Fundamentos de Termodinámica: Sistemas, Propiedades y Formas de Trabajo

Conceptos Fundamentales de Termodinámica: Sistemas, Propiedades y Trabajo

Sistema Termodinámico

Se define sistema termodinámico o simplemente sistema como cualquier sustancia o conjunto de sustancias de masa fija, que se supone limitada por una envoltura o superficie ideal. Este límite que separa el sistema del espacio exterior puede ser fijo o móvil.

Estados Termodinámicos y Propiedades

El estado de un sistema queda definido mediante los valores de un cierto número de propiedades variables. En particular, el estado termodinámico se define mediante los valores de la presión, el volumen y la temperatura.

Las propiedades termodinámicas se clasifican en:

• Propiedades Intensivas: Son aquellas que son independientes de la masa del sistema, por ejemplo, la temperatura y la presión.
• Propiedades Extensivas: Son aquellas que dependen de la masa del sistema y representan valores totales, por ejemplo, el volumen total o la energía interna total.

Tipos de Trabajo en Sistemas Termodinámicos

Trabajo Externo e Interno

Un sistema en conjunto realiza trabajo externo o mecánico cuando se desplaza venciendo la resistencia o fuerzas exteriores que lo sujetan, como por ejemplo, el cilindro analizado anteriormente. En cambio, si el trabajo lo realiza una parte del sistema sobre otra parte del mismo, se define a este como trabajo interno, como por ejemplo, las acciones mutuas de las moléculas de un gas.

Trabajo de Expansión o Compresión

El trabajo de expansión o compresión se efectúa cuando el sistema aumenta su volumen venciendo la presión del medio ambiente, o cuando disminuye su volumen vencido por el mismo.

Si un sistema de volumen V1 se encuentra sometido a la presión P del medio externo y, por efecto de un aumento de temperatura, se expande (como se observa en la figura), realiza un trabajo externo positivo.

Cuando todo el sistema se expande desde el volumen inicial V1 al volumen final V2, efectúa un trabajo total de expansión que se calcula como:

W = P * (V2 - V1)

Trabajo de Flujo

Este tipo de trabajo se produce cuando hay flujo de masa, es decir, en el caso de un sistema de control. Si una sustancia fluye hacia o desde un sistema (como muestra la figura), a medida que esta cruza los límites del sistema, se transfiere una cierta cantidad de energía, denominada trabajo de flujo.

Para que el volumen V (flujo que ingresa) de gas que viene por el conducto pueda atravesar el límite del sistema, a través de una sección S y venciendo la presión del sistema, es necesario efectuar sobre dicho volumen de gas un trabajo que será igual a:

W = P * S * L

Trabajo de Circulación

El trabajo de circulación se produce cuando a un sistema de control llega un cierto flujo de masa por un límite y sale otro por otro límite del mismo.

Las ecuaciones para el trabajo de circulación pueden ser:

W = -P1 * V1 +/- W2 + P2 * V2

W = P2 * V2 +/- P * (V2 - V1) - P1 * V1