera un sistema desde un estado de equilibrio hasta otro es siempre el mismo, independientemente del método que se haya empleado para producir el cambio. Si, al pasar de un estado a otro, siempre se mide el mismo valor de una determinada cantidad, dicha cantidad es una medida del cambio en alguna propiedad. Ciclo Es un conjunto de procesos que secuencialmente retornan la sustancia de trabajo a sus condiciones iniciales. Cuando un sistema sigue una trayectoria cerrada, es decir, pasa a través de varios estados partiendo de un estado inicial y finalmente regresa al mismo, se considera que ha efectuado un Ciclo. La figura muestra un ciclo compuesto por los procesos A y B, se parte desde el estado 1 por la ruta del proceso A de tal modo que se alcanza el estado 2 y se sigue por la ruta del proceso B hasta finalizar el ciclo en el estado 1.