Fundamentos Esenciales de Termodinámica: Conceptos Clave y Aplicaciones Prácticas

Principios Fundamentales de la Termodinámica

Segunda Ley de la Termodinámica

La Segunda Ley de la Termodinámica establece que la energía tiene calidad y los procesos ocurren en una dirección específica, tendiendo a aumentar la entropía total del universo.

Depósitos de Energía Térmica

• Un Depósito de Energía Térmica es un cuerpo hipotético que puede absorber o suministrar calor sin experimentar cambios significativos de temperatura.
• Un Sumidero es un depósito que absorbe calor.
• Una Fuente es un depósito que suministra calor.

Máquinas Térmicas y Eficiencia

Una Máquina Térmica es un dispositivo que convierte la energía térmica en otra forma de energía (generalmente trabajo mecánico). Su funcionamiento se describe en un ciclo que implica:

1. Recibir calor de una fuente.
2. Convertir parte de ese calor en trabajo.
3. Rechazar el calor restante hacia un sumidero.
4. Operar en un ciclo continuo.

Principios de Kelvin-Planck y Clausius

• Principio de Kelvin-Planck: Ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia térmica del 100%. Es imposible construir una máquina que opere en un ciclo y cuyo único efecto sea la absorción de calor de una única fuente y la producción de una cantidad equivalente de trabajo.
• Principio de Clausius: No es posible proceso alguno cuyo único resultado sea la transferencia de calor desde un cuerpo frío a otro caliente sin la intervención de trabajo externo.

La Eficiencia Térmica es la medida del desempeño de una máquina térmica, indicando qué tan efectivamente convierte el calor en trabajo útil.

Dispositivos Termodinámicos Comunes

Refrigeradores y Bombas de Calor

Un Refrigerador es un dispositivo diseñado para transferir calor desde un medio de baja temperatura a uno de alta temperatura. Su ciclo de operación típico incluye:

1. Aumento de presión y temperatura.
2. Disminución de temperatura.
3. Disminución de presión y temperatura.
4. Aumento de temperatura.

Una Bomba de Calor es un dispositivo que mantiene un espacio caliente, operando bajo el mismo ciclo de refrigeración, pero con el objetivo principal de transferir calor al espacio a calentar.

Procesos Termodinámicos

Procesos Reversibles e Irreversibles

• Un Proceso Reversible es aquel que puede revertirse sin dejar rastro en los alrededores ni en el sistema.
• Un Proceso Irreversible es aquel que no puede revertirse completamente sin dejar cambios en el sistema o sus alrededores. Los factores que causan irreversibilidad incluyen:
  • Fricción.
  • Expansión no restringida de un gas.
  • Transferencia de calor debido a una diferencia finita de temperatura.
• Un proceso es Internamente Reversible si no hay irreversibilidades dentro de las fronteras del sistema.
• Un proceso es Externamente Reversible si no hay irreversibilidades fuera de las fronteras del sistema.
• Un proceso es Totalmente Reversible si no hay irreversibilidades ni dentro ni fuera del sistema.

Ciclo de Carnot

El Ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico ideal y reversible que consta de cuatro procesos:

1. Expansión isotérmica reversible.
2. Expansión adiabática reversible.
3. Compresión isotérmica reversible.
4. Compresión adiabática reversible.

El Principio de Carnot establece que las eficiencias de todas las máquinas térmicas reversibles que operan entre los mismos dos depósitos de temperatura son iguales, y ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia mayor que una máquina de Carnot que opere entre los mismos dos depósitos.

Propiedades y Sustancias

Formas de Trabajo Mecánico

Una forma común de trabajo mecánico en termodinámica es aquella que está relacionada con la expansión o compresión de un gas en un dispositivo de cilindro-émbolo.

Calor Específico (Cp)

El Calor Específico (Cp) es la energía requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia a presión constante.

Sistemas Termodinámicos

• Un Sistema Abierto es una región en el espacio (también conocida como volumen de control) donde la masa puede cruzar sus fronteras.
• Una Superficie de Control es la frontera de un sistema abierto.

Flujos

• El Flujo Volumétrico es la magnitud que indica el volumen del fluido que pasa por una superficie en un tiempo determinado.
• El Flujo Másico es la magnitud que indica la variación de la masa con el tiempo.
• Un Flujo No Estacionario (o transitorio) es un proceso en el que ocurren cambios dentro del volumen de control con el tiempo.

Ecuaciones de Estado y Gases Ideales

• Las Ecuaciones de Estado son relaciones matemáticas que vinculan las propiedades de una sustancia (presión, volumen, temperatura).
• Un Gas Ideal es un modelo teórico compuesto por partículas puntuales que se mueven de modo aleatorio y no interactúan entre sí, excepto por colisiones elásticas.
• El Factor de Compresibilidad (Z) es un factor que compensa la falta de idealidad de un gas real, ajustando la ecuación del gas ideal.

Otras ecuaciones de estado para gases reales incluyen: Van der Waals, Berthelot, Bridgeman, Peng-Robinson, Virial.

Sustancias Puras y Calor Latente

• Una Sustancia Pura es una mezcla de un solo elemento o compuesto químico, o una mezcla de varios elementos o compuestos que tienen una composición química uniforme e invariable.
• El Calor Latente es la cantidad de energía absorbida o liberada durante el proceso de cambio de fase de una sustancia.
• El Calor Latente de Fusión es la cantidad de energía absorbida durante la fusión (o liberada durante la congelación).
• El Calor Latente de Vaporización es la cantidad de energía absorbida durante la evaporación (o liberada durante la condensación).