Fundamentos de Termodinámica y sus Aplicaciones

Fundamentos de Termodinámica

La energía indica la capacidad de realizar trabajo. El trabajo se define como una fuerza que produce un desplazamiento.

Tipos de Energía y Unidades de Medida

• Energía Potencial: Energía que posee un cuerpo debido a su posición o configuración.
• Energía Transitoria: Energía que se manifiesta mientras se realiza un trabajo. Se mide en Julios (J).
• Trabajo: Se considera energía mecánica en transición.
• Calor: Es energía térmica en transición. Se mide en Julios (J) o Calorías (cal). 1 cal = 4,18 J.

Sistemas Termodinámicos

Un Sistema Termodinámico es una región del espacio que posee fronteras, las cuales pueden ser fijas o variables, reales o imaginarias, permeables o impermeables.

Clasificación de Sistemas Termodinámicos

• Sistemas Abiertos: Permiten el intercambio de energía y materia con su entorno.
• Sistemas Cerrados: Permiten el paso de energía, pero no de materia.
• Sistemas Aislados: No permiten el intercambio ni de energía ni de materia.

Variables de un Sistema Termodinámico

El estado de un sistema termodinámico se describe mediante sus propiedades y variables:

• Variables Extensivas: Dependen de la masa del sistema (ej. energía, trabajo).
• Variables Intensivas: No dependen de la masa del sistema (ej. presión, temperatura).
• Variables Específicas: Son propiedades por unidad de masa (ej. calor específico, energía específica).

Las variables de estado fundamentales de un sistema son la presión, la temperatura, el volumen y la masa. Cuando todas estas variables son iguales, el sistema se encuentra en equilibrio.

Fases y Estados de un Sistema Termodinámico

Las fases son agrupaciones homogéneas de materia. Los estados comunes de la materia son sólido, líquido, gaseoso y fluido supercrítico.

Procesos Termodinámicos

Los procesos termodinámicos son las transformaciones que experimenta un sistema para pasar de una condición a otra:

• Proceso Isotérmico: La temperatura (T) se mantiene constante.
• Proceso Isobárico: La presión (P) se mantiene constante.
• Proceso Isócoro: El volumen (V) se mantiene constante.
• Proceso Reversible: El sistema puede volver a su estado inicial siguiendo el mismo proceso, sin degradación de energía.
• Proceso Irreversible: Proceso real que implica degradación de energía y generación de entropía.
• Proceso Cíclico: El sistema sufre una serie de transformaciones y regresa a su estado inicial.

Ecuación de Estado

La ecuación de estado sirve para calcular las variables del estado de un sistema. Un ejemplo es la ley de los gases ideales: P × V = n × R × T.

Otras Variables Termodinámicas Importantes

• Energía Interna (U): Mide la energía total de las moléculas de un sistema y su movimiento. Es mayor en gases que en sólidos.
• Entalpía (H): Mide la energía total que un sistema intercambia con su entorno.
• Entropía (S): Mide el grado de desorden de las moléculas en un sistema. A mayor entropía, mayor desorden.

Diagramas Termodinámicos

Las variables de estado determinan el estado en el que se encuentra un sistema. Los diagramas termodinámicos son herramientas visuales para representar estas relaciones.

Diagrama Presión-Temperatura (P-T)

Las líneas en un diagrama P-T representan regiones donde coexisten dos fases. El punto triple es aquel donde coexisten tres estados simultáneamente. Al aumentar la temperatura y la presión hasta el punto crítico, las propiedades combinadas de las fases se vuelven indistinguibles.

Diagrama Presión-Volumen (P-V)

En este diagrama, la presión se representa en el eje vertical y el volumen en el horizontal. Aparecen regiones donde coexisten más de un estado.

Diagrama Temperatura-Volumen (T-V)

Estos diagramas muestran las regiones de líquido a vapor. La isobara crítica es aquella donde la evaporación ocurre a presión y temperatura constantes, pasando al estado de fluido supercrítico.

Principios de la Termodinámica

Primer Principio de la Termodinámica

Establece la conservación de la energía. En un motor a reacción, el fluido de trabajo recibe y cede calor, produciendo cambios en presión, volumen y temperatura.

Segundo Principio de la Termodinámica

Indica que no es posible volver al estado inicial de un proceso sin un aumento neto de la entropía en el universo. Los procesos reales tienden a aumentar el desorden.

Fluidos y Comprensibilidad

Número de Mach y Comprensibilidad de Fluidos

Además de temperatura, volumen y presión, la velocidad del aire es una variable importante que depende de la temperatura.

Teorema de Bernoulli

Explica los efectos de los cambios de sección en conductos sobre un fluido que los atraviesa, manteniendo la presión constante en ciertas condiciones.

Ecuación de Continuidad

Relaciona el gasto de un fluido en dos secciones distintas de un tubo de corriente. El gasto se define como la masa de fluido por unidad de tiempo.

Ciclo de Brayton

Aunque se conoce como ciclo termodinámico, el ciclo de Brayton no se completa en sí mismo, ya que finaliza liberando calor a la atmósfera.

Procesos del Ciclo de Brayton

• a-b (Difusor y Compresor): Aumentan la presión del aire.
• b-c (Adición de Calor): Se añade calor al fluido a presión constante.
• c-d (Expansión Isentrópica): La turbina extrae energía para mover el compresor.
• d-a (Liberación de Calor): El fluido cede calor a la atmósfera a presión constante.

El trabajo de la turbina es igual al calor aportado en la cámara de combustión. El rendimiento del motor aumenta al incrementar la presión del compresor o la temperatura en la turbina. Un mayor rendimiento se logra al aumentar:

• El salto de presiones en la compresión.
• La cantidad de calor añadido en la cámara de combustión.
• Reduciendo la temperatura y presión de admisión.

Desviaciones en Procesos Reales

Los procesos reales del motor presentan desviaciones respecto a los ideales:

• Los procesos no son perfectamente isentrópicos, lo que genera pérdidas.
• El efecto de rozamiento puede ser significativo.
• La adición de calor en la cámara de combustión no ocurre a presión constante, y existen pérdidas de presión por rozamiento del aire.