Conceptos Básicos De TermodináMica

La palabra termodinámica proviene de los vocablos griegos thermos (calor) y dynamis (potencia), que describe los primeros esfuerzos por convertir el calor en potencia. Hoy día el mismo concepto abarca todos los aspectos de la energía y sus transformaciones, incluidas la producción de potencia, la refrigeración y las relaciones entre las propiedades de la materia. La termodinámica es la rama de la fisica que estudia la energía , la transformación entre sus distintas manifestaciones, como el calor , y su capacidad para producir un trabajo . Está íntimamente relacionada con la mecánica estadistica de la cual se pueden derivar numerosas relaciones termodinámicas estudiando los sistemas físicos a nivel macroscópico .

Obtener los conocimientos básicos de termodinámica y de transmisión de calor, base de la ingeniería química, con una visión panorámica de las aplicaciones y posibilidades tecnológicas de ésta materia, de forma que permita una eventual y opcional especialización posterior en este campo. Así también, la idea de este cuestionario y de su contenido es acercarnos a los procesos en sí, y mediante ejemplos sencillos facilitarnos el aprendizaje de la materia. No se ha tratado de escribir unos apuntes que sustituyan a los muchos y buenos textos de Termodinámica ya existentes, sino de complementarlos, y hacerlo de forma esquemática. Ciertamente, se requerirán unos conocimientos matemáticos básicos, pero la termodinámica es una ciencia macroscópica y nosotros, no hay que olvidarlo, hablaremos de propiedades medibles.

Un Ingeniero Químico es un profesional con una sólida preparación en química, física e ingeniería, capaz de participar en la solución de problemas como: el control de la contaminación, manejo y preservación de recursos naturales, uso eficiente de la energía y elaboración de productos que requieran una transformación física o química. Además de ser el responsable de vigilar el correcto funcionamiento, la dirección de producción y el control de calidad de la Industria Química. Seleccionando la materia prima, el proceso químico, el equipo y accesorios de acuerdo al proceso, realizando los cálculos necesarios, atendiendo a los costos, facilidades de adquisición, eficiencia de operación y mantenimiento. Aplicando sus conocimientos en cualquier industria química, investigando y desarrollando nuevos equipos de proceso o nuevos productos químicos. Su actividad se realiza principalmente en la industria química, petroquímica, farmacéutica, plásticas, cementos, siderúrgica de alimentos, textiles, papeleras, azucarera, abonos y fertilizantes entre muchas otras.

Es decir, el Ingeniero Químico se debe enfrentar a una amplia gama de problemas. Entre los cuales se encuentra la determinación de las condiciones de equilibrio para la transferencia de especies químicas entre fases, así como el cálculo de los requerimientos de calor y trabajo para procesos físicos y químicos. Las composiciones de cada fase en equilibrio son muy diferentes, y es precisamente esta diferencia la que nos permite separar mezclas por destilación, extracción, absorción, etc. Generalmente los conocimientos de termodinámica que un alumno adquiere en su licenciatura le permiten realizar correlaciones o predicciones sencillas del Equilibrio Líquido-Vapor. Otro de los problemas más habituales para el Ingeniero Químico es el diseño y análisis de sistemas térmicos. Base de este diseño es el análisis energético, que combina los balances de materia y energía junto con el segundo principio de la termodinámica. Y es en la industria petroquímica que se hace evidente la importancia del desarrollo de sistemas térmicos que hagan un uso efectivo de los recursos energéticos no renovables como petróleo, gas natural, carbón, etc. Sabiendo, entonces que la termodinámica es la ciencia que comprende el estudio de las transformaciones de energía y las relaciones entre las diferentes propiedades físicas de las sustancias que sufren estas transformaciones, se concluye que en cualquier actividad de la Ingeniería está implícita la termodinámica.

Los equipos instalados en una planta química llevan a efecto los procesos industriales y el diseño de los equipos aplicados para ello es muy importante, así como el control del funcionamiento óptimo de ellos y todo el proceso integrador y el control en la aplicación de la energía necesaria para que ello se lleve efecto. La importancia que tienen estos puntos para: el gerente de la planta, los dueños de dicha planta , los ingenieros, el personal que labora en ella y los habitantes donde está instalada Los dueños de las planta, es importante el diseño de los equipos ya que en ocasiones puede parecer costosa la adquisición de nueva y mejor maquinaria; deben tomar en cuenta que estas cuentas y cubren con una mayor amplitud las necesidades imperantes, tales como una mayor rapidez del proceso, un uso menor de energía, entre otras cosas. El Gerente, Debe estar informado del buen desempeño de todo el complejo operativo mecánico- humano; así como determinar y atender las anormalidades o incidencias que ocurriesen, de ser necesario si así la índole lo ameritara.

Los Habitantes que vive en zonas periféricas a una planta química (ingenio azucarero, planta generadora de electricidad, refinería, fabricas siderúrgicas). Es fundamental tener conocimiento de las características de los procesos que estas se llevan a cabo. De la materia prima que consumirán, cuáles son los mecanismos de mantenimiento, limpieza y desarrollo, qué agentes tóxicos utilizan (de haberlos) y hacia a dónde se dirigen o depositan todos los residuos. Para el personal que labora en ella el proceso industrial debe contar con un desarrollo y un funcionamiento óptimo, el manejo del equipo industrial debe de ser lo más simple y sencillo que se pueda, de ser posible ofrecer al operador la posibilidad de realizar múltiples tareas realizando ejecuciones simple o relativamente simples. Para los ingenieros, Los equipos de una planta química que llevan a cabo procesos industriales mediante los cuales emplean la materia para transformarla o producir energía; El óptimo funcionamiento y control de estos equipos está dada en gran medida por su diseño. La importancia para un ingeniero químico de mantener estos puntos cubiertos en su totalidad, estriba en que al cumplirse de manera adecuada, se mantiene el control de factores determinantes tales como; el control del flujo de energía que se aplica al proceso, manejando de esta manera la energía total aplicada.

A continuación se dan una serie de conceptos que son básicos en el conocimiento de la termodinámica; escribe el significado de cada uno de ellos y pon un ejemplo de cada uno:

Sistema

Sistema Simple y compuesto, fase

Sistema cerrado, abierto, aislado

Frontera

Frontera rígida y móvil

Frontera permeable e impermeable

Frontera diatérmica y adiabática

Vecindad o medio ambiente o alrededores

Se denomina sistema termodinámico o simplemente sistema a toda aquella cantidad de materia o aquella región en el espacio elegida para su estudio limitada por una superficie llamada frontera , abstracta o real (también conocidas como fija o móvil respectivamente). Cuando la frontera que limita el sistema es real, se conoce como pared . Observe que la frontera es la superficie de contacto compartida tanto por el sistema como por los alrededores , medio ambiente o vecindad , es decir, todo aquello que queda fuera del sistema. Así, el sistema más su entorno se denomina universo . Cada sistema puede ser, a su vez, subsistema de otro mayor, o, también, estar él mismo dividido en subsistemas. Un sistema queda especificado cuando se conoce su naturaleza fisicoquímica , las propiedades de las paredes que separan los diferentes subsistemas y la pared que separa todo el sistema del entorno. Si la composición química y las propiedades físicas locales (entendidas como propiedades intensivas macroscópicas) de un sistema son iguales en todos los puntos del mismo, el sistema es homogéneo y se dice entonces que consta de una sola fase . Cuando el sistema está compuesto de varios subsistemas homogéneos o fases, se dice que es heterogéneo .

Finalmente, un sistema puede interactuar o no con su entorno. Las interacciones entre diferentes sistemas termodinámicos, que se denominan contactos termodinámicos , están condicionadas tanto por la naturaleza de los sistemas como por el tipo de paredes separadoras. Cuando no existe ningún contacto termodinámico entre el sistema y el entorno, se dice que el sistema es aislado , en este caso, no puede intercambiar ni masa ni energía con el entorno. Por ejemplo: Considérese un dispositivo conformado por un émbolo y un cilindro. Supongamos que nos interesa saber qué le sucede al gas encerrado cuando se calienta. Puesto que centramos nuestra atención en el gas, éste es nuestro sistema, las superficies interiores del émbolo y el cilindro forman la frontera (la superficie interna del émbolo, en este caso) puede moverse. Todo lo que queda fuera del gas, incluso el émbolo y el cilindro, constituyen los alrededores.

Sistema simple :

Aunque la Termodinámica puede tratar sistemas de muy diversa complejidad, por razones prácticas es conveniente definir un tipo especial de sistema que se va a denominar sistema simple, que para considerarse así deberá contar con las siguientes características:

Características de Un Sistema Simple :

Es homogéneo e isótropo (macroscópicamente);

No tiene carga eléctrica

Es químicamente inerte

Sus propiedades locales no se ven afectadas por cambios de la forma del sistema ni por la división del sistema en partes independientes

No existen restricciones internas que separen partes del sistema

No actúan sobre él campos eléctricos, magnéticos, gravitacionales o rotatorios.

A su vez, el estado de un sistema se describe por medio de sus propiedades. Pero no es necesario especificar todas las propiedades para fijar un estado. Una vez que se especifica un número suficiente de propiedades, el resto de ellas asume ciertos valores de manera automática. El número de propiedades que se requieren para fijar el estado de un sistema está dado por el Postulado de estado: “ El estado de un sistema compresible simple se especifica completamente por dos propiedades intensivas independientes El postulado de estado requiere que las dos propiedades específicas sean independientes para fijar el estado. Y son independientes si una de ellas varía en tanto que la otra se mantiene constante, La temperatura y el volumen específico, por ejemplo, siempre son propiedades independientes en sistemas de una sola fase, pero son dependientes en sistemas multifase. A nivel del mar (P= 1 atm), el agua hierve a 100 °C, pero en la cima de una montaña, donde la presión es menor, el agua hierve a una temperatura más baja. Esto es, T= f (P) durante un proceso de cambio de fase, por lo que la temperatura y la presión no son suficientes para fijar el estado de un sistema bifásico

Sistema Compuesto :

Un Sistema Compuesto queda entendido como aquel sistema con restricciones internas, por ejemplo, con una o más paredes restrictivas (adiabáticas, fijas, etc.) que separan partes del sistema, se denomina sistema complejo . Cada subsistema de un sistema complejo debe ser un sistema simple.

Por ejemplo: Sea un sistema complejo dividido en dos subsistemas y supóngase que se elimina alguna ligadura interna. Como consecuencia de ese contacto entre subsistemas se observa, normalmente, que los dos sub- sistemas abandonan sus estados iníciales para alcanzar, cada uno de ellos, un nuevo estado de equilibrio. Sus dos estados finales se dice que son de equilibrio mutuo con respecto a los contactos existentes entre ambos subsistemas. Se dice que dos subsistemas están en contacto mutuo respecto a un determinado tipo de contacto termodinámico cuando sus correspondientes estados son de equilibrio mutuo para ese contacto

A grandes rasgos los s istemas cerrados son aquellos que pueden intercambiar energía, aunque no materia, con los alrededores. Los s istemas abiertos son aquellos que pueden intercambiar materia y energía, y finalmente se conocen como sistemas aislados a todo sistema que incapaz de poder intercambiar materia o energía .

Por ejemplo: Un clásico sistema abierto, se considera al calentador de agua, pues se requiere determinar cuánto calor se debe transferir al agua que está en el tanque para suministrar un flujo permanente de agua caliente. Puesto que saldrá agua caliente del tanque y será sustituida por agua fría, no conviene elegir una masa fija como sistema para el análisis. En su lugar, es posible concentrarse en el volumen formado por las superficies interiores del tanque y considerar los flujos de agua caliente y fría como la masa que sale y entra al volumen control. En este caso la superficie interior del tanque forma la superficie de control , y la masa cruza la superficie de control en dos posiciones.

La parte del sistema que interacciona con el sistema se le conoce como vecindad. Las interacciones entre el sistema con sus alrededores esta caracterizada por los intercambios de energía y masa, en sus diversas formas, la energía puede intercambiarse por medios mecánicos o no mecánicos, esto es por procesos de calentamiento o enfriamiento

Es aquella superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores se le conoce como frontera. La frontera de un sistema es fija o móvil; la frontera es la superficie de contacto compartida tanto por el sistema como sus alrededores. Se puede llegar a clasificar en tres tipos

Rígida o móvil

Permeable e Impermeable

Real o Imaginaria

Frontera Rígida y Móvil.- Queda entendida toda frontera rígida aquella incapaz de permitir el paso de materia hacia el sistema, contrariamente a la frontera móvil que es posible de dejar pasar flujo de energía.

Frontera Adiabática y Diatérmica.- La frontera adiabática son aquellas que no permiten que su sistema modifique su grado relativo de calentamiento. Los llamados aislantes térmicos a nivel comercial son excelentes ejemplos de materiales con esta propiedad; como la madera, el asbesto, etc. En general supondremos que los sistemas poseen dimensiones suficientemente pequeñas para despreciar el campo gravitacional.

La frontera diatérmica son aquellas que permiten interacciones que modifiquen el grado de calentamiento. Los metales son materiales excelentemente diatérmicos.

1. Unidad de longitud: metro (m) La definición original del metro fue establecida en 1889, y estaba basada en un prototipo de platino-iridio, el cual todavía es conservado en Sèvres, Francia. Esta definición fue reemplazada en 1960 por una en términos de la longitud de onda de una radiación emitida por el isótopo Kr-86. Posteriormente, en 1983 se adoptó la siguiente definición, la que aumenta la precisión en la realización de la unidad de longitud: El metro es la longitud de la trayectoria recorrida por la luz en el vacío durante un lapso de 1/299 792 458 de segundo .

2. Unidad de masa: kilogramo (kg) La masa es la medida de la inercia de un cuerpo. Aunque es frecuente que se defina como la cantidad de materia contenida en un cuerpo, esta última definición es incompleta. En el Sistema Internacional de Unidades se mide en kilogramos. En 1889 se estableció el prototipo internacional del kilogramo, declarándose que: El kilogramo es la masa del prototipo. El prototipo está hecho con una aleación de platino-iridio y es conservado en el Bureau Internacional de Pesos y Medidas en Sèvres, Francia. 3. Unidad de tiempo: segundo (s) Originalmente se definió el segundo como 1/86 400 de un año medio solar. En 1967 se adoptó la actual definición: El segundo es la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado base del átomo cesio-13.

4. Unidad de corriente eléctrica: ampere (A) La actual definición fue establecida en 1948: El ampere es la corriente eléctrica que, circulando en 2 conductores rectos, paralelos, de longitud infinita y colocados a 1 m en el vacío, produce entre ellos una fuerza de 2 x 10 -7 N m -1 . 5. Unidad de temperatura termodinámica: kelvin (K) En 1967 se definió la unidad de temperatura termodinámica T, La misma unidad es empleada para expresar intervalos o diferencias de temperaturas: El kelvin es la fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica (definida) correspondiente al punto triple del agua.

6. Unidad de cantidad de substancia: mol (mol)

Para definir la unidad de cantidad de substancia, ha sido necesario previamente y por acuerdo internacional, fijar la correspondiente masa de dicha unidad, es decir, asignar el valor de 0,012 kg (exacto) a la masa del isótopo carbono-12, a partir de lo cual se ha establecido también la escala internacional de pesos (masas) atómicos. La definición fue sancionada en 1971:

El mol es la cantidad de substancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos existentes en 0,012 kilógramos de carbono-12.

Cuando se emplea el mol, se debe especificar las entidades elementales, las que pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones, otras partículas, o grupos especificados de partículas

7. Unidad de intensidad luminosa: candela

Originalmente la definición usó las propiedades de un radiador de Planck (cuerpo negro), a la temperatura de fusión del platino. Debido a las dificultades experimentales involucradas, en 1979 se adoptó la siguiente definición:

La candela es la intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite radiación monocromática cuya frecuencia es de 540 x 10 12 hertz, y que tiene una intensidad radiante en esa dirección igual a (1/683) watt por esteradián

Unidades SI (Sistema Internacional) Cantidad física Nombre de la unidad Símbolo longitud metro m masa kilogramo kg tiempo segundo s temperatura termodinámica kelvin K corriente eléctrica ampere A cantidad de sustancia mol mol intensidad luminosa candela cd

Las cantidades físicas son aquellas que combinados con números representan una magnitud. 1. Unidades Fundamentales : masa, tiempo, longitud, intensidad de corriente, luminosa, cantidad de sustancia, temperatura. (Kg, s, m, A, cd, mol, K). 2. Unidades Derivadas : volumen, fuerza, densidad, trabajo, etc… (m 3 , N = kg m s -2 , Kg m -3 , J = N m). 3. Magnitud física : como toda medición consiste en atribuir un valor numérico cuantitativo a alguna propiedad de un cuerpo (Ej.: la longitud o el área); pueden cuantificarse por comparación con un patrón o con partes de un patrón.

Magnitud Unidad del SI Expresión en otras unidades Expresió en unidades básicas nombre símbolo ángulo plano radián rad m·m -1 ==1 frecuencia hertz Hz s -1 fuerza newton N kg·m·s -2 presión, tensión pascal Pa N/m 2 m -1 ·kg·s -2 energía, trabajo, cantidad de calor joule J N·m m 2 ·kg·s -2 potencia, flujo radiante watt W J/s m 2 ·kg·s -3 diferencia de potencial eléctrico, fuerza electromotriz volt V W/A m 2 ·kg·s -3 ·A -1 capacitancia farad F C/V m -2 ·kg -1 ·s 4 ·A 2 resistencia eléctrica ohm W V/A m 2 ·kg·s -3 ·A -2 carga eléctrica coulomb C F·V A·s conductancia eléctrica siemens S A/V m -2 ·kg -1 ·s 3 ·A 2 flujo magnético weber Wb V·s m 2 ·kg·s -2 ·A -1

Factor Prefijo símbolo 10 1 deca da 10 2 hecto h 10 3 kilo k 10 6 mega M 10 9 giga G 10 12 tera T 10 15 peta P 10 18 exa E 10 21 zetta Z 10 24 yotta Y Factor Prefijo símbolo 10 -1 deci d 10 -2 centi c 10 -3 mili m 10 -6 micro µ 10 -9 nano n 10 -12 pico p 10 -15 femto f 10 -18 atto a 10 -21 zepto z 10 -24 yocto y