El objetivo es desarrollar una comprensión básica de los siguientes conceptos:
Energía interna y Primera Ley de la Termodinámica
El proceso cíclico y arbitrario de un sistema
Reversibilidad e Irreversibilidad
Entropía y Entalpía
Segunda Ley de la Termodinámica
Cuando la energía de una molécula dentro de un sistema se asocia con la propiedad del sistema, se denomina Energía Interna (u).
La energía no puede ser creada ni destruida y, basándose en este principio, la energía interna del sistema (u) cambia cuando la energía cruza la frontera del sistema.
Así, la primera ley de la termodinámica puede expresarse como se indica a continuación cuando el calor/trabajo interactúa con el sistema.
En la ecuación anterior, u es la energía interna por unidad de masa y q y w son el calor y el trabajo por unidad de masa, respectivamente. La convención de signos adoptada en la ecuación anterior es:
dq > 0 (considerado como positivo) ⇒ Transferencia de calor al sistema
dq < 0 (considerado como negativo) ⇒ Transferencia de calor desde el sistema dw > 0 (considerado como positivo) ⇒ Trabajo realizado por el sistema
dw < 0 (considerado como negativo) ⇒ Trabajo realizado sobre el sistema
Una de las formas importantes de la Primera Ley de la Termodinámica se obtiene cuando
Integramos la ecuación anterior para un proceso cíclico.
Se dice que un sistema está en un proceso cíclico cuando, después de sufrir cambios aleatorios debido al calor/trabajo, vuelve a su estado original.
Puntos a considerar:
La integración de cualquier diferencial de propiedad de estado es la diferencia de sus límites.
El estado final es el mismo que el estado original y no hay cambio en la energía interna del sistema.
Por lo tanto, cuando
El estado inicial y final de la energía interna en la ecuación anterior se representan por i y f. Sustituyendo lo anterior en la ecuación (1), entonces,
La ecuación (2) es la representación de la integral de todo el trabajo realizado por el sistema o el trabajo neto realizado por el sistema es igual a la integral de toda la transferencia de calor al sistema. Termodinámica de ingeniería explora más a fondo los conceptos de sistemas y procesos.
Es el resultado de la Primera Ley de la Termodinámica y está relacionado con la ecuación (1) si un sistema implica un proceso arbitrario.
En esta ecuación, q y w son el calor neto transferido y el trabajo neto para el proceso, respectivamente, mientras que uf y ui son los valores finales e iniciales de la energía interna (u). En un sistema adiabático rígido e aislado (w = 0, q = 0), su energía interna (u) permanece inalterada. Entonces, a partir de la ecuación (2) de un proceso cíclico.
Se dice que un sistema está experimentando un proceso cuando su estado inicial cambia al estado final. Propiedades como presión, volumen, entalpía, temperatura, entropía, etc., cambian durante un proceso termodinámico. La segunda ley de la termodinámica clasifica los procesos en dos categorías
Procesos ideales o reversibles
Procesos naturales o irreversibles
Si las variaciones de temperatura (t) y presión (p) son infinitesimales en un sistema que está experimentando un proceso, entonces el proceso puede denominarse estados cercanos al equilibrio o acercándose a la reversibilidad.
El proceso se dice que es reversible internamente si el estado original se restaura en dirección inversa.
El proceso se dice que es externamente reversible si el entorno que acompaña el cambio también puede revertirse en secuencia.
Un proceso reversible es aquel que es reversible tanto interna como externamente.
Para medir el éxito de los procesos reales, los profesionales utilizan el proceso reversible como medida para comparar y acercar los procesos reales y actuales a la reversibilidad, reduciendo las pérdidas para aumentar la eficiencia de los procesos.
Cuando los procesos reales no cumplen con los requisitos de reversibilidad, el proceso se llama irreversible.
En el proceso irreversible, el estado inicial del sistema y el entorno no pueden devolverse al estado inicial desde el estado final. La entropía del sistema aumenta bruscamente en el proceso irreversible y el valor no puede devolverse al valor inicial desde el valor final.
La irreversibilidad persiste debido a variaciones en la presión, composición, temperatura, composición, principalmente causadas por la transferencia de calor, fricción en sólidos y líquidos, reacción química. Los profesionales están ocupados en poner sus esfuerzos para reducir los efectos de la irreversibilidad en los procesos y mecanismos.
Al igual que la energía interna, la entropía y la entalpía son propiedades termodinámicas. La entropía se representa con el símbolo s y el cambio en entropía Δs en kJ/kg-K. La entropía es un estado de desorden. La entropía es el tema de la segunda ley de la termodinámica, que describe el cambio de entropía en el sistema y el entorno con respecto al Universo.
La entropía se define como la razón entre la transferencia de calor y la temperatura absoluta en un sistema para un camino termodinámico reversible.
Donde, qrev denota la transferencia de calor a lo largo de un camino reversible.
La entalpía (h) es una propiedad de estado y se define como,
Donde, h es la entalpía específica, u es la energía interna específica, v es el volumen específico, p es la presión.
A partir de la ecuación (1)
Por lo tanto
Diferenciando la ecuación (4) y sustituyéndola en la ecuación anterior, entonces
Ambas ecuaciones anteriores están relacionadas con los cambios en la entropía para procesos reversibles debido a los cambios en la energía interna y el volumen en la primera, y a los cambios en la entalpía y la presión en la segunda ecuación.
Dado que todas las cantidades en estas dos ecuaciones son propiedades de estado, la entropía también es una propiedad termodinámica.
La segunda ley de la termodinámica es conocida por describir sus límites en el universo en términos de lo que el universo puede hacer. La 2ª Ley trata más sobre la ineficiencia, la decadencia y la degeneración.
Realizamos actividades en nuestra vida diaria que, por naturaleza, implican procesos ineficientes e irreversibles.
La 2ª ley de la termodinámica puede expresarse de manera más conveniente en términos de entropía:
La entropía se define como el cambio infinitesimal en la entropía de un sistema (dS) es la razón entre la cantidad medida de calor que ha entrado en el sistema cerrado (dqrev) y la temperatura común (T) en el punto donde se produjo la transferencia de calor.
La segunda ley de la termodinámica establece que “el cambio de entropía se considera no negativo”.
O
La energía del universo se está moviendo gradualmente hacia un estado de desorden
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