Tipos de Transformaciones Termodinámicas en Sistemas Gaseosos

Las transformaciones termodinámicas pueden realizarse en un sistema constituido por un gas o mezcla de gases. Según las características de la evolución, se clasifican en:

• Transformación a volumen constante: también llamada isométrica o isocórica.
• Transformación a presión constante: isobárica.
• Transformación a temperatura constante: isotérmica.
• Transformación adiabática: el sistema no intercambia calor con el medio. Los trabajos mecánicos se realizan a expensas de una disminución de energía interna. ΔQ = 0.
• Transformación politrópica: se efectúan manteniendo el calor específico del sistema constante.

Curvas de Expansión

Podemos considerar tres curvas de expansión partiendo del estado inicial de un fluido:

• Expansión isotérmica: representativa de la ley de Boyle-Mariotte, se realiza a temperatura constante, mientras disminuye la presión y aumenta el volumen. No hay variación de energía interna; el trabajo de expansión se efectúa absorbiendo calor del medio externo. (En la gráfica es la hipérbola MR).

  Q = U₂ - U₁ + W.L, --> Si U₂ = U₁     à   Q = A.W

• Expansión adiabática: se observa disminución de temperatura. La expansión se realiza a expensas de una disminución de energía interna (Curva MS de la gráfica).

  Q = U₂ - U₁ + A.W   Si  Q = 0 -->       U₂ - U₁ = -A.W

  Si   U₁ es mayor que U₂  à A.W (+)

• Expansión politrópica: entre ambas transformaciones (curva MR y MS) se realizan una serie de evoluciones intermedias llamadas politrópicas. En ellas, la caída de temperatura (o disminución de energía interna) es menor que la expansión adiabática. El trabajo de expansión se realiza, en parte, a expensas de la disminución de energía interna y, en parte, absorbiendo calor del medio.

  A.W = Q – (U₂ - U₁)

Transformación a Volumen Constante

Estas transformaciones reciben el nombre de isocoras, verificándose la ley de Charles y Gay-Lussac    P₁/P₂ = T₁/T₂.

Aplicando el primer principio para un gas real de un sistema cerrado:

dQ = C_v.dT + [A.p + (∂U/∂v)]dv

Y para un gas perfecto:

dQ = C_v.dT + A.p.dv

Para una transformación a volumen constante dv = 0, el fluido no recibe ni realiza trabajo, por lo tanto:

dQ_v = C_v.dT  tanto para un gas perfecto como real.

Integrando entre dos estados, inicial y final, se concluye que:

Q_v = C_v.(T₂ - T₁)

En las transformaciones a volumen constante, la cantidad de calor que recibe o cede el fluido se utiliza para variar su energía interna (es decir, su temperatura). Así, en la transformación MN, el gas posee mayor temperatura en N que en M, pues con un mismo volumen está sometido a mayor presión (ley de Gay-Lussac); entonces el fluido ha aumentado su energía interna y ha recibido calor del medio exterior (Q+).

Trabajo de Circulación

El trabajo de circulación vale:

L_c = -v(p₂ - p₁) = v(p₁ - p₂)

L_c < 0 cuando la presión aumenta P₂ > P₁ (MN)

Sistema Abierto sin Cambios Apreciables de Energía Cinética y Potencial

Q = i₂ – i₁ + A. v. (p₂ - p₁)