U.N.A.D.M.

Sistemas termodinmicos en el entorno

1.Introduccin

Sistema Termodinmico:Toda regin en el espacio que ocupa un volumen y tiene una frontera (real o imaginaria) (Rolle, 2006)

Un sistema termodinmico se define como la parte del universo objeto de estudio. Un sistema termodinmico puede ser una clula, una persona, el vapor de una mquina de vapor, la mezcla de gasolina y aire en un motor trmico, la atmsfera terrestre, etc. El sistema puede estar separado del resto del universo (denominado alrededores del sistema) por paredes reales o imaginarias. En este ltimo caso, el sistema objeto de estudio sera, por ejemplo, una parte de un sistema ms grande. las paredes que separan un sistema de sus alrededores pueden ser aislantes (llamadas paredes adiabticas) o permitir el flujo de calor (diatrmicas).Los sistemas termodinmicos pueden ser, aislados, cerrados o abiertos, y estn determinados en gran medida por sus variables termodinmicas. Sistema abierto.En un sistema abierto es posible la transferencia de masa y de energa a travs de sus lmites, la masa contenida en l no es necesariamente constante.Ejemplo: La combustin de madera al aire libre, o una reaccin qumica en un vaso de laboratorio abierto, que permite tanto el paso de calor a travs de las paredes del recipiente (se dice que el recipiente tiene paredes diatrmicas) como desprendimiento de gases, los organismos vivos tambin somos ejemplos de sistemas abiertos.

En ejemplo conciso es una nube, ya que no tiene lmites claros ni definidos. En ella ocurre un intercambio de energa con el entorno, ya que si no perdiera ni absorbiera calor, el agua no podra subir ni bajar, tampoco podra crecer ni contraerse, cambiar de forma, condensar agua ni evaporarla. Dado que estos cambios se deben precisamente a la ganancia y prdida de agua, entonces podemos deducir que estn presentes las siguientes variables: Masa (agua)

Presin (Vapor)

Temperatura (Fenmenos de condensacin y evaporacin)

VolmenSistema cerrado.Es una regin de masa constante; a travs de sus lmites slo se permite la transferencia de energa (calor y trabajo). Ejemplo: Un recipiente cerrado de vidrio en el que se lleva a cabo una reaccin qumica que desprende calor. Los gases formados no pueden abandonar dicho recipiente porque est cerrado con un tapn, pero el calor s que puede desprenderse porque las paredes de vidrio son diatrmicas. Si tocamos el recipiente con las manos notaremos que est caliente.Un ejemplo conciso de un sistema cerrado es un sistema bsico de refrigeracin, el cual consta de un compresor, un evaporador, un condensador y una vlvula de expansin. Precisamente, la funcin de estos sistemas es realizar un intercambio de energa a travs de dos lneas; una de alta presin y una de baja presin con la ayuda de un gas refrigerante, por lo que en este sistema cerrado podemos deducir que intervienen las siguientes variables:

Presin (lneas de condensado y evaporado) Temperatura (Intercambio de energa).En este sistema la masa y el volumen son constantes.Sistema aislado.Un sistema aislado no puede transferir materia ni energa con el medio que lo rodea; es decir no intercambia ni materia ni energa con los alrededores.Ejemplo:Lo que se conoce coloquialmente como un termo, que tcnicamente es un vaso Dewar y que se usa para llevar infusiones o caf y que se mantengan calientes ms tiempo, es en teora (el caf siempre se enfra) un sistema aislado, que no permite ni el paso de materia ni de energa.Un ejemplo claro aplicado en la industria es sin duda un reactor qumico, su principal funcin, como el nombre lo indica, es lograr una reaccin qumica en su interior. Segn el proceso en cuestin, el diseo y la aplicacin, todos los valores (Masa, presin, temperatura y volumen) son constantes.

Grfica de los sistemas termodinmicos.

2.Variables termodinmicos.Las variables termodinmicas o variables de estado son las magnitudes que se emplean para describir el estado de un sistema termodinmico. Dependiendo de la naturaleza del sistema termodinmico objeto de estudio, pueden elegirse distintos conjuntos de variables termodinmicas para describirlo. En los sistemas existen las siguientes variables:IntensivasSon aquellas que son independientes de la materia presente en el sistema.ExtensivasSon aquellas que dependen de la cantidad de materia que tiene el sistema.Variables extensivasVariables intensivas

Masa (kg)Densidad (kg/m2)

Volumen (m3)Volumen especifico (volumen/masa; m3/kg)

Volumen molar (volumen/moles; m3/mol)

Presin (Pa)

Temperatura (K)

Capacidad calorfica especfica (J/kg-K)

Capacidad calorfica molar (J/mol-K)

Concentracin (mol/m3;mol/l;g/l)

Energa interna, U (kJ)Energa interna molar (kJ/Kmol)

Entropa, S (kJ/K)Entropa molar (kJ/K-mol)

Entalpa, H (kJ)Entalpa molar (kJ/mol)

Energa libre, G (kJ)Energa libre molar (kJ/mol)

Un procedimiento habitual a nivel experimental para facilitar el estudio de los sistemas termodinmicos es limitar el nmero de variables de dicho sistema, manteniendo algunas fijas. Por ejemplo, si estudiamos un proceso a una temperatura constante de 25C, la temperatura dejar de ser una variable (no vara) y pasar a ser un valor numrico. Este tipo de proceso en el que se fija una variable adopta su nombre en funcin de cul sea la variable fijada: A los procesos que se llevan a cabo a temperatura constante, se los denomina isotermos o isotrmicos. A los procesos que se llevan a cabo a presin constante, se les denomina isobricos. A los procesos que se llevan a cabo a volumen constante, se les denomina isocoros. A los procesos que se llevan a cabo sin transferencia de calor entre el sistema y el entorno, se les denomina adiabticos.Algunas variables termodinmicas son, adems, lo que se conoce como funciones de estado. Esto significa que si el sistema sufre una modificacin y pasa de un estado A a un estado B, el valor de estas variables termodinmicas que son funciones de estado no depende de cmo se ha efectuado la transformacin, solo del estado del sistema.Ejemplo:Consideremos un sistema que est en un estado A en el cual la temperatura es de 20C. Este sistema sufre una transformacin y pasa a estar en un estado B en el cual la temperatura es de 60C. El sistema en le estado B seguir estando a 60C independientemente del camino que haya seguido la transformacin. No depende del camino que ha seguido dicha transformacin, no importa si se ha calentado y luego enfriado, o si se ha calentado progresivamente. La temperatura en el estado B seguir siendo de 60C, sin importar cmo se ha llegado a ello. Por esto, la temperatura es una funcin de estado, slo depende del estado del sistema en el momento en que lo consideremos.Otra forma de decir esto es que las variaciones que experimentan las funciones de estado slo dependen del estado inicial y final del sistema. En nuestro caso la variacin de temperatura es de 40C (60 20). (Rolle, 2006)Qu pasa cuando una masa de aire fro entra en contacto con la tierra que se encuentra a una temperatura mayor?Cuando una masa de aire se desplaza sobre una superficie ms clida que ella (en este caso la tierra) se calienta por su base. Entonces la inestabilidad trmica se desarrolla en las capas bajas y luego se extiende hacia arriba. Si el aire inicialmente contena inversiones estas se destruyen y se establece uniformemente en la baja troposfera un fuerte gradiente de temperatura (Bidegain, 2007). La temperatura tiende a ponerse en equilibrio con las superficies adyacentes hasta cierto punto que dependen de diversos factores, de los cuales el ms importante es la duracin del contacto. La masa de aire que se desplaza absorber humedad y formar nubes cuando el calentamiento en la base extienda la inestabilidad a altitudes mayores.Considerando las definiciones antes presentadas, podemos deducir que el sistema trmico que se presentara ser el sistema abierto, ya que hay intercambio de masa y energa.El fenmeno ocurrido en este caso es la radiacin, que es una de las tres formas de transferencia de calor al haber interaccin entre dos cuerpos a diferentes temperaturas, en este caso el aire frio con la tierra a mayor temperatura.U.N.A.D.M.

Ingeniera en Tecnologa Ambiental

Asignatura: Termodinmica

Unidad: 1

Actividad: Sistemas termodinmicos en el entorno

2015

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