Ultima edición el 16 septiembre, 2021 por JORGE CABRERA BERRÍOS
Los fundamentos de la termodinámica de la ingeniería juegan un papel importante en el avance hacia un mundo mejor, a través de la mejora en el rendimiento de la planta, el equipo y su diseño general.
Los factores que son críticos para evaluar el desempeño del equipo son elementos como la salida del producto final, el consumo de materia prima de entrada, el costo de producción y la evaluación del efecto sobre el medio ambiente. Los ingenieros de hoy están utilizando el concepto de termodinámica para examinar y reinventar las cosas que están destinadas a la seguridad y la comodidad humanas.
La ciencia de la termodinámica ha existido desde el 19 º siglo. Desde entonces, los científicos e ingenieros han realizado un esfuerzo constante y continuo para que sea lo más fácil de usar posible.
Indice de contenidos
- Fundamentos de termodinámica
- Termodinámica microscópica
- Propiedades, estados y procesos de la termodinámica
- Ciclo de equilibrio del sistema
- Sustancia de trabajo
- Sustancia pura
- Equilibrio termodinámico
- Proceso real y cuasi-equilibrio
- Dimensiones y Unidades
- Dimensiones y unidades secundarias
- Energía y formas de energía
Fundamentos de termodinámica
La palabra termodinámica se deriva de la palabra griega tema (significa calor) y dinámica (significa fuerza). Los profesionales de la ingeniería están interesados en estudiar los sistemas y su interacción con su entorno.
Los conceptos / definiciones utilizados en esta sección son útiles para que los lectores comprendan el concepto de termodinámica de ingeniería (a veces denominada ingeniería de energía térmica)
Sistema, entorno y universo
Un sistema es algo que queremos estudiar y que nos interesa, por lo que el primer paso es fijar con precisión el objetivo del estudio del sistema. El estudio objetivo del sistema puede ser mejorar la eficiencia del sistema o reducir las pérdidas, etc. Un ejemplo de sistema puede ser analizar el ciclo de refrigeración en una planta de almacenamiento en frío o analizar el ciclo Rankine en una planta de energía .
Un sistema se define como una masa definida de sustancia pura limitada por una superficie cerrada o flexible; de manera similar, la composición de la materia dentro del sistema puede ser fija o variable según el ciclo.
Las dimensiones del sistema no son necesariamente constantes (como el aire en un compresor es comprimido por un pistón), pueden ser variables (como un globo inflado). La materia que interactúa con el sistema externamente se llama Circunstancia y el Universo es el resultado del sistema y el entorno.
El elemento que separa el sistema de su entorno se llama límite. El límite del sistema puede estar fijo o en movimiento.
La interacción entre el sistema y el entorno tiene lugar al cruzar la frontera y, por lo tanto, desempeña un papel muy importante en la termodinámica (es decir, ingeniería térmica y energética).
Tipos de sistema en termodinámica
Hay dos tipos básicos de sistemas en termodinámica:
- Sistema Cerrado o Masa de Control : está asociado con la cantidad definida de hombre. A diferencia de un sistema abierto, en un sistema cerrado, no se produce un flujo másico de materia a través de los límites del sistema. También existe un tipo especial de sistema cerrado que no interactúa y se aísla del entorno que se denomina sistema aislado.
- Volumen de control (sistema abierto) : el volumen de control se limita a una región del espacio a través de la cual la masa y la energía pueden fluir y cruzar los límites del sistema. El límite de un sistema abierto se llama superficie controlada; esta superficie controlada puede ser real o irreal.
Ejemplos de volumen de control son tipos de equipos que involucran el flujo de masa para cruzar el límite del sistema, como el flujo de agua a través de bombas, flujo de vapor en turbinas y flujo de aire a través de compresores de aire.
Termodinámica microscópica
El enfoque microscópico en termodinámica también se denomina termodinámica estadística y está asociado a la estructura de la materia y el objetivo de la termodinámica estadística es caracterizar el comportamiento promedio de la partícula que conforma el sistema de interés y, a su vez, utilizar esta información para observar la comportamiento macroscópico del sistema.
Propiedades, estados y procesos de la termodinámica
Propiedad termodinámica
Una propiedad termodinámica es una característica macroscópica de un sistema. El valor de una propiedad se puede asignar en cualquier momento sin el conocimiento del valor previo y su comportamiento.
Propiedad amplia
Las propiedades que dependen de la masa se denominan propiedades extensivas y su valor para el sistema general es la suma de sus valores para las partes en las que se divide el sistema. Ejemplos de propiedad extensiva son Volumen, Energía y Masa. La propiedad extensiva depende del tamaño de un sistema y puede cambiar con el tiempo.
Propiedad intensiva
En contraste con la propiedad extensiva, una propiedad intensiva no depende de la masa ni es de naturaleza aditiva y no depende del tamaño total del sistema. Puede variar en diferentes lugares dentro del sistema en cualquier momento. Ejemplos de propiedad intensiva son la presión y la temperatura.
Estado termodinámico
Un estado se define como la condición de un sistema que se describe mejor por sus propiedades. La masa encerrada en un sistema se puede encontrar en una variedad de condiciones únicas, llamadas estado. Existen relaciones entre las propiedades de un sistema, pero el estado se puede especificar proporcionando el valor de un subconjunto de las propiedades.
Proceso termodinámico
Los procesos termodinámicos son la conversión de un estado a otro. Si el valor de la propiedad macroscópica de en un sistema en dos momentos diferentes es idéntico, se dice que el sistema está en el mismo estado en ese momento. La condición de estado estable del sistema se logra si ninguna de sus propiedades cambia con respecto al tiempo.
Ciclo de equilibrio del sistema
Un ciclo de equilibrio del sistema termodinámico es un proceso secuencial que comienza y termina con la condición del mismo estado. Cuando se completa el ciclo, todas las propiedades tienen el mismo valor que al principio. Todos los ciclos que se repiten regularmente juegan un papel vital en muchas áreas de aplicación, como la circulación de condensado en una estación generadora de energía térmica ejecuta un ciclo.
Sustancia de trabajo
La teoría de la materia es útil para comprender el concepto de energía. La materia es conocida por su masa, volumen y espacio y, independientemente de su estructura y naturaleza, tiene ciertas características como consistencia y confiabilidad. La materia está formada por una gran cantidad de partículas llamadas moléculas. Se pueden encontrar materias sólidas, líquidas o gaseosas en todas partes.
En la materia sólida, las moléculas están cerca unas de otras y están fuertemente unidas y no pueden moverse libremente. Por lo tanto, se requiere una gran fuerza para cambiar su forma.
Las moléculas en una materia líquida no se sujetan firmemente y, por lo tanto, una fuerza muy pequeña es suficiente para mantener juntas las moléculas.
En un estado gaseoso, las moléculas se mueven al azar y libremente, como si estuvieran en un estado libre, luego se mueven muy rápido independientemente de sus moléculas adyacentes. La compresibilidad está asociada con los gases, hay muchos espacios vacíos entre las moléculas de conexión. La energía es la razón de que la materia exista en diferentes fases.
Sustancia pura
El material de estructura química única u homogeneidad en estructura química variante se conoce como sustancias puras. El material puede existir en una sola fase como líquido o también puede existir en más de una fase en equilibrio entre sí. Una mezcla uniforme de gases que tienen una composición química similar también se denomina sustancia pura.
La importancia de la sustancia pura radica en la determinación de las propiedades de la sustancia de trabajo en diferentes condiciones de presión y temperatura.
Ejemplo : Para una sustancia pura como el agua se puede describir completamente mediante dos propiedades intensivas soberanas denominadas presión y temperatura. Otra sustancia pura es el aire en estado gaseoso. Pero para una sustancia no homogénea, se requieren más de dos propiedades para describir el estado.
Equilibrio termodinámico
En mecánica, se dice que se ha alcanzado el equilibrio cuando igualamos las fuerzas opuestas. Pero el significado del equilibrio termodinámico es diferente y de gran alcance, ya que implica un acto de equilibrio para muchas otras influencias (entre el sistema y el entorno) además de equilibrar las fuerzas opuestas). Para alcanzar el equilibrio completo en un sistema, es necesario cumplir la condición de equilibrio mecánico, térmico, de fase y químico.
En esta sección, limitamos nuestro análisis al equilibrio termodinámico. El énfasis en tener estados de equilibrio y su cambio de un equilibrio a otro se describe mejor en la Termodinámica clásica.
Si el estado es fijo, se dice que el sistema está en equilibrio. Las propiedades intensivas como la presión y la temperatura deben medirse con precisión para asignar el estado. Se dice que un sistema está en equilibrio termodinámico si sus propiedades intensivas no cambian debido a muy poca perturbación.
En esta situación, el sistema está en completa estabilidad con las restricciones que ofrece el entorno.
Proceso real y cuasi-equilibrio
Durante un proceso real, se puede considerar que un sistema no está en equilibrio debido a los diversos efectos de no equilibrio presentes en el sistema y, por lo tanto, muestra un cambio en la presión y la temperatura.
En el proceso de cuasi-equilibrio (cuasi-estático), la desviación del estado de equilibrio termodinámico es extremadamente pequeña. Por tanto, todos los estados por los que pasa el sistema se consideran en estado de equilibrio durante un proceso de cuasi-equilibrio.
El cuasi-equilibrio se utiliza para derivar relaciones entre varias propiedades extensivas como la entropía, la energía interna, los calores específicos y la entalpía, etc.
Dimensiones y Unidades
La cantidad física se conoce por sus dimensiones y si se le da la magnitud a esta dimensión, entonces se denomina como una unidad. El requisito previo de los cálculos de ingeniería es tener la misma unidad de cantidades físicas.
Algunas dimensiones vitales como masa (m), longitud (L), tiempo (t) y temperatura (T) se denominan dimensiones primarias. Los ingenieros y científicos de todo el mundo están realizando sus cálculos principalmente en dos tipos de unidades llamadas sistema inglés y sistema métrico (SI). El sistema SI de representación de unidades es más lógico y comúnmente utilizado por los profesionales.
| Dimensiones primarias | Unidad métrica (SI) | Unidad inglesa |
| Largo | Metros (m) | Pie (pies) |
| Masa | Kilogramo (kilogramo) | Libra (lb) |
| Tiempo | Segundos (s) | Segundos (s) |
| Temperatura | Kelvin (K) | Fahrenheit |
| Corriente eléctrica | amperios (A) | amperios (A) |
Dimensiones y unidades secundarias
Las dimensiones secundarias o dimensiones derivadas se expresan en términos de dimensiones primarias como Velocidad (V), Energía (E) y Volumen (V), Fuerza, Potencia, Calor, etc.
La fuerza se considera una dimensión secundaria en unidades SI, ya que su unidad se deriva de la segunda ley de Newton que es La 
fuerza se define como la fuerza requerida para acelerar una masa de 1 kg a una velocidad de 1 m / s2.
El peso y la masa no deben considerarse iguales. El peso es la fuerza gravitacional que actúa sobre un cuerpo y su magnitud se determina a partir de la segunda ley de Newton. El 
peso específico (y) se define como la fuerza de gravedad que actúa sobre una unidad de volumen de una sustancia y se determina por y = (densidad) × g N / m3
Por tanto, independientemente de la ubicación en el universo, la masa del cuerpo sigue siendo la misma. Cuando cambia la aceleración gravitacional, también cambia el peso del cuerpo. En la cima de la montaña, el cuerpo pesa menos, ya que su g disminuye con la altitud.
El volumen específico (ϑ) y la densidad (ρ) son propiedades intensivas y pueden diferir de un punto a otro. Recíproco de densidad es un volumen específico. 
Presión: La presión se define como una fuerza normal ejercida por un fluido por unidad de área en caso de líquido o gas. En sólidos, la presión es equivalente a la tensión normal.
SI La unidad de presión y tensión es Pascal (N / m2). Otras unidades de presión se dan a continuación:
| 1 pascal | 1 N / m 2 |
| 1 K – Pascal | 10 3 – N / m 2 |
| 1 barra | 10 5 – N / m 2 |
| 1 M – Pascal | 10 6 – N / m 2 |
| 1 atm | 101,325 kpa = 1,01325 barras |
| 1 barra | 100 kpa = 0,1 M – Pascal |
| 1 kgf / cm 2 | 9.807 N / cm 2 = 0.9807 Bar = 0.9679 atm |
La presión absoluta está relacionada con la presión real en un punto dado y la medición se realiza con respecto al vacío absoluto o la presión cero absoluta.
La presión real en un punto dado se denomina presión absoluta y se mide en relación con el vacío absoluto (presión cero absoluta). 
Las presiones por debajo de la presión atmosférica se denominan presión de vacío y se miden con un manómetro de vacío que indica la diferencia entre la ‘presión atmosférica y la’ presión absoluta. 
La figura anterior describe mejor la relación entre la presión absoluta, la presión atmosférica, la presión manométrica y las presiones de vacío.
Energía y formas de energía
La energía se define como la capacidad de realizar un trabajo. El aporte de energía siempre produce algún efecto sobre la materia del sistema.
Los dos tipos principales de energía son: energía almacenada y energía en tránsito
- En el material, la energía almacenada puede salir en varias formas como energía interna (IE), energía cinética (KE), energía potencial (PE), energía química (CE), energía eléctrica (EE), energía nuclear (NE). Los detalles de esta energía se discutirán en la siguiente sección.
- Energía en tránsito
Calor El
calor se define como la energía transferida sin la transferencia de masa a través del límite de un sistema debido a la diferencia de temperatura entre el sistema y el entorno. La energía en transición por sí sola se llama calor. La cantidad de calor transferido durante un proceso depende del camino seguido y no solo de las condiciones finales.
Trabajo
Cuando se usa la fuerza F para mover una o más partículas a través de una distancia x, se denomina Trabajo. En una disposición de cilindro de pistón dada a continuación para disminuir el volumen V de un sistema, se requiere trabajo. Por lo tanto, en un cambio de volumen extremadamente pequeño en el sistema como resultado del movimiento del pistón se relaciona con el diferencial en el trabajo a través del producto fuerza-distancia por la fórmula:
dW = Fdx = pAdx = pdV [ft-ldf | Nm] …………… .. (1)
dw = pdv [Btu / lbm | KJ / kg] …… .. (2)
Donde, p es la presión del sistema, A es el área, F es la fuerza, x es la distancia incremental recorrida, W es el trabajo, V es el volumen
Las letras minúsculas en las ecuaciones 1 y 2 anteriores son para trabajo y volumen basados en masa por unidad. Las propiedades extensas con caracteres en minúscula se denominan propiedades específicas.
La ecuación- (1) está en unidad inglesa, mientras que la unidad térmica británica (BTU) se usa en la ecuación 2 y los dos conjuntos de unidades están vinculados por un factor de conversión llamado equivalente mecánico de calor y su valor es 778 ft-lbf / Btu.
