Principios Fundamentales de la Termodinámica y Procesos Industriales

Primer Principio de la Termodinámica

El primer principio de la termodinámica se basa en la conservación de la energía. Es de carácter cuantitativo y se relaciona con el calor y el trabajo mecánico.

Definiciones de Sistemas

• Sistema Aislado: Aquel que no intercambia energía con su entorno fuera de sus límites.
• Sistema Cerrado: La masa se mantiene constante durante los cambios que ocurren en él; la masa no cruza la superficie de separación con el medio exterior.
• Sistema Abierto: La masa cruza la superficie límite. Se puede distinguir el sistema abierto con movimiento permanente o estacionario.

Tipos de Transformaciones (Procesos)

• Transformación Virtual: Cualquier proceso compatible con las relaciones de dependencia existentes entre sus parámetros.
• Transformación Real: Aquella que se ejecuta; debe ser compatible con una transformación virtual.
• Transformación Abierta: Tiene su estado final distinto del inicial.
• Transformación Cerrada: Cuando su estado final es igual al inicial.
• Transformación Reversible: Aquella que puede realizarse en el sentido inverso. Al finalizar el proceso, el sistema y el medio exterior deben hallarse en el mismo estado que al principio. Es la más perfecta y la que mejor aprovecha la energía.
• Transformación Irreversible: No cumple con la condición de reversibilidad.

Movimiento Permanente o Estacionario

Se refiere al gasto de la masa que circula por el sistema en la unidad de tiempo. Su principal característica es que el valor permanece constante, por lo tanto, la energía existente es constante, lo que significa que la energía que se aporta al sistema es igual a la que sale.

Procesos Termodinámicos Específicos

• Transformación Isócora: El volumen (V) permanece constante durante la transformación. La relación es p1/p2 = t1/t2.
• Transformación Isóbarica: La presión (p) permanece constante durante la transformación. La relación es V1/V2 = v1/v2 = t1/t2.
• Transformación Isotérmica: La temperatura (t) permanece constante durante la transformación. La relación es p1 x v1 = p2 x v2.
• Transformación Adiabática: El fluido no intercambia calor con el medio exterior. La relación es t2/t1 = (v1/v2)^(k-1) = (p2/p1)^((k-1)/k).
• Transformación Politrópica: Se mantiene el calor específico del sistema constante durante la transformación. La relación es t2/t1 = (v1/v2)^(n-1) = (p2/p1)^((n-1)/n).

Segundo Principio de la Termodinámica

El segundo principio de la termodinámica es cualitativo y se refiere a la facilidad de la conversión de trabajo en calor y viceversa. Es más fácil convertir trabajo en calor que calor en trabajo.

Rendimiento Térmico

Se llama así a la relación que existe entre el equivalente térmico del trabajo realizado por el fluido que evoluciona y la cantidad de calor suministrado.

Enunciados del Segundo Principio

• Carnot: Para poder obtener trabajo mecánico del calor, es necesario contar con dos fuentes de calor, una fría y otra caliente.
• Clausius: Es imposible transportar directa o indirectamente el calor de un cuerpo frío a uno caliente, a menos que haya al mismo tiempo destrucción de trabajo o transporte de calor de un cuerpo caliente a uno frío.
• Thomson: Es imposible obtener trabajo mecánico con la ayuda de un sistema de cuerpos por enfriamiento de una parte de ellos a una temperatura inferior a la del cuerpo más frío, y sin otros cambios.
• Planck: Es imposible construir una máquina de funcionamiento periódico que no haga más que levantar un peso y enfriar una fuente de calor.

Ciclo de Carnot

Carnot concibió un ciclo ideal no reversible, construido por dos transformaciones adiabáticas y dos isotérmicas reversibles:

• AB: Expansión isotérmica, en la cual el trabajo (L) se realiza tomando calor de una fuente caliente a una temperatura T1.
• BC: Expansión adiabática, en la cual el trabajo de expansión se efectúa produciendo una caída de la temperatura a T2.
• CD: Compresión, el fluido cede calor (q2) a una fuente fría, cuya temperatura es T2.
• DA: Compresión adiabática, elevando la temperatura a T1.

Entropía

La entropía es la magnitud termodinámica que indica el grado de desorden molecular de un sistema.