Conceptos Fundamentales de Termodinámica: Sustancias Puras, Entalpía y Gases

Sustancias Puras

Una sustancia que tiene una composición química fija en cualquier parte se llama sustancia pura. No tiene que estar conformada por un solo elemento o compuesto químico. Una mezcla de varios de éstos también puede ser una sustancia pura siempre y cuando la mezcla sea homogénea. Una mezcla de dos o más fases de una sustancia pura se sigue considerando una sustancia pura siempre que la composición química de las fases sea la misma.

Entalpía y su Relación con la Energía Interna

Entalpía: Indica la cantidad de energía calorífica que tiene una sustancia en el sistema. Es una propiedad derivada que depende de P, V, U.

Relación entre la entalpía y la energía interna: La entalpía es una propiedad derivada que indica la cantidad de energía calorífica que tiene una sustancia en el sistema, mientras que la energía interna es la sumatoria de todas las formas de energías a nivel microscópico que interactúan dentro del sistema.

Calor Latente y Calor Específico

Calor latente: Es la cantidad de energía que absorbe o libera una sustancia durante un proceso de cambio de fase. Se determina con la fórmula: h_fg = h_g - h_f

Calor específico: Es la cantidad de energía necesaria para elevar un gramo a un grado de temperatura. Su unidad es c = kJ/kg·K

Diferencia entre el calor latente y el calor específico:

• El calor latente se relaciona con la energía involucrada en los cambios de fase, mientras que el calor específico se relaciona con la energía necesaria para cambiar la temperatura de una sustancia sin cambiar su fase.

Diagramas de Cambio de Estado

Características del diagrama de cambio de estado, Pv o Tv:

• Representan las relaciones entre presión, volumen y temperatura durante los cambios de fase.
• Permiten visualizar las regiones de sólido, líquido, vapor y mezcla bifásica.
• Son útiles para determinar las propiedades termodinámicas de una sustancia en diferentes estados.

Título de Vapor

Título de vapor: Proporción de vapor existente en la zona de mezcla bifásica.

Relación entre Cp y Cv en Líquidos Incompresibles

Cp = Cv = C; ya que el volumen se mantiene constante; Cv = Du/Dt y Cp= Dh/Dt

Sistema Isotérmico y Adiabático

¿Puede un sistema isotérmico ser adiabático? No se puede, ya que el hecho de que la temperatura se mantenga constante no significa que la presión lo sea y que no haya transferencia de calor entre el sistema y el entorno.

Isoterma e Isobara

Isoterma: Es una transformación termodinámica a temperatura constante, es decir, una variación del estado de un sistema físico durante el cual la temperatura del sistema no cambia con el tiempo.

Isobara: Indica que la presión se mantiene constante.

Relación entre Cv y Cp en Gases Ideales

Cp = Cv + R; donde R es la constante de los gases; dh(t)/Dt: Du(t)/dt + R

Factor de Compresibilidad de los Gases

Factor de compresibilidad (Z): Es un factor de corrección que se introduce en la ecuación de estado de los gases ideales para modelar el comportamiento de los gases reales.

Valores de Z para determinar si un gas es ideal o no:

• Z = 1: Gas ideal
• Z ≠ 1: Gas real

Diferencias entre Gases Reales e Ideales

Características que diferencian el comportamiento de un gas real e ideal:

• Las moléculas de los gases reales tienen volumen y experimentan fuerzas intermoleculares, mientras que las de los gases ideales se consideran puntuales y sin interacciones.
• Los gases reales se desvían del comportamiento ideal a altas presiones y bajas temperaturas.
• La ecuación de estado de los gases ideales (PV = nRT) no es precisa para los gases reales en todas las condiciones.

Título de Vapor en la Región de Mezcla Bifásica

Necesidad del título de vapor en la región de mezcla: En la región de mezcla bifásica líquido-vapor saturado, el título de vapor es necesario para determinar el porcentaje del fluido que se encuentra en estado de vapor. No se considera esta propiedad en otras regiones del diagrama de cambio de fase porque en la región de líquido el título es 0 y en la de vapor sobrecalentado es 1.

Depósito Adiabático con Resistencia Eléctrica

Un depósito que contiene un gas se encuentra herméticamente sellado en condición adiabática. La única interacción energética a través de la frontera consiste en una resistencia eléctrica bajo esta condición.

• Proporción en que aumenta la energía interna: La energía interna del gas aumentará en una proporción igual a la energía eléctrica suministrada por la resistencia.
• Efecto de la temperatura del sistema sobre la energía interna: Un aumento en la temperatura del sistema provocará un aumento en la energía interna del gas.

Similitudes entre Transferencia de Calor y Trabajo

Características de similitud entre los mecanismos de transferencia de energía en forma de calor y trabajo:

• Ambos son fenómenos de frontera, es decir, se reconocen en la frontera del sistema.
• Ambos son funciones de la trayectoria, es decir, su magnitud depende del proceso seguido.
• Ambos son formas de energía en tránsito.