Fundamentos de Termodinámica: Conceptos Clave y Primer Principio

Conceptos Fundamentales de Termodinámica

Termodinámica: Es una ciencia elaborada sobre hechos experimentales que estudia la relación entre el trabajo realizado y el calor que se intercambia en cualquier proceso físico, entre un cuerpo o sistema de cuerpos y el resto del universo que denominamos medio externo o alrededores del sistema.

Degradación de la Energía: Al hablar de consumo o degradación de energía, estamos indicando que tras cada transformación es cada vez menos útil; es decir, la energía se conserva cuantitativamente (ver número), pero no se conserva cualitativamente, es decir, que después de la transformación la energía se degrada en calidad.

Transformación de Energía: Un tipo de energía puede transformarse en otro diferente, y esa transformación se pone de manifiesto mediante la realización de un trabajo (W) o la liberación de calor. Por lo tanto, la medida del trabajo realizado y del calor permite valorar la cantidad de una clase de energía que se ha transformado en una clase diferente.

Trabajo (W): Se denomina al mecanismo para efectuar el transporte de energía a un cuerpo, aplicando una fuerza y provocando un desplazamiento. W = F * d. Su unidad es kgf*m.

Sistemas y Procesos Termodinámicos

Un sistema físico es una parte del universo que aislamos real o hipotéticamente para su estudio. El sistema y el medio externo están separados por una frontera cuyas características determinan el tipo de sistema. Según el intercambio que realizan con el medio externo, los sistemas se clasifican en tres tipos diferentes:

• Sistemas Abiertos: En estos sistemas, la frontera es permeable y existe intercambio de materia y energía con el medio externo (ver figura 1).
• Sistemas Cerrados: En este sistema no hay intercambio de materia, pero sí de energía (ver figura 2).
• Sistemas Aislados: En este sistema no hay intercambio de materia ni de energía con el medio externo. En esta situación, se dice que el sistema está en equilibrio termodinámico (ver figura 3).

Equilibrio Termodinámico

Equilibrio Termodinámico (Eqt): Ocurre cuando las variables intensivas que describen su estado no varían a lo largo del tiempo. Cuando un sistema no está aislado, el Eqt se define en relación con el medio externo. Cuando un sistema cerrado está en equilibrio, debe estar en equilibrio térmico y mecánico.

• Equilibrio Térmico: La temperatura del sistema es la misma que la del medio externo.
• Equilibrio Mecánico: La presión del sistema es la misma que la del medio externo.

Primer Principio de la Termodinámica

Primer Principio de la Termodinámica: Cualquiera sea la transformación que experimente un sistema, la cantidad de calor (∆Q) que el sistema recibe se invierte en parte en realizar un trabajo externo (W) y el resto es absorbido por el sistema para aumentar su energía interna (∆u).

Relación entre ∆u, Q y W: Cuando un sistema sufre un cambio físico o químico, este es acompañado por un cambio en su energía interna (∆u), que resulta de la variación de calor o de trabajo en el sistema (ver figura 4-a, b, c).

1. El sistema está inicialmente en equilibrio. No hay intercambio de energía.
2. El sistema interactúa con el entorno, se produce intercambio de calor, trabajo, o ambos simultáneamente.
3. El proceso ha terminado y se restablece el equilibrio.

Expansión del Sistema: El trabajo es positivo si se realiza sobre el entorno (W > 0).

Contracción del Sistema: El trabajo es negativo si se realiza sobre el sistema (W < 0).

La ∆u es proporcional a la masa, por lo que es una propiedad extensiva. La ∆u es una función de estado. El valor de esta función depende solo del estado inicial y final del sistema. El trabajo (W) no es una función de estado, ya que depende de la forma en que se realiza el proceso.

Joule: Demostró que la energía interna (∆u) de los gases depende de la temperatura.

Equilibrio de un Sistema y Ecuación de Estado

Equilibrio de un Sistema: Denominamos estado de equilibrio de un sistema cuando las variables macroscópicas (P, V y Temperatura) no cambian. El estado del sistema se representa por un punto en un diagrama gráfico de presión (P) en función del volumen (V). Podemos llevar al sistema desde un estado inicial a otro final a través de una sucesión de estados de equilibrio. Se denomina ecuación de estado a la relación entre (P), (V) y (Temperatura).

Transformaciones Termodinámicas Comunes

• Transformación Isocórica (Isométrica): Ver figura 5.
• Transformación Isobárica: Ver figura 6.
• Evolución Isotérmica: En esta evolución, la temperatura permanece constante y el gas pasa del estado 1 al estado 2, siguiendo una hipérbola. En esta condición, se le entrega calor al sistema y el gas se expande a medida que disminuye su presión (ver figura 7).