Termodinámica Técnica - UN Virtual - Universidad Nacional de ...

A. GómezGrupo de Investigación en Biomasa y Optimización Térmica de Procesos - BIOTSección de Ingeniería TérmicaDepartamento de Ingeniería Mecánica y MecatrónicaFacultad de IngenieríaUniversidad Nacional de Colombia - Bogotá, D.C., Colombia.Bogotá, D.C., 2011

ContenidoviiSímbolo Término Unidad SIṁFlujo de masaN A Constante de Avogadro mol −1N i Número atómico del elemento i 1n Cantidad de materia moln Coeficiente politrópico 1ṅ Flujo de cantidad de materiamolsP Potencia JP ME Presión media efectiva Pap Presión PaQ Calor J˙Q Flujo de calorJsq Calor por unidad de masaJkg˙q Flujo de calor por unidad de masaJkg sR 0 Constante molar (universal) de los gasesJmol Kr c Relación volumétrica de corte 1r p Relación de presiones 1S EntropíaJKS Entropía molarJmol Ks Entropía específicaJkg KT Temperatura termodinámica KT p Temperatura media (ciclo Clausius-Rankine) Kt Temperatura empírica ◦ Ct Tiempo sx Contenido o calidad de vapor 1U Energía interna JU Energía interna molarJmolu Energía interna específicaJkgV Volumen m 3V Volumen molarm 3molv Volumen específicom 3kgW Trabajo JẆ Potencia Jkgs

ContenidoixÍndiceccogcompcteddisEeefcentexextFffmfsGgiintirrJBkMCImmecMmPMSPMIpptTérminoFoco calienteCogeneraciónRelativo a la compresión o compresorConstanteDestruidoDisipadoexperimentalEntradaEfectivoEntradaExergíaExternoFluido; líquidoFoco fríoRelativo al flujo de masaFrontera del sistemaGenerador eléctricoGaseoso, fase gaseosaComponenteInternoIrreversibleJoule-BraytonPunto críticoMotor de combustión internaRelativo a la mezcla gaseosaMecánicoMotorRelativo a la masaPunto muerto superiorPunto muerto inferiorPresión constantePunto tripe

xContenidoÍndiceTérminoQ Relativo al calorR Refrigerador; reducido (adimensional)rev Reversibles Isoentrópicos Salidasae Sistema abierto estacionariosai Sistema aisladosal salidasat Saturadosc Sistema cerradosis Relativo al sistemaT Técnicot Totalth térmicov Vapor; volumétrico; volumen constantew Relativo al trabajo; relativo al agua0 Estado de referencia; sustancia pura

1 Procesos de transformación de laenergía y su análisisLa termodinámica estudia la energía y sus transformaciones. En ese estudio se incluyen laspropiedades de la materia, porque todo proceso de transformación de energía está directamenterelacionado con estas propiedades y su variación. De manera análoga, los procesos de transformaciónde la materia para generar productos con formas y características específicas implicanla transformación o el uso de energía.Nuestra civilización es completamente dependiente del uso de la energía y con ello de sus fuentesy procesos de transformación. Esto se refleja en la cantidad y variedad de equipos empleadosen nuestra vida diaria (calentador de agua, estufa, nevera, automóvil, computador). Una agrupacióngeneral de los usos de la energía puede realizarse según sus aplicaciones en cuatro áreasprincipales: calentamiento, potencia, enfriamiento e iluminación.Las fuentes de energía y sus procesos de transformación también juegan un papel determinantepara alcanzar un desarrollo sostenible, que guarde equilibrio en los aspectos tecnológicos,económicos y ecológicos del desarrollo de la humanidad.Los fundamentos teóricos de la termodinámica se caracterizan por su simplicidad y se expresana través de enunciados de leyes de la naturaleza. En los análisis termodinámicos de los procesosen los que intervienen transformaciones de materia y energía se consideran tres principios físicosbásicos:La conservación de la masa.La conservación de la energía.Las limitaciones presentes en los procesos de transformación entre las diversas formas dela energía, como p.e., la transformación del calor en trabajo.En la termodinámica se identifican dos campos principales de estudio: la termodinámica técnicay la termodinámica química. Esta última se encarga del estudio del equilibrio de fases y químicoy de su cálculo. El presente curso de termodinámica técnica se enfoca en el estudio de sistemasen equilibrio mecánico y térmico, e incluye dos grandes áreas:Las propiedades de la materia, que se realiza a través de ecuaciones o diagramas de estadopara las sustancias de trabajo. Se hace uso de una cantidad comparativamente baja deinformación experimental de partida y del soporte ofrecido a través de las relacionestermodinámicas.

2 1 Procesos de transformación de la energía y su análisisAnálisis teórico del funcionamiento de las máquinas térmicas, que permite realizar cálculosde manera idealizada para los procesos de transferencia de calor y trabajo y su comparacióncon los procesos reales. Estos estudios brindan soporte en las labores de diseño demaquinaria y equipos y en las labores de optimización de procesos.En la termodinámica se han seguido tradicionalmente dos enfoques para describir la materia:un enfoque microscópico, que estudia el comportamiento de sus moléculas individualmente, yun enfoque macroscópico, que estudia los procesos o fenómenos a través de sus propiedadesmedias o generales. Por medio del enfoque microscópico se estudia, p.e., el comportamientode las moléculas individuales del vapor de agua en un sistema pistón-cilindro, lo que implicaidentificar la velocidad y la posición de cada molécula. Este enfoque también se conoce comotermodinámica estadística. A través del enfoque macroscópico de la termodinámica clásica seestudia el sistema pistón-cilindro por medio de las propiedades medias del vapor de agua en elcilindro, como su temperatura, su presión y su volumen. En una descripción termodinámica deeste tipo no se requiere conocimientos específicos sobre la estructura atómica de la materia yse permite establecer sistemas simples de coordenadas para la medición de las característicasrelevantes de cada proceso. Este enfoque es apropiado en la ingeniería térmica y es el que sesigue en el presente texto.Este texto también se limita al análisis de sistemas y estados en equilibrio termodinámico. Estaconsideración implica, en contraste con la termodinámica de no equilibrio, que los procesos nose analizan en función del tiempo sino a través del cambio en las condiciones características deun estado de equilibrio a otro. La termodinámica del equilibrio permite hacer análisis adecuadosy suficientemente precisos para la mayor parte de los procesos en la ingeniería, que ocurrengeneralmente de manera controlada aunque con rapidez variable. Este tipo de análisis podríaidentificarse como termoestática, pero el uso tradicional los identifica como termodinámica.Para resumir, la termodinámica técnica analiza los procesos de transformación de la energía enforma de calor a la energía en forma de trabajo y al análisis de los procesos de calentamiento yenfriamiento. Es una asignatura básica en la ingeniería térmica, que permite la profundizaciónposterior en el estudio de otras áreas, como la transferencia de calor, la mecánica de fluidos yel estudio de tecnologías y equipos específicos de la ingeniería térmica como calderas, turbinas,motores, compresores o la tecnología asociada con los procesos de combustión, entre otros.1.1. Formas de la energíaEl conjunto de las fuentes naturales de energía se conoce como energía primaria, que esta compuestaprincipalmente por los combustibles fósiles (carbón, gas y petróleo); uranio; la radiaciónsolar y la biomasa (considerando que ésta última es parcialmente energía solar transformada).A partir de estas fuentes de energía se producen combustibles refinados (como la gasolina y eldiesel, p.e.) y otras formas de la energía, como la potencia eléctrica. La energía secundaria representael total de la energía primaria menos la energía invertida en los procesos de transportey transformación, la energía disipada en los procesos de refinación y los productos que no seutilizan en aplicaciones energéticas (que se emplean como insumos o materias primas para la

1.1 Formas de la energía 3elaboración de otros productos como lubricantes, p.e.). La energía disponible para el consumidoren las formas elaboradas y refinadas constituye la energía final. La energía útil representafinalmente la energía utilizada según las diversas aplicaciones.Una clasificación general de las fuentes de energía se puede establecer en los siguientes grupos:Energía química: corresponde a la energía disponible en los combustibles, especialmenteen los combustibles fósiles. El proceso de transformación final de estos combustibles es elproceso de combustión, que ocupa un lugar central en la termodinámica técnica.Energía solar: es una fuente de energía fundamental para el planeta, que se ’transporta’a través del mecanismo de radiación y se transforma principalmente a través del procesode absorción.Energía nuclear: corresponde a la energía disponible en los átomos de elementos radioactivoscomo el uranio, y se transforma a través del proceso de fisión nuclear.Energía geotérmica: es la energía térmica disponible en el núcleo terrestre y puede utilizarsea través de procesos de transferencia de calor.Energía gravitacional: es la energía mecánica, potencial y cinética, asociada con los planetasy los cuerpos celestes, sin usos tecnológicos hasta la fecha.Dentro del grupo anterior es posible identificar a la energía solar, la energía geotérmica y la energíagravitacional como fuentes de energías renovables, en contraste con los combustibles fósilesque cuentan con reservas naturales finitas. Dentro de las fuentes renovables de energía, el usode la energía gravitacional no se considera realizable bajo las condiciones tecnológicas actuales.La energía geotérmica se utiliza principalmente en países con estaciones, donde se tiene unanecesidad elevada de energía térmica para calentamiento doméstico y en procesos industriales.La energía solar es la principal fuente de energía renovable para el planeta. Su uso se puederealizar de manera directa a través de centrales térmicas solares, colectores solares o energíafotovoltáica por medio de celdas solares, principalmente. De manera indirecta, la energía solarse transforma y utiliza a través de la energía hidráulica (ciclos de evaporación y condensación delagua en el planeta); de la energía eólica (flujos y corrientes de aire); de las celdas de combustiblepara la generación de hidrógeno; de la energía térmica almacenada en la corteza y atmósferaterrestres y en sus aguas y a través de la biomasa, que representa energía química obtenida apartir de la fotosíntesis de las plantas.El uso de las fuentes energéticas disponibles en el planeta tiene efectos directos y simultáneosen el desarrollo socioeconómico y en el medio ambiente. El diseño, construcción y operaciónde los sistemas técnicos empleados en los procesos de transformación de la energía consideranlos aspectos técnicos directamente relacionados con la maquinaria y los equipos, de tal maneraque se opere bajo condiciones energéticas eficientes. Por otra parte, estos criterios de eficienciaenergética tienen que tomar en consideración los aspectos económicos para su desarrollo e implementación,de tal forma que estos sistemas energéticos sean viables desde el punto de vistade los costos de inversión y de operación.

4 1 Procesos de transformación de la energía y su análisisLa energía total de un sistema termodinámico puede clasificarse en dos grupos principales queson su energía mecánica y la energía interna.1.1.1. Energía mecánicaLa energía mecánica está constituida por las condiciones del estado externo del sistema, quequedan determinadas a través de su posición y las características de su movimiento. La energíamecánica está constituida de esta manera por la energía potencial y la energía cinética del sistema.De la mecánica son conocidos los términos de energía cinética y energía potencial. Si el sistematiene una masa m y se mueve con una velocidad −→ v , su energía cinética es:E c = m −→ v 2 /2 (1-1)Si el sistema se encuentra en un campo gravitatorio con una aceleración constante −→ g y a unaaltura z sobre el nivel cero de referencia, su energía potencial es:E p = m −→ g z (1-2)Estas dos formas de la energía son proporcionales a la masa, es decir, son propiedades extensivas(ver la Sección 1.3).1.1.2. Energía internaLa termodinámica considera otro tipo adicional de energía: la energía interna U, que constituyeun elemento central en el planteamiento de la primera ley de la termodinámica. La energíainterna U es una función exclusiva de los parámetros internos, en este caso de las propiedadestermodinámicas del estado del sistema.Así, la energía total E del sistema viene dada por la suma de las formas de energía mecánica einterna:E = E mec + U = E c + E p + U (1-3)La energía interna debe ser una propiedad extensiva, dependiente de la masa, para mantenerel sentido en la ecuación anterior. En la mayor parte de los casos que se estudian en la termodinámicatécnica, la energía total del sistema es energía interna. Así, se desprecian o no seconsideran variaciones en las energías cinética y potencial, lo que puede hacerse también pormedio de la elección adecuada del sistema de referencia.Debe aclararse, sin embargo, que enalgunas aplicaciones son relevantes las variaciones de estas formas de energía, como p.e. en ladinámica de gases o la meteorología, donde son importantes las variaciones en energía cinéticae interna y en las variaciones de energía potencial e interna, respectivamente.

1.2 Análisis termodinámicos 7a estos sistemas con el nombre de volúmenes de control.Sistemas cerrados: estos sistemas permiten el intercambio de energía en forma de calor ytrabajo pero no el intercambio de masa con el ambiente (a través de las fronteras del sistema).Por esta razón también se conoce a estos sistemas con el nombre de masas de control.Sistemas aislados: en estos sistemas no se permite el intercambio ni de masa ni de energíacon el ambiente. En la realidad no es posible obtener estrictamente un sistema de este tipo, perose logran aproximaciones aceptables en los análisis de la termodiámica técnica, como un termopara el café, por ejemplo. Los sistemas que no permiten el intercambio de calor con su ambientese conocen como sistemas adiabáticos.Tabla 1-1: Clasificación de los sistemas termodinámicos según sus propiedades de intercambiode masa y energía con el ambiente.SistemaAbierto ovolumen de controlCerrado oMasa de controlCondiciones permitidas enlas fronteras del sistemaIntercambio deenergíaSíSíIntercambio demasaSíNoAislado No No1.2.2. Primera ley de la termodinámicaEl primer principio o primera ley de la termodinámica expresa la ley de la naturaleza de laconservación de la masa y la energía.1.2.3. Segunda ley de la termodinámicaEl principio de la asimetría en los procesos de transformación de la masa y la energía se relacionacon la dirección en la que pueden ocurrir los procesos. Es decir, existen procesos que ocurrenespontáneamente, como el enfriamiento de una tasa de café que se deja en un ambiente a menortemperatura. La energía en forma de calor fluye de la tasa de café hacia el ambiente de maneradirecta y espontánea, sin el uso de medios adicionales. Por otra parte, no ocurre que la energíatérmica del ambiente fluya hacia la tasa de café, bajo las mismas condiciones. El principio deasimetría implica de esa manera que los procesos de transformación de la masa y la energíaocurren de manera espontánea en una dirección. Esa dirección es un indicativo de la calidad

8 1 Procesos de transformación de la energía y su análisispresente en cada tipo de energía, de tal forma que ésta fluye hacia niveles de menor calidad. Estehecho tiene implicaciones decisivas en la termodinámica técnica porque implica que es posibleoptimizar los sistemas de transformación de la energía, de tal forma que se obtengan mejoresrendimientos en su uso.1.3. Propiedades termodinámicas de la materiaA través de los procesos de transformación se modifican las propiedades termodinámicas dela materia. Estos procesos pueden implicar cambios de fase entre los estados sólido, líquido ygaseoso. Los procesos termodinámicos de transformación de la energía hacen un uso intensivode fluidos (líquidos y gases) y en menor medida de la materia en su estado sólido. Las condicionesde transformación afectan las propiedades termodinámicas de la materia, que se logranprincipalmente a través del intercambio de energía entre los sistemas y su ambiente. Se tienendiversos tipos de modelos para el estudio de estas variaciones, como el modelo de gases ideales,que relaciona las variaciones entre propiedades termodinámicas como la temperatura, la presióny el volumen.El enfoque macroscópico de la termodinámica clásica implica que la materia se considera comoun cuerpo continuo, es decir, sus propiedades se consideran homogéneas en todo el cuerpo.Las propiedades termodinámicas de un sistema son dimensiones físicas medibles, para las cualeses válida la integral cerrada:∮dZ = 0 (1-6)para toda propiedad Z (más adelante se indican detalles matemáticos de esta integral). Estaintegral indica que una dimensión es una propiedad si, y sólo sí, su cambio de valor entre dosestados es independiente de la trayectoria con la que ocurre dicho cambio. Esta trayectoria serefiere a las propiedades termodinámicas y no exclusivamente a una trayectoria espacial.1.3.1. Propiedades intensivas, extensivas y específicasEn el caso en que se divida un sistema homogéneo en dos partes iguales, se pueden identificardos tipos de propiedades:Propiedades intensivas o de calidad: conservan su magnitud y son independientes de lamasa, como la presión y la temperatura, p.e.Propiedades extensivas o de cantidad: tienen la mitad de su valor, p.e. la masa y el volumen,y son proporcionales a la masa del sistema.

1.3 Propiedades termodinámicas de la materia 9Los cambios de estado solo se generan por variaciones en las propiedades intensivas. Estaspropiedades se pueden llamar las ’fuerzas causantes’ de los cambios de estado.Propiedades específicas: se obtienen al dividir una propiedad extensiva entre la masa delsistema. Estas propiedades se representan a través de letras minúsculas:propiedad extensivamasa del sistema= propiedad específica (1-7)De esta manera se tiene:v = V/m (volumen específico)u = U/m (energía específica)h = H/m (entalpía específica)(1-8)La relación dada por la densidad ρ, es importante en muchos análisis termodinámicos:ρ = 1/v = m/V (1-9)Las propiedades específicas dejan de ser propiedades extensivas, pero no tienen las característicasde las propiedades intensivas porque sus variaciones no ocasionan cambios en el estado delsistema.Propiedades molares: en lugar de la masa m de un sistema, también es posible emplear lacantidad de partículas n para caracterizar la cantidad de la sustancia de trabajo que se emplea.Esta cantidad de partículas, antes conocida como el número de moles, es una medida de lacantidad de partes contenida en el sistema como moléculas, átomos, iones, etc. Su unidad demedida es el mol. Por definición n=1 mol cuando el sistema contiene tantas partes como lacantidad de partículas contenida en la masa exacta de 12 g de carbono. El número de partescontenido en n=1 mol se obtiene a través de la constante de Avogadro, N A . El valor medido conmayor precisión para esta constante en la actualidad es (CODATA, http://www.codata.org/):N A = (6, 0221415 ± 0, 0000010)10 23 /mol (1-10)Las propiedades que se acaban de mencionar se conocen como propiedades molares:propiedad molar =propiedad específicacantidad de partículas(1-11)y se identifican así:M = m/n (masa molar)¯V = V/n (volumen molar)Ū = U/n (energía interna molar)¯H = H/n (entalpía molar)(1-12)

10 1 Procesos de transformación de la energía y su análisisdonde la masa molar M es la única propiedad molar que no se acompaña de la barra superior.Debido a la relación,V = n ¯V = mv (1-13)es posible establecer las siguientes relaciones,M = m/n = ¯V /v = Ū/u = ¯H/h (1-14)1.4. Sistemas técnicos de transformaciónLa clasificación de la maquinaria y equipos analizados a través de la termodinámica técnica serealiza según sus aplicaciones, en generación de potencia y sistemas de refrigeración y bombasde calor; o según las sustancias de trabajo empleadas, en operación con gas o con vapor. En estetexto se sigue la clasificación según las aplicaciones de la maquinaria y equipos.1.4.1. Sistemas de generación de potenciaEsta clasificación incluye una subdivisión según la forma en la que se realizan los procesosde combustión. La combustión interna hace referencia al uso directo de los gases producidosdurante la combustión para la generación de potencia mecánica. Los principales equipos de estetipo son los motores de combustión interna y las turbinas de gas. Los motores de combustióninterna encendidos por chispa (es decir, a través de un medio externo a la propia mezcla de gascombustible) se reconocen como motores Otto y se representan bajo el ciclo termodinámico delmismo nombre. Por otra parte, los motores de combustión interna con autoencendido a través dela compresión del aire para la combustión y la posterior inyección del combustible se reconocencomo motores Diesel y operan bajo el ciclo del mismo nombre. Adicionalmente, se tiene dentrode los equipos de combustión interna las turbinas de gas, que operan directamente con los gasesgenerados en un proceso de combustión y se representan a través del ciclo termodinámico Joule-Brayton. Por otra parte se tienen los equipos que operan a través de procesos de combustiónexterna, que se refieren al uso de un transportador intermedio de energía térmica que la recibe delproceso de combustión y la transporta hasta el equipo generador de potencia. En estos equiposlos gases generados en los procesos de combustión no entran en contacto directo con los equipospara la generación de la potencia mecánica. Dentro de estos equipos se cuenta con las turbinasde vapor y los motores Stirling.1.4.2. Sistemas de calentamiento y enfriamientoSe tiene una subdivisión principal entre los sistemas de refrigeración y los sistemas de calentamiento.Los sistemas de refrigeración operan a través de procesos físicos de absorción o decompresión, y estos a su vez se pueden clasificar en sistemas que operan con gas o con vapor.Estos sistemas también se emplean para realizar la licuefacción de gases. Por otra parte, los sistemasde calentamiento se pueden clasificar en sistemas con operación tradicional (con energíaprimaria); sistemas de bombas de calor (empleadas para transferir calor de ambientes con menor

1.5 Procesos termodinámicos 11temperatura a ambientes con mayor temperatura a través del suministro adicional de energía alsistema) y en sistemas combinados, que se emplean para la generación simultánea de potencia(mecánica y/o eléctrica) y energía térmica (p.e., calor para procesos).1.5. Procesos termodinámicosLos procesos de transformación mencionados se llevan a cabo en equipos y maquinaria especialmentediseñados, lo que implica que se tengan interacciones entre estos, las fuentes de energía ylas propiedades termodinámicas de la materia. La ingeniería energética se centra en el estudiode los procesos de transformación de la energía y la ingeniería de procesos o química lo haceen los procesos de transformación de la materia. En todo caso, estos dos tipos de procesos detransformación ocurren de manera acoplada.En el análisis de sistemas termodinámicos es útil identificar el término de sustancias puras. Estassustancias tienen una composición química estable, es decir, no se presentan reacciones químicas.Si una sustancia pura se presenta en más de una fase, su composición química se conserva encada una de ellas. Las fases se refieren a los estados sólido, líquido o gaseoso de las sustancias,en los cuales tanto la composición química como la estructura física son homogéneos.Según la composición de los sistemas, se puede hacer la siguiente clasificación.Sistemas homogéneos: presentan composición química y propiedades físicas homogéneas entodo el sistema. Están conformados por una fase única y constituyen los sistemas termodinámicosmás sencillos. Estos sistemas pueden estar conformados por varios componentes que noreaccionan entre sí, como p.e. el aire.Sistemas heterogéneos: se componen de dos o más fases. En estos casos se presentan gradientesapreciables en las superficies de la interfase, p.e., cuando se tiene vapor de agua y agualíquida en un recipiente, en cuyo caso la variación de la densidad en la interfase vapor-líquido esconsiderable. En los sistemas heterogéneos se puede realizar el análisis a través de varios sistemashomogéneos, como la consideración separada del vapor de agua y el agua en una caldera, p.e.Adicionalmente se identifican los sistemas continuos cuando las propiedades de las sustanciasdel sistema varían continuamente, p.e., cuando se tiene un trozo de madera en combustión.En los sistemas en que se presentan muchas discontinuidades en su composición química yfísica no es posible identificar el estado del sistema en un instante determinado. En este tipode sistemas ya no puede considerarse un estado termodinámico; un ejemplo de estos sistemasse tiene durante la entrada súbita de aire en un recipiente, que se encuentra inicialmente en vacío.

12 1 Procesos de transformación de la energía y su análisis1.5.1. Estado termodinámicoLa termodinámica sólo puede establecer relaciones entre estados que pueden describirse claramente.Bajo el término del estado de un sistema termodinámico se identifica la condición deun sistema según el conjunto de sus propiedades en un instante determinado. No todas laspropiedades termodinámicas son independientes entre sí. Es posible especificar el estado de unsistema a través de un subconjunto de sus propiedades, ya que las demás propiedades quedanfijadas por medio de ese subconjunto.Experimentalmente se ha establecido que los estados termodinámicos para sistemas homogéneosse pueden caracterizar por medio de tres propiedades. En este caso la masa se da por conocida;se requiere conocer adicionalmente la presión y el volumen o la presión y la temperatura.1.5.2. Cambios de estado, procesos y ciclosLos cambios de estado del sistema se generan a través de efectos externos que actúan sobreel mismo. Los procesos se refieren a cambios de estado que se relacionan directamente con unequipo o tecnología específica. Una serie de cambios de estado se conoce como un proceso. Porejemplo, una sustancia como el agua puede cambiar del estado líquido al estado de vapor dediversas formas. Estas formas para el cambio de estado pueden obtenerse a través de la transferenciade energía por medio de la combustión de una llama o por calentamiento eléctrico, entreotras. De esa manera el cambio de estado de la sustancia puede ser el mismo, aunque los procesosutilizados hayan sido diferentes.Cuando en un proceso, o serie de procesos, el estado inicial es igual al estado final, el proceso sedenomina ciclo termodinámico. En este caso todas las propiedades del sistema vuelven a tomarlos valores del estado inicial, sin consideración del tipo de ciclo que se haya seguido.1.5.3. Ecuación de estado y principio de estadoLas ecuaciones entre propiedades se expresan a través de las llamadas ecuaciones de estado, queson las expresiones matemáticas para los posibles estados de equilibrio de un sistema. El estadose determina de manera unívoca mediante los valores de sus propiedades independientes. Debeconsiderarse que no todas las propiedades termodinámicas de un sistema son independientesentre sí. De esta manera es posible especificar el estado de un sistema a través de un subconjuntode sus propiedades, ya que las demás propiedades quedan determinadas por medio de esesubconjuntoEl principio de estado es una regla general que permite determinar el número de propiedadesindependientes que se necesita para especificar el estado de un sistema. En este texto el análisisse centra en las propiedades intensivas, que son las ’fuerzas causantes’ de los cambios de estado,como ya se indicó. No se consideran aquí propiedades intensivas dependientes de condiciones

1.5 Procesos termodinámicos 13externas al sistema, como la velocidad y la altura de referencia, p.e.Experimentalmente se ha establecido que se tiene una propiedad intensiva independiente porcada una de las formas en que la energía de un sistema puede intercambiarse independientemente.P.e., para el caso de un sistema cerrado la energía puede alterarse independientementea través de la transferencia de calor y trabajo. De esta forma, se cuenta con una propiedadindependiente para la transferencia de calor, y una propiedad independiente adicional por cadauna de las formas de transferencia de energía mediante trabajo (p.e. mediante corriente eléctrica,desplazamiento volumétrico, etc.). El principio de estado establece que el número de propiedadesindependientes es uno más que el número de interacciones relevantes de trabajo del sistema.Los sistemas termodinámicos en los que solamente es posible una forma de transferencia deenergía mediante trabajo reciben el nombre de sistemas simples. Un estado de estos sistemas sepuede definir mediante dos propiedades independientes. Se contabiliza una propiedad para el intercambiode energía mediante calor y una más para el intercambio de energía mediante trabajo.Esta forma de transferencia de trabajo puede ser por medios magnéticos, elásticos o variacionesvolumétricas, entre otros. En el caso de un sistema que solamente intercambia trabajo mediantevariaciones volumétricas a través de la expansión o compresión de la sustancia de trabajo, seemplea el término de sistema simple compresible. Este tipo de sistemas representa un modeloadecuado para muchas de las aplicaciones que se estudian en la termodinámica técnica.1.5.4. Equilibrio termodinámicoEl equilibrio termodinámico se presenta cuando las propiedades termodinámicas de un sistemano varían al aislar el sistema de su ambiente, es decir, cuando se tiene ausencia de gradientesen el sistema. Un sistema en equilibrio no cambia su estado sino a través de causas o ’fuerzasexternas’. En general, el equilibrio puede ser mecánico (presión), térmico (temperatura), de fasesy químico (potencial químico). En los casos en que se presentan simultáneamente estos tipos deequilibrio, se tiene un sistema en equilibrio termodinámico.La obtención del equilibrio puede inhibirse. Estos impedimentos pueden ser de dos tipos: poruna parte se tienen restricciones físicas; una pared fija impide el equilibrio de la presión y unapared adiabática impide el equilibrio de la temperatura, p.e. De otro lado, el equilibrio puedetomar mucho tiempo, como en el caso de algunas reacciones químicas. Si en el sistema se tienenadicionalmente efectos de fuerzas debidas a la masa (fuerzas de la gravedad o centrífuga), laspropiedades intensivas dentro del sistema no se encuentran equilibradas en el llamado ’estadode equilibrio’, como es el caso de una columna de gas en un campo gravitatorio, cuya presióndisminuye en sentido ascendente.Los procesos reales ocurren en condiciones que no son de equilibrio pleno, por el simple hechode que se requieren variaciones externas (aunque sean pequeñas), que permitan los cambios deestado del sistema. Los procesos que se analizan en la termodinámica clásica consideran queestas variaciones ocurren de forma controlada, de tal manera que las desviaciones de los esta-

14 1 Procesos de transformación de la energía y su análisisdos de equilibrio son infinitesimales. Esta idealización se conoce normalmente como cambios deestado o procesos de cuasiequilibrio y se aplica suficientemente bien, aún para sistemas comoel movimiento de un pistón en el cilindro del motor de combustión de un automóvil. Este tipode idealizaciones son análogas a las consideraciones de una masa puntual o un movimiento sinfricción en la mecánica clásica y cumplen la función de simplificar los análisis de los sistemasreales.1.6. Temperatura y equilibrio térmicoLa temperatura se introduce como la propiedad fundamental de la termodinámica, de manerasimilar a la longitud, la masa y el tiempo, que son dimensiones fundamentales de la mecánica.1.6.1. Ley cero de la termodinámicaPara la medición de la temperatura se usa el termómetro; para ello se establece el equilibriotérmico entre el sistema y el termómetro, que se contempla aquí como un segundo sistema. Elequilibrio térmico se establece al poner en contacto dos o más cuerpos con temperaturas diferentes,de tal forma que con el transcurso del tiempo se obtiene una temperatura única para loscuerpos en contacto. Así, los cuerpos con menor temperatura reciben energía en forma de calorde los cuerpos con mayor temperatura.1.6.2. Energía cinética molecular y temperatura1.6.3. Temperatura empíricaLa temperatura común del sistema y del termómetro se determina a través de la medición deuna magnitud física del termómetro que dependa de la temperatura, p.e., a través de la variaciónde la resistencia eléctrica o del volumen de la sustancia del termómetro. Estas mediciones detemperatura se conocen como temperaturas empíricas, porque sus valores dependen de las característicasdel termómetro.1.7. Dimensiones y unidadesUna magnitud tiene dos propiedades importantes:Su valor no depende de la unidad de medida seleccionada, es decir, las magnitudes soninvariables en relación al cambio de unidades.Toda magnitud se puede expresar como el producto de un valor numérico y una unidad,p.e. para la velocidad −→ v , que puede expresarse como el cociente entre la distancia s y el

1.8 Resumen 15tiempo t, así:| −→ v | = |−→ s |t= 160km2h= 80kmh= 22, 2 m s(1-15)La equivalencia entre los sistemas de unidades es un indicativo de que las leyes naturales no dependende la selección fortuita del sistema de unidades. Estas unidades o sistemas de unidadesno están predeterminados y se pueden elegir en cada caso las unidades más apropiadas. Entermodinámica es conveniente la selección de una unidad para la energía que permita una conversiónsencilla entre las diferentes formas de energía, especialmente entre el calor y el trabajo.En el Sistema Internacional de Unidades (SI) esta unidad es el Joule:J = W s = Nm = kg m2s 2 (1-16)De esta manera no se requieren factores de conversión entre dimensiones mecánicas, eléctricasy térmicas.Para la medición de la presión, el SI establece como unidad el Pascal:P a = N m 2 (1-17)Con esta unidad de medida se obtienen valores numéricos muy altos en los análisis normales deingeniería; se introduce entonces la unidad bar:1 bar = 10 5 N m 2 = 105 P a (1-18)Adicionalmente se emplea la unidad conocida como atmósfera física (atm):1 atm = 101325 P a (1-19)La caloría (cal) se empleó inicialmente como la unidad de medida para la cantidad de calor. Estaunidad fue definida sobre las propiedades del agua y no estuvo asociada con ningún sistema deunidades en particular. Debido a la consideración actual del calor, el trabajo y la energía comomagnitudes del mismo tipo, se ha relacionado la caloría en el SI a través de la siguiente definición:1cal = 4, 18068J (1-20)1.8. ResumenLa termodinámica clásica o fenomenológica sigue un enfoque macroscópicoDentro de la termodinámica clásica, la termodinámica técnica estudia el equilibrio térmicoa través de las leyes generales de la transformación de la energía; las propiedades de lamateria y su aplicación en los sistemas técnicos característicos.Los cambios de estado de los sistemas termodinámicos se generan principalmente a travésde la transferencia de energía en forma de calor y trabajo. Los procesos termodinámicosestán asociados con los cambios de estado específicos, según la tecnología empleada.

16 1 Procesos de transformación de la energía y su análisisLas herramientas básicas de los análisis termodinámicos se soportan en dos principios fundamentales:la conservación de la masa y la energía, que establece un criterio de cantidaden sus procesos de transformación, y la asimetría presente en los procesos de transformaciónde la masa y la energía, que se relaciona con la dirección en la que pueden ocurriresos procesos y que establece un criterio de calidad de la energía.Las fuentes de energía y sus procesos de transformación son un elemento fundamental parael desarrollo social y económico; al mismo tiempo, generan grandes impactos ambientales.Por estas razones la termodinámica es un campo de estudio fundamental para el desarrollosostenible.El origen de la termodinámica se ubica en las labores de explicación del funcionamientode máquinas térmicas.La termodinámica brinda un apoyo básico en las labores de explicación de los sistemastécnicos empleados en los procesos de transformación de las fuentes de energía pero noprovee reglas o recetas de cocina para la creación o invención en la ingeniería térmica.

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