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7/24/2019 1. CONCEPTOS BASICOS DE TERMODINAMICA GENERAL.pdf

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Ing. RICARDO ANIBAL ALOR SOLORZANO

CONCEPTOS BASICOS DE TERMODINAMICA GENERAL

E.A.P. INGENIERIA INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

Indice5

1. Sistema, entorno, contorno 1

2. Trabajo y calor 2

3. Estado y equilibrio 3

4. Procesos 4

En este tema vamos a describir las ideas fundamentales sobre las que se10basa la termodinamica.

1. Sistema, entorno, contorno

DEF.Un sistema es la parte del universo que se desea estudiar.El entorno es el resto del universo.El contorno es la frontera entre sistema y entorno.15

El investigador decide que estadentroy que estafueradelsistema. Portanto, el sistema noesnada en s mismo; es arbitrario.Los criterios/puntos del espacio que separan el interior y exterior delsistema forman sucontorno. Puede ser conceptual o fsico, y el inves-tigador decide si lo considerara parte del sistema o no.20

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Elentornoes todo lo que no se considera sistema. A veces se utiliza la

misma palabra para referirse a la vecindad exterior al sistema (no atodo el entorno).

Sistema y entorno estan relacionados: lo que ocurre dentro del siste-25ma provoca cosas en el exterior y viceversa interactuan.

NOTA:Tabla de clasificacion de sistemas en figura 1, p. 2.

Criterio Tipo Descripcion

Masa Cerrado No existe intercambio de masa con el ex-

terior. Por tanto, la masa del sistema esconstante.

Abierto Puede existir intercambio de masa con elexterior: puede entrar o salirmasa del sis-tema.

Permeabi-lidad delcontorno

Impermeable El contorno del sistema impide que hayaintercambio de masa entre el interior y elexterior.

Semipermeable El contorno permite intercambio de masaentre el sistema y el entorno, pero solo dealgunos componentes.

Permeable El contorno permite intercambio de masade cualquier componente entre el interiory el exterior del sistema.

Interaccionenergetica atraves delcontorno

Adiabatico El sistema solo puede intercambiar traba-jo con el exterior.

Diatermano El sistema puede intercambiar calor conel exterior.

Volumen Rgido El volumen del sistema no puede variar

(valor y forma).Deformable El volumen del sistema puede variar

Figura 1: Clasificacion de sistemas por criterios sobre el propio sistema ysobre su contorno.

2. Trabajo y calor

DEF.Trabajo es toda interaccion energetica sistemaentorno cuyo efecto

puede reducirse exclusivamente al levantamiento de un peso.30Calor es toda interaccion sistemaentorno que, en exclusion de tra-

bajo, es producida por una desigualdad de temperatura. Dicha defini-


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Q>0 S

W>0

W


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mnimo de variables (al que llamaremosgrados de libertaddel sistema). Co-

nociendo el valor deestas, podremos deducir el valor del resto. Las varia-bles mnimas necesarias para describir el estado de un sistema se llaman55variables de estado.

NOTA:Formulacion matematica: LlamamosXi, i=1 . . . la las variables deestado,llos grados de libertad del sistema, y Za una funcion generica.Podemos conocer el valor de una variable Z como funcion de las variablesde estado

Z= Z(Xi)

Podemos observar que, como una variable de estado se puede transformaren otra variable mediante una funcion, se pueden intercambiar variablessiempre que se cumpla que el conjunto considerado sea independiente.

4. Procesos

DEF.Dado un sistema S en un estado de equilibrio 1, se llama proceso asu evolucion hasta alcanzar otro estado de equilibrio 2.60

Se llama proceso termodinamico a un tipo especial de proceso, en elque las variables de estado del sistema estan definidas en todo instante.

Habitualmente, se utiliza la palabra procesotambien para referirse ala evolucion de un sistema entre dos estados cualquiera, aunque no

sean de equilibrio.

NOTA:Se dice que las variables de estado de un sistema (o el estado en s)estan definidas cuando son medibles en el sistema: son continuas y finitas.En explosiones, por ejemplo, no existe una unica presion y se dan saltos

bruscos (discontinuidades).

Segun la definicion anterior, un proceso da lugar a una variacion delestado del sistema considerado. Si indicamos genericamente el estado delsistema porZy el proceso por P, se puede expresar esto como:

P Z

Algunos procesos transcurren a tal velocidad que las variables de esta-65do sufren cambios de valor bruscos. A estos procesos se les llamano estati-cos. En otros, sin embargo, las variables de estado pueden evolucionar deforma continua, estando definidas y siendo medibles en cualquier instanteintermedio entre el inicial y el final. A estos se les llamacuasiestaticos.

Por otro lado, existen procesos que se pueden invertir, es decir, que ad-70miten un proceso inverso, que lleve al sistema del estado final al original,siguiendo una evolucion exactamente igual y en orden inverso al del primer proce-so. A estos procesos se les llamareversibles.


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NOTA:Combinaciones de tipo de proceso en fig. 3 p. 5.

Cuasiestatico No estatico

Reversible Si No

Irreversible Si Si

Figura 3: Combinaciones posibles de tipos de proceso.

Debe observarse que solamente pueden existir procesos reversiblesen el caso de ser cuasiestaticos, pero que el hecho de que un procesosea cuasiestatico no garantiza que sea reversible.

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Trataremos ahora exclusivamente deprocesos termodinamicos, en los que,como se menciono en la definicion, las variables de estado estan definidasen todos los instantes intermedios. Conviene resaltar una vez mas que estono implica que sea reversible.80

Al estar definidos todos los estados intermedios del proceso, podemosprecisar el esquema general:

P (Li, Lei ) R Z

Para ver el sentido de(Li, Lei )es necesario recordar que un proceso, por

definicion, incluye no solo el cambio de estado Zentre el inicial y el final,

sino tambien toda la evolucion del sistema entre ellos, es decir: la sucesionde estados intermedios seguida, que hemos indicado por R.De hecho, el mismo cambio Zpuede, en general, conseguirse por pro-85

cesos diferentes. Por tanto, lo que diferencia a un proceso de otro (dado unmismo Z) es precisamente R.

Un sistema que se encuentra en estado de equilibrio comienza un pro-ceso hacia otro estado de equilibrio debido a su interaccion con el entorno,que le obliga a abandonar el equilibrio inicial. Esta interaccion sistema en-90torno viene medida porvariables de lnea.

Lasvariables de lneadescriben una caracterstica concreta derivada deseguir una trayectoria determinada. Por tanto, no tienen sentido por

s mismas. Por ejemplo, solamente tiene sentido hablar del consumode un automovil siguiendo un camino y perfil de velocidades concre-tos.

A pesar delcontorno, la evolucion de un sistema no es independiente dela de su entorno, por lo que un proceso vendra descrito por variables delnea tanto del entorno, Lei , como del propio sistema Li.95

En resumen, un proceso equivale a una evolucion dada de un conjuntode variables de lnea (Li, L

ei ), que obligan al sistema a seguir una sucesion

de estados R, finalmente resultando en un cambio de estado, Z.


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NOTA:Funciones de estado y de lnea matematicamente. SeaZfuncion de

estado. Lfuncion de lnea.

dZ = Mdx +Ndy dL= Mdx+NdydM

dy

x

=

dN

dx

y

dM

dy

x

=

dN

dx

y

dZ =0

dL= L =0

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