TERMODINAMICA, DIAGRAMA PVT, CALIDAD

 Introducción

La termodinámica es una materia fundamental en el ámbito de la ingeniería, y es por ello que el comprender los principales conceptos es necesario para el desarrollo de este curso.

Una de las principales herramientas en este curso será la comprensión y el uso de las gráficas de las superficies termodinámicas para las distintas sustancias.

Para una mejor comprensión de este tema se empleó el desarrollo de una investigación escrita de manera individual donde se presenta las definiciones de los conceptos de manera concreta y con representaciones gráficas para el entendimiento de este tema.

1-     1. Superficie tridimensional de una sustancia P.T.V.

El diagrama PVT es la representación en el espacio tridimensional Presión - Volumen específico - Temperatura de los estados posibles de un compuesto químico.

Estos estados configuran en el espacio PVT una superficie discontinua, debiéndose las discontinuidades a los cambios de estado que experimenta el compuesto al variarse las condiciones de presión y temperatura, que son las variables que suelen adoptarse como independientes en los estudios y cálculos termodinámicos, principalmente por la relativa sencillez de su medida.

Las superficies delimitan las zonas de existencia de la fase sólida, la fase líquida y la fase gaseosa.

Imagen tomada del Libro de termodinámica Yunus Cengel 9na Edición

1-    2. ¿Qué gráficos se obtienen de una superficie P.T.v.?

A partir de una gráfica PVT dependiendo desde que eje se vea, se pueden obtener las siguientes gráficas:

Diagrama T-v:  para el caso del agua, a medida que aumenta la presión, esta línea de saturación se acorta (como en la Figura 3-15) y se convierte en un punto cuando la presión alcanza el valor de 22.06 MPa. Este punto se llama Punto crítico y se define como el punto en el que los estados de líquido saturado y de vapor saturado son idénticos.  La temperatura, la presión y el volumen específico de una sustancia en el punto crítico se denominan, respectivamente, temperatura crítica, presión crítica  y el volumen especifico crítico . Para el agua, las propiedades del punto son Pcr = 22.06 MPa,  Tcr = 373.95 °C y vcr = 0.003106.

 

Diagrama P-v: la forma general del diagrama P-v de una sustancia pura es similar a la del diagrama T-v, pero de las líneas de T=constante en este diagrama presentan una tendencia hacia abajo, como se ilustra en la figura 3-17b.

Diagrama P-T: en la figura 3-22 se ilustra el diagrama P-T de una sustancia pura, el cual se conoce como diagrama de fases porque las tres fases están separadas entre sí por tres líneas: la de sublimación separa las regiones sólidas y de vapor, y la de fusión separa las regiones sólida y líquida. Estas tres líneas convergen en el punto triple, donde las tres fases coexisten en equilibrio. La línea de evaporación finaliza en el punto crítico porque encima de éste no es posible distinguir las fases líquida y de vapor. Las sustancias que se expanden y contraen al congelarse difieren sólo en la línea de fusión en el diagrama P-T.

1- 3. Defina Calidad.

Si existe una sustancia con una parte en forma líquida y otra como vapor a la temperatura de saturación, entonces se dice que el vapor tiene calidad, y esa se define como la masa del vapor entre la masa total.

4. ¿Qué o cuáles son las ecuaciones para determinar la calidad de un estado?

La ecuación para determinar la calidad de un estado es la siguiente:

1-   5. ¿En qué región tenemos calidad?

La calidad solo se encuentra en las mezclas saturadas, de ahí que para las regiones de líquido comprimido o de vapor sobrecalentado no lo tenga.

Conclusión

En el desarrollo de esta tarea investigativa se pudo obtener una mejor comprensión sobre las superficies PTv de una sustancia, todo esto gracias a las infinitas fuentes de información que se encuentran a través sitios web, libros, artículos, etc.

También se conoce el concepto de “calidad”, que esta no está presente en todas las regiones de las sustancias, ya que esta solamente se encuentra en una sola región de las superficies de una sustancia.

Segunda ley de la Termodinámica.

Introducción.

La segunda ley de la termodinámica es un principio fundamental de la física y la termodinámica que determina la dirección en la que ocurren los procesos espontáneos. Esta ley se basa en dos propuestas principales:

Afirmación de Clausius: el calor no puede fluir espontáneamente de un objeto de menor temperatura a un objeto de mayor temperatura sin la intervención de trabajo externo. Proposición de Kelvin-Planck: No es posible construir una máquina térmica que funcione en un ciclo y tome todo el calor de una fuente caliente para convertirlo en trabajo mecánico. Estos argumentos implican que en los procesos termodinámicos siempre hay una pérdida de energía en forma de calor y que no puede convertirse completamente en trabajo útil. Además, determinan la dirección en la que ocurren los procesos naturales, es decir, el calor siempre se mueve de una zona con mayor temperatura a una zona con menor temperatura. La segunda ley de la termodinámica tiene un impacto significativo en la eficiencia de los motores térmicos, la producción de energía y los procesos naturales. Este es un concepto fundamental para comprender cómo se comportan los sistemas termodinámicos y cómo utilizar la energía de manera eficiente.

Preguntas:

1. Postulado de la segunda ley de la termodinámica.

Resp: El postulado de la segunda ley de la termodinámica establece que es imposible que un proceso ocurra en el que la única interacción sea la transferencia de calor desde un cuerpo frío a uno más caliente, sin ninguna otra influencia externa. En otras palabras, la segunda ley de la termodinámica establece que el calor siempre fluya de una región de mayor temperatura a una región de menor temperatura de forma espontánea, y no al revés, a menos que se realice un trabajo externo. Este postulado es fundamental en la comprensión de los principios de la termodinámica y tiene implicaciones importantes en la eficiencia de las máquinas térmicas y los procesos naturales.

Postula la imposibilidad de transformar, en un proceso cíclico, todo el calor en trabajo. Es decir, que el calor es una forma degradada de energía. Ya sea por razonamientos con máquinas térmicas ideales (como la del ciclo de Carnot), o ya sea por razonamientos analíticos (como el teorema de Caratheodory), se deduce la necesidad de la existencia de otra función de estado: la famosa entropía. A diferencia de la energía, esta sí se puede crear y, de hecho, en cualquier proceso espontáneo, aumenta hasta alcanzar un máximo en el equilibrio. Como un corolario de las anteriores líneas de razonamiento, se deduce la necesidad de la existencia de una escala absoluta de temperaturas, con un límite inferior, que es el cero absoluto de temperaturas.

2.Definición de las unidades de la entropía.

Resp: La entropía se define como una medida del desorden o la aleatoriedad en un sistema termodinámico. Las unidades de entropía dependen del sistema de unidades utilizado. En el Sistema Internacional (SI), las unidades de entropía son julios por kelvin (J/K).

La entropía se representa con el símbolo "S" y se calcula utilizando la fórmula:

𝑆 = 𝛥𝑄 / 𝑇

Donde:

ΔQ es la cantidad de calor transferida al sistema.

T es la temperatura absoluta. 

En resumen, las unidades de entropía en el SI son julios por kelvin (J/K).

3. Factores de irreversibilidad.

Resp: Los factores de irreversibilidad se refieren a las condiciones o procesos que hacen que un sistema termodinámico no pueda volver a su estado inicial sin la intervención de una influencia externa. Estos factores pueden incluir fricción, disipación de energía, transferencia de calor a través de una diferencia finita de temperatura, resistencia eléctrica, la deformación de inelástica de sólidos, reacciones químicas, entre otros. En un proceso reversible, todas las etapas pueden invertirse y el sistema puede regresar a su estado inicial sin pérdida de energía. Sin embargo, en un proceso irreversible, hay pérdida de energía debido a los factores mencionados anteriormente, lo que hace que el sistema no pueda regresar a su estado inicial sin la intervención de una influencia externa.

Los factores de irreversibilidad son importantes en la termodinámica porque afectan la eficiencia de los procesos y la cantidad de energía útil que se puede obtener de ellos. En general, se busca minimizar los factores de irreversibilidad para lograr procesos más eficientes y aprovechar al máximo la energía disponible.

Conclusión.

La segunda ley de la termodinámica tiene varios puntos importantes. No se puede construir una máquina térmica perfectamente eficiente: según la afirmación de Kelvin-Planck, es imposible construir una máquina térmica que funcione en un ciclo y convierta completamente el calor en trabajo mecánico. La energía siempre se pierde en forma de calor. El calor fluye desde una región de mayor temperatura a una región de menor temperatura: La afirmación de Clausius declara que el calor no puede fluir espontáneamente desde un objeto de menor temperatura a una región de mayor temperatura sin la intervención de trabajo externo. Esto significa que el calor siempre pasa de una temperatura más alta a una temperatura más baja. La entropía aumenta en los procesos naturales: La entropía mide el desorden o desuso de la energía de un sistema. Según la segunda ley de la termodinámica, la entropía total de un sistema aislado siempre aumenta en los procesos naturales. Esto significa que los estados ordenados son menos probables que los desordenados. Implicaciones importantes para la eficiencia de los motores térmicos, la producción de energía y la comprensión de los procesos naturales. La segunda ley de la termodinámica establece límites fundamentales a la conversión de energía y la dirección de los procesos termodinámicos.