TERMODINAMICA
Principio de la termodinámica
Aprende de una forma resumida de la termodinámica sus principios y la ley cero
SISTEMAS ABIERTO Y CERRADO CAMBIO DE FASE
Temperatura y calor Sistemas Termodinamico
Vol. 1 Noviembre 2023
AUTOR: JOEL E. ROMERO R.
Editorial DORAGON Electronics
Doragon Electronics
DORAGON ELECETRONICS
TERMODINAMICA La termodinámica es la ciencia que se ocupa de la producción, almacenamiento, transferencia y conversión de energía. La termodinámica estudia los efectos del trabajo, el calor y la energía en un sistema. La termodinámica se basa en cuatro principios fundamentales: el equilibrio termodinámico, el principio de conservación de la energía, el aumento de la entropía con el tiempo y la imposibilidad del cero absoluto. La termodinámica permite comprender el funcionamiento de las máquinas térmicas, los procesos químicos, las reacciones nucleares, el origen y evolución del universo, el metabolismo de los seres vivos y el código genético
DORAGON ELECETRONICS
PAGINA 1
PRINCIPIOS Y PROCESOS TERMODINÁMICOS PROCESOS TERMODINAMICO Los procesos termodinámicos son cambios que ocurren en un sistema termodinámico y están caracterizados por la interacción entre la energía y la materia. Estos procesos se describen mediante leyes y principios de la termodinámica y son fundamentales para comprender y analizar el comportamiento de sistemas físicos y químicos en términos de energía y trabajo. Los procesos termodinámicos se pueden clasificar en varios tipos comunes, dependiendo de cómo varían las propiedades del sistema con respecto al tiempo. Los principales tipos son: Proceso isotérmico: Ocurre a temperatura constante. Proceso isobárico: Ocurre a presión constante. Proceso isocórico: Ocurre a volumen constante. Proceso adiabático: Ocurre sin transferencia de calor.
DORAGON ELECETRONICS
PAGINA 2
SISTEMAS TERMODINAMICO SISTEMA CERRADO Un sistema cerrado es una región del espacio físico que se aísla de la influencia externa en términos de intercambio de materia, lo que significa que la masa total dentro del sistema cerrado se mantiene constante. Sin embargo, permite la transferencia de energía en forma de calor y trabajo a través de su frontera. Se puede ver como una tasa de café tapada
SISTEMA ABIERTO Un sistema abierto es una región del espacio físico que no está aislada en términos de intercambio de materia con su entorno. Además de permitir el intercambio de energía en forma de calor y trabajo con su entorno, un sistema abierto también permite la entrada y salida de masa a través de su frontera. Se puede ver como una tasa de cafe.
SISTEMA AISLADO Un sistema aislado es una región específica del espacio que está completamente aislada de su entorno en términos de intercambio de energía y materia. En otras palabras, un sistema aislado no permite la entrada ni la salida de calor, trabajo o masa con su entorno. Se puede ver como un termo de cafe cerrado y aislado al mismo tiempo
DORAGON ELECETRONICS
PAGINA 3
PROPIEDADES DE UN SISTEMA
Las propiedades termodinámicas son características físicas que describen el estado y el comportamiento de un sistema en un contexto termodinámico. Estas propiedades son fundamentales para el estudio y el análisis de los procesos termodinámicos. Existen las propiedades intensivas y las propiedades extensivas.
LAS PROPIEDADES INTENSIVAS Son propiedades termodinámicas que no dependen de la cantidad de sustancia presente en el sistema. En otras palabras, son características que permanecen constantes sin importar cuánta materia haya en el sistema. Estas propiedades son útiles porque proporcionan información sobre la calidad o el estado del sistema, independientemente de su tamaño o cantidad. Algunas propiedades intensivas comunes son:
Masa (m) Volumen (V) Energía Interna Total (U) Entalpía Total (H) Entropía Total (S) Cantidad de Sustancia (n) Moles (n) Cantidad Total de Calor (Q) Volumen Molar (Vm) Densidad (ρ)
DORAGON ELECETRONICS
Temperatura (T) Presión (P) Densidad (ρ) Punto de Ebullición (Tb) Punto de Fusión (Tf) Índice de Refracción (n) Conductividad Térmica (k) Entropía Específica (s) Capacidad Calorífica Específica (c)
LAS PROPIEDADES EXTENSIVAS Son propiedades termodinámicas que dependen de la cantidad de sustancia presente en el sistema. A medida que la cantidad de materia en el sistema aumenta o disminuye, el valor de estas propiedades también cambia en proporción directa. Algunas propiedades extensivas comunes son:
PAGINA 4
ESTADO Y EQUILIBRIO TERMODINÁMICO
ESTADO
Un sistema que no experimenta ningún cambio: en estas circunstancias, todas las propiedades se pueden medir o calcular en el sistema, lo cual da un conjunto de propiedades que describe por completo la condición, o el estado, del sistema. En un estado específico, todas las propiedades de un sistema tienen valores fijos, y si se cambia el valor de una propiedad, el estado cambia a otro diferente.
Ejemplo cambio de estado. Un sistema pasa de un estado 1 a un estado 2 donde el volumen de la sustancia es diferente al estado inicial.
EQUILOBRIO Un estado de equilibrio termodinámico es una condición en la que las propiedades de un sistema no cambian con el tiempo, y el sistema está en equilibrio con su entorno. Esto significa que no hay gradientes de temperatura, presión, densidad u otras propiedades intensivas dentro del sistema. Se caracterizan por: No hay transferencia neta de energía ni de materia a través de las fronteras del sistema con su entorno. Ejemplo de sistema Termodinámico en equilibrio, pasa de un estado con temperatura variable a un estado con temperatura constante
Todas las propiedades macroscópicas del sistema son constantes en el tiempo. Las variables intensivas (como la temperatura y la presión) son uniformes en todo el sistema.
DORAGON ELECETRONICS
PAGINA 5
PROCESOS Y CICLOS DE UN SISITEMA PROCESO Cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro experimentado por un sistema es un proceso, y la serie de estados por los que pasa un sistema durante este proceso es una trayectoria del proceso. Para describir completamente un proceso se deben especificar sus estados inicial y final, así como la trayectoria que sigue y las interacciones con los alrededores.
Proceso Isotérmico:
Cuando un proceso se desarrolla de tal manera que todo el tiempo el sistema permanece infinitesimalmente cerca de un estado de equilibrio, estamos ante un proceso cuasiestático, o de cuasiequilibrio. Los procesos mas comunes son:
Proceso Isobarico:
Isotérmico: proceso a temperatura constante. Isobárico: proceso a presión constante.
Proceso Isócorico:
Isocórico: proceso a volumen constante.
PROCESO DE FLUJO ESTACIONARIO En ingeniería, un gran número de dispositivos operan por largos periodos bajo las mismas condiciones y se clasifican como dispositivos de flujo estacionario. Los procesos en los que se utilizan tales dispositivos se pueden representar razonablemente bien mediante un proceso un poco idealizado, llamado proceso de flujo estacionario, que es posible definir como un proceso durante el cual un fluido fluye de forma estacionaria por un volumen de control
DORAGON ELECETRONICS
Se debe señalar que un proceso de cuasiequilibrio es un caso idealizado y no corresponde a una representación auténtica de un proceso real.
PAGINA 6
TEMPERATURA Y LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA LEY CERO DE LA TERMODINAMICA La ley cero de la termodinámica establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí. Podría parecer tonto que un hecho tan obvio se conozca como una de las leyes básicas de la termodinámica; sin embargo, no es posible concluir esta ley de las otras leyes de la termodinámica, además de que sirve como base para la validez de la medición de la temperatura. Si el tercer cuerpo se sustituye por un termómetro, la ley cero se puede volver a expresar como dos cuerpos están en equilibrio térmico si ambos tienen la misma lectura de temperatura incluso si no están en contacto.
si TA=TC si Tb=TC por lo tanto TA=TC
R. H. Fowler fue el primero que formuló y nombró la ley cero en 1931. Como indica el nombre, su valor como principio físico fundamental se reconoció más de medio siglo después de la formulación de la primera y segunda leyes de la termodinámica y se llamó ley cero puesto que debía preceder a éstas.
DORAGON ELECETRONICS
PAGINA 7
ESCALAS DE TEMPERATURA La temperatura es una propiedad intensiva que mide la energía cinética promedio de las partículas en un sistema. Las escalas de temperatura permiten usar una base común para las mediciones de temperatura. A través de la historia se han introducido varias y todas se basan en ciertos estados fácilmente reproducibles como los puntos de congelación y ebullición del agua. Las escalas de temperatura usadas actualmente en el SI y en el sistema inglés son la escala Celsius (antes llamada escala centígrada; en 1948 se le cambió el nombre en honor de quien la diseñó, el astrónomo sueco A. Celsius, 1702-1744) y la escala Fahrenheit (en honor al fabricante de instrumentos alemán G. Fahrenheit, 1686-1736)
CONVERSIONES T(K) = T(°C2) + 273.15 T(R) = T(°F) + 459.67 T(R) = 1.8T(K) T(°F) = 1.8T(°C2) + 32
En termodinámica es muy conveniente tener una escala de temperatura independiente de las propiedades de cualquier sustancia. Tal escala es la escala de temperatura termodinámica, desarrollada posteriormente junto con la segunda ley de la termodinámica. La escala de temperatura termodinámica en el SI es la escala Kelvin. cuya unidad de temperatura es el kelvin, designado por K. La temperatura mínima en esta escala es el cero absoluto, o 0 K. La escala de temperatura termodinámica en el sistema inglés es la escala Rankine, cuya unidad de temperatura es el rankine, el cual se designa mediante R.
La temperatura de referencia elegida en la escala Kelvin original fue 273.15 K (o 0 °C), que es la temperatura a la que se congela el agua (o se funde el hielo), sustancia que existe como una mezcla sólida-líquida en equilibrio a presión atmosférica estándar (el punto de hielo). En la Décima Conferencia General de Pesos y Medidas de 1954, el punto de referencia se cambió a un punto reproducible con mucha mayor precisión, el punto triple del agua (el estado en el cual coexisten en equilibrio las tres fases del agua),al cual se le asigna el valor de 273.16 K. La escala Celsius también se volvió a definir en esta conferencia en términos de la escala de temperatura del gas ideal y un solo punto fijo, que es de nuevo el punto triple del agua con un valor asignado de 0.01 °C. La temperatura de ebullición del agua (el punto de vapor) se determinó nuevamente de forma experimental como 100.00 °C y, por consiguiente, hubo una buena concordancia entre la anterior y la nueva escala Celsius
DORAGON ELECETRONICS
PAGINA 8
PRESION La presión es otra propiedad intensiva que se relaciona con la fuerza ejercida por un sistema sobre las paredes de su contenedor. La presión se define como la fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de área. Se habla de presión sólo cuando se trata de gas o líquido, mientras que la contraparte de la presión en los sólidos es el esfuerzo normal. Puesto que la presión se define como la fuerza por unidad de área, tiene como unidad los newton por metro cuadrado (N/m2), también conocida como pascal (Pa). Es decir 1 Pa = 1 N/m2 La unidad de presión pascal es demasiado pequeña para las presiones que se suscitan en la práctica. 6 De ahí que sus múltiplos kilopascal (1 kPa = 1.000 Pa) y megapascal (1 MPa = 1x10 Pa) se usan más comúnmente. Otras tres unidades de presión de uso extendido, principalmente en Europa, son bar, atmósfera estándar y kilogramo fuerza por centímetro cuadrado: 5
1 bar = 10 Pa = 0.1 MPa =100 kPa 1 atm = 101.325 Pa = 101,325 kPa = 1.01325 bars 2
2
4
4
1 kgf/cm = 9.807 N/cm = 9.807x10 N/m = 9.807x10 Pa = 0.9807 bar = 1 bar= 0.9679 atm 2
Las unidades de presión bar, atm y kgf/cm son casi equivalentes entre sí. En el sistema 2 inglés, la unidad de presión es la libra fuerza por pulgada cuadrada (lbf/pulg , o psi), y 1 atm = 14.696 psi. Las unidades de presión kgf/cm 2 y lbf/pulg 2 también se denotan por kg/cm 2 y lb/pulg , respectivamente, y se usan regularmente en medidores de presión de llantas. Se puede demostrar que 1 kgf/cm 2 = 14.223 psi. La presión real en una determinada posición se llama presión absoluta, y se mide respecto al vacío absoluto (es decir, presión cero absoluta). Sin embargo, la mayor parte de los dispositivos para medir la presión se calibran a cero en la atmósfera, por lo que indican la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica local; esta diferencia es la presión manométrica. Las presiones por debajo de la atmosférica se conocen como presiones de vacío y se miden mediante medidores de vacío que indican la diferencia entre las presiones atmosférica y absoluta. Las presiones absoluta, manométrica y de vacío son todas positivas y se relacionan entre sí mediante
DORAGON ELECETRONICS
PAGINA 9
MANOMETRO En la ecuación 1 se observa que un cambio de elevación de z en un fluido en reposo corresponde a P/ g, lo cual indica que es posible usar una columna de fluido para medir diferencias de presión. Un dispositivo basado en este principio se llama manómetro, y comúnmente se usa para medir diferencias de presión pequeñas y moderadas. Un manómetro consta principalmente de un tubo en U de vidrio o plástico que contiene uno o más fluidos como mercurio, agua, alcohol o aceite. P = P2 - P1 =
g z = s z
1
2
1
P = Patm + gh donde Pmanométrica = gh
2
Observe el manómetro que aparece en la figura, el cual se utiliza para medir la presión en el recipiente. Puesto que los efectos gravitacionales de gases son insignificantes, la presión en cualquier parte del recipiente y en la posición 1 tiene el mismo valor. Además, dado que la presión en un fluido no varía dentro de éste en dirección horizontal, la presión en el punto 2 es la misma que la presión en el punto 1, P2 = P1. La columna diferencial de fluido de altura h está en equilibrio estático y se halla abierta a la atmósfera; por lo tanto, a partir de la ecuación 2 la presión en el punto 2 se determina de forma directa, donde es la densidad del fluido en el tubo. Note que el área de sección transversal del tubo no tiene efecto en la altura diferencial h, y por lo tanto, en la presión que ejerce el fluido. Sin embargo, el diámetro del tubo debe ser suficientemente grande (mayor a unos cuantos milímetros) para asegurar que el efecto de la tensión superficial, y por ende el aumento debido a la capilaridad, sea insignificante.
El tubo de Bourdon este instrumento consiste en un tubo metálico hueco y curvado como un gancho, cuyo extremo está cerrado y conectado a una aguja indicadora de disco. Cuando el tubo se encuentra abierto a la atmósfera no tiene desviación y la aguja indicadora de disco en este estado se calibra a cero. Cuando se incrementa la presión del fluido dentro del tubo, éste se alarga y mueve la aguja en proporción a la presión aplicada.
DORAGON ELECETRONICS
PAGINA 10
MANOMETRO
Los transductores de presión con medidor de deformación funcionan mediante una desviación del diafragma entre dos cámaras abiertas a las entradas de presión. Cuando el diafragma se alarga en respuesta a un cambio en la diferencia de presión, el medidor de deformación se alarga y un circuito con puente de Wheatstone amplifica la señal. Un transductor de capacitancia funciona de modo similar, pero cuando se alarga el diafragma mide el cambio de capacitancia en lugar del de resistencia.
Los transductores piezoeléctricos llamados también transductores de presión de estado sólido, funcionan basados en el principio de que un potencial eléctrico se genera en una sustancia cristalina cuando ésta se somete a una presión mecánica. Este fenómeno, descubierto en 1880 por los hermanos Pierre y Jacques Curie, se conoce como efecto piezoeléctrico (o efecto eléctrico por presión). Los transductores de presión piezoeléctricos tienen una respuesta de frecuencia mucho más rápida en comparación con las unidades de diafragma y son muy adecuados para aplicaciones de alta presión, pero generalmente no son tan sensibles como los transductores tipo diafragma.
DORAGON ELECETRONICS
PAGINA 11
BARÓMETRO Y PRESIÓN ATMOSFÉRICA La presión atmosférica se mide mediante un dispositivo conocido como baró- metro; así, la presión atmosférica se denomina por lo común presión barométrica. El italiano Evangelista Torricelli (1608-1647) fue el primero en probar de manera concluyente que la presión atmosférica se puede medir al invertir un tubo lleno de mercurio en un recipiente con mercurio y abierto a la atmósfera, como se ilustra en la figura. La presión en el punto B es igual a la presión atmosférica, y la presión en C se puede considerar como cero puesto que sólo hay vapor de mercurio arriba del punto C y la presión es muy baja en relación con Patm lo que permite ignorarla y obtener una excelente aproximación. Al escribir un balance de fuerzas en la dirección vertical, se obtiene Patm = gh
donde es la densidad del mercurio, g es la aceleración gravitacional local y h es la altura de la columna de mercurio arriba de la superficie libre. Observe que la longitud y el área de la sección transversal del tubo no causan efecto en la altura de la columna del fluido de un barómetro Una unidad de presión de uso común es la atmósfera estándar, que se define como la presión producida por una columna de mercurio de 760 mm de altura a 0 °C ( Hg = 13 595 kg/m3) bajo la aceleración gravitacional estándar (g = 9.807 m/s2). Si se usa agua en lugar de mercurio para medir la presión atmosférica estándar, sería necesaria una columna de agua de casi 10.3 metros. La presión se expresa a veces (en particular esto lo hacen los pronosticadores del clima) en términos de la altura de la columna de mercurio. La presión atmosférica estándar, por ejemplo, es 760 mm Hg (29.92 pulg Hg) a 0 °C. La unidad mm Hg se llama también torr en honor a Torricelli. Por lo tanto, 1 atm = 760 torr y 1 torr = 133.3 Pa. La presión atmosférica estándar Patm cambia de 101.325 kPa al nivel del mar, a 89.88, 79.50, 54.05, 26.5 y 5.53 kPa a altitudes de 1000, 2000, 5000, 10000 y 20000 metros, respectivamente.
DORAGON ELECETRONICS
PAGINA 12
SUSTANCIAS
SUSTANCIAS PURAS Una sustancia pura es una forma de materia que tiene una composición química constante y uniforme, lo que significa que está compuesta por átomos o moléculas de un solo tipo. Las sustancias puras se pueden clasificar en dos categorías principales: elementos y compuestos. Los elementos son sustancias puras que consisten en átomos del mismo tipo. En la tabla periódica, cada elemento se representa con un símbolo único (por ejemplo, H para el hidrógeno, O para el oxígeno, Fe para el hierro). características: Tienen una composición química uniforme y constante. No se pueden descomponer en sustancias más simples mediante procesos químicos ordinarios. Pueden existir en diferentes estados físicos (sólido, líquido, gas) dependiendo de la temperatura y la presión. Tienen un número atómico único que determina el número de protones en su núcleo. Tienen puntos de fusión y ebullición específicos. Los compuestos son sustancias puras que están formadas por la combinación de átomos de diferentes elementos en proporciones fijas y definidas mediante enlaces químicos.Propiedades y características: Tienen una composición química específica y constante en términos de los tipos y números de átomos que los componen. Pueden ser descompuestos en sus elementos constituyentes mediante reacciones químicas. Tienen propiedades físicas y químicas distintas de los elementos que los componen debido a la formación de enlaces químicos. Los compuestos tienen una fórmula química que indica la relación entre los átomos en la molécula (por ejemplo, H2O para el agua). Tienen puntos de fusión y ebullición específicos.
DORAGON ELECETRONICS
PAGINA 13
FASES DE EQUILIBRIO EN UNA SUSTANCIA PURA Las fases de equilibrio en una sustancia pura se refieren a las diferentes etapas o estados físicos en los que puede existir una sustancia pura a una temperatura y presión específicas. Para una sustancia pura, como un sólido, líquido o gas, existen tres fases de equilibrio principales: Fase Líquida: En esta fase, las partículas están más separadas que en un sólido, pero aún están lo suficientemente cerca como para interactuar entre sí. Las fuerzas intermoleculares permiten que las partículas se muevan libremente pero mantengan cierta cohesión. En el punto de ebullición, la sustancia pura pasa de líquido a gas. Fase Sólida: En esta fase, las partículas están muy cerca unas de otras y tienen una estructura ordenada y regular. Las fuerzas intermoleculares mantienen las partículas unidas en posiciones fijas. En el punto de fusión, la sustancia pura pasa de sólido a líquido. Fase Gaseosa: En esta fase, las partículas están muy separadas y se mueven libremente en todas las direcciones. Las fuerzas intermoleculares son relativamente débiles en comparación con la energía cinética de las partículas. En el punto de condensación, la sustancia pura pasa de gas a líquido.
Estas transiciones entre las fases se producen a temperaturas y presiones específicas y se conocen como puntos de fusión y ebullición. A una temperatura y presión dadas, una sustancia pura estará en una de estas tres fases de equilibrio. Por ejemplo, el agua sólida es hielo a temperaturas por debajo de su punto de fusión, se convierte en agua líquida entre su punto de fusión y su punto de ebullición, y se convierte en vapor de agua por encima de su punto de ebullición a una presión atmosférica normal.
DORAGON ELECETRONICS
PAGINA 14
PROCESOS DE CAMBIO DE FASE EN SUSTANCIAS PURAS Los procesos de cambio de fase en sustancias puras se refieren a las transiciones que ocurren cuando una sustancia pasa de una fase a otra debido a cambios en la temperatura y/o la presión, manteniendo su composición química constante. Estos procesos son fundamentales en la termodinámica y tienen importantes aplicaciones en la ciencia y la ingeniería. Las fases más comunes en las sustancias puras son sólido, líquido y gas. Aquí se describen los procesos de cambio de fase más comunes en sustancias puras: Fusión (Solidificación): La fusión es el proceso en el cual una sustancia sólida se convierte en líquida cuando se le suministra energía térmica. A medida que se aumenta la temperatura, las partículas en el sólido comienzan a moverse más rápidamente, superando las fuerzas de atracción intermolecular y permitiendo que la sustancia pase a la fase líquida.
Solidificación (Congelación): La solidificación es el proceso inverso de la fusión. Ocurre cuando una sustancia líquida se enfría lo suficiente como para que sus partículas pierdan suficiente energía cinética y se agrupen para formar una estructura sólida. Este proceso también se conoce como congelación cuando se refiere al agua u otras sustancias comunes.
Vaporización (Ebullición y Evaporación): La vaporización es el proceso en el que una sustancia líquida se convierte en gas. La ebullición es una vaporización a una temperatura y presión específicas (punto de ebullición), mientras que la evaporación ocurre a cualquier temperatura por encima del punto de congelación. Durante la vaporización, se proporciona suficiente energía térmica para vencer las fuerzas intermoleculares y separar las moléculas en la fase gaseosa.
DORAGON ELECETRONICS
Condensación: La condensación es el proceso inverso de la vaporización. Ocurre cuando el vapor se enfría y pierde energía térmica, lo que provoca que las moléculas se agrupen y formen una fase líquida. Un ejemplo común de condensación es la formación de gotas de agua en el aire frío. Sublimación: La sublimación es un proceso en el cual una sustancia sólida se convierte directamente en vapor sin pasar por la fase líquida. Un ejemplo conocido es el hielo seco (dióxido de carbono sólido), que sublima a temperatura ambiente. Deposición: La deposición es el proceso inverso de la sublimación, en el cual el vapor se convierte directamente en sólido sin pasar por la fase líquida. Ejemplos de deposición incluyen la formación de nieve y hielo en superficies frías.
PAGINA 15
DIAGRAMA DE PROPIEDADES PARA PROCESOS DE CAMBIO DE FASE Un diagrama de propiedades para procesos de cambio de fase es una representación gráfica que muestra cómo cambian las propiedades de una sustancia en función de la temperatura y la presión durante un proceso de cambio de fase, como la fusión o la evaporación. Estos diagramas son útiles para comprender y predecir cómo se comporta una sustancia en diferentes condiciones. Uno de los diagramas de propiedades más comunes es el diagrama de fases de una sustancia, que muestra las regiones de fase sólida, líquida y gaseosa en función de la temperatura y la presión. Uno de los diagramas de propiedades más comunes es el diagrama de fases de una sustancia, que muestra las regiones de fase sólida, líquida y gaseosa en función de la temperatura y la presión. El comportamiento de una sustancia en un diagrama de propiedades puede variar según la sustancia específica. Por lo tanto, los diagramas de propiedades pueden ser diferentes para diferentes sustancias. Estos diagramas son fundamentales en la termodinámica y son herramientas valiosas para la comprensión de los procesos de cambio de fase.
TEMPERATURA DE SATURACIÓN Es la temperatura a la cual un líquido se convierte en vapor (o viceversa) a una presión constante. En este contexto, la temperatura de saturación es importante para el estudio de procesos de evaporación y condensación. La temperatura de saturación de una sustancia es la temperatura a la cual esa sustancia cambia de fase, es decir, pasa de un estado sólido a un estado líquido (fusión) o de un estado líquido a un estado gaseoso (vaporización) a una presión constante. Cada sustancia tiene su propia temperatura de saturación específica a una presión dada. A menudo, se utiliza la presión atmosférica estándar (1 atmósfera o 101.3 kilopascales) como referencia, pero las temperaturas de saturación pueden variar con la presión
DORAGON ELECETRONICS
PAGINA 16
ECUACIÓN DE ESTADO DE GAS IDEAL La ecuación de estado de un gas ideal es una relación matemática que describe cómo las propiedades termodinámicas de la sustancia (como la presión, el volumen y la temperatura) están relacionadas entre sí. La forma específica de la ecuación de estado puede variar según el tipo de sustancia y las condiciones en las que se encuentra, pero una de las ecuaciones de estado más conocidas es la ecuación de estado de los gases ideales, que se aplica a los gases en condiciones ideales y se expresa como:
PV=nRT Donde: P es la presión del gas. V es el volumen del gas. n es la cantidad de sustancia R es la constante de los gases ideales. T es la temperatura en kelvins
El factor de compresibilidad, denotado como Z, es una propiedad termodinámica importante en la física y la química que se utiliza para describir el comportamiento de los gases reales. Este factor relaciona el volumen ocupado por un gas real con el volumen que ocuparía idealmente si siguiera la ley de los gases ideales a una cierta presión y temperatura. En otras palabras, el factor de compresibilidad nos indica cuán bien se comporta un gas real en comparación con un gas ideal bajo condiciones específicas. Para un gas ideal, el factor de compresibilidad es siempre igual a 1 (Z = 1), lo que significa que el gas ideal sigue la ley de los gases ideales de manera perfecta en todas las condiciones. Sin embargo, en el caso de los gases reales, el factor de compresibilidad puede ser diferente de 1 y varía según la presión y la temperatura. Para describir el comportamiento de los gases reales, se utiliza la ecuación de estado de Van der Waals o ecuaciones de estado más complejas, como la ecuación de Redlich-Kwong o la ecuación de Soave-Redlich-Kwong. Estas ecuaciones de estado tienen en cuenta las interacciones moleculares y corrigen la desviación del comportamiento de un gas real respecto al de un gas ideal. En resumen, el factor de compresibilidad (Z) es una propiedad importante para caracterizar cómo se comporta un gas real en comparación con un gas ideal bajo ciertas condiciones de presión y temperatura, y su valor puede ser mayor o menor que 1 dependiendo de estas condiciones y de las propiedades específicas del gas.
DORAGON ELECETRONICS
PAGINA 17
TABLAS DE TERMODINAMICA Las tablas de termodinámica son herramientas útiles en la termodinámica, una rama de la física que se encarga de estudiar las propiedades y el comportamiento de la energía y la materia en sistemas físicos. Estas tablas proporcionan información importante sobre las propiedades termodinámicas de sustancias, como gases, líquidos y sólidos, a diferentes condiciones de temperatura y presión. Las tablas de termodinámica suelen incluir información sobre las siguientes propiedades termodinámicas: Entalpía (H): Entropía (S): . Energía interna (U): Capacidad calorífica (Cp y Cv): Las tablas termodinámicas también pueden incluir información sobre puntos de congelación, puntos de ebullición y otras propiedades de fase de sustancias a diferentes condiciones de presión y temperatura.
DORAGON ELECETRONICS
PAGINA 18
CONCLUSIONES En conclusión, los principios, sistemas y procesos de la termodinámica, junto con la Ley Cero, constituyen un marco fundamental para entender y analizar el comportamiento de la energía en diversas formas. La Termodinámica se erige como un pilar crucial en la física y la ingeniería, proporcionando las reglas que gobiernan las interacciones energéticas en el universo. La Ley Cero establece el concepto de temperatura y la noción de equilibrio térmico. Establece que si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces también están en equilibrio térmico entre sí. Esta ley proporciona la base para la medición de la temperatura y es esencial para comprender cómo los sistemas alcanzan y mantienen un estado estable. En conjunto, estos principios y la Ley Cero de la termodinámica son fundamentales para una amplia gama de campos científicos y tecnológicos, desde la física y la química hasta la ingeniería y la biología, y son esenciales para el diseño y la optimización de sistemas energéticos en el mundo moderno. Los sistemas termodinámicos son objetos o regiones de interés en el estudio de la termodinámica, donde se llevan a cabo procesos de transferencia de energía y calor. Estos sistemas pueden ser abiertos, cerrados o aislados, lo que determina la cantidad de materia y energía que puede intercambiarse con el entorno. Los procesos termodinámicos describen cómo cambian los estados de un sistema con respecto a variables como la temperatura, la presión y el volumen. Estos procesos pueden ser adiabáticos (sin transferencia de calor) o no adiabáticos (con transferencia de calor), y siguen las leyes fundamentales de la termodinámica. Las sustancias, en el contexto termodinámico, pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas, y su comportamiento se describe mediante propiedades como la entalpía, la entropía y la capacidad calorífica. Estas propiedades son cruciales para analizar los cambios de fase de las sustancias, como la vaporización o la condensación. Los cambios de fase de las sustancias implican la transición de un estado a otro, como de líquido a gas o de sólido a líquido. Estos cambios de fase están acompañados de transferencia de calor latente, que se refleja en los procesos de calentamiento o enfriamiento a presión constante. Finalmente, la termodinámica es un campo fundamental que nos permite comprender cómo la energía y el calor interactúan en sistemas físicos. Los sistemas termodinámicos, los procesos, la Ley Cero, las sustancias, los cambios de fase y las tablas termodinámicas son elementos interconectados que proporcionan un marco sólido para el estudio y la aplicación de la termodinámica en una amplia gama de aplicaciones, desde la ingeniería hasta la física fundamental.
DORAGON ELECETRONICS
REFERENCIAS Blog Beamex, Unidades de temperatura y sus conversiones, Disponible enhttps://blog.beamex.com/es/unidades-de-temperatura-y-sus-conversiones sábado 30 de septiembre de 2023. Blog de Fredy Andrés Mercado Navarro, Diagramas de propiedades - Termodinámica Disponible en https://www.thefinitelement.com/circunferencias-2-circunferenciassecantes-1/27-geometria-vectorial consultado el sábado 30 de septiembre de 2023. Blog de Hevvy Pumps, PRESIÓN ATMOSFÉRICA EN PIES DE ALTURA, Disponible en https://hevvypumps.com/es/presi%C3%B3n-atmosf%C3%A9rica-en-pies-de-cabeza/ sábado 30 de septiembre de 2023. Blog WIKA, ¿Qué es la presión manométrica? Disponible https://www.bloginstrumentacion.com/knowhow/qu-es-la-presin-manomtrica/ sábado 30 de septiembre de 2023.
en
John R. Howell . (1990). Principios de Termodinámica para Ingeniería. Introducción. MEXICO. Mc Graw Hill. M Olmo R Nave, Superficie PvT para una Sustancia que se Expande al Congelarse, Disponible en http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/pvtexp.html sábado 30 de septiembre de 2023. Manuel Piñate. (2021). Manual de Trabajo de Grado y TD - Postgrado. Aragua, Venezuela. Universidad Bicentenario de Aragua. Michael A. Boles. (2008). TERMODINAMICA. Introducción y Conceptos Básicos. MEXICO. Mc Graw Hill. Revista digital Arosemena, Propiedades de una sustancia pura, Disponible en https://www.academia.utp.ac.pa/sites/default/files/docente/72/clase_3_propiedade s_de_una_sustancia_pura.pdf consultado el sábado 30 de septiembre de 2023.
DORAGON ELECETRONICS
Doragon Electronics
DORAGON ELECETRONICS
AUTOR: JOEL E. ROMERO R.