2.2 SISTEMAS TERMODINÁMICOS En termodinámica se

CONCEPTOS BÁSICOS
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.
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FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA CLÁSICA
Transferencia de calor
Fluido
Frontera
a. Sistema cerrado: el fluido
Transferencia
de calor
Frontera del
sistema
Salida de la
sustancia
Entrada de la
sustancia
Entrada de
trabajo
b. Sistema abierto: la sustancia que está en la bomba.
TA > TB
Pared
adiabática
Bloque A
Bloque B
c. Sistema aislado: Bloques A y B.
Figura 2.1 Ejemplo de sistema cerrado, abierto y aislado.
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Frontera del
sistema
CONCEPTOS BÁSICOS
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 =
2
1
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d h = h2 - h1 =h
(2.2)
FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA CLÁSICA
h
2
a
b
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 = HM
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
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CONCEPTOS BÁSICOS
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.
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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.
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CONCEPTOS BÁSICOS
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.
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