Sistemas Termodinámicos: Propiedades, Estados y Procesos

Sistema Termodinámico

Un sistema termodinámico es todo aquello que está rodeado por un límite real o imaginario y, es posible estudiarlo a través de las leyes de la termodinámica. Existen dos grandes grupos de sistemas termodinámicos:

Sistemas Cerrados

Estáticos o NO fluentes.

Sistemas Abiertos

Dinámicos o fluentes.

Sistemas Cerrados

Son aquellos que tiene la capacidad de intercambiar calor y/o trabajo con sus alrededores.

Sistemas Abiertos

Son aquellos que, además de intercambiar calor y/o trabajo con sus alrededores, tienen la capacidad de intercambiar masa.

Ejemplos típicos de sistemas abiertos son:

• Tuberías desplazando algún fluido.
• Turbocompresores.
• Bombas y compresores.
• Intercambiadores de calor y radiadores (Fig. 1.4).
• Evaporadores y condensadores.

Propiedades, Estado, Procesos y Ciclo

Para describir un sistema y predecir su comportamiento es necesario conocer un conjunto de propiedades (o variables) y cómo se relacionan entre sí. Las propiedades son características macroscópicas de un sistema, tales como: masa, volumen, energía, presión y temperatura. A estas propiedades se les pueden asignar valores numéricos en un instante dado sin un conocimiento previo de la historia del sistema. La termodinámica también trata con magnitudes que no son propiedades, tales como el flujo de masa y la transferencia de energía por trabajo y calor.

Propiedades Extensivas e Intensivas

Las propiedades termodinámicas pueden clasificarse en dos categorías generales: extensivas e intensivas. Una propiedad se llama extensiva si su valor para un sistema es la suma de los valores correspondientes a las partes en que se subdividan. La masa, el volumen, la energía y otras propiedades son propiedades extensivas y dependen, por tanto, del tamaño o extensión de un sistema. Las propiedades extensivas pueden cambiar con el tiempo y muchos análisis termodinámicos consisten fundamentalmente en un balance cuidadoso de los cambios en propiedades extensivas tales como la masa y la energía cuando el sistema interacciona con su entorno.

Las propiedades intensivas no son aditivas en el sentido señalado previamente. Sus valores son independientes del tamaño o extensión de un sistema y pueden variar de un sitio a otro dentro del sistema en un instante dado. Así, las propiedades intensivas pueden ser función de la posición y del tiempo mientras que las propiedades extensivas varían fundamentalmente con el tiempo. El volumen específico, la presión y la temperatura son propiedades intensivas.

Estado

El término estado expresa la condición de un sistema definida por el conjunto de sus propiedades. Puesto que normalmente existen relaciones entre dichas propiedades, el estado puede especificarse, a menudo, suministrando los valores de un subconjunto de las mismas. Todas las demás pueden determinarse a partir de estas pocas.

Procesos

Es un término asociado exclusivamente a la trayectoria que sigue un sistema, cuando éste cambia de estado. Pero existen infinitas trayectorias o caminos, lo cual involucra la posibilidad de infinitos procesos.

• Proceso Isovolumétrico ? Proceso a volumen constante.
• Proceso Isobárico ? Proceso a presión constante.
• Proceso Isotérmico ? Proceso a temperatura constante.
• Proceso Adiabático ? Proceso sin transferencia de calor.

Ciclo

Un ciclo termodinámico es una secuencia de procesos que empieza y termina en el mismo estado. Al final de un ciclo todas las propiedades tienen los mismos valores que tenían al principio. En consecuencia, el sistema no experimenta cambio de estado alguno al finalizar el ciclo. Los ciclos que se repiten periódicamente juegan un papel prominente en muchas áreas de interés. Por ejemplo, el vapor que circula a través de una planta de generación de electricidad recorre un ciclo.

Presión y Temperatura

Presión

El concepto de presión se introduce desde el punto de vista continuo. Comencemos considerando un área pequeña A que contiene un punto de un fluido en reposo. En un lado del área el fluido ejerce una fuerza compresiva sobre ella que es normal a dicha área, FNORMAL. Una fuerza igual pero de sentido opuesto se ejerce por el fluido sobre la otra cara del área. Para un fluido en reposo no hay otras fuerzas que las mencionadas actuando sobre el área. La presión P de fluido queda definida por la siguiente expresión:

Temperatura

En esta sección se estudia la propiedad intensiva temperatura junto con los medios para medirla. El concepto de temperatura se origina con la percepción de nuestros sentidos. Dicho concepto se basa en la noción de calidez o frialdad de un cuerpo. Utilizamos nuestros sentidos del tacto para distinguir los cuerpos calientes de los fríos. Sin embargo, por sensible que el cuerpo humano pueda ser, somos incapaces de medir con precisión esta cualidad. Es decir, deben diseñarse termómetros y escalas de temperatura para poder medirla.