Conceptos Fundamentales de Termodinámica: Energía, Calor y Flujo

Dimensiones y Unidades

Cualquier cantidad física se caracteriza por dimensiones y se le asignan unidades.

Sistemas Termodinámicos

• Sistema Cerrado: La energía puede cruzar la frontera, pero la cantidad de masa es fija y ninguna otra puede cruzar la frontera. El volumen puede variar.
• Sistema Aislado: Un caso especial de sistema cerrado donde ni la masa ni la energía cruzan la frontera.

Superficie de Control

Superficie de Control: Fronteras del volumen de control, que pueden ser reales o imaginarias.

Propiedades Termodinámicas

• Propiedades Intensivas: Independientes de la masa.
• Propiedades Extensivas: Dependen del tamaño o extensión del sistema.
• Estado del Sistema: Se determina por dos propiedades intensivas independientes.

Estado Estacionario y Flujo Estacionario

• Estado Estacionario: No hay cambio con el tiempo. Si un equipo está en las mismas condiciones durante mucho tiempo, se considera estacionario.
• Proceso de Flujo Estacionario: Las propiedades del fluido dentro de un volumen de control pueden cambiar de posición, pero no con el tiempo.

Escalas de Temperatura

Relaciones entre las diferentes escalas de temperatura:

• T(K) = T(°C) + 273
• T(R) = T(°F) + 459.67
• T(R) = 1.8 * T(K)
• T(°F) = 1.8 * T(°C) + 32

Tipos de Energía

• Energía Sensible: Energía interna de un sistema relacionada con la energía cinética.
• Energía Latente: Energía interna relacionada con la fase del sistema.
• Energía Térmica: Suma de la energía sensible y la energía latente.
• Energía Interna: Suma de todas las formas de energía microscópica de un sistema.

Transferencia de Energía

La energía puede cruzar las fronteras de un sistema cerrado en forma de calor o trabajo. A mayor diferencia de temperatura, mayor tasa de transferencia de calor.

• Q_in - W_out > 0
• Q_out - W_in < 0

Calor y trabajo son fenómenos de frontera y se relacionan con un proceso, no con un estado. Son funciones de trayectoria.

Flujo de Masa y Energía en un Volumen de Control

La cantidad de energía en un volumen de control cambia con el flujo de masa y con las interacciones de calor (Q) y trabajo (W).

Sustancias Puras y Cambios de Fase

• Sustancia Pura: Sustancia que tiene una composición química homogénea (el aire se considera una sustancia pura, pero una mezcla de aire líquido y aire gaseoso no).
• Líquido Subenfriado: No está a punto de evaporarse.
• Líquido Saturado: Está a punto de evaporarse.
• Vapor Saturado: Vapor a punto de condensarse.
• Vapor Sobrecalentado: Vapor que no está a punto de condensarse.

Si se calienta agua y pasa por todos los tipos de sustancia, y después se enfría, la cantidad de calor liberado es igual al calor suministrado.

La temperatura de evaporación (comienzo de la ebullición) del agua depende de la presión. A mayor presión, hierve a mayor temperatura.

Calor Latente

• Calor Latente: Cantidad de energía absorbida o liberada durante un cambio de fase.
• Calor Latente de Fusión: Cantidad de energía absorbida durante la fusión (misma cantidad de energía liberada durante la congelación).
• Calor Latente de Evaporación: Cantidad de energía absorbida durante la evaporación (igual a la energía liberada durante la condensación).
• El calor latente depende de la presión o temperatura a la que ocurre el cambio de fase.

Valores Promedio en la Región Líquido-Vapor

Volumen específico promedio: V_prom = V_f + x * (V_g - V_f), donde 'x' es la calidad del vapor.

Gases Ideales y Reales

Los gases reales se comportan como ideales a bajas densidades.

Trabajo de Frontera

El área bajo la curva de un proceso en un diagrama P-V representa el trabajo de frontera. Este trabajo depende de la trayectoria y de los estados inicial y final.

Balance de Energía

Q - W = ΔE

Q = Q_in - Q_out

W = W_out - W_in

Para un proceso a presión constante: ΔU + W = ΔH

Calor Específico

Calor Específico (C_p = C_v + R): Energía requerida para elevar un grado la temperatura de una unidad de masa. En sustancias incompresibles, C_p y C_v son idénticos y se denotan simplemente como C.

Relaciones:

• h₂ - h₁ = C_p * ΔT
• u₂ - u₁ = C_v * ΔT
• h = u + PV = u + RT
• Relación de calores específicos (k): k = C_p / C_v
• k para gases diatómicos ≈ 1.4
• k para gases monoatómicos ≈ 1.667

Conservación de la Masa

La masa se conserva durante las reacciones químicas y no se crea ni se destruye durante un proceso.

• m_in - m_out = Δm_vc
• ρ₁ * V₁ * A₁ = ρ₂ * V₂ * A₂ (donde ρ es densidad, V es velocidad y A es área)

En flujo estacionario, la masa no cambia con el tiempo. Si el fluido es incompresible, la densidad (ρ) es constante, pero el flujo volumétrico no se conserva necesariamente. Sin embargo, el flujo másico sí se conserva. En un volumen de control, la masa, la energía y las propiedades del fluido en la entrada y la salida son constantes.

Dispositivos de Flujo Estacionario

• Válvula de Estrangulamiento: Restringe el flujo causando una caída de presión. La temperatura de un gas ideal no cambia en este proceso (h = constante, pero no U_int).
• Turbina: Dispositivo que produce trabajo a partir de la expansión de un fluido, aumentando su presión.