¡Descarga Introducción a la Termodinámica y la Energía: Conceptos Básicos y Aplicaciones y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Termodinámica solo en Docsity!
1.1 Termodinámica y Energía.
Es la rama de la física que estudia los efectos de los cambios de temperatura, presión y volumen de un sistema físico (un material, un líquido, un conjunto de cuerpos, etc.), a un nivel macroscópico. La raíz "termo" significa calor y dinámica se refiere al movimiento, por lo que la termodinámica estudia el movimiento del calor en un cuerpo. La materia está compuesta por diferentes partículas que se mueven de manera desordenada. La termodinámica estudia este movimiento desordenado. La importancia práctica de la termodinámica radica fundamentalmente en la diversidad de fenómenos físicos que describe. El conocimiento de esta diversidad ha derivado a una enorme productividad de tecnológica. En la termodinámica se estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas, lo que lleva a definir conceptos como sistema termodinámico y su contorno. Un sistema termodinámico se caracteriza por sus propiedades, relacionadas entre sí mediante las ecuaciones de estado. Estas se pueden combinar para expresar la interna y los potenciales termodinámicos, útiles para determinar las condiciones de equilibrio entre sistemas y los procesos espontáneos. La termodinámica se puede aplicar a una amplia variedad de temas de ciencia e ingeniería, tales como motores, transiciones de fase, reacciones químicas, fenómenos de transporte, e incluso agujeros negros. El estudio de la termodinámica resulta de gran importancia en el caso de la energía solar térmica debido a que este tipo de instalaciones solares se basan en el intercambio de calor. Los resultados de la termodinámica son esenciales para otros campos de la física y la química, ingeniería química, ingeniería aeroespacial, ingeniería mecánica, biología celular, ingeniería biomédica, y la ciencia de materiales.
Energía.
Es la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo. La energía es una propiedad de los sistemas físicos; no es un estado físico real, ni una sustancia intangible. En tecnología y economía, energía se refiere a un recurso natural para extraerla, transformarla y darle un uso industrial o económico.
Tipos de energía.
-Energía térmica. -Energía química. -Energía eléctrica. -Energía nuclear. -Energía radiante.
Propiedades de la energía.
-Se transfiere. -Se transforma. -Se transporta. -Se almacena. -Se conserva. -Se degrada. La termodinámica es una energía. Es la energía donde están las energías de calor y parte de la química que estudia cada una de las energías y su relación de cada una de ellas con el calor.
(lbf) y se define como la fuerza requerida para acelerar una masa de 32.174 lbm ( slug) a razón de 1 ft/s2. El término peso con frecuencia se usa de modo incorrecto para expresar masa. A diferencia de la masa, el peso W es una fuerza gravitacional aplicada a un cuerpo, y su magnitud se determina a partir de la segunda ley de Newton. El trabajo, que es una forma de energía, se puede definir simplemente como la fuerza multiplicada por la distancia; por lo tanto, tiene la unidad “newton-metro (N m)”, llamado joule (J). Una unidad más común para la energía en el SI es el kilojoule (1 kJ = 103 J). En el sistema inglés, la unidad de energía es el BTU (British termal unit), que se define como la energía requerida para elevar en 1 °F la temperatura de 1 lbm de agua a 68 °F. En el sistema métrico, la cantidad de energía necesaria para elevar en 1 °C la temperatura de 1 gramo de agua a 14.5 °C se define como 1 caloría (cal). Las magnitudes de kilojoule y BTU son casi idénticas. La unidad para la razón de tiempo de energía es el joule por segundo (J/s) que se conoce como watt (W). En el caso de trabajo la razón de tiempo de energía se llama potencia. Una unidad de potencia comúnmente usada es el caballo de fuerza (HP), que es equivalente a 746 W. La energía eléctrica se expresa típicamente en la unidad kilowatt-hora (kW-h), que es equivalente a 3600 kJ.
Homogeneidad dimensional.
Las ecuaciones deben ser dimensionalmente homogéneas, es decir, cada término de una ecuación debe tener la misma unidad. Si en alguna etapa de un análisis se está en posición de sumar dos cantidades que tienen unidades distintas, es una indicación clara de que se ha cometido un error en una etapa anterior. Así que comprobar las dimensiones puede servir como una herramienta valiosa para detectar errores.
Relación de conversión de unidades.
Así cómo es posible formar dimensiones no primarias mediante combinaciones adecuadas de dimensiones primarias, todas las unidades no primarias (unidades secundarias) se forman a través de combinaciones de unidades primarias. Esta forma de expresar equivalencias se les conoce como factores de conversión de unidades. Las relaciones de conversión de unidades son iguales a 1 y no tienen unidades; por lo tanto, tales relaciones (o sus inversos) se pueden insertar de forma conveniente en cualquier cálculo para convertir unidades de manera adecuada.
Variables termodinámicas.
Las variables termodinámicas son las magnitudes que estimamos necesario o conveniente especificar para dar una descripción macroscópica del sistema. La mayoría de esas magnitudes provienen de otras ramas de la física. Por ejemplo la presión proviene de la Mecánica, las intensidades de campo eléctrico y magnético del Electromagnetismo, etc. Por consiguiente no podemos dar una definición completa y detallada del concepto de variable termodinámica, y por ahora nos tenemos que conformar con algunos ejemplos. Para un sistema que consiste de un gas o un líquido, o una mezcla de diferentes gases o líquidos, las variables termodinámicas son: las masas de las diferentes sustancias presentes, la presión, el volumen y la temperatura. En un sistema en que se consideran superficies o películas líquidas, las variables correspondientes son la tensión superficial, el área superficial y la temperatura. El estudio termodinámico de un sistema magnético incluiría probablemente como variables la intensidad del campo magnético, la magnetización de la materia del sistema y la temperatura. En estos ejemplos dimos sólo tres variables (además de la masa) para cada sistema, pero puede haber más. En todos esos grupos de variables la única en común es la temperatura, que luego estudiaremos en detalle. Las demás provienen de ramas de la física ajenas a la Termodinámica.
Estado del sistema.
Cuando se han especificado las variables necesarias para describir al sistema se dice que se ha especificado el estado del sistema. La especificación del estado de un sistema no nos da ninguna información acerca de los procesos mediante los cuales el sistema fue llevado a dicho estado.
Equilibrio.
Este es un concepto fundamental de la Termodinámica. La idea básica es que las variables que describen un sistema que está en equilibrio no cambian con el tiempo. Pero esta noción no es suficiente para definir el equilibrio, puesto que no excluye a procesos estacionarios (principalmente varios procesos en que hay flujos) que no se pueden abordar con los métodos de la Termodinámica clásica. En los procesos estacionarios debe haber continuamente cambios en el ambiente para mantener constantes los valores de las variables del sistema. Para excluirlos se usa entonces una definición más restrictiva: un sistema está en equilibrio si, y solo si, está en un estado desde el cual no es posible ningún cambio sin que haya cambios netos en el ambiente. La Termodinámica clásica se ocupa solamente de sistemas en equilibrio. El equilibrio es una abstracción pues los sistemas reales no están nunca en estricto equilibrio. Pero siempre y cuando las variables que describen al sistema y al ambiente que interactúa con él no varíen apreciablemente en la escala de tiempo de nuestras mediciones, se puede considerar que el sistema está en equilibrio y aplicarle las consideraciones termodinámicas pertinentes. Se debe notar que un sistema puede estar en equilibrio con respecto de ciertas variables, pero no con respecto de otras. Por ejemplo, si mezclamos hidrógeno y oxígeno gaseosos a temperatura ambiente, la mezcla no queda en equilibrio respecto de la composición química (pues a temperatura ambiente, la reacción de formación de agua 2 2 H O HO 22 2 + ↔ se produce con extrema lentitud) aunque casi de inmediato queda en equilibrio respecto de la presión, el volumen y la temperatura.
Fase.
Una fase es un subsistema homogéneo. No es necesario que todas las partes de una fase sean adyacentes.
Ecuación de estado.
Se denomina ecuación de estado a una relación entre las variables presión, volumen, temperatura y cantidad de materia del sistema. Para un sistema formado por una única fase, debido a la ecuación de estado, de las tres variables (presión, volumen y temperatura) solamente dos se pueden elegir arbitrariamente. La tercera está determinada por la naturaleza del medio, y la ecuación de estado describe este hecho. La ecuación de estado se puede o no expresar mediante una fórmula analítica, y proviene siempre de los experimentos o de una teoría de la materia. De ningún modo se puede considerar que surge de la Termodinámica.
1.4 Propiedades.
La termodinámica es caracterizada por tener un estado de equilibrio en el cual la presión, el volumen, la temperatura y la composición están presentes. Se pueden clasificar como extensivas o intensivas. Dentro de lo que llamamos extensivo podemos referirnos a lo que depende la cantidad de materia en un sistema. Ejemplo: la masa, el volumen, el peso. Mientras que la interna tiene que ver con todo aquello que no dependa de la cantidad en cuanto a materia se refiere. Ejemplo: temperatura, volumen especifico, voltaje, presión y densidad.
Masa.
Es una propiedad fundamental de tipo escalar y representa a la cantidad de materia, independiente de su ubicación geográfica; puede medirse con una balanza en un campo gravitatorio. Se emplea para determinar si una propiedad de la sustancia es intensiva o extensiva.
Propiedad.
Característica inherente a la materia, que puede medirse.
Propiedad intensiva.
Su valor es independiente de la cantidad de la sustancia.
Propiedad extensiva.
Su valor depende de la cantidad de sustancia. Todas estas propiedades ayudan en los cálculos de valores que determinan el volumen, el peso o la masa que llega a tener una propiedad o sistema.
Escala Fahrenheit
La escala Fahrenheit fue establecida por el físico holandés-alemán Gabriel Daniel Fahrenheit, en 1724. Aun cuando muchos países están usando ya la escala Celsius, la escala Fahrenheit es ampliamente usada en los Estados Unidos. Esta escala divide la diferencia entre los puntos de fusión y de ebullición del agua en 180 intervalos iguales. Las temperaturas en la escala Fahrenheit son conocidas como grados Fahrenheit (ºF).
Escala de Kelvin
La escala de Kelvin lleva el nombre de William Thompson Kelvin, un físico británico que la diseñó en 1848. Prolonga la escala Celsius hasta el cero absoluto, una temperatura hipotética caracterizada por una ausencia completa de energía calórica. Las temperaturas en esta escala son llamadas Kelvin (K).
Escala Rankine
Rankine es una escala termodinámica, es decir, el cero absoluto es igual a cero. Los grados de Rankine, sin embargo, son iguales en tamaño a los de la escala Fahrenheit. Se utiliza principalmente en la ingeniería; la escala fue nombrada en honor al ingeniero y físico William John Macquorn Rankine. La escala por lo general se indica con un símbolo de grados y la letra “R” después del valor numérico. La escala tiene un punto de ebullición del agua de 671,67 R y un punto de congelación del agua de 491,67 R. Para convertir de grados Fahrenheit a Rankine, es necesario sumar 459,67 al valor Fahrenheit. Ese mismo número debe ser restado de un valor de Rankine para convertir a Fahrenheit. Para convertir de grados Kelvin a Rankine es necesario multiplicar el valor Kelvin por 9/5 o 1,8. El valor de Rankine se divide por ese valor para convertirlo en Kelvin.
1.6 El principio de conservación de la masa.
La ley de conservación de la masa, ley de conservación de la materia o ley de Lomonósov-Lavoisier es una de ley fundamental de las ciencias naturales. Fue elaborada independientemente por Mijaíl Lomonósov en 1748 y descubierta unos años después por Antoine Lavoisier en 1785. En un sistema aislado, durante toda reacción química ordinaria, la masa total en el sistema permanece constante, es decir, la masa consumida de los reactivos es igual a la masa de los productos obtenidos.} Reacción química en la cual una molécula de metano y dos moléculas de oxígeno reaccionan por combustión y se producen dos moléculas de agua y una de dióxido de carbono. Antes y después de la reacción el número de átomos de oxígeno (4), hidrógeno (4) y carbono (1) es el mismo. Por lo tanto la masa total de los reactivos, la suma de la masa de todos los átomos, es igual a la masa total de los productos. Esta ley es fundamental para una adecuada comprensión de la química. El principio es bastante preciso para reacciones de baja energía. En el caso de reacciones nucleares o colisiones entre partículas en altas energías, en las que definición clásica de masa no aplica, hay que tener en cuenta la equivalencia entre masa y energía.
Energía radiante.
La Energía radiante es la que poseen las ondas electromagnéticas como la luz visible, las ondas de radio, los rayos ultravioleta (UV), los rayos infrarrojo (IR), etc. La característica principal de esta energía es que se puede propagar en el vacío, sin necesidad de soporte material alguno. Ej.: La energía que proporciona el Sol y que nos llega a la Tierra en forma de luz y calor.
Energía química.
La Energía química es la que se produce en las reacciones químicas. Una pila o una batería poseen este tipo de energía. Ej.: La que posee el carbón y que se manifiesta al quemarlo. Combustión de butano.
Energía nuclear.
La Energía nuclear es la energía almacenada en el núcleo de los átomos y que se libera en las reacciones nucleares de fisión y de fusión, ej.: la energía del uranio, que se manifiesta en los reactores nucleares. Energía nuclear controlada en una central nuclear. Energía nuclear incontrolada en una bomba atómica.
La combustión.
Por combustión se entiende el proceso mediante el cual se produce la quema de cualquier sustancia, ya sea gaseosa, líquido o sólida. En este proceso, el combustible se oxida y desprende calor, y, con frecuencia, luz. El oxidante no es oxígeno necesariamente, ya que puede ser parte de un compuesto químico, como ácido nítrico, HNO3, o perclorato de amonio, NH4ClO4, y puede quemarse nuevamente durante una serie de pasos químicos complejos. Este oxidante puede también ser un material que no contenga oxígeno, como el flúor. Éste se combina con el hidrógeno combustible, que libera luz y calor. El oxígeno tiene la capacidad de combinarse con diversos elementos para producir óxidos. En definitiva, la oxidación es la combinación del oxígeno con otra sustancia. Existen oxidaciones que son sumamente lentas, como por ejemplo la del hierro. Cuando la oxidación es rápida se llama combustión. La combustión se refiere a las reacciones químicas que se establecen entre cualquier compuesto y el oxígeno. A esto también se le llama reacciones de oxidación. De este tipo de proceso se desprenden energía lumínica y calórica y se llevan a cabo rápidamente. Cabe destacar que los organismos vivientes, para producir energía, utilizan una combustión controlada de los azúcares. El material que arde, como el queroseno, es el combustible y el que hace arder, como el oxígeno, se llama comburente.
Turbinas y otros convertidores.
Una turbina es un dispositivo que genera potencia mecánica en rotación a partir de la energía de una corriente de fluido. Esa energía, que originalmente es de carga o presión, se convierte en energía de velocidad al pasar por un sistema de aspas estacionario y movible en la turbina. Así se hacen cambios en la magnitud y dirección de la velocidad del fluido para ocasionar fuerzas tangenciales sobre las aspas rotatorias y producir potencia mecánica con la rotación del motor. En las turbinas, se efectúa la conversión de la energía del fluido en mecánica con los principios de impulsión, reacción o una combinación de los dos. Los fluidos de empleo más comunes en las turbinas son el vapor, el aire caliente, los gases de combustión y agua. El vapor producido en calderas que queman combustibles fósiles o en reactores nucleares es lo que más se utiliza en turbinas de generación de electricidad, propulsión de buques e impulsiones mecánicas. La turbina de gas tiene tales empleos además de la propulsión de aeronaves mientras que las turbinas hidráulicas son utilizadas para generar electricidad.
Ciclos termodinámicos.
En los procesos termodinámicos, las máquinas o motores térmicos convierten energía térmica en energía mecánica o viceversa. Según la teoría termodinámica, ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia superior a la del proceso reversible de Carnot, denominado también ciclo de Carnot. Una serie de ciclos termodinámicos se han implementado en la práctica: El ciclo Bryton, que consiste en turbinas de vapor y motores de reacción. El ciclo Otto, ampliamente utilizado en el sector de la automoción. El ciclo Diesel, muy utilizado en navegación marítima, ferrocarriles y automóviles.
