Conceptos Fundamentales de Termodinámica: Tipos de Sistemas y Propiedades

Tipos de Sistemas

• Sistema: Parte de materia o región sobre la que se fija el estudio.
• Sistema Cerrado: Es aquel que no intercambia materia con el entorno.
• Sistema Abierto: Es aquel en el que su masa fluye a través de un volumen, denominado volumen de control. El estado de equilibrio se alcanza cuando las propiedades en cada sección tienen el mismo valor a lo largo del tiempo.
• Sistema Simple: Macroscópicamente homogéneo, isotrópico, sin carga eléctrica, químicamente inerte, no está sometido a campos eléctricos, magnéticos ni gravitatorios.
• Sistema Aislado: Es aquel que no intercambia con el entorno ni materia ni energía. Sus paredes son rígidas, adiabáticas e impermeables.

Tipos de Fronteras

• Frontera Adiabática: Aquella frontera (límite del sistema) que no deja pasar el calor.
• Frontera Diatermana: Aquella frontera (límite del sistema) que permite el paso del calor.
• Frontera Rígida: Aquella frontera (límite del sistema) que está impedida de movimiento.

Equilibrio y Principios

• Equilibrio Mecánico: Se produce cuando el sistema se encuentra equilibrado en presión.
• Principio 0 de la Termodinámica: Nos dice que los sistemas tienden de forma natural al equilibrio.

Propiedades Termodinámicas

• Propiedad Intensiva: Aquellas que no dependen de la masa del sistema que se considera (presión, temperatura). Se nombran con letras minúsculas.
• Propiedad Extensiva: Aquellas que dependen de la masa del sistema que se considera (energía interna, entalpía). Se nombran con letras mayúsculas.

Transformaciones y Diagramas

• Transformación Termodinámica: Sucesión de estados por los que pasa un sistema cuando se le somete a un cambio (ej: calentar agua de 0ºC a 50ºC y enfriarlo a 30ºC). Es preciso que se produzca intercambio de energía con el medio exterior.
• Diagrama de Estado: Cualquier representación gráfica de dos propiedades termodinámicas de un sistema. Un ejemplo típico son los diagramas P-V y T-S.
• Compresión Resistida: Se produce cuando, en una compresión, la fuerza exterior es aproximadamente igual a la interior. Los estados intermedios son de equilibrio.
• Compresión Libre: Se produce cuando, en una compresión, la fuerza exterior es mucho mayor a la interior. Los estados intermedios no son de equilibrio.
• Punto Triple: Punto de un diagrama de fase donde convergen las curvas de fusión, vaporización y sublimación.
• Isoterma Crítica: En un diagrama de fases, marca la diferencia entre la zona de vapor sobrecalentado y de gas.
• Magnitudes Reducidas: Son los valores de un estado divididos entre los del punto crítico.

Trabajo y Energía

• Trabajo de Rozamiento: O rozamiento interno (W_r), solo produce calentamiento al ser aplicado al sistema. Es siempre aportado al sistema, nunca puede ser extraído.
• Trabajo Útil: W_u, es la diferencia entre el trabajo interno y el trabajo atmosférico (debido a la presión atmosférica).
• Energía Interna: Propiedad de estado, es la energía almacenada en un sistema en forma de energía cinética de rotación y traslación de las moléculas, energía cinética de vibración de los átomos de las moléculas y energía de los enlaces químicos de interacción entre las moléculas.
• Entalpía: Propiedad de estado, suma de la energía interna y el producto de presión por volumen específico. Es la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno.
• Energía de Flujo: Es la suma de las energías de un flujo: interna, cinética, de presión y potencial.
• Capacidad Calorífica: Es el cociente entre la energía térmica recibida (o cedida) por un sistema y su variación de temperatura.

Procesos Reversibles e Irreversibles

• Proceso Reversible: Aquel en el que son cero tanto el trabajo de rozamiento interno como el trabajo de rozamiento mecánico. Para que una transformación termodinámica sea reversible, basta con que sea cero el trabajo de rozamiento interno.
• Proceso Irreversible: Aquel en el que se provoca una destrucción de exergía, transformándose en anergía. La exergía destruida va a parar, en forma de calor, al medio ambiente.
• Irreversibilidad Interna: Es la irreversibilidad asociada al trabajo de rozamiento interno.
• Irreversibilidad Externa: Es la irreversibilidad asociada al trabajo de rozamiento mecánico.

Exergía, Anergía y Entropía

• Exergía: Fracción de la energía que puede convertirse en trabajo mecánico.
• Anergía: Fracción de la energía que no puede convertirse en trabajo mecánico.
• Entropía: (s), propiedad de estado que mide la parte de la energía que no se puede utilizar para producir trabajo. Es una magnitud extensiva que se mide en J/K.

Procesos Específicos y Dispositivos

• Proceso de Derrame: Proceso termodinámico estacionario en un sistema abierto en el que el trabajo técnico es nulo (conducciones, intercambiadores de calor, toberas, difusores...).
• Tobera: Conducción de sección variable en la que el fluido que circula por ella aumenta su velocidad y disminuye su presión.
• Difusor: Conducción de sección variable en la que el fluido que circula por ella disminuye su velocidad y aumenta su presión.
• Título: Es la fracción de vapor que tiene un sistema bifásico. Es la masa de vapor entre la masa total de ese sistema.
• Coste Exergético: Es la inversa del rendimiento exergético. Se define como k = 1/Ψ.