Entalpía

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Entalpía

  1. 1. EntalpíaEntalpía(del prefijoeny del griegothalpeincalentar), tal palabra fue escrita en 1850 por elfísico alemán Clausius. La entalpía es una magnitudde termodinámica simbolizada con laletra H, la variación de entalpía expresa una medida de lacantidad de energía absorbida ocedida por un sistema termodinámico, o, lo que es lo mismo, lacantidad de energía que talsistema puede intercambiar con su entorno.Entalpía TermodinámicaLaentalpía(simbolizada generalmente como "H", también llamadacontenido de calor, y calculada en Jen el sistema internacional de unidades o también en kcal o, si no, dentro del sistema anglo:"BTU"), es unavariable de estado, (lo que quiere decir que, sólo depende de los estados inicial y final) que sedefine comola suma de la energía interna de un sistema termodinámico y el producto de su volumen y supresión.Laentalpíatotal de un sistemanopuede ser medida directamente, al igual que la energía interna, encambio, la variación de entalpía de unsistema sí puede ser medida experimentalmente. El cambio de laentalpía del sistema causado por un procesollevado a cabo a presión constante, es igual al calor absorbido por el sistema durante dicho proceso.Laentalpía se define mediante la siguiente fórmula:Donde:• Hes la entalpía (en julios).•Ues la energía interna (en julios).• pes la presión del sistema (en pascales).•Ves el volumen del sistema (en metros cúbicos).Sin importar si la presión externa es constante, la variacióninfinitesimal de la entalpía obedece a:d H=TdS+Vd P(Ses la entropía)Siempre y cuando el único trabajo realizado sea a través de un cambio de volumen. La entalpíaes lacantidad de calor, a presión constante, que transfiere una sustancia.Puesto que la expresiónTdS
  2. 2. siempre representa una transferencia de calor, tiene sentido tratar la entalpíacomo una medida del calor totaldel sistema, siempre y cuando la presión se mantenga constante; estoexplica el términocontenido de calor.EntropíaEl términoEntropía(tendencia natural de la pérdida del orden) puede referirse aEntropíaes un concepto en termodinámica, mecánica estadística y teoría de la información.Los conceptosde información y entropía están ampliamente relacionados entre sí, aunque setardó años en eldesarrollo de la mecánica estadística y la teoría de la información parahacer esto aparente. Esteartículo versa sobre la entropía, en la formulación que hace de ellala Teoría de la información. Esta entropía se llama frecuentemente entropía de Shannon, enhonora Claude E. Shannon.La entropía nos indica el límite teórico para la compresión de datos. También es una medida de lainformacióncontenida en el mensaje.Su cálculo se realiza mediante la siguiente fórmula:Diagrama de faseEn termodinámica y ciencia de materiales se denominadiagrama de fasea la representación gráfica de lasfronteras entre diferentes estados de la materia de un sistema, en función devariables elegidas para facilitar el estudio del mismo. Cuando en una de estas representaciones todas las fasescorresponden a estados deagregación diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado.En cienciade materiales se utilizan ampliamente los diagramas de fase binarios, mientras que entermodinámica seemplean sobre todo los diagramas de fase de una sustancia pura.Diagrama de fase de una sustancia puraLos diagramas de fase más sencillos son los de presión - temperatura de una sustancia pura, como puedeser eldel agua. En el eje de ordenadas se coloca la presión y en el de abcisas la temperatura. Generalmente, parauna presión y temperatura dadas, el cuerpo presenta una única fase excepto en las siguientes zonas:•Punto triple: En este punto del diagrama coexisten los estados sólido, líquido ygaseoso. Estospuntos tienen cierto interés, ya que representan un invariante y por lotanto se pueden utilizar paracalibrar termómetros.•Los pares (presión, temperatura)que corresponden a una transición de fase entre:○Dos fases sólidas: Cambio alotrópico;○entre una fase sólida y una fase líquida: fusión - solidificación;○entre una fase sólida y una fase vapor (gas): sublimación - deposición (osublimación inversa);○entre una fase líquida y una fase vapor: vaporización - condensación (olicuefacción);Es importante señalar que la curva que separa las fases vapor-líquido se detiene en un punto llamadopuntocrítico. Más allá de este punto, la materia se presenta como un fluido supercrítico que tienepropiedadestanto de los líquidos como de los gases. Modificando la presíón y temperatura en valoresalrededor del punto crítico se producen reacciones que pueden tener interés industrial, como por ejemplo lasutilizadas para obtener café descafeinado.es preciso anotar que, en el diagrama PV del agua, la línea quesepara los estados líquido y sólido tiene pendiente negativa, lo cual es algo bastante inusual. Esto quiere decirque aumentando la presíon el hielo sefunde, y también que la fase sólida tiene menor densidad que la faselíquida.Diagrama de fase binario
  3. 3. Cuando aparecen varias sustancias, la representación de los cambios de fase puede ser más compleja. Uncasoparticular, el más sencillo, corresponde a los diagramas de fase binarios. Ahora las variables a tener encuentason la temperatura y la concentración, normalmente en masa. En un diagrama binario puedenaparecer lassiguientes regiones: ¿Qué es la entropía?La energía sólo puede ser convertida en trabajo cuando, dentro del sistema concreto que se estéutilizando, la concentración de energía no es uniforme. La energía tiende entonces a fluir desde elpunto de mayor concentración al de menor concentración, hasta establecer la uniformidad. Laobtención de trabajo a partir de energía consiste precisamente en aprovechar este flujo.El agua de un río está más alta y tiene más energía gravitatoria en el manantial que en ladesembocadura. Por eso fluye el agua río abajo hasta el mar. (Si no fuese por la lluvia, todas lasaguas continentales fluirían montaña abajo hasta el mar y el nivel del océano subiría ligeramente. Laenergía gravitatoria total permanecería igual, pero estaría distribuida con mayor uniformidad.)Una rueda hidráulica gira gracias al agua que corre ladera abajo: ese agua puede realizar un trabajo.El agua sobre una superficie horizontal no puede realizar trabajo, aunque esté sobre una meseta muyalta y posea una energía gravitatoria excepcional. El factor crucial es la diferencia en la concentraciónde energía y el flujo hacia la uniformidad.Y lo mismo reza para cualquier clase de energía. En las máquinas de vapor hay un depósito de calorque convierte el agua en vapor, y otro depósito frío que vuelve a condensar el vapor en agua. El factordecisivo es esta diferencia de temperatura. Trabajando a un mismo y único nivel de temperatura no sepuede extraer ningún trabajo, por muy alta que sea aquélla.El término "entropía" lo introdujo el físico alemán Rudolf J. E. Clausius en 1850 para representar elgrado de uniformidad con que está distribuida la energía, sea de la clase que sea. Cuanto másuniforme, mayor la entropía. Cuando la energía está distribuida de manera perfectamente uniforme, laentropía es máxima para el sistema en cuestión.Clausius observó que cualquier diferencia de energía dentro de un sistema tiende siempre a igualarsepor sí sola. Si se coloca un objeto caliente en contacto con otro frío, el calor fluye de manera que elprimero se enfría y el segundo se calienta, hasta que ambos quedan a la misma temperatura. Sitenemos dos depósitos de agua comunicados entre sí y el nivel de uno de ellos es más alto que el delotro, la atracción gravitatoria hará que el primero baje y el segundo suba, hasta que ambos niveles seigualan y la energía gravitatoria queda distribuida uniformemente.Clausius afirmó por tanto que en la naturaleza era regla general que las diferencias en lasconcentraciones de energía tendían a igualarse. O digámoslo así: que "la entropía aumenta con eltiempo".El estudio del flujo de energía desde puntos de alta concentración a otros de baja concentración sellevó a cabo de modo especialmente complejo en relación con la energía térmica. Por eso, el estudiodel flujo de energía y de los intercambios de energía y trabajo recibió el nombre de "termodinámica",que en griego significa "movimiento de calor".Con anterioridad se había llegado ya a la conclusión que la energía no podía ser destruida ni creada.Esta regla es tan fundamental que se la denomina "primer principio de la termodinámica".La idea sugerida por Clausius que la entropía aumenta con el tiempo es una regla general no menosbásica, y se denomina "segundo principio de la termodinámica". termodinámica".
  4. 4. LA ENTALPÍALa Entalpía es la cantidad de energía de un sistema termodinámico que éste puede intercambiar con suentorno. Por ejemplo, en una reacción química a presión constante, el cambio de entalpía del sistema es elcalor absorbido o desprendido en la reacción. En un cambio de fase, por ejemplo de líquido a gas, el cambiode entalpía del sistema es el calor latente, en este caso el de vaporización. En un simple cambio detemperatura, el cambio de entalpía por cada grado de variación corresponde a la capacidad calorífica delsistema a presión constante. El término de entalpía fue acuñado por el físico alemán Rudolf J.E. Clausiusen 1850. Matemáticamente, la entalpía H es igual a U + pV, donde U es la energía interna, p es la presión y Ves elvolumen. H se mide en julios.Definición de algunos conceptosLa termodinámica, por definirla de una manera muy simple, fija su atención en el interior de lossistemas físicos, en losintercambios de energía en forma de calor que se llevan a cabo entre unsistema y otro. A las magnitudes macroscópicas quese relacionan con el estado interno de un sistema se les llama coordenadas termodinámicas; éstas nos van a ayudar adeterminar la energía interna del sistema. En resumen, el fin último de la termodinámica es encontrar entre las coordenadastermodinámicas relaciones generales coherentes con los principios básicos de la física(recuérdese el principio de laconservación de la energía que tratamos en el número 3 de "Horizonte Social).La termodinámica basa sus análisis en algunas leyes: La Ley "cero", referente al concepto detemperatura, la Primera Ley dela termodinámica, que nos habla de el principio de conservación de la energía, la Segunda Ley de la termodinámica, que nosdefine a la entropía. A continuación vamos a hablar de cada una de estas leyes, haciendo hincapié en la segunda ley y elconcepto de entropía.La Ley ceroLa Ley cero de la termodinámica nos dice que si tenemos dos cuerpos llamados A y B, con diferente temperatura uno de otro,y los ponemos en contacto, en un tiempo determinado t, estos alcanzarán la misma temperatura, es decir, tendrán ambos lamisma temperatura. Si luego un tercer cuerpo, que llamaremos C se pone en contacto con A y B, también alcanzará la mismatemperatura y, por lo tanto, A, B y C tendrán la misma temperatura mientras estén en contacto.De este principio podemos inducir el de temperatura, la cual es una condición que cada cuerpo tiene y que el hombre haaprendido a medir mediantesistemas arbitrarios y escalas de referencia (escalas termométricas).La Primera LeyLa Primera ley de la termodinámica se refiere al concepto de energía interna, trabajo y calor. Nos dice que si sobre unsistema con una determinada energía interna, se realiza un trabajo mediante un proceso, la energía interna del sistemavariará. A la diferencia de la energía interna del sistema y a la cantidad de trabajo le denominamos calor. El calor es laenergía transferida al sistema por medios no mecánicos. Pensemos que nuestro sistema es un recipiente metálico con agua;podemos elevar la temperatura del agua por fricción con una cuchara o por calentamiento directo en un mechero; en elprimer caso, estamos haciendo un trabajo sobre el sistema y en el segundo le transmitimos calor.Cabe aclarar que la energía interna de un sistema, el trabajo y el calor no son más que diferentes manifestaciones de energía.Es por eso que la energía no se crea ni se destruye, sino que, durante un proceso solamente se transforma en sus diversasmanifestaciones.La Segunda LeyPor último, vamos a ver el contenido de la segunda ley de la termodinámica. En términos más o menos sencillos diría losiguiente: "No existe unproceso cuyo único resultado sea la absorción de calor de una fuente y la conversióníntegra de este calor en trabajo". Este principio (Principio de Kelvin-Planck) nació del estudio del rendimientode máquinas y mejoramiento tecnológico de las mismas. Si este principio no fuera cierto, se podría hacer funcionaruna central térmica tomando el calor del medio ambiente; aparentemente no habría ninguna contradicción, pues el medioambiente contiene una cierta cantidad de energía interna, pero debemos señalar dos cosas: primero, la segunda ley de latermodinámica no es una consecuencia de la primera, sino una ley independiente; segundo, la segunda ley nos habla delas restricciones que existen al utilizar la energía en diferentes procesos, en nuestro caso, en una central térmica. No existeuna máquina que utilice energía interna de una sola fuente de calor.El concepto de entropía fue introducido por primera vez por R. J. Clausius a mediados del siglo XIX. Clausius, ingenierofrancés, también formuló un principio para la Segunda ley: "No es posible proceso alguno cuyo único resultado seala transferencia de calor desde un cuerpo frío a otro más caliente". En base a este principio, Clausius introdujo elconcepto de entropía, la cual es una medición de la cantidad de restricciones que existen para que un proceso se lleve a cabo y
  5. 5. nos determina también la dirección de dicho proceso. Vamos ahora a hablar de las tres acepciones más importantes de lapalabra entropía.La entropía, el desorden y el grado de organización.Vamos a imaginar que tenemos una caja con tres divisiones; dentro de la caja y en cada división se encuentran tres tiposdiferentes de canicas: azules, amarillas y rojas, respectivamente. Las divisiones son movibles así que me decido a quitar laprimera de ellas, la que separa a las canicas azules de las amarillas. Lo que estoy haciendo dentro del punto de vista de laentropía es quitar un grado o índice de restricción a mi sistema; antes de que yo quitara la primera división, las canicas seencontraban separadas y ordenadas en colores: en la primera división las azules, en la segunda las amarillas y en la terceralas rojas, estaban restringidas a un cierto orden.Al quitar la segunda división, estoy quitando también otro grado de restricción. Las canicas se han mezclados unas con otrasde tal manera que ahora no las puedo tener ordenas pues las barreras que les restringían han sido quitadas.La entropía de este sistema ha aumentado al ir quitando las restricciones pues inicialmente había un orden establecido y alfinal del proceso (el proceso es en este caso el quitar las divisiones de la caja) no existe orden alguno dentro de la caja.La entropía es en este caso una medida del orden (o desorden) de un sistema o de la falta de grados de restricción; la manerade utilizarla es medirla en nuestro sistema inicial, es decir, antes de remover alguna restricción, y volverla a medir al final delproceso que sufrió el sistema.Es importante señalar que la entropía no está definida como una cantidad absoluta S (símbolo de la entropía), sino lo que sepuede medir es la diferencia entre la entropía inicial de un sistema Si y la entropía final del mismo Sf. No tiene sentido hablarde entropía sino en términos de un cambio en las condiciones de un sistema.Entropia, procesos reversibles y procesos irreversibles.Volviendo al ejemplo anterior de la caja con separaciones y canicas, vamos a explicar qué es un proceso reversible y qué unproceso no reversible.Llamamos proceso reversible al que se puede invertir y dejar a nuestro sistema en las mismas condiciones iniciales. Teniendoen cuentanuestra caja ya sin las separaciones, tenemos a las canicas revueltas unas con otras, es decir, sin un orden. Si el proceso queefectuamos de quitar las divisiones fuera reversible, las canicas tendrían que ordenarse espontáneamente en azules, amarillasy rojas, según el orden de las divisiones. Esto no ocurrirá.El proceso que efectuamos con nuestra caja de canicas fue un proceso no reversible, en donde una vez terminado, el ordenque había en las condiciones iniciales del sistema ya nunca volverá a establecerse. El estudio de este tipo de procesos esimportante porque en la naturaleza todos los procesos son irreversibles.La entropía y la energía "gastada".En el principio enunciado por Clausius que anteriormente citamos, podemos encontrar la relación con la entropía y laenergía liberada en un proceso. Pensemos en un motor. El motor necesita de una fuente de energía para poder convertirla entrabajo. Si pensamos en un coche, la gasolina, junto con el sistema de chispa del motor, proporciona la energía (química)de combustión, capaz de hacer que el auto se mueva. ¿qué tiene que ver la entropía aquí?La energía que el coche "utilizó" para realizar trabajo y moverse, se "gastó", es decir, es energía liberada mediante un procesoquímico que ya no es utilizable para que un motor produzca trabajo.Este es uno de los conceptos más difíciles de entender de la entropía, pues requiere un conocimiento un poco menos trivialdel funcionamiento demotores, frigoríficos y el ciclo de Carnot. Pero para nuestros fines con esta explicación es suficiente.¿Para qué sirve la entropía?La entropía, como medida del grado de restricción o como medida del desorden de un sistema, o bien en ingeniería, comoconcepto auxiliar en losproblemas del rendimiento energético de las máquinas, es una de las variables termodinámicas másimportantes. Su relación con la teoría del caos le abre un nuevo campo de estudio e investigación a este tan "manoseado"concepto.
  6. 6. Teorema de BernoulliTeorema de Bernoulli, principio físico que implica la disminución de la presión de un fluido (líquido o gas) en movimientocuando aumenta suvelocidad. Fue formulado en 1738 por el matemático y físico suizo Daniel Bernoulli. El teorema afirmaque la energía total de un sistema de fluidos con flujo uniforme permanece constante a lo largo de la trayectoria de flujo.Puede demostrarse que, como consecuencia de ello, el aumento de velocidad del fluido debe verse compensado por unadisminución de su presión.El teorema se aplica al flujo sobre superficies, como las alas de un avión o las hélices de un barco. Las alas están diseñadaspara que obliguen al aire a fluir con mayor velocidad sobre la superficie superior que sobre la inferior, por lo que la presiónsobre esta última es mayor que sobre la superior. Esta diferencia de presión proporciona la fuerza de sustentación quemantiene al avión en vuelo. Una hélice también es un plano aerodinámico, es decir, tiene forma de ala. En este caso, ladiferencia de presión que se produce al girar la hélice proporciona el empuje que impulsa al barco. El teorema de Bernoullitambién se emplea en las toberas, donde se acelera el flujo reduciendo el diámetro del tubo, con la consiguiente caída depresión. Asimismo se aplica en los caudalímetros de orificio, también llamados venturi, que miden la diferencia de presiónentre el fluido a baja velocidad que pasa por un tubo de entrada y el fluido a alta velocidad que pasa por un orificio de menordiámetro, con lo que se determina la velocidad de flujo y, por tanto, el caudal.Teorema de TorricelliEs una aplicación del principio de Bernoulli y estudia el flujo de un líquido contenido en un recipiente, a través de unpequeño orificio, bajo la acción de la gravedad. A partir del teorema de Torricelli se puede calcular el caudal de salida de unlíquido por un orificio. "La velocidad de un líquido en una vasija abierta, por un orificio, es la que tendría un cuerpocualquiera, cayendo libremente en el vacío desde el nivel del líquido hasta el centro de gravedad del orificio":

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