Sistemas Termodinámicos: Tipos, Transformaciones y Principios Fundamentales
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Sistemas Termodinámicos: Conceptos Clave
Un sistema termodinámico es la región o espacio sobre la cual se centra un estudio determinado. Sus fronteras pueden ser reales o imaginarias, fijas o móviles.
Entorno y Frontera
El entorno es la masa o región que se encuentra fuera del sistema. La superficie, real o imaginaria, que separa al sistema de sus alrededores se llama frontera.
Clasificación de los Sistemas Termodinámicos
Sistema Aislado
Un sistema aislado es una región de estudio en la que ni la materia ni la energía pueden cruzar la frontera.
Sistema Cerrado
Un sistema cerrado es aquella región de estudio en la que ninguna masa puede entrar o salir. Sin embargo, la energía, en forma de calor o trabajo, sí puede cruzar la frontera. También se conoce como sistema discontinuo.
Sistema Abierto
Un sistema abierto es una región seleccionada en el espacio. Por lo común, encierra un dispositivo que involucra un flujo de masa, como un compresor, una turbina o una tobera. El estudio del flujo a través de estos dispositivos se optimiza al seleccionar la región dentro del dispositivo como el volumen de control. Tanto la masa como la energía pueden cruzar la frontera de un volumen de control, la cual se denomina superficie de control. También se conoce como sistema continuo.
Sistemas cerrados: discontinuos. Sistemas abiertos: continuos
Estado y Transformaciones Termodinámicas
Estado Termodinámico
El estado de un cuerpo material o sistema es la situación o condición en la que se encuentra, definido por una serie de propiedades o variables independientes. Cuando estas variables independientes son conocidas, el resto de las propiedades pueden ser determinadas, a excepción de la posición y la velocidad.
Transformación Termodinámica
Se define transformación como el cambio de, al menos, el valor de una variable de estado del sistema a lo largo del tiempo.
- Transformación cerrada: Los estados inicial y final son iguales.
- Transformación abierta: El estado inicial y final del sistema son distintos.
- Transformación reversible: Implica estados de equilibrio.
Tipos de Transformaciones
Algunas transformaciones comunes son:
- Isoterma: Temperatura constante (dT = 0).
- Isócora: Volumen constante (dV = 0).
- Isóbara: Presión constante (dP = 0).
- Adiabática: No hay transferencia de calor (dQ = 0).
- Politrópica: Se cumple la relación dP * Vk = 0, donde k es el índice politrópico.
Principios de la Termodinámica
Primer Principio de la Termodinámica
El primer principio de la termodinámica establece que el cambio total de energía de un sistema cerrado es igual al calor transferido al sistema, menos el trabajo efectuado por el sistema.
Segunda Ley de la Termodinámica
La segunda ley de la termodinámica indica que no es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada. No existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una única fuente (energía absorbida) y lo convierta íntegramente en trabajo (energía útil).
Exergía
La exergía se define como una magnitud termodinámica que indica el máximo trabajo teórico que se puede alcanzar por la interacción espontánea entre un sistema y su entorno. Informa de la utilidad potencial del sistema como fuente de trabajo.
Aplicaciones de la Termodinámica
Motor Térmico
Un motor térmico transforma calor en trabajo. El calor se transfiere a un agente de transformación (gas o vapor), que realiza un ciclo termodinámico, gracias al cual produce trabajo. El calor residual no aprovechado se cede a un foco frío. (Del foco caliente Q1 al frío Q2 y W hacia fuera). Eficiencia: (Wprod - Wcons) / Qabsorb
Máquina Frigorífica
Una máquina frigorífica es aquella que extrae calor de un foco más frío que el ambiente a costa de consumir trabajo. La máquina realiza un ciclo similar al de los motores térmicos, pero en sentido contrario (del frío Q2 al caliente Q1 y W hacia dentro). Eficiencia: Efecto refQ / Wc (trabajo consumido)