TERMODINÁMICA

Básicamente la termodinámica en la ingeniería se enfoca en la producción de trabajo, a menudo bajo la forma de energía cinética a partir de calor como resultado de los procesos de la combustión, aunque no siempre es este el caso. 
En el siguiente video se muestra la introducción a la Termodinámica,obtén 5 conclusiones y coméntalas en la sesión de clases.

En la Figura 1, se muestra el esquema de una central térmica convencional donde se utiliza comúnmente un combustible para llevar a cabo la generación de vapor y transformar la energía térmica en trabajo que es utilizado en la generación eléctrica.

En la Figura 2, se muestra una central núcleoeléctrica donde el núcleo del reactor emite la energía radiante necesaria para incrementar la temperatura y generar vapor que es posteriormente utilizado para el generación de electricidad.

Figura 2 . Central Nucleoeléctrica

CONCEPTOS BÁSICOS

Como definición de sistema se puede decir que es un conjunto de elementos con relaciones de interacción e interdependencia que le confieren entidad propia al formar un todo unificado.

                      Sistema: región del universo que aislamos para estudiarla 

Un sistema puede ser cualquier objeto, cualquier cantidad de materia, cualquier región del espacio, etc., seleccionado para estudiarlo y aislarlo (mentalmente) de todo lo demás. Así todo lo que lo rodea es entonces el entorno o el medio donde se encuentra el sistema (Abbot, 1991). 

La envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa de sus inmediaciones (entorno) se llama frontera del sistema y puede pensarse que tiene propiedades especiales que sirven para: 

a) aislar el sistema de su entorno o para
b) permitir la interacción de un modo específico entre el sistema y su ambiente.Sistema y entorno

Un sistema termodinámico es un sistema macroscópico, es decir, un sistema cuyo detalle de sus características microscópicas (comprendida la posición y la velocidad de las partículas en cada instante) es inaccesible y donde sólo son accesibles sus características estadísticas. 

Clasificación de los sistemas por su relación con el entorno

1. Abierto: existe transferencia de materia y energía entre sistema y entorno
                  Ejemplos: turbina; organismo vivo.
2. Cerrado: sólo hay transferencia de energía 
                  Ejemplo: gas encerrado en recipiente con
paredes móviles
3. Aislado: no hay intercambio de materia ni energía
                Ejemplos: universo; sistema junto con su entorno

Clasificación de los sistemas por la características de los sistemas

1. Homogéneos: propiedades físicas y químicas iguales en todo punto del sistema   
             Ejemplos: gas, disolución diluida, sólido puro
2. Heterogéneos: formado por subsistemas homogéneos (fases) de propiedades distintas
            Ejemplo: disolución saturada, agua y hielo
En este curso nos limitaremos al estudio de sistemas homogéneos 

Propiedades termodinámicas 

Las propiedades termodinámicas cuyos valores dependen del tamaño del sistema son llamadas propiedades extensivas (por ejemplo: volumen, entropía, energía interna). 

Las propiedades denominadas propiedades intensivas son aquellas que no dependen del tamaño del sistema (por ejemplo: presión, temperatura). 

El concepto del Equilibrio
Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando no se observa ningún cambio en sus propiedades termodinámicas a lo largo del tiempo. Los estados de equilibrio son, por definición, estados independientes del tiempo (ver Figura 3)
Un sistema en equilibrio termodinámico satisface:
1. Equilibrio mecánico (ningunas fuerzas desequilibradas).
2. Equilibrio térmico (ningunas diferencias de la temperatura).
3. Equilibrio químico. 

Figura 3. Equilibrio mecánico y térmico

Energía Interna

La energía interna se define como la energía asociada con el movimiento aleatorio y desordenado de las moléculas. Está en una escala separada de la energía macroscópica ordenada, que se asocia con los objetos en movimiento. 

Se refiere a la energía microscópica invisible de la escala atómica y molecular. Por ejemplo, un vaso de agua a temperatura ambiente sobre una mesa, no tiene energía aparente, ya sea potencial o cinética. 

Pero en escala microscópica, es un hervidero de moléculas de alta velocidad que viajan a cientos de metros por segundo. Si el agua se tirase por la habitación, esta energía microscópica no sería cambiada necesariamente por la superimposición de un movimiento ordenada a gran escala, sobre el agua como un todo.

La U es el símbolo común mas usado para representar la energía interna.

Las cantidades relacionadas con la energía, que son particularmente útiles en la termodinámica química son la entalpía, la energia libre de Helmholtz, y la energía libre de Gibbs.

Calor

El calor se puede definir como la energía de tránsito desde un objeto con alta temperatura a un objeto con menor temperatura. Un objeto no posee "calor"; el término apropiado para la energía microscópica de un objeto es energía interna. La energía interna puede aumentarse, transfiriéndole energía desde uno con mas alta temperatura (mas caliente) -es lo que propiamente llamamos calentamiento-. 

Trabajo del Sistema

Normalmente es un gas el que realiza el trabajo en un sistema termodinámico. El trabajo realizado por un gas a presión constante es:

Ejemplo

Si la presión no es constante, el trabajo se visualiza como el área bajo la curva de presión-volumen, que representa el proceso que está teniendo lugar. La expresión mas general para el trabajo realizado es:

El trabajo realizado por un sistema disminuye la energía interna del sistema, como se indica en la primera ley de la termodinámica. El trabajo del sistema es un aspecto importante en el estudio de los motores térmicos.

Primera Ley de la Termodinámica

La primera ley de la termodinámica, es la aplicación del principio de conservación de la energía, a los procesos de calor y termodinámico:

La primera ley hace uso de los conceptos claves de energía interna, calor, y trabajo sobre un sistema. Usa extensamente el estudio de los motores térmicos. La unidad estándar de todas estas cantidades es el julio, aunque algunas veces se expresan en calorías o BTU.

Segunda Ley: Entropía

Segunda ley de la termodinámica: en cualquier proceso cíclico, la entropía aumentará, o permanecerá igual. 

Entropía:	Es una variable de estado cuyo cambio se define por un proceso reversible en T, y donde Q es el calor absorbido.
Entropía:	una medida de la cantidad de energía que no está disponible para realizar trabajo.
Entropía:	una medida del desorden de un sistema.
Entropía:	una medida de la multiplicidad de un sistema.

Puesto que la entropía da información sobre la evolución en el tiempo de un sistema aislado, se dice que nos da la dirección de la "flecha del tiempo". 

Si las instantáneas de un sistema en dos momentos diferentes, muestran uno que está más desordenado, entonces se puede deducir que este estado se produjo mas tarde en el tiempo que el otro. En un sistema aislado, el curso natural de los acontecimientos, lleva al sistema a un mayor desorden (entropía más alta) de su estado.

Revisa los siguientes videos y contesta las preguntas del cuestionario.

CUESTIONARIO:
1. Enuncia las siguientes leyes de la Termodinámica
     Ley Cero
     Primera Ley
     Segunda Ley
     Tercera Ley
2. Cuáles serán las condiciones para que se establezca el equilibrio entre dos sistemas?
3.Qué es la Energía Interna de un Sistema?
4. Qué es el Trabajo en termodinámica?
5. Qué es la Entropía?
6. En qué aparatos se aplica la segunda ley de la termodinámica?