Conceptos Fundamentales en Termodinámica Técnica e Industrial

Propiedades de los Gases y Principios Termodinámicos

Compresibilidad

La compresibilidad es una relación adimensional, definida por el factor de compresibilidad z. Para un gas real, se define como z = pṽ / (Ṝ T), donde p es la presión, ṽ es el volumen molar, Ṝ es la constante universal de los gases y T es la temperatura absoluta. El factor de compresibilidad tiende a 1 cuando la presión tiende a 0 a temperatura constante, lo que indica un comportamiento de gas ideal.

Principio de los Estados Correspondientes

El principio de los estados correspondientes postula que el factor de compresibilidad z es aproximadamente el mismo para todos los gases, siempre y cuando estos gases tengan las mismas presiones y temperaturas reducidas. Las propiedades reducidas se definen como P_r = P / P_c y T_r = T / T_c, donde P y T son la presión y temperatura del gas, y P_c y T_c son la presión y temperatura críticas del gas, respectivamente.

Gráfica del Factor de Compresibilidad

La gráfica del factor de compresibilidad representa el factor de compresibilidad z en función de la presión reducida P_r y la temperatura reducida T_r. En esta gráfica, las líneas continuas, correspondientes a isotermas reducidas, presentan los mejores ajustes a los datos experimentales. Se representan típicamente en un diagrama z-P_r.

Sistemas Termodinámicos

Sistema Estacionario

Un sistema estacionario (o en estado estacionario) significa que todas las propiedades de este son independientes del tiempo. Para un volumen de control en estado estacionario, la identidad de la materia contenida en el volumen de control cambia constantemente, pero la cantidad total de masa presente en cualquier instante es constante, es decir, dM_vc/dt = 0. Los flujos totales de materia entrante y saliente son iguales. Sin embargo, la igualdad de flujos totales de masa entrante y saliente no significa necesariamente que el sistema se encuentre en un estado estacionario, ya que la temperatura o la presión dentro del volumen de control podrían variar con el tiempo. Para ser estacionario, toda propiedad dentro del volumen de control debe ser independiente del tiempo.

Segundo Principio de la Termodinámica: Formulaciones

Formulación de Clausius

La formulación de Clausius es considerada un punto de partida fundamental para el estudio del segundo principio de la termodinámica y de sus consecuencias, porque está de acuerdo con la experiencia y, por tanto, resulta más fácil de aceptar. Establece que es imposible construir una máquina que, funcionando con un ciclo, no produzca otro efecto que transferir calor desde un cuerpo a otro de mayor temperatura. Esta formulación no excluye la posibilidad de transferir energía mediante calor desde un cuerpo frío a otro caliente, sino que debe ocurrir otro efecto además de la transferencia de calor para que el estado inicial del sistema se restablezca después de cada ciclo. Esto implica que es imposible construir un ciclo de refrigeración que funcione sin consumo de energía (trabajo).

Formulación de Kelvin-Planck

La formulación de Kelvin-Planck proporciona caminos adecuados para alcanzar deducciones en sistemas que desarrollan ciclos termodinámicos. Un foco térmico es una clase especial de sistema cerrado que se mantiene siempre a temperatura constante aun cuando se le ceda o quite energía por transferencia de calor. La formulación establece que es imposible, con un motor térmico, producir un trabajo neto en un ciclo completo, intercambiando calor solamente con un cuerpo a una temperatura fija (un solo foco térmico). Esta formulación no niega la posibilidad de que un sistema produzca una cantidad neta de trabajo a partir de una transferencia de calor procedente de un solo foco. Solo niega la posibilidad de que dicho sistema funcione según un ciclo termodinámico completo bajo esa única condición.