UNIDAD I:CONCEPTOS Y DEFINICIONES FUNDAMENTALES DE LA TERMODINÁMICA

Esta unidad introductoria presenta los conceptos y definiciones termodinámicas básicas que se requieren para comprender principios físicos que gobiernan los fenómenos asociados a la transferencia  de materia, energía y entropía,  i.e., Primer y Segundo Principio de la Termodinámica. Estas  herramientas establecen el marco de referencia para el análisis y desarrollo de cada una de las etapas  que constituyen un proceso industrial químico.

1.1   Introducción

Qué es Termodinámica

 Ciencia que estudia la energía, sus diferentes manifestaciones,  transformaciones, y propiedades de la materia asociada a la energía.

Qué es Energía

 Capacidad que tiene un sistema de llevar a cabo modificaciones; de si mismo, y/o  del ambiente que lo rodea.

Cuántas formas de Energía existen

 Múltiples: Energía asociada a la estructura de la materia;  energía de movimiento; energía de  posición; energía electromagnética;  etc. Además de las llamadas “energías en transito”: Calor y Trabajo Termodinámico.

En qué se fundamenta la Termodinámica

La base del conocimiento Termodinámico son las observaciones experimentales, las cuales han sido  codificadas en lenguaje matemático a través de leyes Termodinámicas: Primera; Segunda. La primera ley trata acerca del intercambio de energía, o cuanto de un tipo de energía es  equivalente a otro tipo  de energía (principio  de conservación). La segunda ley está relacionada con toda clase de áreas: las transformaciones que son posibles y aquellas que no (eficiencia); determina la dirección del tiempo; mecánica estadística, etc. Cuando la primera y segunda ley se combinan, conducen a relaciones que permiten determinar cuanta es la energía que se puede extraer de un sistema en un medioambiente particular: disponibilidad energética o exergía.

Por qué estudiar Termodinámica:

 Como ingenieros de procesos nos interesa aprovechar la energía para fines que sean útiles a la Humanidad. La modificación de nuestro entorno a través del manejo de la energía nos permite lograr beneficios comunes.

Cuál es la aplicación directa de la Termodinámica en Ingeniería de Procesos:

La Termodinámica,  a través de sus leyes, participa en las etapas de diseño, construcción y optimización, de todos los procesos que involucren transformaciones de una forma a otra de energía. Tres ideas Unificadoras forman el núcleo de la Teoría Termodinámica: (i) Energía: Capacidad que tiene un sistema de llevar a cabo modificaciones; de si mismo, y/o del ambiente que lo rodea; (ii) Equilibrio: Condición de un sistema en el cual todas las fuerzas impulsoras potencialmente capaces de generar una alteración en el sistema y/o alrededores han sido anuladas; (iii) Estado: Condición física en la cual se encuentra un sistema, el cual puede describirse especificando un número limitado de variables observable

1.2 Definiciones

Se denomina  Sistema al sector del universo que  se delimita y el cual se desea estudiar. El resto del universo lo constituyen los  Alrededores (figuras 1.2-1.4). Un Sistema es  Cerrado es aquel que no intercambia materia con los alrededores. Cuando existe intercambio de materia entre sistema y alrededores se lo considera un Sistema  Abierto. Un Sistema es  Aislado es aquel que no intercambia materia ni energía.

Un  Proceso corresponde a una sucesión de transformaciones, cuantificadas por los cambios en las propiedades que describen un sistema, que lo llevan desde un estado o condición inicial a un estado o condición final, a través de una o varias etapas. Si el proceso se repite de manera continua, regresando al estado inicial, se dice que dicho proceso es Cíclico.

Las  Variables de Procesos pueden ser clasificada convenientemente en propiedades de  Transporte: asociadas al movimiento del sistema ( τ ,  etc.), y propiedades  Termodinámicas (T, P, H, S, G,  etc.).  Estas últimas a su vez son subdivididas en prop

iedades  Termodinámicas Extensivas: su valor es proporcional a la cantidad  de materia (m, E, S, mv, V, n, mg,  etc.); y propiedades  Termodinámicas Intensivas o Funciones de Estado: su valor es independiente de la cantidad de materia presente en el sistema (ρ, T, P, µ, etc.)

El carácter aditivo de las propiedades extensivas permite su intercambio entre sistema y alrededores, el cual puede ser cuantificado por medio de balances: materia; energía; entropía; cantidad de movimiento. Estas herramientas establecen el marco  de referencia para el análisis  y desarrollo de cada una de las

etapas que constituyen un proceso.

Se modifica la naturaleza extensiva de una propiedad a un carácter intensivo, refiriendo la primera a la unidad de materia o de moles.

1.1   Conceptos Fundamentales

Temperatura (T): Propiedad que manifiesta el estado energético o el nivel de energía interior (propia) de las moléculas de una sustancia. Intuitivamente se asocia a la sensación de lo “caliente” o “frío” que está un objeto (Figura 1.5).

El método más común de medir la temperatura es con un termómetro el que en su interior posee un fluido que se expande cuando es calentado. En  el Sistema Internacional de Unidades (SI) la temperatura se mide a través de una escala absoluta. La unidad se denomina Kelvin (K) y se considera al gas ideal como fluido termométrico. Un Kelvin corresponde aproximadamente a 1.38×10–23  Joule por partícula.

T[K]=T[ ºC] +273.15

En el Sistema Ingles de Unidades la temperatura se mide a través de una escala Fahrenheit. La unidad se denomina grado Fahrenheit (°F). La escala absoluta de este sistema corresponde a la escala Rankine (R).

La Ley Cero de la Termodinámica establece que si dos sistemas A y B, están respectivamente en equilibrio térmico con un tercer sistema C, entonces los sistemas A y B estarán en equilibrio térmico entre sí (dos cantidades iguales a una tercera, son iguales entre si).

Presión (P): Se define la presión de un fluido sobre una superficie, como la fuerza normal ejercida por el fluido por unidad de área de superficie. Para el caso particular de un gas dentro de un recipiente, las partículas de gas intercambian momento a través de choques e interacciones con las moléculas de las paredes del recipiente (Figura 1.6)