TERMODINAMICA

17
CAPÍTULO 2
FUNDAMENTOS TERMODINÁMICOS

En este capítulo se introducen algunos conceptos básicos de termodinámica; se repasa
cómo las Leyes de la Termodinámica gobiernan la conversión de energía de una forma a
otra; se presentan dos de los ciclos termodinámicos que modelan el funcionamiento de
una máquina térmica; se introduce el concepto de volumen de control para el análisis de
sistemascuyas fronteras permiten el intercambio de materia con los alrededores; se
analiza la relación de dependencia que existe entre las propiedades que definen el estado
de un sistema; se exponen los fundamentos de los procesos de combustión; finalmente,
se elabora el concepto de exergía, haciendo especial énfasis en el concepto de eficiencia
exergética.

2.1

Conceptos preliminares

El objeto de estudioes el sistema. La frontera delimita al sistema y puede ser tanto real
como imaginaria. Lo externo al sistema son los alrededores. Si la frontera permite el
intercambio de materia entre el sistema y sus alrededores, entonces se dice que el
sistema es abierto. Por el contrario, si no hay flujo de materia a través de la frontera se
dice que el sistema es cerrado. Si el sistema no intercambia materiani energía con los
alrededores, entonces se habla de un sistema aislado.

Cada punto en el espacio termodinámico representa un estado del sistema. El estado del
sistema es su condición en determinado momento y está completamente definido por sus

18
propiedades. Las propiedades son las características macroscópicas del sistema a las
cuales se les puede asignar un valor numérico en determinadomomento sin conocimiento
de la historia del sistema. Entonces, dos estados son idénticos siempre y cuando sus
propiedades sean idénticas. Cuando el valor de alguna propiedad cambia, entonces el
estado del sistema cambia y se dice que ocurre un proceso. Si al final del proceso o serie
de procesos los valores de todas las propiedades son idénticos a los valores iniciales, y
por lo tanto el estadofinal es idéntico al estado inicial, entonces se dice que el sistema
hizo un ciclo.

Las propiedades termodinámicas cuyos valores no son proporcionales a la cantidad de
fluido y son el mismo en todos los puntos de la muestra se conocen como propiedades
intensivas. Ejemplos de propiedades intensivas son la presión p y la temperatura T. Por
otro lado, la energía E, el volumen V y la entropía S sonpropiedades extensivas en el
sentido de que sus valores son directamente proporcionales a la cantidad de materia. Si
dividimos una propiedad extensiva entre la cantidad de fluido que posee ésta propiedad,
entonces ésta proporción es independiente de la cantidad de materia; se conoce como
propiedad extensiva específica y se denota por minúsculas.

Cuando un sistema aislado no presenta cambios en suspropiedades con el tiempo y por
lo tanto su estado permanece constante, entonces se encuentra en estado de equilibrio.
Un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinámico cuando existe una
condición de balance térmico, mecánico y químico; es decir, cuando la temperatura, la
presión y el potencial químico del sistema son uniformes y permanecen constantes.

Un proceso cuasiestático oproceso de cuasiequilibrio es aquel durante el cual la
separación del estado del sistema del estado de equilibrio termodinámico es a lo sumo

19
infinitesimal. De este modo, todos los estado a través de los cuales pasa el sistema
durante un proceso cuasiestático se consideran estados de equilibrio, y pueden
representarse como puntos en el espacio termodinámico. Para un proceso cuasiestático,
losvalores de las propiedades intensivas son uniformes en todo el sistema en cada
estado.

2.2

Primera Ley de la Termodinámica

En termodinámica, trabajo se refiere a una transferencia de energía. Se considera que un
sistema hace trabajo sobre otro cuando el único efecto de la acción pudiera ser el
levantamiento o el descenso de una pesa. El trabajo no es una propiedad del sistema: es
un modo de...