Introducción:

Un sistema termodinámico es una región en el espacio, o una colección fija de material encerrada poruna frontera real o imaginaria → definición clara e inequívoca del sistema termodinámico y la fronteradel sistema relacionada con él.

→ en general hay tres tipos de sistemas : cerrados, abiertos y aislados.• En el sistema cerrado no hay intercambio de masa, pero si de energía. • En el sistema abierto existe un intercambio de masa y energía → también conocido como

volumen de control → éste volumen posee una frontera bien definida, conocida como superficiede control, que es donde se realiza la transferencia de energía y masa → puede esta superficiealterar su forma.

• En el sistema aislado, no hay una interacción con el entoro, es decir, ni masa ni energía cruzanla frontera → superficie de control.

Equilibrio, propiedad y estado.

→ un sistema se encontraría en equilibrio cuando se le aislara de su entrono y el valor de suspropiedades termodinámicas macroscópicas no cambiara. Éstas son propiedades son estrictamentemensurables (observables), y haciendo referencia entonces aquellas como la presión, la temperatura, ladensidad, el volumen específico → proporcionan la definición de estado termodinámico.

→ el valor de dichas propiedades es único para cada situación o estado específico. Es cierto que lamasa puede permanecen inalterada cuando se habla de un sistema cerrado o de un sistema aislado, perootras propiedades pueden cambiar su valor dependiendo del estado termodinámico en que se encuentre.

→ así, se puede definir el equilibrio termodinámico como aquella situación en que se mantieneinalteradas la propiedades termodinámicas.

Proceso.

→ Aquello que produce un cambio de estado en el sistema. Por ende existe una variación en alguna delas propiedades, aunque se puede describir mediante una serie de estados → proceso.

La velocidad de un proceso es una variable importante → una velocidad extremadamente lenta, permitehablar de un proceso cuasiestático.

→ proceso cuasiestático: se denota como aquella velocidad que es imperceptible para que el sistemacambie el valor de sus propiedades de manera abrupta → hay una ligera variación, pero se es capaz demedir cada propiedad y extraer un estado termodinámico definido → serie de estado termodinámicospara llegar al fin de un proceso. Matemáticamente, es posible una construcción de un modelo quepermita identificar los valores de cada propiedad.

Trayectoria termodinámica → es la serie de estados por los que pasa un sistema que experimenta

un cambio mientras va del estado 1 al estado n.

Ciclo termodinámico → cualquier proceso termodinámico, o conjunto de procesos, que tiene comoresultado un estado final para el sistema que es idéntico a su estado inicial.La definición anterior no excluye a ningún tipo de proceso (en equilibrio y fuera de equilibrio) → elúnico requisito es que el sistema llegue a su estado inicial, independiente del número y la forma deestados que haya adquirido a lo largo del proceso.

Propiedades macroscópicas → visión a gran escala del comportamiento de las partículas individuales ysus interacciones; así, el enfoque macroscópico no requiere de un estudio teórico particular de maneradetallada sobre la estructura atómica → datos concernientes a la estructura (sólido, líquido o gas) y elcomportamiento de la sustancia.

Marco de referencia para las propiedades termodinámicas.

Propiedades extensivas → proporcional a la cantidad de materia que el sistema posee. Propiedades intensivas → su valor no depende de la cantidad de materia presente

→ se puede obtener una propiedad intensiva a partir de una propiedad extensiva, mediante el cocientedel valor de dicha propiedad por la masa del sistema.

Medición de las propiedades → variables mecánicas y variables termodinámicas. En cualquiera de losdos casos, se pueden medir directa o indirectamente sus valores (a partir de alguna ley física o principiotermodinámico).

Presión.

La presión en termodinámica representa lo mismo que la presión en mecánica → fuerza normal entre elárea sobre la que actúa; presión para líquidos, esfuerzo para sólidos.→ Para cualquier fluido en la condición de equilibrio estático la presión es la misma en todas lasdirecciones → condición isotrópica.→ Para medir la presión atmosférica, se emplean los barómetros; mientras que para medir la presión deun fluido con respecto al aire atmosférico del entorno, se emplean los manómetros.→ presión manométrica, aquella que se mide con relación al aire atmosférico; presión absoluta seobtiene sumando la presión atmosférica (del barómetro) más la presión manométrica.

Volumen específico y densidad.→ El volumen específico, v, de una sustancia se define como el volumen total del sistema divido entrela masa de la sustancia.

v=Vm

→ La densidad de esa sustancia, se define como el recíproco del volumen específico

ρ=1v=

mV

La última propiedad es de mucha utilidad para definir los parámetros cinemáticos y cinéticos del fluido.Temperatura.

La temperatura termodinámica (T) es una propiedad derivada de la Segunda Ley de la Termodinámica.

Pero la noción que se posee basada en los sentidos para determinar si un cuerpo está frío o caliente→ Se introduce la definición de la termometría empírica, basada entonces en la Ley cero de laTermodinámica “Cuando dos cuerpos están en equilibrio térmico entre sí con un tercer cuerpo, los doscuerpos están en equilibrio térmico entres sí, y se dice que los tres cuerpos se encuentran a la mismatemperatura” → igualdad de temperatura → no hay un cambio en sus propiedades (Corolario de la LeyCero de la Termodinámica”.

Interacciones del Trabajo y Calor. Fenómenos de frontera.

→ en termodinámica el trabajo es una interacción entre un sistema y su entorno. Como tal, por logeneral se le considera un fenómeno de frontera. Una posible excepción se presenta en el concepto defuerzas de cuerpo → relacionadas con los campos de fuerza como el gravitatorio, el eléctrico y elmagnético → contenidos dentro de los cambios de la energía cinética.→ un sistema cuando realiza trabajo, se considera positivo; cuando realizan trabajo sobre él, esnegativo.→ el único efecto válido para considerar que el sistema ha realizado trabajo es el levantamiento, por él,de un peso.→ el trabajo negativo que ha realizado ese peso (entorno), es negativo.→ el calor también es una interacción entre un sistema y su entorno, no es una propiedadtermodinámica. El calor es un efecto que se presenta únicamente en la frontera des sistema → debido ala diferencia de temperaturas entre el sistema y el ambiente.→ se requiere un gradiente de temperaturas diferente de cero a ambos lados de la frontera para que selleve a cabo una interacción de calor.→ cuando un sistema recibe calor, se considera positivo; cuando dona calor, el valor sobre el sistemase considera negativo.

Clasificación del calor.Comencemos con la introducción de las equivalencias energéticas entre los dos sistemas de

unidades, el Sistema Internacional y el Sistema Inglés. Este último se emplea de manera extensa en larefrigeración doméstica y comercial.

Dimensión: Energía, calor, trabajo, energía interna, calor → Sistema Internacional

1kJ =1000 J =1000 N⋅m=1 kPa⋅m3

1kJkg

=1000m2

s2

1kWh=3600 kJ1cal=4.184 J

1cal IT 04.1868 J vapor 1Cal=4.1868 kJ

Dimensión: Energía, calor, trabajo, energía interna, calor → Sistema Inglés.

1kJ =0.94782 BTU1 BTU=1.055056 kJ=5.40396 psia⋅ ft3

=778.169 lbf⋅ft

1BTUlbm

=25,037ft2

s2 =2.326kJkg

1kJkg

=0.430BTUlbm

1kWh=3412.14 BTU

Dimensión: Presión → Sistema Internacional

1 Pa=1N

m2

1kPa=103 Pa=10−3 MPa

1atm=101.325 kPa=1.01325 bars=760 mmHg 0 °C=1.03323kgfcm2

1mmHg=0.1333 kPa

Dimensión: Presión → Sistema Inglés

1 Pa=1.4504×10−4 psia=0.020886lb

ft2

1 psi=144lbfft

=6.894757 kPa

1atm=14.696 psia=29.92 inHg30 ° F

1 inHg=3.387 kPa

Formas de energía.

La energía puede existir en varias formas: térmica, mecánica, cinética, potencial, eléctrica,magnética, química y nuclear. Cuya suma conforma la energía total E de un sistema, la cual se denotapor unidad de masa mediante e y se expresa como

e=Em

(kJ /kg )

→ la porción de de la energía interna de un sistema relacionada con la energía cinética de susmoléculas se llama energía sensible → la velocidad promedio y el grado de actividad de las moléculasson proporcionales a la temperatura del gas, por lo que a temperaturas más elevadas poseen energíascinéticas superiores → el sistema tiene una energía interna más alta.→ fuerzas de enlace relacionadas con la energía interna: entre átomos, entre moléculas, entrepartículas. → fuerza intermoleculares entre sólidos son más grandes que entre líquidos y mucho másgrandes que entre los gases → al agregar energía para producir un cambio de fase (desde sólido hastavapor), se tendrá entonces que el nivel energético más elevado se tiene en estos últimos → la energíainterna relacionada con el cambio de fase de un sistema se conoce como energía latente.

Análisis termodinámico. → considera dos grupos para las diversas formas de energía que

conforman la energía total de un sistema.Macroscópicas → son aquellas que posee un sistema como un todo en relación con cierto marco dereferencia exterior, v.g., energía cinética y energía potencial.Microscópicas → relación con su estructura molecular, su actividad molecular y son independientes delsistema de referencia.

Sistemas cerrados → los sistemas que se emplearan en refrigeración son sistemas cerrados →por lo tanto ni Ec ni Ep presentan cambios → sistemas estacionarios.

Volúmenes de control → flujo de un fluido durante largos periodos y es conveniente expresar sutasa de flujo de energía en relación con una corriente de fluido → flujo másico, m ,cantidad de masaque fluye por una sección transversal por unidad de tiempo; y se relaciona con el flujo volumétrico,

V , definido como el volumen de fluido que fluye por una sección transversal por unidad de tiempo,mediante

m=ρV =ρ Ac v prom , kg / s → flujo másico

Flujo deenergía : E=m e ,(kJ /s)o (kW )

Energía mecánica → los sistemas en ingeniería se diseñan para transportar un fluido de un lugara otro a determinado flujo volumétrico y velocidad y diferencia de elevación. La energía mecánica sepuede definir como la forma de energía que se puede convertir completamente en trabajo mecánico demodo directo mediante un dispositivo mecánico como una turbina ideal. → un sistema genera trabajomecánico en una turbina y consume trabajo en una bomba o un ventilador.

Una bomba transfiere energía mecánica a un fluido al elevar la presión de éste, y una turbina; deahí que la presión de un fluido en movimiento se relacione con su energía mecánica.→ la unidad de presión Pa es equivalente a Pa= N/m2=N.m/m3=J/m3, que es la unidad de volumen, y elproducto PV ,o su equivalente, P/ρ tiene la unidad J/kg.

→ la presión por si misma no es una forma de energía, pero una fuerza de presión que actúa sobre unfluido a través de una distancia produce trabajo, llamado trabajo de flujo, en una cantidad P/ρ porunidad de masa. El trabajo de flujo se expresa en términos de las propiedades del fluido y esconveniente considerarlo como parte de la energía de un fluido y llamarlo energía de flujo. Por lo tanto,la energía mecánica de un fluido en movimiento por unidad de masa se puede expresar como

emecanica=Pρ +

V 2

2+ gz

donde P/ρ es la energía de flujo, V2/2 es la energía cinética y gz es la energía potencial del fluido,todas por unidad de masa. También es posible expresarla por unidad de tiempo

Emecánica=m emecánica=m( Pρ +

v2

2+ gz )

El cambio en la energía mecánica de un flujo durante un flujo incompresible (ρ = constante) es

Δ emecánica=P2−P1

ρ +V 2

2−V 1

2

2+ gz (z2− z1) ,(kJ /kg )

→ Δ Emecánica=mΔ emecánica=m( P2−P1ρ +

V 22−V 1

2

2+ gz ( z2− z1))

→ la energía mecánica de un fluido no cambia durante el flujo si su presión, densidad, velocidad yaltura permanecen constantes. En ausencia de pérdidas, el cambio de energía mecánica representa eltrabajo mecánico suministrado al fluido (si Δemecánica > 0 ) o extraido del fluido (si Δemecánica < 0 )

Transferencia de energía por calor.

→ la energía puede cruzar la frontera de un sistema cerrado en dos formas distintas: calor y trabajo.→ el calor está definido como la forma de energía que se transfiere entre dos sistemas ( o entre unsistema y sus alrededores) debido a una diferencia de temperatura → una interacción de energía escalor sólo si existe una diferencia de temperaturas → se deduce que si no existe dicha diferencia detemperaturas es imposible la transferencia de calor entre dos sistemas.→ el calor es energía en transición y se reconoce sólo cuando cruza la frontera de un sistema.→ un proceso durante el cual no hay transferencia de calor se denomina proceso adiabático(adiabatos, término griego que significa “no pasar”) → solo hay dos formas en que se presente :aislamiento completo del sistema o el sistema y sus alrededores están a la misma temperatura.→ aunque no hay transferencia de calor en un proceso adiabático, otros medios como el trabajo puedencambiar el contenido de energía, y en consecuencia, la temperatura del sistema (isotérmico).

Q=[kJ ó BTU ]

q=Qm( kJ

kg )Q=∫

t 1

t 2

Q dt

Transferencia de energía por trabajo.

→ el trabajo, al igual que el calor, es un fenómeno de frontera. → si la energía que cruzó las fronteras del sistema no es calor, es entonces trabajo.→ es la transferencia de energía relacionada con una fuerza que actúa a lo largo de una distancia.

w=Wm

,(kJ / kg)

→ el trabajo realizado por unidad de tiempo se llama potencia y se denota con W punto.→ debido al carácter direccional de ambas magnitudes físicas y para representar la descripcióncompleta de sus interacciones: convención de signos → “la transferencia de calor hacia un sistema yel trabajo hecho por el sistema son positivos; la transferencia de calor desde un sistema y el trabajohecho sobre el sistema se consideran negativos”

→ una cantidad transferida desde o hacia un sistema durante una interacción no es una propiedadpuesto que la medida de dicha cantidad depende de algo más que sólo el estado del sistema. El calor yel trabajo son mecanismos de transferencia de energía entre un sistema y sus alrededores, y existenmuchas similitudes entre ellos:

• Tanto Q como W pueden ser reconocidos en las fronteras de un sistema cuando las cruzan; esdecir son fenómenos de frontera.

• Los sistemas poseen energía, pero el calor y el trabajo no.• Ambos se relacionan con un proceso, no con un estado. A diferencia de las propiedades, ni el

calor ni el trabajo tienen significado en un estado.• Ambos son funciones de la trayectoria (es decir, sus magnitudes dependen de la trayectoria

seguida durante un proceso, así como de sus magnitudes finales)

Propiedades de una sustancia pura.

Los análisis termodinámicos requieren invariablemente un conocimiento de las propiedades delas sustancias que se usan → sustancias puras; para las sustancias puras es válida la regla de las dospropiedades, “ el estado termodinámico de la sustancia se define en forma única mediante laespecificación de sólo dos propiedades intensivas independientes “.→ la propiedad termodinámica se ha definido como cualquier característica observable de un sistemaen equilibrio, mientras que el estado termodinámico de un sistema se define como la condición en queel sistema existe”.→ hay propiedades que se observan con facilidad: la presión, el volumen específico (o su recíproco, ladensidad) y la temperatura empírica.→ propiedades que se deriva de aquellas que se pueden medir directamente: la energía interna, la entalpía, la temperatura termodinámica, la entropía, la función de Gibbs y la función de Helmholtz.→ las propiedades derivadas son aquellas cuya existencia se infiera a partir de las leyes de la termodinámica. La energía interna U,es una propiedad extensiva derivada de la primera ley → la primera ley de la termodinámica afirma la existencia de esa propiedad (independiente de cualquier escala molecular) como una propiedad del sistema, y también proporciona la base para la determinación cuantitativa de los cambios de su valor.

→ la entalpía (H), es una propiedad compuesta que se define matemáticamente como una combinación de la la aplicación de la primera ley a los procesos de flujo. Como la entalpía implica energía interna, tampoco se puede medir correctamente, y su valor se debe obtener de otras cantidades mensurables.

H=U+ pV

Las sustancias puras y la regla de las dos propiedades.

→ sustancia pura, sistema que tiene una composición química uniforme en todas sus partes. • Una sustancia debe ser homogénea en composición química. En otras palabras cada porción del

sistema debe tener precisamente los mismos constituyentes químicos, combinados de la misma manera y en proporciones idénticas.

• Debe se ser invariable en composición química para que se le considere una sustancia pura → su composición química no debe cambiar con el tiempo. Los requisitos de composición químicatanto homogénea como invariable están implícitos en la definición de una sustancia pura como aquella que tiene una composición química uniforme a través del sistema.

• Una sustancia pura no tiene que ser física o macroscópicamente homogénea, basta con que tenga las misma propiedades intensivas en todas sus partes.

→ fase: condición física en la que existe el sistema.→ cabe hace notar que el estado termodinámico se define en términos de las propiedades intensivas y

no en términos de las propiedades extensivas.