Termodinámica de Ingeniería: Fundamentos y Principios
Los fundamentos de la termodinámica de la ingeniería juegan un papel importante en el avance hacia un mundo mejor, a través de la mejora del rendimiento de las plantas, equipos y su diseño general.
Los factores críticos para evaluar el rendimiento del equipo incluyen aspectos como la salida del producto final, el consumo de materia prima de entrada, el costo de producción y la evaluación del impacto ambiental. Los ingenieros de hoy utilizan el concepto de termodinámica para examinar y reinventar cosas destinadas a la seguridad y comodidad humana.
La ciencia de la termodinámica ha existido desde el siglo XIX. Desde entonces, científicos e ingenieros han estado haciendo un esfuerzo constante y continuo para hacerla lo más amigable posible.
Fundamentos de la Termodinámica
La palabra "termodinámica" se deriva de la palabra griega "therme" (que significa calor) y "dynamis" (que significa fuerza). Los profesionales de la ingeniería están interesados en estudiar sistemas y su interacción con su entorno.
Los conceptos/definiciones utilizados en esta sección son útiles para los lectores para entender el concepto de la termodinámica de la ingeniería (a veces referida como Ingeniería de Calor-Potencia)
Sistema, Entorno y Universo
Un sistema es algo que queremos estudiar e investigar, por lo tanto, el primer paso es definir con precisión el objetivo del estudio del sistema. El objetivo del estudio del sistema puede ser mejorar la eficiencia del sistema o reducir las pérdidas, etc. Un ejemplo de sistema podría ser analizar el ciclo de refrigeración en una planta de almacenamiento frío o analizar el ciclo de Rankine en una central eléctrica.
Un sistema se define como una masa definida de sustancia pura acotada por una superficie cerrada o flexible; de manera similar, la composición de la materia dentro del sistema puede ser fija o variable dependiendo del ciclo.
Las dimensiones del sistema no necesariamente son constantes (como el aire en un compresor que se comprime mediante un pistón) pueden ser variables (como un globo inflado). La materia que interactúa con el sistema externamente se llama entorno y el universo es el resultado del sistema y el entorno.
El elemento que separa el sistema de su entorno se llama frontera. La frontera del sistema puede ser fija o en movimiento.
La interacción entre el sistema y el entorno tiene lugar cruzando la frontera y, por lo tanto, juega un papel muy importante en la termodinámica (es decir, en la ingeniería de calor y potencia).
Tipos de Sistemas en Termodinámica
Existen dos tipos básicos de sistemas en termodinámica:
Sistema Cerrado o Masa Controlada: está asociado con una cantidad definida de materia. A diferencia de un sistema abierto, en un sistema cerrado, no hay flujo de masa que ocurra a través de la frontera del sistema. También existe un tipo especial de sistema cerrado que no interactúa y se aísla a sí mismo del entorno, llamado sistema aislado.
Volumen de Control (Sistema Abierto): El volumen de control está limitado a una región del espacio a través de la cual la masa y la energía pueden fluir y cruzar la frontera del sistema. La frontera de un sistema abierto se llama superficie controlada; esta superficie controlada puede ser real o irreal.
Ejemplos de volumen de control son tipos de equipos que implican el flujo de masa para cruzar la frontera del sistema, como el flujo de agua a través de bombas, el flujo de vapor en turbinas y el flujo de aire a través de compresores de aire.
Termodinámica Microscópica
El enfoque microscópico en termodinámica también se llama termodinámica estadística y está asociado con la estructura de la materia y el objetivo de la termodinámica estadística es caracterizar el comportamiento promedio de las partículas que conforman el sistema de interés y, a su vez, usar esta información para observar el comportamiento macroscópico del sistema.
Propiedad, Estados y Proceso Termodinámicos
Propiedad Termodinámica
Una propiedad termodinámica es una característica macroscópica de un sistema. El valor de una propiedad se puede asignar en cualquier momento dado sin conocer su valor anterior y su comportamiento.
Propiedad Extensiva
Las propiedades que dependen de la masa se llaman propiedades extensivas y su valor para el sistema global es la suma de sus valores para las partes en las que se divide el sistema. Ejemplos de propiedad extensiva son Volumen, Energía y Masa. La propiedad extensiva depende del tamaño del sistema y puede cambiar con el tiempo.
Propiedad Intensiva
En contraste con la propiedad extensiva, una propiedad intensiva no depende de la masa y es no aditiva en naturaleza y no depende del tamaño total del sistema. Puede variar en diferentes lugares dentro del sistema en cualquier momento. Ejemplos de propiedad intensiva son presión y temperatura.
Estado Termodinámico
Un estado se define como la condición de un sistema que se describe mejor por sus propiedades. La masa encerrada en un sistema puede encontrarse en una variedad de condiciones únicas, llamadas estado. Existen relaciones entre las propiedades de un sistema, pero el estado se puede especificar proporcionando el valor de un subconjunto de las propiedades.
Proceso Termodinámico
Los procesos termodinámicos son la conversión de un estado a otro estado. Si el valor de la propiedad macroscópica en un sistema en dos momentos diferentes es idéntico, entonces se dice que el sistema está en el mismo estado en ese momento. Se alcanza la condición de estado estable del sistema si ninguna de sus propiedades cambia con respecto al tiempo.
Ciclo de Equilibrio del Sistema
Un ciclo de equilibrio termodinámico es un proceso secuencial que comienza y termina con la condición del mismo estado. Cuando el ciclo se completa, todas sus propiedades tienen el mismo valor que tenían al principio. Todos los ciclos que se repiten regularmente desempeñan un papel vital en muchas áreas de aplicación, como la circulación de condensado en una estación generadora de energía térmica ejecuta un ciclo.
Sustancia de Trabajo
La teoría de la materia es útil para entender el concepto de energía. La materia se conoce por su masa, volumen y espacio, y, independientemente de su estructura y naturaleza, tiene ciertas características como consistencia y confiabilidad. La materia está hecha de un gran número de partículas llamadas moléculas. Se puede encontrar materia sólida, líquida o gaseosa en todas partes.
En la materia sólida, las moléculas están cerca unas de otras y fuertemente unidas, y no pueden moverse libremente. Por lo tanto, se requiere una gran fuerza para cambiar su forma.
Las moléculas en la materia líquida no están firmemente sujetas y, por lo tanto, una fuerza muy pequeña es suficiente para mantener unidas las moléculas.
En el estado gaseoso, las moléculas se mueven aleatoria y libremente, como si estuvieran en un estado no atado, y se mueven muy rápido independientemente de las moléculas adyacentes. La compresibilidad está asociada con los gases, que tienen muchos espacios vacíos entre las moléculas conectadas. La energía es la razón por la cual la materia existe en diferentes fases.
Sustancia Pura
El material de estructura química única o homogeneidad en la estructura química variable se conoce como sustancia pura. El material puede existir en una sola fase, como líquido, o también puede existir en más de una fase en equilibrio entre sí. Una mezcla uniforme de gases con la misma composición química también se denomina sustancia pura.
La importancia de la sustancia pura radica en la determinación de las propiedades de la sustancia de trabajo en diferentes condiciones de presión y temperatura.
Ejemplo: Para una sustancia pura como el agua, se puede describir completamente por dos propiedades intensivas soberanas denominadas presión y temperatura. Otra sustancia pura es el aire en estado gaseoso. Pero para una sustancia no homogénea, se requieren más de dos propiedades para describir el estado.
Equilibrio Termodinámico
En mecánica, se dice que se ha alcanzado el equilibrio cuando se igualan las fuerzas opuestas. Pero el significado del equilibrio termodinámico es diferente y mucho más amplio, ya que implica un equilibrio para muchas otras influencias (entre el sistema y el entorno) además de equilibrar las fuerzas opuestas). Para alcanzar el equilibrio completo dentro de un sistema, uno necesita cumplir con las condiciones de equilibrio mecánico, térmico, de fase y químico.
En esta sección, limitamos nuestra discusión al equilibrio termodinámico. Se enfatiza en tener estados de equilibrio y su cambio de un equilibrio a otro, lo cual se describe mejor por la Termodinámica Clásica.
