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Proceso Isentrópico

En termodinámica, un proceso isoentrópico (combinación de la palabra griega "iso" - igual - y "entropía") es aquel en el que la entropía del fluido que forma elsistema permanece constante.Según la segunda ley de la termodinámica, se puede decir que:

Donde δQ es la cantidad de energía que el sistema gana por calentamiento, Tes la temperatura del sistema, y dS es el cambio en la entropía. El símbolo deigualdad implicaría un proceso reversible. En un proceso isoentrópico reversibleno hay transferencia de energía calorífica, y por tanto el proceso es tambiénadiabático. En un proceso adiabático irreversible, la entropía se incrementará,de modo que es necesario eliminar el calor del sistema (medianterefrigeración) para mantener una entropía constante. Por lo tanto, un procesoisentrópico irreversible no es adiabático.

Para procesos reversibles, una transformación isoentrópica se realiza medianteel aislamiento térmico del sistema respecto a su entorno. (Proceso adiabático).La temperatura es la variable termodinámica conjugada de la entropía, demodo que el proceso conjugado será isotérmico, y el sistema estarátérmicamente conectado a un baño caliente de temperatura constante. Losprocesos isotérmicos no son isoentrópicos.

Proceso Isobárico

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Un proceso isobárico es un proceso termodinámico que ocurre a presiónconstante. En él, el calor transferido a presión constante está relacionado conel resto de variables mediante:

Donde:Q Calor transferido.U Energía Interna.P Presión.V Volumen.

En un diagrama P-V, un proceso isobárico aparece como una línea horizontal.

Gráfica Volumen vs Presión: en el proceso isobárico la presión es constante. El trabajo (W) es la integralde la presión respecto al volumen.

Proceso Isotérmico

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Se denomina proceso isotérmico o proceso isotermo al cambio de temperaturareversible en un sistema termodinámico, siendo dicho cambio de temperatura constante en todo el sistema. La compresión o expansión de un gas ideal encontacto permanente con un termostato es un ejemplo de proceso isotermo, ypuede llevarse a cabo colocando el gas en contacto térmico con otro sistemade capacidad calorífica muy grande y a la misma temperatura que el gas; este

otro sistema se conoce como foco caliente. De esta manera, el calor setransfiere muy lentamente, permitiendo que el gas se expanda realizandotrabajo. Como la energía interna de un gas ideal sólo depende de latemperatura y ésta permanece constante en la expansión isoterma, el calortomado del foco es igual al trabajo realizado por el gas: Q = W.

Una curva isoterma es una línea que sobre un diagrama representa los valoressucesivos de las diversas variables de un sistema en un proceso isotermo. Lasisotermas de un gas ideal en un diagrama P-V, llamado diagrama de Clapeyron,son hipérbolas equiláteras, cuya ecuación es P•V = constante.

Proceso Politrópico

Un proceso de expansión y compresión de gases donde la presión y el volumense relacionen, como sucede a menudo, mediante una ecuación de la forma:

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PV n = C

Donde n y C son constantes, se denomina proceso politrópico. Así pues, en unproceso de esta clase, el producto de la presión y la enésima potencia delvolumen es una constante. Dicho de otro modo: si P1 y V 1 son la presión y elvolumen en un estado del proceso, y P2 y V 2 son la presión y el volumen en otro

estado del proceso, entonces:

 

En un proceso politrópico tenemos pues que, al despejar, la presión viene dadapor:

P = CV  − n

Puesto que el trabajo de frontera realizado desde el comienzo de la expansión

o compresión hasta el estado final viene dado por

  Tenemos que el trabajo producido en un proceso politrópico se calculamediante

En el numerador, podemos tomar en el primer término yen el segundo término y así obtener:

Una formula sencilla que permite obtener el trabajo realizado en un proceso

politrópico para . Si n = 1, entonces:

.

Para el caso de un gas ideal, donde PV  = nRT , la fórmula del trabajo en unproceso politrópico se convierte en:

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Trabajo de Flujo

A diferencia de los sistemas cerrados, en los volúmenes de control hay flujomásico a través de sus fronteras y se requiere trabajo para introducirla osacarla del volumen de control. Este trabajo se conoce como trabajo de flujo oenergía de flujo, y se requiere para mantener un flujo continuo a través de unvolumen de control.

A fin de obtener una relación para el trabajo de flujo, considere un elemento defluido de volumen V. El fluido corriente arriba fuerza inmediatamente a esteelemento de fluido a entrar al volumen de control: por lo tanto, se puede

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considerar como un embolo imaginario. Es posible elegir de fluido losuficientemente pequeño para que tenga propiedades informes en todaspartes.Si la presión de fluido es P y el área de la sección transversal del elemento delfluido es A, la fuerza que aplica el embolo imaginario sobre el elemento defluido es:

F = PA

Para empujar todo el elemento de fluido en el volumen de control, esta fuerzadebe actuar a lo largo de una distancia L. Así, el trabajo realizado al empujar elelemento de fluido por la frontera (es decir, trabajo de flujo) es:

W = FL = PAL = PV = [kJ]

El trabajo de flujo por unidad de masa se obtiene al dividir ambos lados de estaecuación entre la masa del elemento del fluido:

W = PV = [kJ/kg]

La relación del trabajo de flujo es la misma si se empuja hacia adentro o haciafuera del volumen de control.

Trabajo de Resorte

 Todos sabemos que cuando se aplica una fuerza a un resorte, la longitud deeste cambia. Cuando esta longitud cambia en una cantidad diferencial dx bajola influencia de una fuerza F, en trabajo efectuado es:

W = F dx 

Para determinar el trabajo total del resorte es necesario conocer una relación

funcional entre F y x. Para resortes elásticos lineales, el desplazamiento x esproporcional a la fuerza aplicada. Es decir:

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F = kx = [kN]

Donde k es la constante de resorte y tiene las unidades kN/m. Eldesplazamiento x se mide a partir de la posición de reposo del resorte (esdecir, x=0 cuando F=0). Al sustituir las ecuaciones e integrar se obtiene:

W = 1/2 K(x 22 - x 12 ) = [kJ]

Donde x1 y x2 son los desplazamientos inicial y final del resorte,respectivamente, medidos a partir de la posición de reposo del resorte. Haymuchas otras formas de trabajo mecánico.

Trabajo Eléctrico

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Con medios eléctricos es posible realizar trabajo de modo más conveniente ymedirlo a su vez con más exactitud (el trabajo es realmente mecánico al final,pero intervienen en él fuerzas eléctricas). La figura muestra un dispositivo deeste tipo, completamente análogo al de la figura. Aquí el sistema A se compone

de un recipiente lleno de agua, un termómetro y una resistencia eléctrica. A laresistencia puede conectarse una batería de fem conocida V  mediante unosconductores lo suficientemente finos para mantener el sistema A térmicamenteaislado de la batería. La carga q que puede proporcionar la batería es suparámetro externo. Cuando la batería suministra una carga Dq que pasa através de la resistencia, el trabajo realizado por la batería sobre A en esteproceso es simplemente V Dq. La resistencia juega aquí un papelcompletamente análogo a la rueda de paletas del ejemplo anterior, de modoque ambos son simplemente aparatos adecuados sobre los que puederealizarse el trabajo.

Unidades de trabajo

La unidad de trabajo, y por consiguiente la unidad de energía, proviene delproducto de fuerza y distancia o de presión y volumen. La unidad SI de trabajoy energía es por lo tanto, el newton-metro, la cual se llama  joule (J). Esta es laúnica unidad de energía internacionalmente reconocida.

Trabajo Mecánico

El trabajo mecánico ocurre cuando una fuerza que actúa sobre el sistema lomueve a través de una distancia. Tal como en mecánica este trabajo se definepor la integral.

W = ò Fdl 

Donde F  es la componente de la fuerza que actúa en la dirección deldesplazamiento dl. En la forma diferencial esta ecuación se escribe:

dW = Fdl 

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Donde dW representa una cantidad diferencial de trabajo.

No es necesario que la fuerza F en realidad provoque el desplazamiento dl; sinembargo, debe ser una fuerza externa. La convención de signos usualestablece que el valor de W  es negativo cuando el trabajo se hace sobre elsistema y positivo cuando es hecho por éste.

En termodinámica, a menudo se encuentra trabajo efectuado por una fuerzadistribuida sobre un área, por ejemplo, por una presión P que actúa a través deun volumen V , como en el caso de una presión de fluido ejercida sobre unpistón. En esta situación, el trabajo diferencial se expresa másconvenientemente como

dW = PdV 

Donde P es la presión externa ejercida sobre el sistema. (Abbott y Bañes).

El trabajo mecánico se realiza a través del desplazamiento de una masa.

La figura muestra un sistema A formado por un recipiente llenode agua, un termómetro y una rueda de paletas. Este sistema

 puede interaccionar con el sistema más sencillo A' compuesto por un peso y la tierra que ejerce una fuerza gravitatoria conocida wsobre este peso. Los dos sistemas interaccionan puesto que el

  peso al caer hace que la rueda gire y agite el agua. Estainteracción es adiabática, ya que la única conexión entre los dossistemas es la cuerda, que sólo transmite una cantidad

despreciable de calor. El parámetro externo que describe elsistema A' es la distancia s del peso por debajo del nivel de la polea. Si el peso desciende una distancia Ds sin variación de

velocidad, la energía media del sistema A' se reduce en una cantidad wDs, que es la disminución de laenergía potencial del peso que resulta del trabajo realizado sobre él por la gravedad (el peso desciendenormalmente con velocidad constante, puesto que alcanza muy rápidamente su velocidad límite. Si lavelocidad del peso estuviese cambiando, la variación de la energía media de A' vendría dada por lavariación de la suma de las energías cinética y potencial del peso). Como el sistema combinado formado

 por A y A' está aislado, la energía media del sistema A debe aumentar entonces en el proceso en unacantidad wDs; es decir, el peso que cae, A', realiza un trabajo wDs sobre el sistema aisladoadiabáticamente, A.

Trabajo de Flecha

La transmisión de energía mediante un eje rotatorio es una práctica muycomún en la ingeniería. Con frecuencia el momento de torsión T aplicado al ejees constante, lo cual significa que la fuerza F aplicada también en constante.Para un determinado momento de torsión constante, el trabajo hecho duranten revoluciones se determina así: una fuerza F que actúa por medio de un brazode momento r genera un momento de torsión T.

T = Fr 

Esta fuerza actúa a lo largo de una distancia s, que se relaciona con el radio rmediante

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s = (2πr)n

El trabajo de flecha se determina a partir de:

W = Fs = (T/r)(2πrn) = (2πnT) = [kJ]

La potencia transmitida mediante la flecha es el trabajo de flecha por unidadde tiempo, que se puede expresar como:

W = 2πnT = [kW]

Donde n es el número de revoluciones por unidad de tiempo.

Sistemas Cerrados

Son los sistemas que no presentan intercambio con el medio ambiente que losrodea, pues son herméticos a cualquier influencia ambiental. Así, los sistemascerrados no reciben ninguna influencia del ambiente, y por otro lado tampocoinfluencian al ambiente. No reciben ningún recurso externo y nada producen laacepción exacta del término. Los autores han dado el nombre de sistemacerrado a aquellos sistemas cuyo comportamiento es totalmente determinísticoy programado y que operan con muy pequeño intercambio de materia yenergía con el medio ambiente.

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El término también es utilizado para los sistemas completamenteestructurados, donde los elementos y relaciones se combinan de una manerapeculiar y rígida produciendo una salida invariable. Son los llamados sistemasmecánicos, como las máquinas.

Ejemplos de sistemas cerrados: una olla a presión que no permita el escape de gases, en el laboratorio unreactor.

Sistemas Abiertos

Son los sistemas que presentan relaciones de intercambio con el ambiente, através de entradas y salidas. Los sistemas abiertos intercambian materia yenergía regularmente con el medio ambiente. Son eminentemente adaptativos,esto es, para sobrevivir deben reajustarse constantemente a las condicionesdel medio.

Mantienen un juego recíproco con las fuerzas del ambiente y la calidad de suestructura es óptima cuando el conjunto de elementos del sistema se organiza,

aproximándose a una operación adaptativa. La adaptabilidad es un continuoproceso de aprendizaje y de auto-organización. Los sistemas abiertos nopueden vivir aislados. Los sistemas cerrados-esto es, los sistemas que están

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aislados de su medio ambiente- cumplen el segundo principio de latermodinámica que dice que “una cierta cantidad, llamada entropía, tiende aaumentar a un máximo”.

La conclusión es que existe una “tendencia general de los eventos en lanaturaleza física en dirección a un estado de máximo desorden”. Sin embargo,

un sistema abierto “mantiene así mismo, un continuo flujo de entrada y salida,un mantenimiento y sustentación de los componentes, no estando a lo largo desu vida en un estado de equilibrio químico y termodinámico, obtenido a travésde un estado firme llamado homeostasis”. Los sistemas abiertos, por lo tanto,“evitan el aumento de la entropía y pueden desarrollarse en dirección a unestado decreciente orden y organización” (entropía negativa).

A través de la interacción ambiental, los sistemas abiertos” restauran su propiaenergía y raparan pérdidas en su propia organización”. El concepto de sistemaabierto puede ser aplicado a diversos niveles de enfoque: al nivel del individuo,al nivel del grupo, al nivel de la organización y al nivel de la sociedad, yendodesde un microsistema hasta un suprasistema en términos más amplios, va dela célula al universo.

Ejemplos de sistemas abiertos: El motor de un auto (necesita gasolina), latierra (necesita de la luz y calor del Sol), un vela quemando se. La mayoría delos sistemas son abiertos.

Energía Cinética

La energía cinética de un cuerpo es una energía que surge en el fenómeno delmovimiento. Está definida como el trabajo necesario para acelerar un cuerpode una masa dada desde el reposo hasta la velocidad que posee. Una vezconseguida esta energía durante la aceleración, el cuerpo mantiene su energíacinética salvo que cambie su rapidez. Para que el cuerpo regrese a su estadode reposo se requiere un trabajo negativo de la misma magnitud que suenergía cinética.

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Energía Latente

El calor de cambio de estado, es la energía requerida por una sustancia paracambiar de estado, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso(calor de vaporización). Al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido selibera la misma cantidad de energía.

Antiguamente se usaba la expresión calor latente para referirse al calor defusión o de vaporización. Latente en latín quiere decir escondido, y se llamabaasí porque, al no notarse un cambio de temperatura mientras se produce el

cambio de estado (a pesar de añadir calor), éste se quedaba escondido. La ideaproviene de la época en la que se creía que el calor era una sustancia fluidadenominada calórico. Por el contrario, el calor que se aplica cuando la

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sustancia no cambia de estado, aumenta la temperatura y se llama calor sensible.

Cuando se aplica calor al hielo, va ascendiendo su temperatura hasta que llegaa 0°C (temperatura de cambio de estado), a partir de entonces, aun cuando sele siga aplicando calor, la temperatura no cambia hasta que se haya fundido

del todo. Esto se debe a que el calor se emplea en la fusión del hielo.Una vez fundido el hielo la temperatura volverá a subir hasta llegar a 100 °C;desde ese momento se mantendrá estable hasta que se evapore toda el agua.Esta cualidad se utiliza en la cocina, en refrigeración, en bombas de calor y esel principio por el que el sudor enfría el cuerpo.

Calor latente de algunas sustancias: El agua tiene un calor de vaporización altoya que, para romper los puentes de hidrógeno que enlazan las moléculas, esnecesario suministrar mucha energía; también tiene un calor de fusión alto.

• Agua: de fusión: 333,9 kJ/kg (79,9 kcal/kg); de vaporización: 2253 kJ/kg(539 kcal/kg).

• Amoníaco: de fusión: 180 kcal/kg; de vaporización: 1369 kJ/kg (327kcal/kg).

Una de las ventajas del elevado calor de vaporización del agua es que permitea determinados organismos disminuir su temperatura corporal. Estarefrigeración es debida a que, para evaporarse, el agua de la piel (por ejemplo,el sudor) absorbe energía en forma de calor del cuerpo, lo que hace disminuirla temperatura superficial.

Energía Potencial Todo cuerpo que se ubicado a cierta altura del suelo posee energía potencial.

Esta afirmación se comprueba cuando un objeto cae al suelo, siendo capaz demover o deformar objetos que se encuentren a su paso. El movimiento odeformación será tanto mayor cuanto mayor sea al altura desde la cual cae elobjeto.

Otra forma de energía potencial es la que está almacenada en los alimentos,bajo la forma de energía química. Cuando estos alimentos son procesados por

nuestro organismo, liberan la energía que tenían almacenada.

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Para una misma altura, la energía del cuerpo dependerá de su masa. Estaenergía puede ser transferida de un cuerpo a otro y aparecer como energíacinética o de deformación. Sin embargo, mientras el cuerpo no descienda, laenergía no se manifiesta: es energía potencial.

 Todos los cuerpos tienen energía potencial que será tanto mayor cuanto mayor

sea su altura. Como la existencia de esta energía potencial se debe a lagravitación (fuerza de gravedad), su nombre más completo es energíapotencial gravitatoria.

Si un cuerpo de masa m se sitúa a una altura h arriba de un nivel dereferencia, este cuerpo posee una energía potencial gravitatoria con respecto aeste nivel, la cual se expresa mediante la siguiente fórmula:

m Masag Constante de la fuerza de gravedadh Altura

E = mgh

De acuerdo a la fórmula, la energía potencial está relacionada con la masa delcuerpo y con la posición que ocupa; cuanto más grande sea la masa delcuerpo, y cuanto mayor sea la altura a la que se encuentre, tanto mayor serásu Energía potencial gravitacional.

Energía Sensible

Se denomina también calor sensible, es la energía calorífica que, aplicada auna sustancia, aumenta su temperatura.

El nombre proviene de la oposición a calor latente, que se refiere al calor"escondido", es decir que se suministra pero no "se nota" el efecto de aumentode temperatura, ya que por lo general la sustancia a la que se le aplicaaumentará su temperatura en apenas un grado centígrado, como un cambio defase de hielo a agua líquida y de ésta a vapor. El calor sensible sí se nota,puesto que aumenta la temperatura de la sustancia, haciendo que se percibacomo "más caliente", o por el contrario, si se le resta calor, la percibimos como

"más fría".

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Para aumentar la temperatura de un cuerpo hace falta aplicársele una ciertacantidad de calor (energía). La cantidad de calor aplicada en relación con ladiferencia de temperatura que se logre depende del calor específico delcuerpo, que es distinto para cada sustancia.

Calor sensible es aquel que recibe un cuerpo y hace que aumente su

temperatura sin afectar su estructura molecular y por lo tanto su estado. Engeneral, se ha observado experimentalmente que la cantidad de calornecesaria para calentar o enfriar un cuerpo es directamente proporcional a lamasa del cuerpo y el número de grados en que cambia su temperatura. Laconstante de proporcionalidad recibe el nombre de calor específico. El calorsensible se puede calcular por:

Qs = ΔHL = m Cp (t 2 – t 1 )

En donde m es la masa del cuerpo; Cp es el calor específico a presiónconstante (definido como la cantidad de calor requerida para aumentar en ungrado la temperatura de la unidad de masa de un cuerpo a presión constante),t2 es la temperatura final y t1 es la temperatura inicial del cuerpo.

Si el proceso se efectuara a volumen constante, entonces el calor sensiblesería:

Qs = ΔUL = m Cv(t 2 – t 1 )

En donde Cv es el calor específico a volumen constante. Los valores de calorespecífico varían también con la temperatura ambiente y el estado físico de

agregación de las sustancias.

Calidad

En una mezcla saturada liquido-vapor, la facción de masa del vapor se llamaCalidad y se expresa como:

 x  =

mvapo

r

mtotal

La calidad tiene valores entre 0 (liquido saturado) y 1 (vapor saturado), pero notiene significado en las regiones de liquido comprimido o vapor sobrecalentado.

En la región de mezcla saturada, el valor promedio de cualquier propiedadintensiva “ y ” se determina a partir de:

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y = y f  + xy fg

Donde f representa al líquido saturado y g al vapor saturado.En ausencia de datos de liquido comprimido, es posible establecer unaaproximación al tratar al liquido comprimido como un liquido saturado a unatemperatura dada,

y ≈ y f@T

Donde y es para v, u o h.

Humedad

Se denomina humedad ambiental a la cantidad de vapor de agua presente enel aire. Se puede expresar de forma absoluta mediante la humedad absoluta, ode forma relativa mediante la humedad relativa o grado de humedad. Lahumedad relativa es la relación porcentual entre la cantidad de vapor de aguareal que contiene el aire y la que necesitaría contener para saturarse a idénticatemperatura, por ejemplo, una humedad relativa del 70% quiere decir que dela totalidad de vapor de agua (el 100%) que podría contener el aire a estatemperatura, solo tiene el 70%.

Evaluación de la humedad el aire ambiente

Hay varios modos de estimar la cantidad de vapor en el aire ambiente, cadauna de ellas con aplicación en una ciencia o técnica específica. Se detallan en:

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Presión de vapor

La presión de vapor o tensión de vapor es uno de los modos de estimar lacantidad de vapor de agua contenida en el aire. Se expresa como una presión,en pascales (Pa o KPa o mmHg).

Humedad absoluta

La humedad absoluta es la cantidad de vapor de agua presente

Humedad específica

La humedad específica es la cantidad de vapor de agua contenido en el airemedido en gramos de vapor por kilogramo de aire húmedo (g/kg)

Razón de mezcla

La razón de mezcla o relación de mezcla, es la cantidad de vapor de aguacontenido en el aire medido en gramos de vapor por kilogramo de aire seco(g/kg). En la práctica es muy semejante a la humedad específica, pero enciertas aplicaciones científicas es muy importante la distinción.

Humedad relativa

La humedad relativa es la humedad que contiene una masa de aire, en relacióncon la máxima humedad absoluta que podría admitir sin producirsecondensación, conservando las mismas condiciones de temperatura y presión

atmosférica. Esta es la forma más habitual de expresar la humedad ambiental.

Primera Ley de la Termodinámica

  También conocida como principio de conservación de la energía para latermodinámica — en realidad el primer principio dice más que una ley deconservación—, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien ésteintercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Visto deotra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debeintercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energíainterna. Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, en su obraReflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadaspara desarrollar esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios dela termodinámica. Esta obra fue incomprendida por los científicos de su época,y más tarde fue utilizada por Rudolf Clausius y Lord Kelvin para formular, deuna manera matemática, las bases de la termodinámica.

La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:

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Eentra − Esale = ΔEsistema

Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma:

U = Q − W 

Segunda Ley de la Termodinámica

Esta ley arrebata la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentidocontrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua puedavolver a concentrarse en un pequeño volumen). También establece, en algunoscasos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipoen otro sin pérdidas. De esta forma, la segunda ley impone restricciones paralas transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a caboteniendo en cuenta sólo el Primer Principio. Esta ley apoya todo su contenidoaceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía, de tal maneraque, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con suentorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.

Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es

unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menortemperatura, hasta lograr un equilibrio térmico.

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La aplicación más conocida es la de las máquinas térmicas, que obtienentrabajo mecánico mediante aporte de calor de una fuente o foco caliente, paraceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero frío. La diferencia entrelos dos calores tiene su equivalente en el trabajo mecánico obtenido.

Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio,

destacándose el de Clausius y el de Kelvin.

Ilustración de la segunda ley mediante una máquina térmica

Enunciado de Clausius

Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen.

En palabras de Sears es: "No es posible ningún proceso cuyo único resultadosea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y laabsorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura máselevada".

Enunciado de Kelvin

No existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de unaúnica fuente (E.absorbida) y lo convierta íntegramente en trabajo (E.útil).

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Otra interpretación

Es imposible construir una máquina térmica cíclica que transforme calor entrabajo sin aumentar la energía termodinámica del ambiente. Debido a estopodemos concluir que el rendimiento energético de una máquina térmicacíclica que convierte calor en trabajo siempre será menor a la unidad y ésta

estará más próxima a la unidad cuanto mayor sea el rendimiento energético dela misma. Es decir, cuanto mayor sea el rendimiento energético de unamáquina térmica, menor será el impacto en el ambiente, y viceversa.

Tercera Ley de la Termodinámica

El tercer principio de la termodinámica o tercera ley de la termodinámicaafirma que no se puede alcanzar el cero absoluto en un número finito deetapas. Sucintamente, puede definirse como:

• Al llegar al cero absoluto, 0 ºK , cualquier proceso de un sistema físico sedetiene.

• Al llegar al cero absoluto la entropía alcanza un valor mínimo yconstante.

Descripción

En términos simples, la tercera ley indica que la entropía de una sustancia puraen el cero absoluto es cero. Por consiguiente, la tercera ley provee de un puntode referencia absoluto para la determinación de la entropía. La entropíarelativa a este punto es la entropía absoluta.

Un caso especial se produce en los sistemas con un único estado fundamental,como una estructura cristalina. La entropía de un cristal perfecto definida por elteorema de Nernst es cero (dado que el log(1) = 0). Sin embargo, estodesestima el hecho de que los cristales reales deben crecer en una

temperatura finita y poseer una concentración de equilibrio por defecto.Cuando se enfrían generalmente son incapaces de alcanzar la perfección

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completa. Esto, por supuesto, se mantiene en la línea de que la entropía tiendesiempre a aumentar dado que ningún proceso real es reversible.

Otra aplicación de la tercera ley es con respecto al momento magnético de unmaterial. Los metales paramagnéticos (con un momento aleatorio) seordenarán a medida de que la temperatura se acerque a 0 K. Se podrían

ordenar de manera ferromagnética (todos los momentos paralelos los unos alos otros) o de manera antiferromagnética.

Ley Cero de la Termodinámica

Con el material que hemos discutido hasta ahora, estamos preparados paradescribir la Ley de Cero de la Termodinámica. Como los otras leyes de latermodinámica que veremos, la Ley de Cero se basa en la observación y en sucomprobación experimental. Consideremos dos observaciones como punto departida:

1. Si dos cuerpos están en contacto térmico por un tiempo lossuficientemente largos, ningún cambio futuro observable toma lugar y sedice que el equilibrio térmico prevalece.

2. Dos sistemas que están individualmente en equilibrio térmico con untercero, estos dos están en equilibrio térmico uno con el otro; los tressistemas tienen el mismo valor de la propiedad llamada temperatura.

Estas ideas que relacionan la temperatura y del equilibrio térmico se expresanformalmente en la Ley Cero de la Termodinámica:

Ley Cero: Existe para cada sistema termodinámico en equilibrio una propiedadllamada temperatura. La igualdad de la temperatura es una condiciónnecesaria y suficiente para el equilibrio térmico.La Ley Cero define así una propiedad (temperatura) y describe su

comportamiento.Es importante observar que esta ley es verdadera sin importar cómo medimosla propiedad temperatura. Si bien las escalas de temperaturas empíricas y la

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temperatura termodinámica son discutidas más adelante, presentamos las dosescalas absolutas utilizadas actualmente. La escala Kelvin:

K = 273.15 + ◦C

Donde ◦C son los grados centígrados y la escala Ranking:

R = 459 + ◦F

Donde ◦F son los grados FahrenheitLa escala de temperaturas será discutida posteriormente.La Ley del Cero se representa esquemáticamente en la figura:

Representación esquemática de la ley cero de la termodinámica.

Volumen Específico

El volumen específico (v) es el volumen ocupado por unidad de masa de un

material. Es la inversa de la densidad. No dependen de la cantidad de materia.Ejemplos: dos pedazos de hierro de distinto tamaño tienen diferente peso yvolumen pero el peso específico de ambos será igual. Este es independiente dela cantidad de materia considerada para calcularlo. A las propiedades que nodependen de la cantidad de materia se las llama "Propiedades Intensivas".Dentro de estas están también por ejemplo el punto de ebullición, el brillo, elcolor, la dureza y el punto de fusión:

Donde:V VolumenM Masaρ Densidad del material.Se expresa en unidades de volumen sobre unidades de masa. Ej: m3/kg o ft3/lb.

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Entalpía

La entalpía (simbolizada generalmente como "H", también llamada contenidode calor, y calculada en  julios en el sistema internacional de unidades otambién en kcal o, si no, dentro del sistema anglo: "BTU"), es una función de estado, (lo que quiere decir que, sólo depende de los estados inicial y final) que

se define como la suma de la energía interna de un sistema termodinámico y elproducto de su volumen por su presión.

La entalpía total de un sistema no puede ser medida directamente, al igual quela energía interna, en cambio, la variación de entalpía de un sistema sí puedeser medida experimentalmente. El cambio de la entalpía del sistema causadopor un proceso llevado a cabo a presión constante, es igual al calor absorbidopor el sistema durante dicho proceso.

La entalpía (H) es la suma de la energía interna (U), energía que posee unasustancia debida al movimiento y posición de sus partículas a nivel atómico, yla energía mecánica asociada a la presión (p).

Donde:

• H es la entalpía [Jules]• U es la energía interna [Jules]•  p es la presión del sistema [Pascales]• V es el volumen del sistema [m3]

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Entropía

En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es la magnitud física quemide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Esuna función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado,crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La entropíadescribe lo irreversible de los sistemas termodinámicos.

Ecuaciones

Esta idea de desorden termodinámico fue plasmada mediante una función ideada por Rudolf Clausius a partir de un proceso cíclico reversible. En todoproceso reversible la integral curvilínea de δQ/T sólo depende de los estadosinicial y final, con independencia del camino seguido (δQ es la cantidad decalor absorbida en el proceso en cuestión y T es la temperatura absoluta). Portanto ha de existir una f(x) del estado del sistema, S=f(P,V,T), denominadaentropía, cuya variación en un proceso reversible entre los estados 1 y 2 es:

 Téngase en cuenta que como el calor no es una función de estado se usa δQ enlugar de dQ.

La entropía física, en su forma clásica, está definida por la ecuación

O más simplemente, cuando no se produce variación de temperatura (proceso 

isotérmico):

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Donde S es la entropía, la cantidad de calor intercambiado entre elsistema y el entorno y T la temperatura absoluta en kelvin). Los números 1 y 2se refieren a los estados iniciales y finales de un sistema termodinámico.

El significado de esta ecuación es el siguiente:

Cuando un sistema termodinámico pasa, en un proceso reversible e isotérmico,del estado 1 al estado 2, el cambio en su entropía es igual a la cantidad decalor  intercambiado entre el sistema y el medio dividido por su temperatura absoluta.

De acuerdo con la ecuación, si el calor se transfiere al sistema, también lo harála entropía, en la misma dirección. Cuando la temperatura es más alta, el flujode calor que entra produce un aumento de entropía menor. Y viceversa.

Las unidades de la entropía, en el Sistema Internacional, son el J/K (o Clausius)

definido como la variación de entropía que experimenta un sistema cuandoabsorbe el calor de 1 Jules (unidad) a la temperatura de 1 Kelvin.

Cuando el sistema evoluciona irreversiblemente, la ecuación de Clausius seconvierte en una inecuación:

Siendo la sumatoria de las i fuentes de calor de las que recibe o transfiere calor

el sistema y la temperatura de las fuentes. No obstante, sumando un términopositivo al segundo miembro, podemos transformar de nuevo la expresión enuna ecuación:

Al termino σ p, siempre positivo, se le denomina producción de entropía y esnulo cuando el proceso es reversible salvo irreversibilidades fruto de

transferencias de calor con fuentes externas al sistema. En el caso de darse unproceso reversible y adiabático, según la ecuación, dS=0, es decir, el valor dela Entropía es constante y además constituye un proceso isoentrópico.

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Energía Interna

La energía interna U de un sistema intenta ser un reflejo de la energía a escalamicroscópica. Más concretamente, es la suma de:

• La energía cinética interna, es decir, de las sumas de las energíascinéticas de las individualidades que lo forman respecto al centro demasas del sistema, y de

• La energía potencial interna, que es la energía potencial asociada a las

interacciones entre estas individualidades.[1]

La energía interna no incluye la energía cinética traslacional o rotacional delsistema como un todo. Tampoco incluye la energía potencial que el cuerpopueda tener por su localización en un campo gravitacional o electrostáticoexterno.

Si pensamos en constituyentes atómicos o moleculares, será el resultado de lasuma de la energía cinética de las moléculas o átomos que constituyen elsistema (de sus energías de traslación, rotación y vibración), y de la energía 

potencial intermolecular (debida a las fuerzas intermoleculares).

• En un gas ideal monoatómico bastará con considerar la energía cinéticade traslación de sus moléculas.

• En un gas ideal poliatómico, deberemos considerar además la energíavibracional y rotacional de las mismas.

• En un líquido o sólido deberemos añadir la energía potencial querepresenta las interacciones moleculares.

Desde el punto de vista de la termodinámica, en un sistema cerrado (o sea, deparedes impermeables), la variación total de energía interna es igual a la suma

de las cantidades de energía comunicadas al sistema en forma de calor y detrabajo ΔU = Q − W . Aunque el calor transmitido depende del proceso encuestión, la variación de energía interna es independiente del proceso, sólo

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depende del estado inicial y final, por lo que se dice que es una función de estado. Del mismo modo dU es una diferencial exacta, a diferencia de δQ, quedepende del proceso.

CalorEl calor es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferenteszonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Esteflujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo demenor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que amboscuerpos se encuentren en equilibrio térmico.

La energía puede ser transferida por diferentes mecanismos, entre los quecabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoríade los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado.

La energía que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipode transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende delcamino. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es parte dedicha energía interna (energía calorífica) transferida de un sistema a otro, loque sucede con la condición de que estén a diferente temperatura.

Unidades de medida

La unidad de medida del calor en el Sistema Internacional de Unidades es lamisma que la de la energía y el trabajo: el Joule (unidad de medida).

Otra unidad ampliamente utilizada para la cantidad de energía térmicaintercambiada es la caloría (cal), que es la cantidad de energía que hay quesuministrar a un gramo de agua a 1 atmósfera de presión para elevar sutemperatura 1 °C. La caloría también es conocida como caloría pequeña, encomparación con la kilocaloría (kcal), que se conoce como caloría grande y esutilizada en nutrición.

1 kcal = 1.000 cal 

  Joule, tras múltiples experimentaciones en las que el movimiento de unaspalas, impulsadas por un juego de pesas, se movían en el interior de unrecipiente con agua, estableció el equivalente mecánico del calor ,

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determinando el incremento de temperatura que se producía en el fluido comoconsecuencia de los rozamientos producidos por la agitación de las palas:

1 cal = 4,184 J

El  Joule (J) es la unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidades,

(S.I.).

El BTU, (o unidad térmica británica) es una medida para el calor muy usada enEstados Unidos y en muchos otros países de América. Se define como lacantidad de calor que se debe agregar a una libra de agua para aumentar sutemperatura en un grado Fahrenheit , y equivale a 252 calorías.

Presión

La presión es la magnitud que relaciona la fuerza con la superficie sobre la queactúa, es decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la unidad de superficie.Cuando sobre una superficie plana de área  A se aplica una fuerza normal F demanera uniforme y perpendicularmente a la superficie, la presión P viene dadapor:

En un caso general donde la fuerza puede tener cualquier dirección y no estar

distribuida uniformemente en cada punto la presión se define como:

Donde es un vector unitario y normal a la superficie en el punto donde sepretende medir la presión.

Presión absoluta y relativa

En determinadas aplicaciones la presión se mide no como la presión absolutasino como la presión por encima de la presión atmosférica, denominándosepresión relativa, presión normal, presión de gauge o presión manométrica.Consecuentemente, la presión absoluta es la presión atmosférica más lapresión manométrica (presión que se mide con el manómetro).

Unidades de medida, presión y sus factores de conversión

La presión atmosférica es de aproximadamente de 101.300 pascales (101,3kPa), a nivel del mar .

Unidades de presión y sus factores de conversión

Pascal bar N/mm² kp/m² kp/cm² atm Torr

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1 Pa (N/m²) 1 10-May 10-Jun 0,102 0,102×10-4 0,987×10-5 0,0075

1 bar (daN/cm²) 100000 1 0,1 1020 1,02 0,987 750

1 N/mm² 106 10 11,02×10

5 10,2 9,87 7500

1 kp/m² 9,81 9,81×10-5 9,81×10-6 1 10-Abr 0,968×10-4 0,0736

1 kp/cm² 98100 0,981 0,0981 10000 1 0,968 736

1 atm (760 Torr) 101325 1,013 0,1013 10330 1,033 1 760

1 Torr (mmHg) 133 0,00133 1,33×10-4 13,6 0,00136 0,00132 1

Las obsoletas unidades manométricas de presión, como los milímetros demercurio, están basadas en la presión ejercida por el peso de algún tipoestándar de fluido bajo cierta gravedad estándar. Las unidades de presiónmanométricas no deben ser utilizadas para propósitos científicos o técnicos,debido a la falta de repetibilidad inherente a sus definiciones. También seutilizan los milímetros de columna de agua (mm c.d.a.).

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Temperatura

La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente ofrío. Por lo general, un objeto más "caliente" tendrá una temperatura mayor, y

si fuere frío tendrá una temperatura menor. Físicamente es una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico,definida por el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, estárelacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como"energía sensible", que es la energía asociada a los movimientos de laspartículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma devibraciones. A medida que es mayor la energía sensible de un sistema, seobserva que está más "caliente"; es decir, que su temperatura es mayor.

En el caso de un sólido, los movimientos en cuestión resultan ser lasvibraciones de las partículas en sus sitios dentro del sólido. En el caso de un

gas ideal  monoatómico se trata de los movimientos traslacionales de suspartículas (para los gases multi atómicos los movimientos rotacional yvibracional deben tomarse en cuenta también).

Dicho lo anterior, se puede definir la temperatura como la cuantificación de laactividad molecular de la materia.

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Se comparan las escalas Celsius y Kelvin mostrando los puntos de referencia anteriores a 1954 y los posteriores paramostrar cómo ambas convenciones coinciden. De color negro aparecen el punto triple del agua (0,01 °C, 273,16 K) y elcero absoluto (-273,15 °C, 0 K). De color gris los puntos de congelamiento (0,00 °C, 273,15 K) y ebullición del agua (100 °C, 373,15ºK).

Proceso

En termodinámica se denomina proceso a la evolución de determinadasmagnitudes (o propiedades) propiamente termodinámicas relativas a undeterminado sistema físico. Desde el punto de vista de la termodinámica, estastransformaciones deben transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a otrofinal; es decir, que las magnitudes que sufren una variación al pasar de unestado a otro deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial yfinal. De esta forma los procesos termodinámicos pueden ser interpretadoscomo el resultado de la interacción de un sistema con otro tras ser eliminadaalguna ligadura entre ellos, de forma que finalmente los sistemas seencuentren en equilibrio (mecánico, térmico y/o material) entre sí.

De una manera menos abstracta, un proceso termodinámico puede ser vistocomo los cambios de un sistema, desde unas condiciones iniciales hasta otrascondiciones finales, debidos a la desestabilización del sistema.

• Proceso isocórico

Un proceso isocórico, también llamado proceso isométrico o isovolumétrico esun proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante; ΔV = 0.Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen, ya que éste se

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define como: ΔW = PΔV, donde P es la presión (el trabajo es positivo, ya que esejercido por el sistema).

Aplicando la primera ley de la termodinámica, podemos deducir que Q, elcambio de la energía interna del sistema es: Q = ΔU para un proceso isocórico:es decir, todo el calor que transfiramos al sistema quedará a su energía

interna, U. Si la cantidad de gas permanece constante, entonces el incrementode energía será proporcional al incremento de temperatura, Q = nCVΔT dondeCV es el calor específico molar a volumen constante. En un diagrama P-V, unproceso isocórico aparece como una línea vertical

• Proceso isobárico

Proceso Isobárico es aquel proceso termodinámico que ocurre a presiónconstante. En él, el calor transferido a presión constante está relacionado conel resto de variables

• Proceso adiabático

En termodinámica se designa como proceso adiabático a aquel en el cual elsistema (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calorcon su entorno. Un proceso adiabático que es además reversible se conocecomo proceso isentrópico. El extremo opuesto, en el que tiene lugar la máximatransferencia de calor, causando que la temperatura permanezca constante, sedenomina como proceso isotérmico. El término adiabático hace referencia aelementos que impiden la transferencia de calor con el entorno. Una paredaislada se aproxima bastante a un límite adiabático. Otro ejemplo es la

temperatura adiabática de llama, que es la temperatura que podría alcanzaruna llama si no hubiera pérdida de calor hacia el entorno. En climatización losprocesos de humectación (aporte de vapor de agua) son adiabáticos, puestoque no hay transferencia de calor, a pesar que se consiga variar la temperaturadel aire y su humedad relativa. El calentamiento y enfriamiento adiabático sonprocesos que comúnmente ocurren debido al cambio en la presión de un gas.Esto puede ser cuantificado usando la ley de los gases ideales.

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Ciclo

Se denomina ciclo a cualquier serie de procesos termodinámicos tales que, al

transcurso de todos ellos, el sistema regrese a su estado inicial; es decir, que lavariación de las magnitudes termodinámicas propias del sistema sea nula.

No obstante, a variables como el calor o el trabajo no es aplicable loanteriormente dicho ya que éstas no son funciones de estado del sistema, sinotransferencias de energía entre éste y su entorno. Un hecho característico delos ciclos termodinámicos es que la primera ley de la termodinámica dicta que:la suma de calor y trabajo recibidos por el sistema debe de ser igual a la sumade calor y trabajo realizados por el sistema.

El círculo de la imagen representa a un sistema que evoluciona a través de ciclos termodinámicos.

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Densidad

La densidad o densidad absoluta es la magnitud que expresa la relación entrela masa y el volumen de un cuerpo. Su unidad en el Sistema Internacional es elkilogramo por metro cúbico (kg/m3), aunque frecuentemente se expresa en

g/cm3. La densidad es una magnitud intensiva

Donde:ρ Densidadm MasaV Volumen del determinado cuerpo.

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Diagramas de Ciclo

Estos representan en forma gráfica las propiedades termodinámicas desustancias reales.Los diagramas más comunes que se emplean son:

• Diagrama p-V (diagrama de Clapeyron): Este es uno de los más comunes.  Tiene las siguientes propiedades de interés: el área bajo la curvarepresenta el trabajo sin trasvasijamiento. En un ciclo cerrado, si el ciclo

se recorre a favor de los punteros del reloj, el trabajo intercambiado espositivo (ciclo motriz). Si se recorre en contra de los punteros del reloj, eltrabajo intercambiado es negativo (ciclo que absorbe trabajo).

• Diagrama T-S (temperatura-entropía o Diagrama Entrópico): es muyempleado, pues (si las evoluciones son reversibles) el área encerrada porel ciclo o bajo la curva representa los calores intercambiados.

• Diagrama H-S (entalpía-entropía o Diagrama de Mollier): También esdiagrama común, pues permite representar con facilidad evolucionesreales y estudiar las variaciones de entalpía. Esto último es clave almomento de estudiar intercambios de calor y trabajo basándose en el

primer principio.

Si, para un diagrama dado, se escogen las variables principales en formaadecuada, es posible deducir todas las variables termodinámicas deimportancia a partir de las propiedades que aparecen en el diagrama.

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