Fundamentos de la Termodinámica Industrial: Definiciones y Propiedades Clave

Conceptos Fundamentales de Termodinámica

Termodinámica

Disciplina que estudia la energía y sus transformaciones, así como las propiedades que se involucran en dichos procesos.

Energía y Transferencia Térmica

• Energía: Capacidad para realizar un efecto o un cambio.
• Calor: Es la energía transferida debido a una diferencia de temperaturas. Si no existe una diferencia de temperatura, no hay transferencia de calor.
• Temperatura: Es una propiedad de los sistemas que mide la intensidad de la energía térmica (calor) contenida en ellos.

Sistemas y Entorno

• Sistema: Porción del universo que se selecciona para ser analizada.
• Sistema Abierto: Es aquel que permite el intercambio o interacción de materia y energía con el medio que lo rodea (el ambiente).
• Sistema Cerrado: Permite el intercambio solo de energía con el medio ambiente, pero no de materia.
• Sistema Aislado: No intercambia ni materia ni energía con el medio ambiente.
• Ambiente (o Entorno): Todo lo que es ajeno al sistema.
• Frontera o Límite: Elemento (hipotético o real) que separa el sistema del ambiente. Puede ser:
  • Fija: (Ej. Las paredes de un recipiente).
  • Móvil: (Ej. Un émbolo o pistón de un motor de explosión).

Propiedades Termodinámicas y Estado

• Propiedades Termodinámicas: Características particulares que describen el estado del sistema (ej. presión, temperatura, densidad, volumen).
• Propiedad Intensiva: Su valor no depende de la masa del sistema (ej. temperatura, presión).
• Propiedad Extensiva: Su valor depende de la masa del sistema (ej. volumen, velocidad).
• Estado Termodinámico: Conjunto de valores de las propiedades que definen el sistema en un momento dado.
• Postulado de Estado: Principio que establece que un sistema es incapaz de generar un cambio en sus propiedades por sí mismo si las condiciones impuestas por el ambiente permanecen constantes.

Procesos y Ciclos

• Proceso Termodinámico: Se refiere a un cambio o transición de un estado termodinámico a otro diferente.
• Proceso Reversible: Proceso que se puede invertir sin dejar ningún rastro o efecto neto en los alrededores.
• Proceso Irreversible: Proceso que no puede ser invertido completamente. Los factores que lo causan se denominan irreversibilidades (ej. fricción).
• Trayectoria: Es el camino o secuencia de estados por el que pasa un sistema durante un proceso termodinámico.
• Ciclo: Ocurre cuando un sistema pasa a través de varios procesos y regresa a su estado inicial.
• Ciclo Mecánico (Abierto): Empieza en un estado y termina en uno diferente (ej. el combustible en un motor de explosión).
• Ciclo Termodinámico (Cerrado): Empieza en un estado y regresa exactamente al mismo estado inicial (ej. el agua en una central térmica).

Ley Cero y Escalas de Temperatura

Ley Cero de la Termodinámica: Si dos cuerpos o dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, los tres están en equilibrio entre sí.

En palabras simples, este principio establece que si se pone un objeto con cierta temperatura en contacto con otro a una temperatura distinta, ambos intercambian calor hasta que sus temperaturas se igualan, permitiendo la definición de temperatura.

• Escalas Relativas: Tienen una referencia arbitraria o basada en un convenio (ej. Celsius, Fahrenheit).
• Escalas Absolutas: Tienen una referencia única basada en el cero absoluto (ej. Kelvin, Rankine).

Presión y Propiedades Volumétricas

Presión

Efecto de una fuerza actuando sobre una superficie. Su clasificación es:

• Presión Atmosférica (P_atm o Barométrica): Presión ejercida por los gases (aire) libres sobre la superficie de la Tierra.
• Presión Manométrica (P_man): Es la presión relativa que se mide en recipientes cerrados, referenciada a la presión atmosférica.
• Presión Absoluta (P_abs): Es la presión real a la que están sometidos los sistemas y es la utilizada para fines de ingeniería.

Densidad

Propiedad intrínseca que permite medir la ligereza o pesadez de una sustancia. Se define como masa por unidad de volumen. Generalmente, al aumentar la temperatura, la densidad disminuye.

Viscosidad

Medida de la resistencia interna que poseen los fluidos (líquidos o gases) a fluir y deformarse. Al someter el líquido al calor, la viscosidad disminuye, permitiendo que se desplace con mayor rapidez.

Volumen Específico

Propiedad intensiva característica. Se define como la relación entre el volumen ocupado por una determinada cantidad de materia; en otras palabras, es el recíproco de la densidad.

Nota: Si la temperatura aumenta, los sólidos y los líquidos se dilatan. Si la temperatura disminuye, los sólidos y los líquidos se contraen.

Peso Específico

Es la relación existente entre el peso y el volumen de una sustancia (sólida, líquida o gaseosa).