Conceptos de Termodinámica: Balance de Energía para Sitemas Cerrados y Abiertos

Resumen

La termodinámica abarca en su estudio diversas temáticas, varios de los conceptos de estudio se presentan a continuación para poder conocer, analizar, deducir, formular y estudiar los efectos que producen los mismos.

El objetivo de este estudio es determinar cómo los conceptos de estudio tienen que ver con diversas propiedades de materiales, sustancias y diversos factores químicos y físicos que nos rodean. Con este fin, se plantean tres peguntas de investigación: ¿Qué es el trabajo de frontera móvil?, ¿Qué son los Procesos Politrópicos? y ¿Qué son los calores específicos? En este contexto, la termodinámica es una de las ramas dentro de la Ingeniería más importantes.

Con respecto a las preguntas de investigación se responden a través de un experimento y consulta que explica los diferentes términos a estudiar. Estos se dividen en tres, cada uno abarca a la vez diversas temáticas en relación a términos de componentes físicos y químicos que se deben analizar.

Teniendo esto en cuenta, se recomienda que los términos a estudiar sean analizados de la mejor manera posible para su propia comprensión, se podrían realizar investigaciones adicionales para identificar otros factores a tener en cuenta con relación a la termodinámica y esto sería de gran utilidad para estudiantes e ingenieros.

Palabras Clave: Termodinámica, Trabajo de frontera móvil, calores específicos, presión, velocidad, densidad, gases, trabajo, rapidez, volumen, 

Introducción

Este documento es un resumen de conceptos de introducción a la termodinámica. Incluye una descripción de los conceptos, ecuaciones e imágenes en relación con la materia para facilitar un conocimiento en diferentes temáticas y poder aplicarlos de una manera correcta en la resolución de problema u otros acontecimientos que sirvan.

Termodinámica

La palabra termodinámica tiene que ver con una rama de la física en relación con una ciencia de ingeniería, va en relación al estudio del comportamiento físico y químico de la materia en reposo, tomando en cuenta sus propiedades y principios, va acompañada junto al estudio de la Mecánica de Fluidos y Transferencias para poder llegar a comprender, analizar, diseñar y deducir diversas problemáticas que se presentan en la misma.

Marco Teórico

La presente investigación tiene como objetivo, analizar los diferentes conceptos en relación a la termodinámica y sus leyes que se pueden aplicar en diversas circunstancias que se presenten, van en relación a conceptos de presión, volumen, rapidez, entre otros, mismo que se irán analizando con fundamentos en libros, informes, sitios y web y más.

Trabajo de frontera móvil

Es una forma de trabajo muy común y tiene que ver con la expansión o comprensión de un gas dado en un sistema de cilindro-embolo. Es un proceso en el cual parte de la frontera (cara interna del cilindro-embolo) se mueve en un vaivén, esta acción recibe el nombre de frontera móvil o trabajo de frontera.

Se da a conocer que el mismo trabajo de frontera móvil en relación con motores o compresores reales no se da a partir solo de un análisis termodinámico, dado que el cilindro-embolo tiende a estar en velocidades muy altas. Entonces su análisis se realiza mediante mediciones directas.

Cuando se considera un sistema en casi equilibrio, se explica que a intervalos muy pequeños de variación de volumen la presión permanece constante, por lo tanto, puede expresarse como

1. Tal que F= PA es el área transversal del pistón y dx el desplazamiento del pistón, donde:
2. Dado esto se da a conocer que el trabajo de frontera móvil viene dado por la fórmula:
3. Y por la unidad de masa es:
4. Cabe recalcar que el trabajo es una función trayectoria, para lo cual el trabajo dependerá del camino que tome un proceso para ir del estado 1 al estado 2.

Por tal motivo el análisis se da en procesos cuasi estáticos, tal que en procesos isobáricos es decir que la presión permanece constante durante el proceso es posible simplificar la ecuación a W12 = (V2 – V1) P.

Dado si el proceso es Isocórico, entonces el sistema no realizo ningún trabajo, cabe recalcar que un proceso de expansión nos dará como resultado un trabajo positivo o entregado por el sistema y un proceso de compresión supone que se da un trabajo sobre el sistema y este es negativo para un balance de energía.

Procesos politrópicos

Este proceso termodinámico va en relación con los procesos isotérmico y adiabático de un gas, en el cual se consideran las tres magnitudes de estado presión, volumen y temperatura, también se considera el factor de transferencia de calor, dando así un suministro de calor el cual cambia relativamente a la temperatura:

Donde: n= coeficiente politrópico

Dadas las anteriores formulas y tomando en cuenta que el proceso poli trópico es un proceso intermedio se llega a la deducción de la siguiente formula:

Donde:

• n = Coeficiente politrópico
• C = Constante de proporcionalidad

Por lo tanto, se presenta que todo proceso cuya relación vaya en análisis de la presión y el volumen sea constante y vaya en relación a n es decir el coeficiente politrópico:

Figura SEQ Figura * ARABIC 1. Casos particulares del proceso politrópico. Cuando n = 0, se trata de un proceso isobárico (p = cte.)

1. Cuando n = 1, se trata de un proceso isotérmico (T = cte.)
2. Cuando n = ∞, se trata de un proceso isocórico o isométrico (V = cte.).

 

Balance de energía para sistemas cerrados y abiertos

El conocer el calor y la energía como maneras de energía hace posible que se presente la ley de la conservación de la energía mecánica, la misma que también incluye al trabajo y las energías externa, potencial y cinética. Tal como nos dice el enunciado “Aunque la energía adopta muchas formas, la cantidad total de energía es constante, y cuando la energía desaparece de una forma, aparecerá simultáneamente en otras formas”. Por lo tanto, para la primera ley se presenta:

Donde indica cambios finitos en las cantidades de energía señaladas.

Balance de energía para sistemas cerrados

Cuando se presenta un sistema en el cual la frontera impide la transferencia de materia entre el mismo y sus alrededores se lo da a conocer como cerrado y su masa es constante.

Por lo tanto, como en un sistema cerrado no entran ni salen corrientes, y no hay transporte de energía se llega a la deducción de que:

Dado por Q el calor y W el trabajo con sus signos respectivos en los cuales se abarca la dirección de transporte con respecto al sistema.

Figura SEQ figura * ARABIC 2. Interacciones de energía entre un sistema cerrado y sus alrededores. Por lo tanto, se llega a deducir que la energía total es la suma de la energía cinética, potencial e interna, dado por :

• De igual manera si la masa contenida en el sistema se distribuye de manera uniforme se da en función de la masa tal que:
• Balance de energía para sistemas abiertos

Cuando se presenta corrientes que circula se encuentran cuatro tipos flujo comunes, los cuales son Rapidez de flujo de masa (m), Rapidez de flujo molar(n), Rapidez de flujo volumétrico (q) y velocidad (u), los cuales están relacionados de la siguiente manera:

• Donde M dado por la masa molar, de igual manera la rapidez de flujo de masa y molar va en relación con la velocidad:

Dado por el área de la sección transversal de un conducto (A), y la densidad especifica o molar(),como la velocidad es una cantidad vectorial en este caso se utiliza como la rapidez promedio de una corriente en dirección normal con respecto al área, por lo tanto (m, n y q) representan medidas de la cantidad dadas por la unidad del tiempo.

Objetivos del Balance de Energía

• Determinar la cantidad de energía necesaria para un proceso.
• Determinar las temperaturas a las cuales el proceso es más eficiente.
• Disminuir el desperdicio de energía.
• Determinar el tipo de materiales y equipos que mejor sean más eficientes.

Pero se recalca que el objetivo principal es la estimación de costos de operación del proceso, ya que el gasto energético es uno de los más importantes costos durante la operación.

Calores específicos

Se conoce por diversas circunstancias que se necesitan de distintas cantidades de energía para elevar un grado las masas idénticas que pertenecen a diversas sustancias..

El calor especifico se lo define como la energía requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia, el estudio se generaliza en calor especifico a volumen constante y calor especifico a presión constante.

Calor especifico a volumen constante

Viene dado por:

Dado que nos indica que el calor específico a volumen constante es el cambio en la energía interna respecto al tiempo.

Se visualiza que la energía que se adiciona al sistema y que aumenta la temperatura es el cambio en la energía interna del sistema, y no puede variar, debido a que es constante el volumen y no existe trabajo que presente una adición de energía.

Calor especifico a presión constante

Viene dado por:

• Dado que nos indica que el calor específico a presión constante es igual al cambio en la entalpía respecto al cambio en la temperatura.
• También debemos conocer que el calor es la energía transferida de un sistema a otro dado en general a una diferencia de temperatura entre ellos.

Se presenta que dos o más cuerpos en contacto que se encuentran a distinta temperatura alcanzan, pasado un tiempo, el equilibrio térmico, conocido como Principio Cero de la Termodinámica.

Impurezas

Debido a que se presentan aleaciones, hay ciertas ocasiones en las cuales pequeñas impurezas pueden alterar en gran medida el calor específico medido.

Estas aleaciones muestran una marcada diferencia en su comportamiento incluso si la impureza en cuestión es uno de los elementos que forman la aleación; se muestra en ejemplo las impurezas en aleaciones semiconductoras ferromagnéticas la cuales pueden llegar a mediciones muy diferentes .

Capacidad calorífica de sólidos, líquidos y gases

Cuando se empezó a medir la capacidad calorífica de diferentes sustancias se apreciaron algunas generalizaciones importantes.

Se presento que muchos sólidos tenían una capacidad calorífica cercana a 3R de acuerdo con la ley de Dulong-Petit, el cual es basado en aspectos cuánticos del problema de transmisión de calor dentro de una red cristalina finalmente. Muchos gases presentaban capacidades caloríficas cercas a γR/2 (donde γ es un número entero dependiente de la estructura molecular del gas).

Unidades del Calor Específico

Tal como en el Sistema Internacional de mediciones la unidad para el calor son los Joules (J), el calor específico se expresa en este sistema en Joules por kilogramo y por kelvin (J/Kg*K).También se usa la caloría por gramo y por grado centígrado (cal/gºC), en los países o los ámbitos que emplean el sistema anglosajón, se lo mide por BTU’s por libra y por grado Fahrenheit.

Cantidad de Sustancia

Siempre que se realiza la medición del calor específico en ciencia e ingeniería, la cantidad de sustancia es a menudo de masa, ya sea en gramos o en kilogramos. Se sugiere que casi siempre en química conviene que la unidad de la cantidad de sustancia sea el mol al medir el calor específico, el cual es un cierto número de moléculas o átomos de la sustancia. Si es que la unidad de la cantidad de sustancia es el mol, el término calor específico molar se puede usar para dirigirse a la medida; o bien usar el término calor específico másico, para indicar que se usa una unidad de masa.

Tabla SEQ Tabla * ARABIC 1. Tabla de Calores Específicos. SUSTANCIA CE (cal/(gºC))

• Acero 0.114
• Agua (hielo) 0.55
• Agua (liquido) 1.00
• Agua (vapor) 0.50
• Aguarrás 0.42
• Alcohol 0.59
• Aluminio 0.22
• Cobre 0.093
• Hierro 0.113
• Latón 0.0944
• Mercurio 0.033
• Oro 0.030
• Plata 0.056
• Plomo 0.031
• Vidrio 0.20
• Zinc 0.092

 

Conclusiones

Después de haber analizado los diferentes términos en relación con la termodinámica, el proceso de trabajo de frontera móvil, balance energía para sistemas cerrados y abiertos, calores específicos todo esta anexado al primer principio o ley de la termodinámica en relación a gases y elementos químicos y físicos que incluyen el análisis de trabajo, presión, velocidad, densidad entre otros factores que se presentan, se concluye que el principio de la ley de termodinámica es uno de los principios más importantes para poder entender de una manera correcta el funcionamiento y funcionalidades de la Termodinámica, tomando en cuenta que es una de las materias más importantes dentro del estudio de la Ingeniera Mecánica, además de que va en relación con otras materias de estudio como la Mecánica de Fluidos, Transferencias de calor, Física, Química por lo tanto la Termodinámica llega a ser de vital importancia en la resolución de problemas prácticos u escritos.

Referencias

1.  M. Moran y H. Shapiro, Fundamentos de termodinámica técnica, Barcelona: Editorial Reverté S.A, 2004.
2. A. C. Yunus, Termodinámica, México: Mc graw Hill, 2015.
3. J. G. Barbosa Saldaña, Termodinámica Para Ingenieros, México: Grupo Editorial Patria, 2015.
4. A. Díaz, «Termodinamica(ADR),» 28 11 2016. [En línea]. Available: http://termodinamicaadr1.blogspot.com/2012/04/v-behaviorurldefaultvmlo.html. [Último acceso: 2019 07 31].
5. W. Cruz y Ó. Rubio , «DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA INSTRUMENTADO,» Quito, 2017.
6. J. Romani, P. Quiroga, M. G y M. Larreguy, «Estudio experimental de procesos termodinámicos,» Buenos Aires, 2002.
7. L. Cervantes , L. Trejo y V. Aidee, «Lenguaje Termodinámico,» Departamento de Fisicoquímica, 2006.
8. J. Smith, H. Van Ness y M. Abbot, Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química, México: Mc Graw Hill-Interamericana, 2007.
9. J. Jiménez, C. Gutiérrez y J. Barbosa, Termodinámica, México: Patria, 2014.
10. R. Nieto, C. González, I. López, A. Jiménez y J. Rodríguez, Termodinámica, Madrid: Dextra, 2014.
11. Universidad Politécnica de Madrid.
12. [12] The fine element, «thefinitelement,» 2019. [En línea]. Available: http://www.thefinitelement.com/index.php/calores-especificos. [Último acceso: 31 07 2019].
13.  T. Blas y A. Serrano, «Curso de Física Básica,» 2014. [En línea]. Available: http://www2.montes.upm.es/dptos/digfa/cfisica/termo1p/calor.html. [Último acceso: 31 07 2019].
14. M. Hogan, Density of States of an Insulating Ferromagnetic Alloy, New York, 1969.
15.  R. Serway, Física 1, México: Thomson, 2003.
16.  M. Raffino, «Concepto.de,» 16 01 2019. [En línea]. Available: https://concepto.de/calor-especifico/. [Último acceso: 31 07 2019].
17. R. Resnick, Física 1, México: CECSA, 2002.
18. Enciclopedia Británica, Enciclopedia Británica, Escocia: Macropedia, 1991.